ЭЛЕКТРОИМПУЛЬСНЫЙ ПОГРУЖНОЙ БУР
SUBMERGED-TYPE ELECTRIC PULSE DRILL

Изобретение относится к техническим средствам для бурения скважин и проходки стволов с помощью высоковольтных импульсных разрядов, развивающихся непосредственно в горной породе, и может найти применение в горной промышленности для проходки скважин и стволов в крепких горных породах глубиной сотни метров. Изобретение может быть использовано также для бурения скважин в нефте- и газодобывающих отраслях.
Известен электроимпульсный погружной бур, рассмотренный в описании магнитно-тиристорного генератора импульсов (патент на изобретение RU №2315421, МПК 8 Н03К 3/00, опубл. 20.01.2008), включающий в себя корпус генератора импульсов, являющийся одновременно корпусом бура, к нижнему концу которого прикреплен буровой наконечник с искровыми промежутками между разнополярными электродами, трубу для подачи на забой скважины промывочной жидкости, установленную по осевой линии корпуса и отделенную от него высоковольтным изолятором, и погруженный в электроизоляционную среду генератор импульсов, содержащий магнитные звенья сжатия и соединенные последовательно первичный емкостной накопитель, тиристорный ключ, входной импульсный трансформатор; источник питания генератора импульсов (не показан) подключен параллельно тиристорному ключу, первое звено сжатия образовано из двух последовательно включенных конденсаторов и входного импульсного трансформатора. Генератор содержит также выходной импульсный трансформатор с ферромагнитным сердечником, первичная обмотка которого образована корпусом, а вторичные секторные обмотки уложены по спирали, и однослойную конусообразную катушку размагничивания, подключенную одним выводом к общей точке секторных обмоток, а другим выводом - к первичной обмотке входного импульсного трансформатора.
Одним из недостатков этого устройства является низкая надежность высоковольтного изолятора из-за расположенной в нем однослойной конусообразной катушки размагничивания, т.к. витки катушки создают высокие градиенты электрического поля, что вызывает быстрое ухудшение свойств материала изолятора и ускоряет его электрический пробой. Кроме того, генераторы, подобные тому, который применен в этом устройстве, формируют импульсы высокого напряжения с параметрами, недостаточными для эффективного электроимпульсного бурения.
Наиболее близким к предложенному устройству по конструктивным особенностям и достигаемому положительному эффекту является электроимпульсный погружной бур, приведенный в описании погружного электроразрядного генератора (патент на изобретение RU №2340081, МПК 8 Н03К 3/53, опубл. 27.11.2008), включающий в себя корпус генератора с рубашкой, являющийся одновременно корпусом бура, к нижнему концу которого прикреплен рабочий инструмент (буровой наконечник) с искровыми промежутками, центральный канал (трубу) для подачи промывочной жидкости на забой скважины, отделенный от корпуса верхним (внутри него электроды разрядника) и нижним (над рабочим инструментом) изоляторами, а также размещенный в корпусе генератор импульсов, содержащий полосковую формирующую линию, соединенную с многоканальным неуправляемым искровым разрядником и импульсным трансформатором, ко вторичной обмотке которого через согласующую коаксиальную линию подключен рабочий инструмент, причем многоканальный разрядник выполнен с радиально-сходящимися электродами-анодами, охваченными ферромагнитными сердечниками и расположенными вокруг цилиндрического катода, ферромагнитные сердечники охвачены встречно-параллельно короткозамкнутыми витками, электроды полосковой формирующей линии разделены на несколько частей-обкладок (каждая с выводом по центру обкладок), уложены по спирали Архимеда вокруг центрального канала на основание, выполненное из диэлектрика, потенциальные обкладки подключены к катоду разрядника, а другие - к общей точке подключения первичной и вторичной обмоток импульсного трансформатора, внутренняя полость разрядника заполнена газом под давлением, а пространство в корпусе под этим разрядником от нижнего изолятора заполнено диэлектрической жидкостью (трансформаторным маслом).
Одним из недостатков этого электроимпульсного погружного бура-прототипа является низкая надежность его работы. Это связано с тем, что продукты, образующиеся при срабатываниях многоканального неуправляемого искрового разрядника, оседают на нижней внутренней поверхности изолятора разрядника и приводят к развитию электрических разрядов по его поверхности. Удаление этих продуктов без разборки бура невозможно. Кроме того, продукты загрязнения, имеющиеся в трансформаторном масле и образующиеся при развитии в нем единичных электрических разрядов, оседают на всей поверхности нижнего изолятора и приводят к пробою этого изолятора. Такие загрязнения можно удалить также лишь при полной разборке бура. Другой недостаток бура-прототипа заключается в сложности его технического обслуживания, т.к. для осмотра, регулировки, замены любой детали, кроме деталей рабочего инструмента, необходимо каждый раз полностью сливать трансформаторное масло и извлекать из корпуса все детали (в сборке).
Основной технический результат предложенного решения заключается в том, что срок службы этого бура без его аварийной разборки многократно выше, чем бура-прототипа, т.к. в нем конструктивно предусмотрен сбор продуктов загрязнения в кольцевом грязесборнике и их периодическое удаление без разборки бура. При этом сбор продуктов загрязнения в буре происходит на максимальном расстоянии от его элементов, находящихся под высоким напряжением. Другим техническим результатом является упрощение технического обслуживания бура, т.к. проще стравливать газ, чем выливать, собирать и очищать масло для многократного его использования. Кроме того, конструкция бура позволяет оперативно извлекать и ставить на место отдельные съемные конденсаторные секции или конденсаторы без полной разборки генератора.
Новый технический результат достигается тем, что в электроимпульсном погружном буре, содержащем коаксиально расположенные промывочный трубопровод и корпус бура, к нижнему концу которого механически и электрически присоединен буровой наконечник, над которым в зазоре между корпусом бура и промывочным трубопроводом, между высоковольтным нижним изолятором и крышкой бура размещен источник импульсов высокого напряжения, помещенный в электроизоляционную среду, согласно предложенному решению, в качестве электроизоляционной среды источника импульсов высокого напряжения применен газ под давлением, а часть высоковольтного нижнего изолятора, находящегося в электроизоляционной среде над его опорным ребром, выполнена с наклоненными в сторону бурового наконечника изоляционными ребрами, под которыми расположен кольцевой грязесборник, причем источник импульсов высокого напряжения выполнен по схеме Аркадьева-Маркса, и его конденсаторы размещены вокруг промывочного трубопровода в виде съемных конденсаторных секций, а зарядные элементы, включенные между конденсаторами, выполнены в виде индуктивных катушек с ферромагнитными сердечниками.
Целесообразно кольцевой грязесборник выполнять съемным, а бур снабжать одним или несколькими сбросными клапанами.
Целесообразно также высоковольтный нижний изолятор выполнять так, чтобы диаметр изолятора над его опорным ребром был больше внутреннего диаметра прижимного фланца, расположенного под опорным ребром.
Пример конкретного выполнения. На фиг.1 приведен продольный разрез предложенного электроимпульсного погружного бура, на фиг.2 изображено его поперечное сечение, проходящее по конденсаторам секции, а на фиг.3 представлена фотография съемной конденсаторной секции.
Электроимпульсный погружной бур содержит коаксиально расположенные промывочный трубопровод 1, выполненный из стеклопластика, и стальной корпус бура 2. Верхний конец бура закрыт крышкой 3, через которую пропущен промывочный трубопровод 1 и на которой укреплен высоковольтный ввод 4, через который осуществляется зарядка конденсаторных секций. В нижней части корпуса бура 2 в него вставлен верхним концом высоковольтный нижний изолятор 5, а нижний конец этого изолятора является изолятором бурового наконечника 6, изготовленного из материала Сталь 20 по патенту на изобретение (RU №2409735, МПК Е21В 7/15, Е21С 37/18, опубл. 20.01.2011, Бюл. №2). Возможно применение буровых наконечников и других конструкций. Часть высоковольтного нижнего изолятора 5, находящаяся над его опорным ребром 7, выполнена с наклоненными в сторону бурового наконечника 6 изоляционными ребрами 8, под которыми расположены кольцевой грязесборник 9 и один или несколько сбросных клапанов 10. Диаметр высоковольтного нижнего изолятора 5 над его опорным ребром 7 больше внутреннего диаметра прижимного фланца 11, выполненного в виде кольца и расположенного под опорным ребром 7. Это предотвращает разрушение (срезание) опорного ребра 7 вертикальными нагрузками. Прижимной фланец 11 расположен над опорным фланцем 12, входящим в заземленную электродную систему бурового наконечника 6, которая прикреплена шпильками к нижнему фланцу 13, жестко соединенного (электросваркой) с призабойным концом корпуса бура 2. Высоковольтный нижний изолятор 5 снабжен трубчатым высоковольтным тоководом 14, надетым на нижний конец промывочного трубопровода 1. Для обеспечения герметичности зазора между тоководом 14 и промывочным трубопроводом 1 под тоководом расположено уплотнительное кольцо 15, а верхний конец токовода снабжен гайкой 16, служащей для сжатия уплотнительного кольца. В зазоре между корпусом бура 2 и промывочным трубопроводом 1, между высоковольтным нижним изолятором 5 и крышкой бура 3 размещен источник импульсов высокого напряжения, выполненный по схеме Аркадьева-Маркса (В.В.Кремнев, Г.А.Месяц. Методы умножения и трансформации импульсов в сильноточной электронике. Глава 2.1. Генераторы, собранные по схеме Аркадьева-Маркса. Новосибирск, Наука, 1987. С.33, рис.2.1). Конденсаторы 17 этого источника размещены вокруг промывочного трубопровода 1, между конденсаторами включены зарядные элементы 18 (фиг.2), выполненные в виде индуктивных катушек с ферромагнитными сердечниками. Детали источника импульсов высокого напряжения скомпонованы в виде съемных конденсаторных секций (фиг.1-3), каждая из которых содержит две шины 19, между которыми закреплены один или несколько конденсаторов 17, два зарядных элемента 18 и опорный изолятор 20, свободно надетый на промывочный трубопровод 1, что позволяет легко монтировать каждую конденсаторную секцию на промывочный трубопровод и снимать с него. В каждой конденсаторной секции с помощью шин 19 (шины изображены на фиг.1) параллельно включено пять конденсаторов (фиг.2). Это связано с тем, что емкость одного конденсатора 17 составляет 0,022 мкФ. Чтобы получить в каждой секции 0,11 мкФ, в них использовано по пять одинаковых конденсаторов 17. Электроды разрядников 21, выполненные из вольфрамокобальтового сплава, укреплены на вертикально расположенных изоляционных (из стеклотекстолита) штангах 22, которые позволяют регулировать величину разрядного промежутка путем перемещения (вращения) одной из этих штанг без нарушения герметичности бура. Под нижней (последней) конденсаторной секцией для выравнивания электрического поля на выходе источника импульсов высокого напряжения дополнительно размещен экран 23. В качестве электроизоляционной среды во внутренней полости между корпусом бура 2 и промывочным трубопроводом 1 применен газ под давлением 24, в частности азот. Возможно применение, например, осушенного воздуха под давлением.
Работа предложенного электроимпульсного погружного бура осуществляется следующим образом. Бур заполняют азотом под давлением 10 атм и с помощью колонны бурильных труб (не показана) устанавливают на забой скважины. Для выноса шлама и газообразных продуктов, образующихся при развитии высоковольтных разрядов в горной породе (граните), по промывочному трубопроводу 1 (фиг.1) на забой скважины подают диэлектрическую промывочную жидкость, например дизельное топливо. Корпус бура 2 заземляют.Затем от зарядного устройства (не показано), расположенного на дневной поверхности или в скважине над буром, через высоковольтный ввод 4 на источник импульсов высокого напряжения через шины конденсаторов 19 подают выпрямленное напряжение 37 кВ. При этом как во всех генераторах, собранных по схеме Аркадьева-Маркса, происходит параллельная зарядка конденсаторов 17 через зарядные элементы 18 (фиг.2). При последующем последовательном пробое промежутков между электродами разрядников 21 происходит последовательное соединение емкостей конденсаторных секций, умножение напряжения (в зависимости от числа конденсаторных секций) и быстрый разряд всех конденсаторов на нагрузку, т.е. на горную породу между высоковольтными и заземленными электродами бурового наконечника 6. Быстрому заряду конденсаторов и повышению КПД источника импульсов высокого напряжения способствует выполнение зарядных элементов 18 в виде индуктивных катушек с ферромагнитными сердечниками. Продукты, образующиеся при электрических пробоях промежутков между электродами разрядников 21 и загрязняющие газ, оседают вниз в кольцевой грязесборник 9 и частично на наклоненные в сторону бурового наконечника изоляционные ребра 8, с которых они попадают в грязесборник при развитии электрических разрядов в горной породе, т.к. при каждом таком разряде весь бур вибрирует. Для удаления продуктов из грязесборника 9 давление газа 24 в буре поднимают выше рабочего: с 10 атм до 11 атм, отчего срабатывает сбросной клапан 10 или несколько таких клапанов, и загрязнения выдуваются из внутренней полости бура в затрубное пространство. При необходимости грязесборник снимают и очищают или заменяют другим.
С использованием бурового наконечника диаметром 360 мм при амплитуде импульсов высокого напряжения 360 кВ и емкости в разряде 0,011 мкФ в гранитных блоках пробурено несколько метров скважин. При подаче нескольких сот тысяч высоковольтных импульсов нижний изолятор 5 не вышел из строя, т.е. нет следов его электрического пробоя и развития разрядов на поверхности; нет и механических повреждений. Не наблюдались и электрические пробои газа 24. Бур-прототип выходил из строя уже при подаче нескольких десятков тысяч импульсов и требовал полной его разборки для замены вышедших из строя изоляторов.