ЭЛЕКТРОИМПУЛЬСНЫЙ БУРОВОЙ НАКОНЕЧНИК
ELECTROPULSE DRILL BIT

Изобретение относится к техническим средствам для бурения скважин в крепких горных породах, мерзлых грунтах электроимпульсным способом высоковольтными разрядами, развивающимися внутри горных пород, и может быть использовано в горнодобывающей и строительной отраслях промышленности, а также при бурении нефтегазовых, гидрогеологических и гидротермальных скважин.
Известен бур для проходки скважин электрическими импульсными разрядами [Адам A.M. Ректор ТПИ А.А. Воробьев - изобретатель электроимпульсного способа разрушения горных пород // Известия Томского политехнического университета. - 2013. - Т. 322. - № 2. - С. 191-196 (описание и фото бура (рис. 3) на стр. 194)], в котором к нижнему токопроводящему (высоковольтному) его концу, выполненному в виде стержня, прикреплены с возможностью перемещения в осевом направлении не изолированные от окружающей (промывочной) жидкости (высоковольтные) электроды, расположенные один в центре торцевой части трубы, а остальные - по окружности (периферийно). Заземленная труба (наружный корпус) бура выполнена с вырезом с образованием заземленных электродов, расположенных на одинаковом расстоянии от ближайших высоковольтных электродов.
Недостатком известного устройства является заклинка его поднимающимся из призабойной зоны шламом, так как при электроимпульсном бурении разрушение горных пород происходит крупным сколом (наибольшие частицы шлама имеют длину, равную межэлектродному промежутку, толщину до 30% и ширину до 40% от величины межэлектродного промежутка), а рассматриваемый бур имеет одинаковый диаметр по всей длине, поэтому нет зазора для выхода (подъема) крупного шлама. Другой недостаток состоит в том, что конструктивно не предусмотрена ликвидация прихватов в скважине крупными кусками горной породы, откалывающимися от стенок скважины, а прихваты - это всегда прекращение бурения. Кроме того, при электроимпульсном бурении стенки скважины дополнительно разрушаются из-за того, что внедряющиеся в горную породу высоковольтные разряды воздействуют на нее как микровзрывы, которые даже физически (без приборов) ощущаются на поверхности вблизи скважины глубиной до 20-30 м и обрушают стенки скважины, с чем дополнительно связаны прихваты электроимпульсных буровых наконечников и буровых снарядов.
Известен электроимпульсный буровой наконечник [3. RU 2286432 C1, МПК Е21В 7/00, опубл. 27.10.2006], выбранный в качестве прототипа, который состоит из высоковольтной и заземленной электродных систем, разделенных изолятором с промывочными окнами, и выполнен с дополнительным промывочным каналом, в призабойной части которого в седле установлен временный гидрозатвор. Над седлом выполнен один или несколько электродных каналов, в каждом из которых размещен дополнительный подпружиненный электрод. Временный гидрозатвор выполнен шаровым из эластичного или тающего растворяющегося в промывочной жидкости материала.
Конструкция известного электроимпульсного наконечника не позволяет вести разрушение кусков горной породы в зоне прихватов и таким образом ликвидировать эти прихваты.
Техническим результатом предложенного электроимпульсного бурового наконечника является реализация в нем конструктивных решений, позволяющих ликвидировать прихваты электроимпульсных буровых наконечников в скважинах путем разрушения крупных кусков горной породы, образующих в затрубном пространстве зоны прихватов, приводящих к остановке процесса бурения (углубки) скважин.
Техническим результатом предложенного устройства является повышение эффективности бурения за счет обеспечения возможности ликвидации прихватов в скважинах электроимпульсного бурового наконечника путем разрушения кусков горной породы в зоне прихвата высоковольтными импульсными разрядами.
Предложенный электроимпульсный буровой наконечник, так же как в прототипе, состоит из разделенных высоковольтным изолятором, выполненным с продольными промывочными каналами, заземленной и высоковольтной электродных систем, снабженных чередующимися стержневыми заземленными и радиально расположенными высоковольтными электродами, причем заземленные электроды прикреплены к нижнему концу трубчатого корпуса электроимпульсного бурового наконечника, а радиально расположенные высоковольтные электроды прикреплены к центральному высоковольтному электроду.
Согласно изобретению каждый радиально расположенный высоковольтный электрод снабжен прикрепленным к нему сверху вертикально дополнительным электродом, верхний конец которого расположен на уровне нижнего конца трубчатого корпуса электроимпульсного бурового наконечника на расстоянии от него не менее величины наибольшего призабойного межэлектродного промежутка между соседними разнополярными электродами.
Верхний конец каждого дополнительного высоковольтного электрода выполнен долотообразной формы со скошенной поверхностью, обращенной в сторону трубчатого корпуса электроимпульсного бурового наконечника.
На фиг. 1 представлен продольный разрез предложенного устройства.
На фиг. 2 (вид А) показаны торцевые поверхности всех его электродов, контактирующих с забоем скважины.
Электроимпульсный буровой наконечник состоит из заземленной электродной системы и высоковольтной электродной системы, разделенных высоковольтным изолятором 1, который выполнен с продольными промывочными каналами 2.
Заземленная электродная система содержит трубчатый корпус 3 и периферийно расположенные заземленные электроды 4.
Высоковольтная электродная система содержит центральный высоковольтный электрод 5 с прикрепленными к нему радиально расположенными высоковольтными электродами 6.
Заземленные электроды 4 прикреплены к нижнему концу трубчатого корпуса 3 равноудаленно от радиально расположенных высоковольтных электродов 6, к каждому из которых сверху вертикально прикреплено по одному дополнительному высоковольтному электроду 7. Верхние концы электродов 7 расположены на уровне нижнего конца 8 трубчатого корпуса 3 на расстоянии от него не менее величины наибольшего призабойного межэлектродного промежутка между соседними разнополярными электродами (например, не менее 30 мм в свету при диаметре призабойной части электроимпульсного бурового наконечника 150 мм). Верхние концы дополнительных высоковольтных электродов 7 выполнены долотообразной формы со скошенной поверхностью 9, обращенной в сторону трубчатого корпуса 3.
Трубчатый корпус 3 выполнен с возможность присоединения резьбовым соединением к колонне бурильных труб 10. Сверху в продольное отверстие 11 центрального высоковольтного электрода 5 свободно вставлен нижний конец высоковольтного токовода 12. Для предотвращения поворота электродных систем относительно друг друга в трубчатом корпусе 3 укреплены два стопорных сегмента 13, а втулка 14 плотно посажена в высоковольтный изолятор 1. Гайка 15 удерживает центральный высоковольтный электрод 5 во втулке 14. Повороту центрального высоковольтного электрода 5 относительно втулки 14 препятствует шпонка (показана).
Электроимпульсный буровой наконечник устанавливают на забой скважины, а затем для выноса шлама в полость между колонной бурильных труб 10 и высоковольтным тоководом 12 подают промывочную жидкость (в частности, дизельное топливо), которая по продольным промывочным каналам 2 высоковольтного изолятора 1 поступает на забой скважины. Затем через высоковольтный токовод 12 импульсы высокого напряжения (300 кВ, 25000 пФ) подают на центральный высоковольтный электрод 5. Предварительно заземляют колонну бурильных труб 10, и через нее и все элементы заземленной электродной системы идет процесс углубки скважины. Но при бурении в нарушенных, трещиноватых горных породах происходит обрушение стенок скважины, прихват электроимпульсного бурового наконечника и колонны бурильных труб 10 крупными кусками горной породы 16. На забое скважины разрушение горной породы происходит на глубину, равную примерно 30 % величины межэлектродного промежутка, и далее углубка скважины не происходит, электроимпульсный буровой наконечник зависает над забоем скважины. В таких случаях путь развития высоковольтных электрических разрядов между верхним концом каждого дополнительного высоковольтного электрода 7 и нижним концом 8 трубчатого корпуса 3 оказывается меньше путей развития высоковольтных разрядов на забое скважины под зависшим над забоем буровым наконечником. В связи с этим электрические разряды развиваются через крупные куски горной породы 16: в одном варианте 17 - между верхним заостренным концом дополнительного высоковольтного электрода 7 и нижним концом 8 трубчатого корпуса 3, а в другом 18 - между скошенной поверхностью 9 дополнительного высоковольтного электрода 7 и нижним концом 8.
Происходит дробление, раскол крупных кусков горной породы 16, и образующиеся более мелкие фракции падают на забой скважины, где дополнительно дробятся высоковольтными разрядами в призабойной зоне.
Испытания предложенного электроимпульсного бурового наконечника в реальных условиях были проведены на закрытом для добычи строительных материалов Степановском карьере г. Томска, где горные породы представлены трещиноватыми окварцованными песчаниками и глинистыми сланцами. Наибольший (призабойный) диаметр бурового наконечника составлял 150 мм, наружный диаметр его трубчатого корпуса 83 мм, наружный диаметр колонны бурильных труб также 83 мм при толщине ее стенки 4 мм. Для отработки режимных параметров скважину бурили до глубины 40 м. После проходки скважины была сделана кавернограмма, которая показала, что диаметр скважины в основном равен 170-175 мм. Однако в интервале глубин 28,5-32,8 м он составил 195-215 мм. На глубине 31,3 м из-за обвалов стенок скважины произошел прихват бурового наконечника. Углубка скважины прекратилась. Прихват оказался плотным (жестким). Расхаживание (басбаширование) прихваченного инструмента положительного результата не дало, тем более что при этой операции большие нагрузки опасны обрывами сравнительно слабого (на растяжение) электроимпульсного бурового снаряда. Промывочная жидкость продолжала циркулировать. В существующей практике при прекращении циркуляции промывочной жидкости обычно применяют насосные системы, позволяющие повысить давление до нескольких сот атмосфер. В рассматриваемом примере при прекращении углубки скважины из-за прихвата, не прекращая подачу промывочной жидкости и высоковольтных разрядов, сделали постоянную натяжку (всего) электроимпульсного бурового снаряда с усилием, на 600-800 кг превышающим вес бурового снаряда, опущенного в скважину. Высоковольтные электрические разряды стали развиваться внутри крупных кусков горной породы 16 (фиг. 1) в направлениях 17 и 18; раздробленные полностью или частично куски горных пород, размеры которых позволяли, продвигались к забою скважины, где додрабливались до размеров, меньших величины межэлектродных зазоров на забое скважины. Благодаря постоянной натяжке бурового снаряда на месте «провалившихся» на забой скважины раздробленных кусков горной породы 16 оказывались вышерасположенные куски горной породы, и электрические разряды развивались уже в этих кусках (по направлениям 17 и 18). После подачи 12800 высоковольтных импульсов буровой снаряд удалось «вытянуть» из зоны прихвата, затем буровой снаряд стали подавать к забою скважины, увеличив промывку и частоту подачи импульсов высокого напряжения с 1-2 до 5-10 имп./с на высоковольтный токовод 12. Дойдя до забоя скважины, бурение продолжили в обычном режиме.
Для ликвидации прихватов бурового инструмента в каждом конкретном случае необходимы свои решения. Но приведенный в реальных условиях пример показывает, что предложенный электроимпульсный буровой наконечник благодаря его конструктивным особенностям позволяет ликвидировать прихваты, которые невозможно устранить ни одним известным электроимпульсным буровым наконечником.
Следует заметить, что если обвал стенок скважины небольшой, то ликвидировать аварию, возникшую вследствие прихвата бурового инструмента, удается сравнительно быстро путем подачи на высоковольтный токовод 12 до 300-500 высоковольтных импульсов. В момент устранения прихвата весь буровой снаряд на несколько сантиметров быстро опускается к забою скважины, как бы проваливаясь.