СПОСОБ БУРЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД ЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ ИМПУЛЬСНЫМИ РАЗРЯДАМИ И БУРОВОЙ СНАРЯД Российский патент 2008 года по МПК E21C37/18 E21B7/00 

Изобретение относится к горному делу и предназначено для бурения скважин и стволов при геологоразведочных работах, в нефте- и газодобывающей отраслях, для проходки горных выработок, при строительных работах, а также в других областях.

Известен способ бурения скважин электрическими импульсными разрядами (Юткин Л.А. Электрогидравлический эффект и его применение в промышленности. - Л.: Машиностроение, 1988. - с.61-64).

По известному способу на электроды бурового наконечника, установленного на горную породу, которая покрыта промывочной жидкостью, подают импульсы высокого напряжения. Происходит разряд между электродами. Канал разряда проходит или по поверхности горной породы, или происходит внедрение канала разряда в горную породу, что характерно для очень пористых горных пород с низкой электрической прочностью. В канале разряда взрывообразно выделяется энергия, запасенная в источнике высоковольтных импульсов, что приводит к разрушению горной породы в зоне прохождения канала.

Недостатком этого способа является низкая эффективность процесса бурения, т.к. отсутствует взаимосвязь скорости вращения бурового наконечника с частотой подачи импульсов высокого напряжения.

Известен буровой снаряд (Юткин Л.А. Электрогидравлический эффект и его применение в промышленности. - Л.: Машиностроение, 1986. - с.171-173), реализующий указанный выше способ. Он состоит из наружной буровой трубы - корпуса, высоковольтного ввода, буровой коронки - наружного электрода, центрального высоковольтного вращающегося электрода, электродвигателя для вращения центрального электрода.

Работа бурового снаряда заключается в следующем: в буровой снаряд подается промывочная жидкость; включается электродвигатель для вращения центрального высоковольтного электрода, на который подаются импульсы высокого напряжения, происходит разрушение горной породы на забое скважины; разрушенная горная порода - шлам выносится потоком промывочной жидкости в шламосборник.

Недостатки известного бурового снаряда связаны с тем, что источник высоковольтных импульсов и зарядное устройство расположены отдельно от бурового снаряда, что приводит к уменьшению эффективности бурения за счет потерь энергии и искажения параметров импульса высокого напряжения в передающей системе - высоковольтный кабель от источника высоковольтных импульсов к буровому снаряду и сам буровой снаряд изменяющейся длины в процессе бурения скважины.

Прототипом предложенного способа является электроимпульсный способ разрушения горных пород (патент РФ №2232271, МПК 7 Е21С 37/18, опубл. 10.07.04). Способ заключается в том, что на перемещающееся 2-электродное устройство подаются импульсы высокого напряжения. При этом шаг перемещения электродов устройства между двумя электрическими импульсами выбирают из следующего условия:

причем

где m - шаг перемещения электродов устройства, мм;

W_з - энергия, запасенная источником импульсов, Дж;

L - межэлектродный промежуток, мм;

W_опт1 - оптимальная энергия разрушения за один импульс для горной породы с коэффициентом по Проподъяконову, равным 5, Дж;

n - число импульсов на межэлектродном промежутке.

Недостатком известного способа является отсутствие условий выбора оптимальной частоты подачи импульсов высокого напряжения в зависимости от скорости перемещения электродного устройства.

Прототипом предложенного бурового снаряда является снаряд, приведенный в описании к изобретению «Электроимпульсный буровой снаряд» (авторское свидетельство SU №730022, МПК 4 Е21С 37/18, опубл. 30.12.87 Бюл. №48). Буровой снаряд состоит из высоковольтного ввода, металлической буровой колонны, внутри которой расположена токопроводящая система, центрируемая изоляторами, и встроен генератор высоковольтных импульсов, закрепленный с помощью изоляторов между колонной труб и буровым наконечником.

Работа бурового снаряда осуществляется следующим образом. Передача энергии по токопроводящей системе к генератору высоковольтных импульсов осуществляется от источника постоянного тока. Импульсы высокого напряжения формируются непосредственно на буровом наконечнике без какой-либо передачи их по токопроводящей системе бурового снаряда. Процесс разрушения осуществляется буровым наконечником с последующим выносом шлама из зоны разрушения.

Недостатком выбранного за прототип бурового снаряда является необходимость подачи высокого постоянного зарядного напряжения с поверхности земли по токопроводящей системе бурового снаряда, что связано с трудностью осуществления изоляции токопроводящей системы. Например, необходим высоковольтный кабель на рабочее зарядное напряжение. Кроме того, у этого бурового снаряда не предусмотрено вращение бурового наконечника, что существенно ухудшает эффективность бурения. Увеличивает потери при передаче энергии от зарядного устройства, расположенного на поверхности, по токопроводящей системе бурового снаряда к генератору высоковольтных импульсов, расположенному непосредственно над буровым наконечником, увеличивает металлоемкость бурового наконечника и, как следствие, нагрузку на генератор высоковольтных импульсов, а также не позволяет применять комбинированные способы разрушения.

Основной технический результат предложенных способа и бурового снаряда заключается в выборе оптимальной частоты подачи импульсов высокого напряжения в зависимости от скорости перемещения (вращения) электродного устройства по забою скважины и расположении источника высоковольтных импульсов и зарядного устройства непосредственно в снаряде, что позволяет устранить указанные выше недостатки известных технических решений: низкая эффективность процесса бурения, т.к. отсутствует взаимосвязь скорости вращения бурового наконечника с частотой подачи импульсов высокого напряжения; устройство расположено отдельно от бурового снаряда. Кроме этого, наличие рубашки у источника высоковольтных импульсов и зарядного устройства (по п.п.2 и 3 формулы изобретения) позволяет производить их интенсивное охлаждение потоком промывочной жидкости, технически просто производить их обслуживание и замену в случае необходимости.

Основной технический результат достигается тем, что в предложенном способе бурения скважины электрическими импульсными разрядами импульсы высокого напряжения подают на вращающийся буровой наконечник согласно предложенному решению с частотой

где f - частота подачи импульсов, имп./с;

V - окружная скорость вращения бурового наконечника, мм/с;

m - шаг перемещения бурового наконечника между двумя импульсами, мм/имп.

Для достижения основного технического результата предложен также буровой снаряд для бурения электрическими импульсными разрядами, который, как и прототип, содержит последовательно соединенные колонну бурильных труб, буровой наконечник, источник высоковольтных импульсов, расположенный непосредственно в буровом снаряде над буровым наконечником, и согласно предложенному решению зарядное устройство источника высоковольтных импульсов, расположенное непосредственно над этим источником.

Целесообразно также источник высоковольтных импульсов и зарядное устройство снабжать рубашкой, которая образует канал для потока промывочной жидкости между колонной бурильных труб и рубашкой.

Пример конкретного выполнения предложенного способа. На фиг.1, 2, 3 и 4 представлены снаряды с буровыми наконечниками в 2- и 3-электродном исполнении, реализующие выполнение предложенного способа. Двухэлектродный буровой наконечник (фиг.1 и 2) предназначен для бурения скважин с керном. Он состоит из корпуса 1, короночного изолятора 2 с отверстиями 3 для прохода потока промывочной жидкости, высоковольтного токопровода 4, высоковольтного электрода 5 и заземленного электрода 6.

Способ осуществляется следующим образом. В буровой снаряд подается промывочная жидкость, которая заполняет внутреннюю полость снаряда, проходит через отверстия 3 короночного изолятора 2 бурового наконечника 1 до забоя 8 скважины 7 и заполняет затрубное пространство между стенками скважины и колонной бурильных труб. Включается устройство вращения бурового снаряда с заданной скоростью. Включается источник высоковольтных импульсов с частотой подачи импульсов, определяемой из выражения:

где f - частота подачи импульсов, имп./с;

V - окружная скорость вращения бурового наконечника, мм/с;

m - шаг перемещения бурового наконечника между двумя импульсами, мм/имп.

На забое 8 скважины 7 между электродами 5 и 6 происходит электрический разряд в толще горной породы, что приводит к ее отрыву и разрушению. Разрушенная порода-шлам подхватывается промывочной жидкостью и выносится на поверхность. За время ожидания следующего импульса напряжения буровой наконечник перемещается на расстояние равное шагу m, и происходит следующий разряд. Канал разряда проходит в твердом диэлектрике (горной породе), как наименее электрически прочном. Поэтому он внедряется в толщу горной породы как на забое скважины, так и в ее стенки. Происходит разработка стенок скважины и керна, что способствует свободному вращению наконечника и отсутствию его зависания на стенке скважины. В результате двухэлектродный буровой наконечник разбуривает щель, а в центре скважины остается керн.

Трехэлектродный буровой наконечник (фиг.3, 4) предназначен для бурения сплошным забоем (без керна). Он состоит из корпуса 1, короночного изолятора 2 с отверстиями 3 для прохода потока промывочной жидкости, высоковольтного токопровода 4, высоковольтных электродов 5 и заземленного электрода 6.

Работа этого бурового наконечника аналогична работе двухэлектродного наконечника. Отличие заключается в том, что применение третьего центрального высоковольтного электрода вызывает развитие каналов разрядов как между ним и заземленным электродом, так и между периферийным высоковольтным и заземленным электродами, что приводит к разрушению керна, и бурение осуществляется сплошным забоем.

Результаты конкретного бурения наконечником, который имел два электрода (фиг.1, 2): высоковольтный электрод положительной полярности и заземленный электрод. Наружный диаметр наконечника Д_нак=98 мм. В качестве образца использовался мелкозернистый песчаник с удельной механической прочностью на сжатие σ_сж=86 МПа (коэффициент крепости по шкале проф. М.М.Протодьяконова равен 5). Промывочной жидкостью являлась вода с удельным сопротивлением ρ=8·10³ Ом·см. Электрическое сопротивление бурового наконечника составляло 530 Ом. Расстояние между электродами 25 мм. Вращение наконечника осуществлялось от внешнего привода с заданной скоростью перемещения электродов v=33 мм/с. При этом шаг перемещения изменялся с изменением частоты следования импульсов в соответствии с выражением

В образцах песчаника были пробурены скважины глубиной 160 мм.

В табл.1 приведены результаты бурения, где

f - частота подачи импульсов, имп./с;

m - шаг перемещения бурового наконечника между двумя импульсами, мм/имп;

W_уд - удельные энергозатраты на разрушение единицы объема горной породы, Дж/см³;

Д_скв - средний диаметр пробуренной скважины, мм.

Наиболее объективной и информативной характеристикой разрушения горной породы при бурении электрическими импульсными разрядами являются удельные энергозатраты W_уд (Дж/см³). Сравнение эффективности бурения при различных частотах подачи импульсов производилось по удельным энергозатратам W_уд.

Таблица 1№ п/пf, имп./сm, мм/имп.W_уд, Дж/см³Д_скв, mm11,71933210022,31421010533,31025510744,08,3410108

Из таблицы 1 видно, что с увеличением частоты подачи импульсов удельные энергозатраты W_уд изменяются с минимумом (строка 2 табл.1). Минимальное значение W_уд соответствует наиболее эффективному процессу бурения и, как следствие, оптимальной частоте подачи импульсов, т.е. условию Уменьшение частоты менее чем при v=const (строка 1, табл.1), увеличивает шаг перемещения электродов m по забою скважины, что вызывает увеличение W_уд в 1,58 раза, т.к. уменьшается объем разрушения, из-за снижения затраченной энергии на разрушение при перемещении электродной системы на длину межэлектродного промежутка. Кроме того, уменьшение частоты подачи импульсов меньше оптимальной при v=const приводит к уменьшению среднего диаметра скважины. При диаметре бурового наконечника 98 мм разработка среднего диаметра скважины для строки 1, табл.1 составляет 2 мм, т.е. 1 мм на сторону. Поскольку разрушение горной породы электрическими импульсными разрядами происходит крупным сколом, то стенки скважины оказываются с выступами и впадинами, что приводит к зацеплению бурового наконечника за выступы стенок скважины и, как следствие, к затратам дополнительной энергии на вращение бурового снаряда и даже «зависанию» его на стенках скважины, что дополнительно снижает эффективность бурения. Увеличение частоты подачи импульсов более чем при v=const (строка 3, 4, табл.1) уменьшает шаг перемещения электродов по забою скважины, что приводит также к увеличению удельных энергозатрат в 1,21÷1,95 раза, которые тратятся на переизмельчение продуктов разрушения - шлама и увеличение среднего диаметра скважины. Разработка среднего диаметра скважины для строки 3, табл.1 составляет 9 мм, т.е. 4,5 мм на сторону. Увеличение среднего диаметра скважины - положительный эффект, который способствует более свободному вращению наконечника на забое скважины, отсутствию «зависания» бурового снаряда на стенках скважины, возможности регулирования диаметра скважины с изменением частоты, улучшению выноса на поверхность крупных частиц шлама.

Пример конкретного выполнения предложенного бурового снаряда. На фиг.5 приведен буровой снаряд, состоящий из колонны бурильных труб 9, к которым прикреплен наконечник 1 с помощью изолятора 2.

Зарядное устройство 12 и источник высоковольтных импульсов 11 размещены внутри колонны бурильных труб 9 и непосредственно над буровым наконечником 1. На поверхности земли на буровой площадке размещены: силовой шкаф 13, от которого силовым кабелем 14 на напряжение 380 В запитывается зарядное устройство 12, бак для сбора шлама 19, насосное оборудование, напорные шланги и т.д. (не показаны).

Буровой снаряд работает следующим образом. Колонна бурильных труб 9 и скважина 7 заполнены промывочной жидкостью, которая подается с помощью насоса через штуцер 16 в верхнюю часть бурового снаряда. Жидкость через отверстия 3 изолятора 2 (фиг.2, 4, 5) поступает к буровому наконечнику 1 и через затрубное пространство 17, кондуктор 10 и штуцер 18 сливается в бак 19. В момент выхода жидкости из штуцера 18 включается устройство вращения бурового снаряда (на чертеже не показано) и включается зарядное устройство 12 и источник высоковольтных импульсов 11. Импульсы амплитудой 350 кВ поступают от источника высоковольтных импульсов 11 на высоковольтные электроды 5 наконечника 1. В зоне забоя 8 происходит пробой породы между заземленным 6 и высоковольтными электродами 5 и отколотый шлам выносится вверх промывочной жидкостью. В соответствии с оптимальным режимом работы согласно п.1 формулы изобретения осуществляется равномерная выработка (разрушение и вынос породы) зоны забоя 8 и снаряд погружается в массив породы. После отключения источника высоковольтных импульсов 11 процесс промывки осуществляется до момента, пока весь шлам не будет удален из скважины.

Достоинство предложенной конструкции бурового снаряда по п.2 формулы изобретения заключается в следующем. До настоящего времени при электроимпульсном бурении зарядное устройство располагалось вне бурового снаряда на поверхности земли (см. прототип), а источник высоковольтных импульсов, расположенный в колонне бурильных труб, соединялся с зарядным устройством высоковольтным кабелем (1,5÷40 кВ). В предложенной конструкции бурового снаряда питание от силового шкафа 13 до зарядного устройства 12 передается кабелем 14, рассчитанным на рабочее напряжение 380 В, что упрощает процесс энергопитания, повышается надежность работы снаряда и, как следствие, повышается эффективность бурения за счет еще более надежной работы колонны бурильных труб.

На фиг.6 приведен буровой снаряд, в котором зарядное устройство 12 и источник высоковольтных импульсов 11 размещены внутри колонны бурильных труб 9 непосредственно над буровым наконечником 1. Принцип промывки бурового снаряда аналогичен представленному на фиг.5, с той лишь разницей, что в нижней части снаряда жидкость протекает между рубашкой, в которую заключены зарядное устройство и источник высоковольтных импульсов 11, и стенкой бурильной трубы (согласно п.3 формулы изобретения).

Буровой снаряд работает следующим образом. После выполнения процедуры наполнения промывочной жидкостью колонны бурильных труб 9 и скважины 7 включается устройство вращения снаряда (на рисунке не показано) и включаются зарядное устройство 12 и источник высоковольтных импульсов 11.

В соответствии с п.3 формулы изобретения на фиг.6 зарядное устройство 12 и источник высоковольтных импульсов 11 помещены в рубашку 20 источника высоковольтных импульсов 11. Зазор между зарядным устройством 12, источником высоковольтных импульсов 11 и рубашкой 20 источника высоковольтных импульсов 11 заполнен диэлектрическим материалом. При подаче промывочной жидкости через штуцер 16 в колонну бурильных труб 9 поток жидкости проходит между колонной бурильных труб 9 и рубашкой 20 источника высоковольтных импульсов 11. Такое исполнение обеспечивает эффективность охлаждения зарядного устройства 12 и источника высоковольтных импульсов 11 и повышает эффективность бурения за счет повышения надежности работы бурового снаряда.

Изобретение относится к горному делу и предназначено для бурения скважин и стволов, в частности к способу бурения электрическими импульсными разрядами и буровому снаряду. Способ бурения предполагает на вращающийся буровой наконечник подавать импульсы высокого напряжения с частотой, определяемой скоростью вращения наконечника. Буровой снаряд выполнен в виде последовательно соединенных колонны бурильных труб 9, бурового наконечника 1, источника высоковольтных импульсов 11, расположенного непосредственно в буровом снаряде над буровым наконечником 1, и зарядного устройства 12, расположенного непосредственно в буровом снаряде над источником высоковольтных импульсов 11. Обеспечивает высокую эффективность процесса бурения за счет повышения надежности работы бурового снаряда. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 1 табл., 6 ил.

1. Способ бурения скважин электрическими импульсными разрядами, при котором импульсы высокого напряжения подают на вращающийся буровой наконечник, отличающийся тем, что импульсы подают с частотой

где f - частота подачи импульсов, имп./с;

V - окружная скорость вращения бурового наконечника, мм/с;

m - шаг перемещения бурового наконечника между двумя импульсами, мм/имп.