ЭЛЕКТРОИМПУЛЬСНОЕ НЕВРАЩАЮЩЕЕСЯ БУРОВОЕ ДОЛОТО Российский патент 2016 года по МПК E21B7/15 E21C37/18 E21B10/00 

Изобретение относится к техническим средствам для проходки колонковых скважин, а также скважин без отбора керна, с обратной внутренней промывкой с помощью высоковольтных импульсных разрядов, развивающихся непосредственно в горной породе. Оно может найти применение при геологоразведочных работах, в горнодобывающей промышленности, при строительных и других работах, требующих бурения скважин, в т.ч. большого диаметра, в крепких горных породах.

Известен снаряд для электроимпульсного способа бурения скважин без вращения с обратной внутренней промывкой (авторское свидетельство на изобретение SU №699837, ΜΠΚ Ε21С 37/18, приоритет от 13.09.1965, опубл. 15.10.1993. Бюл. №37-38). Снаряд содержит наружную и внутреннюю токопроводящие колонны труб с наружной и внутренней коронками невращающегося бурового долота, при этом колонны труб и коронки разделены изоляторами и выполнены с системой отверстий (окон).

Одним из основных недостатков известного бурового устройства является низкий срок службы изоляторов, т.к. его межэлектродное расстояние равно или близко величине зазора, в котором установлены изоляторы, а для надежной работы изоляторов необходимо, чтобы величина зазора была на 30-50% больше межэлектродного расстояния. Конструкция известного бурового устройства не позволяет это сделать. Другой основной недостаток вызван остановками процесса бурения из-за зависаний бурового устройства над забоем на керне или стенках скважины.

Первый недостаток позволяет устранить выбранное за прототип электроимпульсное буровое долото для проходки скважин без вращения (патент на изобретение SU №2471987, ΜΠΚ Ε21С 37/18; Ε21В 10/00, приоритет от 08.07.2011, опубл. 10.01.2013. Бюл. №1). Известное долото содержит цилиндрические, коаксиально расположенные и разделенные высоковольтным изолятором наружную и внутреннюю коронки, выполненные с боковыми промывочными окнами, причем призабойная часть наружной коронки снабжена размещенными равномерно внутренними радиальными ребрами-электродами, между каждой парой которых равноудаленно установлено по одному наружному радиальному ребру-электроду внутренней коронки, а величина зазора между наружной и внутренней коронками, в котором установлен высоковольтный изолятор, больше межэлектродного расстояния в призабойной части электроимпульсного бурового долота.

Основной недостаток известного бурового долота связан с остановками процесса углубки скважин из-за отсутствия возможности предотвращения зависаний долота на керне или стенках скважины. Пример зависания долота на керне окварцованного песчаника (с приложением фотографии) приведен в описании работы предложенного долота.

Основным техническим результатом предложенного устройства является повышение непрерывности процесса углубки скважин благодаря возможности предотвращения зависаний долота на керне или стенках скважин.

Указанный технический результат достигается тем, что в электроимпульсном невращающемся буровом долоте, содержащем цилиндрические, коаксиально расположенные и разделенные высоковольтным изолятором узлы наружной и внутренней коронок, выполненные с боковыми промывочными окнами, причем призабойная часть узла наружной коронки снабжена размещенными равномерно внутренними радиальными ребрами-электродами, между каждой парой которых равноудаленно от них установлено по одному наружному радиальному ребру-электроду узла внутренней коронки, а зазор, в котором установлен высоковольтный изолятор, больше межэлектродного расстояния, согласно предложенному решению призабойная часть внутренней коронки снабжена внутренними твердосплавными резцами, имеющими форму одностороннего клина, лезвия которых расположены тангенциально вдоль внутренней поверхности внутренней коронки, а призабойная часть наружной коронки снабжена наружными твердосплавными резцами, имеющими форму одностороннего клина, лезвия которых расположены тангенциально вдоль наружной поверхности наружной коронки.

Целесообразно внутреннюю коронку выполнять подпружиненной с возможностью опережения наружной коронки не более чем на 1/3 межэлектродного расстояния.

Целесообразно также внутренние и наружные радиальные ребра-электроды снабжать многогранными твердосплавными резцами.

Пример конкретного выполнения предложенного устройства проиллюстрирован следующими чертежами. На фиг. 1 приведен продольный разрез предложенного электроимпульсного невращающегося бурового долота, а на фиг. 2 изображен его вид с призабойного торца. Кроме того, на фиг. 3 представлена фотография керна, поднятого с забоя скважины буровым снарядом для механического колонкового бурения; предварительно скважина бурилась с поверхности электроимпульсным буровым долотом-прототипом. Электроимпульсное невращающееся буровое долото (фиг. 1 и фиг. 2) содержит коаксиально расположенные и разделенные высоковольтным изолятором 1 узлы наружной и внутренней коронок, причем узел наружной коронки состоит из корпуса бурового долота 2 и наружной коронки 3, а узел внутренней коронки из кернового переходника 4 и внутренней коронки 5. Верхний конец корпуса бурового долота 2 предназначен для прикрепления долота к колонне бурильных труб 6 с присоединением кернового переходника 4 к высоковольтному трубчатому тоководу 7. Над высоковольтным изолятором 1 в корпусе бурового долота 2 проделаны равномерно расположенные по окружности боковые промывочные окна 8. Наружная коронка 3 выполнена с боковыми промывочными окнами 9. Боковые промывочные окна 10 кернового переходника 4 расположены также равномерно над внутренней коронкой 5, на которую надета пружина 11. Верхний конец внутренней коронки 5 свободно вставлен в керновый переходник 4, для предотвращения выпадания коронки 5 из которого в нем выполнено ограничительное отверстие (прорезь) 12, а через это отверстие свободно пропущен ограничительный винт 13, закрепленный в верхнем конце внутренней коронки 5. Ограничительный винт 13 позволяет подпружиненной внутренней коронке 5 опережать наружную коронку 3, но не более, чем на 1/3 межэлектродного расстояния (на фиг. 1 обе коронки показаны на одном уровне, когда предложенное буровое долото стоит на ровном забое; в этом случае внутренняя коронка максимально утоплена). Призабойная часть наружной коронки 3 снабжена размещенными равномерно внутренними радиальными ребрами-электродами 14, между каждой парой которых равноудаленно от них установлено по одному наружному радиальному ребру-электроду 15 внутренней коронки 5. Призабойная часть внутренней коронки 5 снабжена внутренними твердосплавными резцами 16, имеющими форму одностороннего клина. Их лезвия расположены тангенциально вдоль внутренней поверхности внутренней коронки 5, выступая из нее на 2÷4 мм. Призабойная часть наружной коронки 3 снабжена наружными твердосплавными резцами 17, имеющими также форму одностороннего клина. Их лезвия расположены тангенциально вдоль наружной поверхности наружной коронки 3, выступая из нее на 3÷4 мм. Чем крепче горная порода, тем меньше выступают резцы 16 и 17. Кроме того, внутренние и наружные радиальные ребра-электроды 14 и 15 снабжены многогранными (восьмигранными) твердосплавными резцами 18 и 19, соответственно, выступающими из торцов ребер-электродов на 4-5 мм. На фиг. 3 представлена фотография керна 20, поднятого буровым снарядом для механического колонкового бурения с забоя скважины, бурение которой велось электроимпульсным буровым долотом-прототипом с отбором электроимпульсного керна 21. Но процесс углубки скважины прекратился, т.к. внутренняя коронка бурового долота-прототипа зависла на электроимпульсном керне 21 на кольцевой границе 22, т.к. ниже этой границы электроимпульсный керн 21 недостаточно обработан (имеет больший диаметр), что не позволяет ему войти во внутреннюю коронку бурового долота-прототипа. Высоковольтные электрические разряды не внедряются в горную породу, расположенную между точками а и б, а из точки а развиваются в горизонтальном направлении в промывочной жидкости (дизельном топливе), т.к. этот путь разряда значительно короче, чем в горной породе между точками а и б, и слабее по электрической прочности.

Работа предложенного электроимпульсного невращающегося бурового долота (фиг. 1 и фиг. 2) заключается в следующем. Долото опускают в скважину. До касания забоя внутренняя коронка 5 опережает наружную коронку 3 на 1/3 межэлектродного расстояния, а при постановке долота на забой она сжимает пружину 11, отчего ограничительный винт 13 поднимается (в ограничительном отверстии 12) вместе с внутренней коронкой 3 до полной постановки на забой обеих коронок. На дневной поверхности затрубное пространство перекрывают превентором (на рисунках не показан) и в зазор между колонной бурильных труб 6 и высоковольтным трубчатым тоководом 7 подают промывочную жидкость, например, дизельное топливо. Колонну бурильных труб 6 заземляют, а к трубчатому тоководу 7 подводят импульсы высокого напряжения (не менее 200 кВ). Между призабойными частями внутренней коронки 5 и наружной 3 непосредственно в горной породе развиваются электрические разряды, отрывающие кусочки горной породы, наибольший размер которых в шламе близок к величине межэлектродного расстояния. Подаваемая с поверхности промывочная жидкость через боковые промывочные окна 8 корпуса бурового долота 2 проходит к забою скважины, где через боковые промывочные окна 9 наружной коронки 3 поступает в зазор между наружной и внутренней коронками 3 и 5, откуда попадает под внутреннюю коронку 5 и в боковые промывочные окна 10 кернового переходника 4, вынося на дневную поверхность по высоковольтному трубчатому тоководу 7 частицы шлама и куски керна, которые периодически откалываются от воздействия на поступающий во внутреннюю коронку 5 керн электрических разрядов. В процессе углубки скважины с образованием керна внутренние твердосплавные резцы 16 внутренней коронки 5 соскабливают с керна неровности, не позволяя, как в прототипе (фиг. 3), зависать буровому долоту на керне над забоем скважины. Также наружные твердосплавные резцы 17 наружной коронки 3 (фиг. 1 и фиг. 2) зачищают от выступающих неровностей стенки скважины. Однако соскабливание, зачистка происходят не только под действием веса бурового снаряда. При развитии в горной породе каждого электрического разряда происходит подскок над забоем на несколько миллиметров всего бурового снаряда (при большой длине снаряда нижней его части). Обычно при электроимпульсном бурении высоковольтные импульсы подают с частотой не менее 10 имп./с. В связи с такими сравнительно частыми ударами бурового снаряда по забою скважины внутренние и наружные радиальные ребра-электроды 14 и 15 и снабжены многогранными твердосплавными резцами 18 и 19, которые предназначены для разрушения той горной породы, которая нарушена электрическими импульсными разрядами, но еще не оторвана от массива. Происходит также выравнивание забоя скважины, что способствует более эффективному воздействию на горную породу каждого электрического разряда, т.е. увеличению скорости бурения на несколько процентов. Хотя увеличение скорости бурения за счет многогранных твердосплавных резцов 18 и 19 незначительно, следует иметь ввиду, что это достигается сравнительно простым и дешевым способом. Такие резцы могут быть применены и в некоторых невращающихся буровых долотах для электроимпульсного бурения скважин сплошного забоя. Важно и то, что при электроимпульсном бурении невращающимися буровыми долотами по приведенной технологии износ резцов многократно ниже, чем при механическом вращательном бурении.

Таким образом, в электроимпульсном невращающемся буровом долоте впервые применены твердосплавные резцы, основная область применения которых: механическое бурение. При этом в предложенном буровом долоте резцы, имеющие форму одностороннего клина, установлены так, что их лезвия расположены в тангенциальном направлении, что совершенно неприемлемо для механических коронок, в которых лезвия таких резцов расположены в радиальном направлении. Особенностью бурения предложенным электроимпульсным невращающимся буровым долотом является использование его подскоков при развитии электрических разрядов в горной породе. Благодаря предложенным отличительным признакам, приведенным в формуле изобретения, в совокупности с известными признаками предложенное буровое долото не зависает на керне или стенках скважины, и его скорость бурения выше, чем у прототипа.

Изобретение предназначено для бурения колонковых скважин и скважин без отбора керна с обратной внутренней промывкой в крепких горных породах и может найти применение при геологоразведочных работах, в горнодобывающей промышленности, при строительных работах. Коаксиально расположенные узлы наружной (2, 3) и внутренней (4, 5) коронок разделены высоковольтным изолятором (1). Корпус бурового долота (2) присоединен к колонне бурильных труб (6), а керновый переходник (4) - к высоковольтному тоководу (7). Внутренняя коронка (5) подпружинена пружиной (11) с возможностью опережения наружной коронки (3) не более 1/3 межэлектродного расстояния. Вдоль внутренней поверхности внутренней коронки (5) тангенциально расположены лезвия твердосплавных резцов (16), имеющих форму одностороннего клина, и вдоль наружной поверхности наружной коронки (3) расположены лезвия подобных резцов (17). Внутренние ребра-электроды (14) наружной коронки (3) и наружные ребра-электроды (15) внутренней коронки (5) выполнены с многогранными твердосплавными резцами (18, 19), позволяющими выравнивать забой скважины. Твердосплавные резцы, имеющие форму одностороннего клина (16, 17), предотвращают зависания бурового долота на керне и стенках скважины. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Электроимпульсное невращающееся буровое долото, содержащее цилиндрические, коаксиально расположенные и разделенные высоковольтным изолятором узлы наружной и внутренней коронок, выполненные с боковыми промывочными окнами, причем призабойная часть узла наружной коронки снабжена размещенными равномерно внутренними радиальными ребрами-электродами, между каждой парой которых равноудаленно от них установлено по одному наружному радиальному ребру-электроду узла внутренней коронки, а зазор, в котором установлен высоковольтный изолятор, больше межэлектродного расстояния, отличающееся тем, что призабойная часть внутренней коронки снабжена внутренними твердосплавными резцами, имеющими форму одностороннего клина, лезвия которых расположены тангенциально вдоль внутренней поверхности внутренней коронки, а призабойная часть наружной коронки снабжена наружными твердосплавными резцами, имеющими форму одностороннего клина, лезвия которых расположены тангенциально вдоль наружной поверхности наружной коронки.

2. Электроимпульсное невращающееся буровое долото по п. 1, отличающееся тем, что внутренняя коронка выполнена подпружиненной с возможностью опережения наружной коронки не более чем на 1/3 межэлектродного расстояния.

3. Электроимпульсное невращающееся буровое долото по п. 1, отличающееся тем, что внутренние и наружные радиальные ребра-электроды снабжены многогранными твердосплавными резцами.