Электроимпульсный буровой наконечник

Изобретение относится к техническим средствам для бурения скважин электроимпульсным способом и может найти применение при бурении скважин, проходке щелей и резании горных пород, при разрушении хрупких диэлектрических материалов. Основными элементами электроимпульсного бурового наконечника являются подпружиненная высоковольтная электродная система с электродами и заземленная электродная система с электродами, которые разделены изолятором с промывочными окнами. Высоковольтная электродная система выполнена с дополнительным промывочным каналом с седлом, в котором размещен временный шаровый гидрозатвор, выполненный из эластичного, или растворяющегося, или таящего материала. Выше седла выполнен один или несколько электродных каналов, в каждом из которых размещен подпружиненный дополнительный электрод. Достигаемым техническим результатом является повышение эффективности бурения за счет возможности изменения межэлектродных промежутков без спускоподъемных операций. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к техническим средствам для бурения скважин электроимпульсным способом с промывкой электропроводящими и электроизоляционными жидкостями. Оно может найти применение при бурении скважин различных диаметров, проходке щелей и резании горных пород, при разрушении искусственных хрупких диэлектрических материалов.

Известен электроимпульсный буровой наконечник (патент РФ №730027, МПК 5 Е 21 С 37/18, опубл. 15.04.94, бюл. №7), состоящий из высоковольтной и заземленной электродных систем, разделенных изолятором, причем к рабочим поверхностям электродов высоковольтной электродной системы прикреплены диэлектрические подкладки, а изолятор выполнен с продольными промывочными окнами.

Основным недостатком известного бурового наконечника является отсутствие возможности изменения промежутков между электродами, что не позволяет вести эффективно процесс разрушения горных пород при ухудшении горно-геологических условий электроимпульсного бурения на забое скважины.

Наиболее близким к предложенному устройству по конструкции является электроимпульсный буровой наконечник (Б.В.Семкин, А.Ф.Усов, В.И.Курец. Основы электроимпульсного разрушения материалов. - С.Петербург: Наука, 1995. - с.11-15), который представляет собой систему объединенных в единую конструкцию высоковольтных и низковольтных (заземленных) электродов, равномерно распределенных (по забою) с примерно одинаковой величиной промежутков между разнополярными электродами. Группы разнополярных электродов разделены твердотельным изолятором. Предусмотрено два варианта конструктивного выполнения бурового наконечника. По одному из них твердотельный изолятор выполнен с продольными промывочными окнами, а по другому в изоляторе нет промывочных окон, но для подачи промывочной жидкости на забой скважины в буровом снаряде, в т.ч. в буровом наконечнике, предусмотрен центральный канал.

Основным недостатком бурового наконечника-прототипа является также отсутствие возможности изменения промежутков между электродами, что не позволяет постоянно вести процесс электроимпульсного бурения эффективно. Проблема заключается в том, что в некоторых случаях процесс углубки скважин прекращается, т.к. высоковольтные электрические разряды не внедряются в горную породу, а по ее поверхности развиваются скользящие разряды. Чаще всего это происходит, когда буровой наконечник оказывается на гладкой поверхности, образованной из-за процессов выветривания, изменения состава горных пород и т.п. При этом большое значение имеют спайность минералов - способность раскалываться по определенным направлениям с образованием в раскале плоских поверхностей, а также отдельность - способность минералов раскалываться по неспайным направлениям. Продолжить углубку скважин в таких случаях можно двумя путями: за счет увеличения энергии импульса, в первую очередь разрядного напряжения, что дорого и не всегда эффективно, и за счет уменьшения промежутков между разнополярными электродами. До последнего времени это делается так: буровой снаряд поднимается на поверхность, буровой наконечник меняется на наконечник с меньшим межэлектродным промежутком, ведется кратковременное бурение, а затем проводятся операции по замене бурового наконечника на первоначальный. Это приводит к снижению эффективности проходки скважин.

Техническим результатом предложенного решения является повышение эффективности бурения за счет создания возможности изменения межэлектродных промежутков буровых наконечников без спускоподъемных операций. При этом обычно достаточно у бурового наконечника создать всего один промежуток между разнополярными электродами меньшего размера и подать всего несколько единичных высоковольтных импульсов, чтобы в горной породе на забое скважины произошли изменения, позволяющие продолжить углубку скважины электрическими разрядами между основными электродами.

Указанный технический результат достигается тем, что электроимпульсный буровой наконечник, состоящий из высоковольтной и заземленной электродных систем, разделенных изолятором с промывочными окнами, согласно предложенному решению, выполнен с дополнительным промывочным каналом, в призабойной части которого в седле установлен временный гидрозатвор, а над седлом выполнен один или несколько электродных каналов, в каждом из которых размещен дополнительный подпружиненный электрод.

Целесообразно временный гидрозатвср выполнять шаровым из эластичного материала.

Целесообразно также временный гидрозатвор выполнять из таящего или растворяющегося в промывочной жидкости материала.

Проведенный заявителем анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностями признаков, тождественными всем признакам заявляемого устройства, отсутствуют.

Результаты поиска известных решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа заявляемого изобретения, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники.

Из определенного заявителем уровня техники не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками изобретения преобразований на достижение указанного технического результата. Следовательно, изобретение соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень».

Пример конкретного выполнения.

На фиг.1 приведен общий вид электроимпульсного бурового наконечника, а на фиг.2 - торцевые поверхности всех его электродов.

Основными элементами бурового наконечника являются коаксиально расположенные высоковольтная электродная система 1 с высоковольтными электродами 2 и заземленная электродная система 3 с заземленными электродами 4; электродные системы разделены изолятором 5, который выполнен с промывочными окнами 6. Для предотвращения поворота одной электродной системы относительно другой в заземленной электродной системе 3 установлено два стопорных сегмента 7; втулка 8 плотно посажена в изоляторе 5 при его изготовлении в пресс-форме из гранул полиэтилена высокого давления; верхняя (хвостовая) часть высоковольтной электродной системы 1 и внутренняя часть втулки 8 выполнены с подвижным шлицевым соединением. Эта подвижность сделана для того, чтобы в процессе бурения за счет давления пружины 9 высоковольтные электроды 2 могли на 5-10 мм опережать заземленные электроды 4 для поддержания постоянного контакта с горной породой. С колонной бурильных труб 10 заземленная электродная система 3 соединяется с помощью резьбового соединения. Для подвода к высоковольтной электродной системе 1 импульсов высокого напряжения полый высоковольтный токовод 11, покрытый изоляционным слоем 12, сделан контактирующим со втулкой 8. Высоковольтная электродная система 1 выполнена с дополнительным промывочным каналом с седлом 13 в призабойной части бурового наконечника. В седле 13 размещен временный гидрозатвор 14, выполненный шаровым. При экспериментальной проверке использовались временные шаровые гидрозатворы 14, выполненные из эластичного материала - резины. Кроме того, испытывались шарики из поваренной соли, льда, парафина. При этом диаметр седла 13 и временного гидрозатвора 14 на 3 мм больше диаметра дополнительного промывочного канала, идущего ниже седла 13. Выше седла 13 в дополнительном промывочном канале выполнен электродный канал, в котором размещен дополнительный электрод 15, подпружиненный дополнительной пружиной 16. Промежуток между высоковольтными электродами 2 и заземленными электродами 4 равен 25-28 мм, а между дополнительным электродом 15 в рабочем положении и двумя ближайшими заземленными электродами 4 он составляет 18 мм, т.е. меньше основного промежутка в 1,5 раза.

Две гайки 17 препятствуют выпаданию высоковольтной электродной системы 1 из бурового наконечника и служат для регулирования уровня расположения высоковольтных электродов 2 относительно заземленных электродов 4.

Работа электроимпульсного бурового наконечника осуществляется следующим образом.

Буровой наконечник устанавливается на забой скважины. Для выноса продуктов разрушения по межтрубному пространству между высоковольтным тоководом 11, покрытым изоляционным слоем 12, и колонной бурильных труб 10, а ниже через промывочные окна 6 промывочная жидкость подается на забой скважины. В лабораторных условиях в качестве промывочной жидкости использовалась вода, очищенная с помощью ионообменных смол, а в полевых условиях - дизельное топливо. Затем по тоководу 11 импульсы высокого напряжения подводятся к втулке 8 и через нее к высоковольтной электродной системе 1. Между высоковольтными электродами 2 и заземленными 4 в горной породе развиваются электрические разряды, отрывающие кусочки горной породы от массива, которые выносятся на поверхность вдоль стенки скважины вместе с газообразными продуктами, образующимися при развитии разрядов. Когда торцы высоковольтных 2 и заземленных электродов 4 оказываются на гладкой поверхности или на породах с повышенной электропроводностью (кварциты Курской магнитной аномалии с железорудными прослойками), развиваются скользящие разряды и процесс углубки скважины прекращается. Прекращение внедрений разрядов в горную породу видно не только по скорости углубки, но и по осциллографу, по изменению звука, по отсутствию вздрагиваний всего бурового снаряда и др. В таких случаях процесс бурения прекращают, на поверхности в токовод 11 вбрасывают временный шаровый гидрозатвор 14 и в токовод 11 подают промывочную жидкость. Гидрозатвор 14 попадает в седло 13 дополнительного промывочного канала и перекрывает этот канал. Давление промывочной жидкости повышается, дополнительный электрод 15 сжимает дополнительную пружину 16 и нижним торцом упирается в забой скважины. Затем на токовод 11 от источника импульсов высокого напряжения подают несколько импульсов (обычно не более 10). Электрические разряды развиваются в горной породе между дополнительным электродом 15 и двумя ближайшими заземленными электродами 4, ослабляя горную породу и в соседней части забоя скважины. Внедрение разрядов в горную породу происходит из-за того, что то же импульсное напряжение прикладывается к промежуткам между электродами, в 1,5 раза меньшим основных промежутков. После этого при использовании временного гидрозатвора 14 из эластичного материала давление промывочной жидкости повышают, и она выдавливает его из дополнительного промывочного канала к забою скважины в межэлектродное пространство. Давление промывочной жидкости падает и дополнительная пружина 16 приподнимает дополнительный электрод 15 над забоем скважины.

При использовании гидрозатвора 14 из растворяющегося или таящего материала нет необходимости в повышении давления промывочной жидкости, но необходимо время для частичного растворения или таяния гидрозатвора.

При большом диаметре бурового наконечника, при бурении скважины прямоугольной формы и т.п.целесообразно применение нескольких дополнительных электродов 15, чтобы ослабить большую часть горной породы на забое скважины.

После того, как дополнительный электрод 15 поднимается над забоем скважины, процесс бурения продолжают в обычном режиме.

Некоторые параметры необходимо выбирать опытным путем в зависимости от конкретных условий: например, давление для выдавливания гидрозатвора 14 к забою скважины для конкретного материала гидрозатвора; число дополнительных электродов; время уменьшения диаметра растворяющегося гидрозатвора для прохождения его к забою скважины.

Эффективность применения предложенного технического решения необходимо оценивать для конкретных условий. Так, на Степановском карьере г.Томска в окварцованных песчаниках было пробурено несколько скважин глубиной до 50 м. При бурении некоторых скважин вообще не было необходимости в предложенном буровом наконечнике, при бурении других скважин встречающиеся в песчанике кварцевые жилы приводили к остановке бурения по 2-3 раза. Опытное бурение в блоках железистых кварцитов (из Курской области) показало, что из-за часто встречающихся железорудных прослоек с повышенной электропроводностью вообще бурение в них скважины электроимпульсным способом бесперспективно.

Применение дополнительных электродов, которые на короткое время включаются в процесс электроимпульсного разрушения, может быть эффективно реализовано и в устройствах для резания горных пород, проходки щелей, для разрушения искусственных материалов.

1. Электроимпульсный буровой наконечник, состоящий из высоковольтной и заземленной электродных систем, разделенных изолятором с промывочными окнами, отличающийся тем, что буровой наконечник выполнен с дополнительным промывочным каналом, в призабойной части которого в седле установлен временный гидрозатвор, а над седлом выполнен один или несколько электродных каналов, в каждом из которых размещен дополнительный подпружиненный электрод.

2. Наконечник по п.1, отличающийся тем, что временный гидрозатвор выполнен шаровым из эластичного материала.

3. Наконечник по п.1, отличающийся тем, что временный гидрозатвор выполнен из тающего или растворяющегося в промывочной жидкости материала.