Способ электроимпульсного бурения скважин, электроимпульсной буровой наконечник



Способ электроимпульсного бурения скважин, электроимпульсной буровой наконечник
Способ электроимпульсного бурения скважин, электроимпульсной буровой наконечник

 


Владельцы патента RU 2524101:

Рязанов Николай Данилович (RU)
Рязанова Наталья Григорьевна (RU)

Изобретение относится к области бурения скважин и стволов. Способ бурения твердых тел электрическими импульсными разрядами включает разрушение твердых тел непосредственно высоковольтными импульсными электрическими разрядами в твердых телах между высоковольтным и заземленным электродами электроимпульсного бурового наконечника. В процессе разрушения твердых тел нисходящим потоком электропроводной промывной жидкости образуют газовую полость вокруг призабойного оголенного конца высоковольтного электрода. Электроимпульсный буровой наконечник содержит высоковольтный и заземленный электроды, разделенные изолятором, выполненным с окнами для подачи промывочной жидкости. Высоковольтный электрод выполнен в виде юбки, а центральный заземленный электрод выполнен подпружиненным. Электроимпульсный буровой наконечник снабжен вторым заземленным электродом, выполненным в виде кольца, расположенного выше высоковольтного электрода. Обеспечивается повышение эффективности и экологической безопасности бурения скважин. 2 н.п. ф-лы, 2 ил., 4 табл.

 

Изобретение относится к способам и устройствам бурения скважин и стволов при геологоразведочных работах, для проходки горных выработок в горнодобывающей промышленности, в нефтегазодобывающих отраслях, разрушения твердых тел в строительстве, при строительстве опор линий электропередач, и может быть использовано для бурения скважин в районах вечной мерзлоты со скальными грунтами, с грунтами повышенной твердости, для разрушения бетонных и железобетонных изделий, прорезания щелей в бетонных и железобетонных изделиях.

Известен способ электроимпульсного бурения скважин и разрушения твердых тел. Так, например, известен электроимпульсный способ бурения скважин и буровая установка (Бажов В.Ф., Семкин Б.В., Адам А.М. Оптимизация электроимпульсного разрушения горных пород и искусственных материалов. // Известия высших учебных заведений «Физика». - 1996. - №4. - С.106-109).

Сущность данного способа заключается в том, что на электроды бурового наконечника, установленного на горную породу, которая покрыта промывочной жидкостью, подают импульсы высокого напряжения микросекундной длительности. Происходит внедрение канала электрического разряда в горную породу с последующим ее разрушением вокруг канала электрического пробоя с отрывом находящейся под ним горной породы. При этом время воздействия импульса напряжения до пробоя выбирают в зависимости от длины межэлектродного промежутка.

Основным недостатком известного способа является сложность изменения времени воздействия импульсов напряжения.

Известно устройство бурения твердых тел электрическими импульсными разрядами. Так, например, известен электроимпульсный буровой наконечник SU (а.с. 730027 от 30.12.1971 г., опубл. 16.04.1994 г.). Сущность бурового наконечника заключается в том, что он состоит из высоковольтной и заземленной электродных систем, разделенных диэлектриком, причем к рабочим поверхностям высоковольтной электродной системы прикреплены диэлектрические подкладки. Наличие диэлектрических подкладок вызывает резкое искажение электрического поля у торцевой части высоковольтных электродов и, как следствие, приводит к увеличению скорости развития канала разряда, что повышает вероятность и глубину внедрения разрядов в горную породу.

Основным недостатком данного устройства бурения твердых тел электрическими импульсными разрядами является способность бурения только при использовании электроизоляционных промывных буровых растворов и высокая вероятность зависания бурового снаряда в скважине.

Известен также другой электроимпульсный способ бурения скважин (Семкин Б.В., Усов А.Ф., Курец В.И. Основы электроимпульсного разрушения материалов. - С.-Пб.: Наука, 1995 - С.7-11, 34-62, 220-224 и С.11-16, 231-240). Этот способ заключается в том, что разрушаемую горную породу помещают в жидкость, которая является электроизоляционной при заданных параметрах высоковольтных импульсов. При подаче импульсов высокого напряжения на электроды происходит внедрение разряда в горную породу и ее разрушение. При этом оптимизируют несколько параметров.

Основным недостатком этого способа аналога является оптимизация только части параметров для электрического пробоя горной породы, причем пробоя при противостоящих электродах. Однако при бурении скважин условия заметно отличаются, так как у горной породы в скважине лишь одна обнаженная поверхность, на которую и накладывают электроды.

Наиболее близким к предложенному нами способу и устройству бурения твердых тел является выбранный нами за прототип электроимпульсный способ бурения скважин и буровой наконечник (патент RU № 2123596, C1, МПК E21C 37/18 от 14.10.1996 г., опубл. 20.12.1998 г., Бюл. №35).

По выбранному за прототип способу разрушение горных пород, находящихся под слоем электроизоляционной промывочной жидкости, осуществляют высоковольтными импульсными разрядами, которые происходят внутри горной породы, причем основные параметры бурения выбирают из условий, зависящих от экспериментальных значений амплитуды импульсного напряжения пробоя горной породы в промывочной жидкости, от числа электродов бурового наконечника, межэлектродного промежутка бурового наконечника и диаметра бурового наконечника, частоты следования электрических импульсов, выраженных эмпирическими зависимостями.

Основным недостатком этого способа является использование в качестве промывочной жидкости только электроизоляционной промывочной жидкости. Как правило, основой этих жидкостей являются жидкости на основе нефти (например, соляровое масло). Это является в первую очередь нарушением экологической обстановки не только места бурения скважины, но и подверженность загрязнения подземной среды продуктами промывочной жидкости - попадания продуктов промывочной жидкости в водоносные горизонты и их загрязнение. Этот факт сильно ограничивает возможности применения данного способа бурения скважин.

Выбранное за прототип устройство представляет буровой наконечник, приведенный на фиг.1 (патент № 2123596) и состоящий из высоковольтного и заземленного электродов, разделенных твердым изолятором.

Основным недостатком известного способа и устройства бурения твердых тел электрическими импульсными разрядами является отсутствие возможности использования для промывки скважин электропроводной промывочной жидкости, например воды или растворов на ее основе.

Техническим результатом предложенных нами способа и устройства является возможность применения электропроводных промывочных жидкостей. Предложенный способ и устройство позволяют также устранить основные недостатки известных технических решений и повысить эффективность и экологическую безопасность бурения скважин электроимпульсным способом.

Указанный технический результат, согласно предложенному решению, достигается тем, что в предложенном способе бурения твердых тел электрическими импульсными разрядами, включающем разрушение твердых тел непосредственно высоковольтными импульсными электрическими разрядами в твердых телах между высоковольтным и заземленным электродами электроимпульсного бурового наконечника, в процессе разрушения твердых тел нисходящим потоком электропроводной промывной жидкости образуют газовую полость вокруг призабойного оголенного конца высоковольтного электрода.

Указанный технический результат достигается также тем, что в предложенном электроимпульсном буровом наконечнике, содержащем высоковольтный и заземленный электроды, разделенные изолятором, выполненным с окнами для подачи промывочной жидкости, согласно предложенному решению высоковольтный электрод выполнен в виде юбки, а центральный заземленный электрод выполнен подпружиненным, причем электроимпульсный буровой наконечник снабжен вторым заземленным электродом, выполненным в виде кольца, расположенным выше высоковольтного электрода.

Пример конкретного выполнения предложенного способа. Для сравнения предложенного и известного способов электроимпульсного бурения был изготовлен экспериментальный буровой наконечник, конструкция которого изображена на Фиг.1. Высоковольтный электрод 1 установлен по оси бурового снаряда диаметром 12 мм, который имеет подпружиненный 2 ход 40 мм. Заземленный электрод 3 является продолжением наружного корпуса 4 бурового снаряда наружным диаметром 89 мм, расширяющейся конусообразно в сторону забоя наружным диаметром 100 мм. Электроды 1 и 3 разделены твердым изолятором из полиэтилена 5. Внутри корпуса 4 соосно расположена труба 6 наружным диаметром 68 мм. Внутри трубы 6 соосно расположен высоковольтный токовод 7, который изолирован от трубы 6 изолятором 5. Промежуток между трубами 4 и 6 используется для прокачки промывочной жидкости 8. В изоляторе 5 имеются окна 9 для подачи промывочной жидкости 8. На образце горной породы 10 (использовалась горная порода - песчаник) установлен превентор 11, который обеспечивает герметизацию промывочной жидкости от разлива по поверхности и сбора твердых продуктов от бурения в скважине. К превентору 11 подсоединен промывочный насос 12 с системой очистки от продуктов бурения, который подает промывочную жидкость к буровому наконечнику.

Для проведения сравнительных испытаний в качестве промывочных жидкостей использовалась техническая вода и дизельное топливо. При бурении измерялись следующие параметры: напряжение пробоя горной породы, энергия электрического разряда, количество импульсов и средний объем разрушенной горной породы за один импульс. Расход промывной жидкости замерялся жидкостным расходомером и подбирался исходя из оптимального расхода, необходимого для удаления продуктов бурения и образования парогазовой полости 13 (Фиг.1 и Фиг.2) вокруг призабойного оголенного конца высоковольтного электрода 1.

Первоначальные эксперименты проведены по определению пробивных напряжений и удельных энергозатрат на 1 кубический сантиметр пробуренной породы экспериментального бурового снаряда при отсутствии промывки, при заполненной системе водой (Таблица 1)и при заполненной системе дизельным топливом (Таблица 2). Пробой горной породы осуществлялся на фронте импульса напряжения.

Таблица 1
Uпр, кВ 180 200 220 250 280 330 350 400 450 500
W, Дж/см3 нет пробоя горной породы нет пробоя горной породы нет пробоя горной породы нет пробоя горной породы нет пробоя горной породы 350 320 290 260 240
Таблица 2
Uпр, кВ 180 200 220 250 280 330 350 400 450 500
W, Дж/см3 нет пробоя горной породы нет пробоя горной породы нет пробоя горной породы 310 280 230 180 190 220 250

Из данных, приведенных в таблицах 1 и 2, видно, что при напряжении ниже минимального рабочего (для воды Up=350 кВ, а для дизельного топлива Up=310 кВ) нет внедрения канала разряда в горную породу и, как следствие, отсутствует ее разрушение. Повышение напряжения приводит к возникновению пробоя в горной породе и ее разрушению, но при этом вероятность внедрения канала разряда в горную породу меньше 100%.

Дальнейшие испытания экспериментального бурового снаряда проводились с использованием промывки. Для данного диаметра бурового снаряда экспериментально был установлен оптимальный расход промывочной жидкости, равный 15 м3/час, и в последующих испытаниях этот расход промывочной жидкости оставался неизменным.

В таблице 3 приведены экспериментальные данные при бурении, где в качестве промывочной жидкости использовалась техническая вода.

Таблица 3
Uпр, кВ 200 220 250 300 350 400 450 500
Wимп, Дж 320 387 500 720 980 1280 1620 2000
Nимп 150 150 150 150 150 150 150 150
Q с р . и м п с м 3 1.7 2,4 3.5 5.6 6.1 5.8 5.4 4,6
Q ж и д к . м 3 / ч а с 15 15 15 15 15 15 15 15

В таблице 4 приведены экспериментальные данные при бурении, где в качестве промывочной жидкости использовалось дизельное топливо.

Таблица 4
Uпр кВ 200 220 250 300 350 400 450 500
Wимп Дж 320 387 500 720 980 1280 1620 2000
Nимп 150 150 150 150 150 150 150 150
Q с р . и м п с м 3 1.8 2,6 3.7 5.8 6.3 5.9 5.5 4,8
Q ж и д к . м 3 / ч а с 15 15 15 15 15 15 15 15

Из экспериментальных данных, приведенных в таблицах 3 и 4, видно, что электроимпульсное бурение при использовании воды в качестве промывочной жидкости по своим характеристикам практически не уступает электроимпульсному бурению при использование дизельного топлива в качестве промывочной жидкости. Предложенный способ даже превосходит ранее известный по энергетическим показателям, а именно: происходит снижение уровня напряжения на пробой горной породы и, как следствие, снижение энергетических затрат на процесс разрушения горной породы. Этот факт можно объяснить исходя из следующего. Известно, что пробой твердых диэлектриков в первую очередь зависит от напряженности электрического поля в твердом диэлектрике (см., например книгу «Техника высоких напряжений»./ Под ред. Чл. Кор. АН СССР М.В. Костенко, стр.126÷133, -М.:«Высшая школа», 1973 г.), при достижении которой в твердом диэлектрике образуется канал проводимости и, как следствие, его пробой. В сильнонеоднородных полях электрический разряд возникает только в области высокой напряженности поля вблизи электродов с малым радиусом кривизны. В предлагаемом устройстве и способе после приложения напряжения к высоковольтному электроду 1 (см. Фиг.1) при достижении некоторого критического напряжения происходит пробой газовой полости 13 и образуется высокопроводящий канал разряда. Напряженность электрического поля на конце данного канала на несколько порядков выше (диаметр канала незавершенного разряда меньше микрона), чем в стационарной системе электродов,и изменение напряженности поля происходит за время меньше 10-7 сек (определяется временем пробоя газовой полости). Также известно, что на коротких временах воздействия напряжения (менее 10-5÷10-6 сек), электрическая прочность жидких диэлектриков становится выше, чем твердых диэлектриков (Семкин Б.В., Усов А.Ф., Курец В.И. Основы электроимпульсного разрушения материалов. - С.-Пб.: Наука, 1995. - С.7-11). После пробоя газовой полости происходит пробой слоя жидкости между газовой полостью и твердым телом (если таковая имеется), а затем происходит пробой твердого тела (горной породы), и под действием выделяющейся в канале разряда энергии происходит разрушение горной породы. Вероятность пробоя горной породы увеличивается практически до 100%, а напряжение пробоя снижается за счет более высокой напряженности электрического поля в разрядном промежутке.

Также известно, что для уменьшения предпробивных потерь в электродных системах, заполненных водой, площадь высоковольтного электрода, контактирующего с водой, должна быть минимальной (см., например, Г.А. Гулый, П.П. Малюшевский. Высоковольтный электрический разряд в силовых импульсных системах. -Киев, :«Наукова Думка», 1977, С.30-34).

Конкретное выполнение предложенного способа и устройства бурения твердых тел электрическими импульсными разрядами.

Электроимпульсный буровой наконечник (Фиг.1 и Фиг.2), состоящий из высоковольтного 1 и заземленного 3 электродов, разделенных изолятором 5 с окнами 9 для подачи промывочной жидкости 8. Поток промывочной жидкости 8 на основе воды, поступающей через окна 9 в изоляторе 5, разделяющем высоковольтный 1 и 3 электроды, образует вокруг высоковольтного электрода 1 газовую полость 13, обеспечивающую отсутствие контакта оголенных частей высоковольтного электрода с промывочной жидкостью.

Кроме того (Фиг.2), высоковольтный электрод 1 выполнен в виде юбки, рабочей поверхностью которой является торец широкой части электрода, причем два заземленных электрода 3 расположены: один по центру бурового наконечника, а второй заземленный электрод 3 в виде кольца расположен выше высоковольтного, который соединен с наружным корпусом 4.

Принцип действия предлагаемого способа и устройства бурения твердых тел электрическими импульсными разрядами заключается в следующем. Привентор 11 заполняется промывочной жидкостью 8 на основе воды. Запускается промывной насос 12. Под действием нисходящего потока промывочной жидкости, поступающей через промывочные окна 9, образуется газовая полость 13 вокруг оголенной части высоковольтного электрода 1, которая изолирует высоковольтный электрод от прямого контакта с промывочной жидкостью. После выхода системы промывки на рабочий режим (полного заполнения системы промывки промывочной жидкостью и удаления остатков воздуха из системы промывки) включается источник импульсов высокого напряжения. Импульсы высокого напряжения поступают на электродную систему 1 и 3 электроимпульсного бурового наконечника. Под действием высокого напряжения на высоковольтном электроде происходит пробой газовой полости 13, окружающей высоковольтный электрод 1, затем происходит пробой промывочной жидкости 8, а затем пробой горной породы 10. Под действием высоковольтных разрядов происходит отрыв и разрушение горной породы 10. Первоначально пробой горной породы и ее разрушение происходит в нижней торцевой части бурового снаряда. По мере углубления забоя происходит выдвижение центральной части заземленного электрода 3 (фиг.2) под действием пружины 2 и межэлектродный промежуток увеличивается. Расстояние между высоковольтным электродом 1 и боковым заземленным кольцевым электродом 3 становится соизмеримым с межэлектродным промежутком, расположенным в торцевой части и высоковольтные разряды образуются между высоковольтным электродом 1 и кольцевым заземленным электродом 3. В результате этих разрядов происходит пробой и разрушение горной породы по периферии бурового снаряда, что способствует образованию более широкого диаметра скважины и независанию бурового снаряда в самой скважине, также это способствует образованию более широкого канала для выноса продуктов бурения на поверхность. Продукты бурения вместе с промывочной жидкостью по затрубному пространству попадают в превентор, из которого они любым известным способом удаляются, а очищенная промывочная жидкость вновь поступает в забой.

Отсутствие необходимости поворота бурового снаряда относительно его оси, постоянство электрических полей в забойной части между электродной системой, использование в качестве промывочной жидкости жидкостей на основе воды (или чисто технической воды), дает несомненные преимущества предлагаемого способа и устройства бурения твердых тел электрическими импульсными разрядами перед известными способами электроимпульсного бурения.

1. Способ бурения твердых тел электрическими импульсными разрядами, включающий разрушение твердых тел непосредственно высоковольтными импульсными электрическими разрядами в твердых телах между высоковольтным и заземленным электродами электроимпульсного бурового наконечника, отличающийся тем, что в процессе разрушения твердых тел нисходящим потоком электропроводной промывной жидкости образуют газовую полость вокруг призабойного оголенного конца высоковольтного электрода.

2. Электроимпульсный буровой наконечник, содержащий высоковольтный и заземленный электроды, разделенные изолятором, выполненным с окнами для подачи промывочной жидкости, отличающийся тем, что высоковольтный электрод выполнен в виде юбки, а центральный заземленный электрод выполнен подпружиненным, причем электроимпульсный буровой наконечник снабжен вторым заземленным электродом, выполненным в виде кольца, расположенного выше высоковольтного электрода.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области гражданского строительства, атомной и нефтегазовой отраслям и может быть использовано для бурения различных отверстий. Устройство содержит электродвигатель, редуктор с полым валом, источник лазерного излучения, инструмент для сверления, механизм возвратно-поступательной подачи инструмента сверления, оптическое волокно, газовую систему, резервуар для жидкости, смеситель, систему впрыскивания жидкости в смеситель, систему отсасывания, каналы для охлаждения оптического волокна, для подачи хладагента в зону забоя и для отвода отсасываемых из зоны забоя хладагента и шлама.

Изобретение относится к области гражданского строительства, атомной и нефтегазовой отраслям и может быть использовано в сейсмических районах для бурения различных отверстий.

Изобретение относится к области гражданского строительства, атомной и нефтегазовой отраслям и может быть использовано в сейсмических районах для бурения отверстий в бетонных зданиях с целью их укрепления стяжками и в опасных отвесных участках горной породы, для бурения тонких диагностических глубоких отверстий в многометровых бетонных стенах могильников с захоронениями радиоактивных веществ, для бурения в стенке скважины локальных боковых отверстий в окружающей породе.

Изобретение относится к горнодобывающей и строительной отраслям промышленности. Способ электроразрядного разрушения твердых материалов включает формирование шпура в твердом материале, размещение в нем картриджа с веществом, предающим ударную волну, и взрываемым проводником, и инициирование разряда взрывающимся проводником.

Изобретение относится к области проходки скважин и стволов высоковольтными разрядами в крепких горных породах и может найти применение в горнодобывающей промышленности, а также в строительной отрасли.

Изобретение относится к горнодобывающей и строительной отрасли промышленности. .

Изобретение относится к области горного и дорожно-строительного машиностроения, а именно к электромагнитным импульсным механизмам, и может быть использовано для разрушения горных пород, отделения шламовых образований в ковшах для разливки металлов, активизации рабочих органов горных машин, вибровозбудителя в вибротранспортных машинах и т.п.

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 относится к техническим средствам для электроимпульсного бурения с обратной внутренней промывкой скважин сплошного бурения или с отбором керна и может найти применение при геологоразведочных работах, в горнодобывающей промышленности, при строительных и других работах, где требуется бурение скважин в крепких горных породах.

Изобретение относится к горноперерабатывающей промышленности, к способам контроля за процессом электроимпульсного разрушения горных пород. .

Группа изобретений относится к области бурения с использованием энергии лазера большой мощности. Система бурения с использованием лазерного излучения большой мощности для использования совместно с буровой установкой, буровой платформой, буровой вышкой, платформой спуска в скважину под давлением или буровой установкой с гибкой насосно-компрессорной трубой для проходки ствола скважины в твердой горной породе, содержащая генератор лазерного излучения большой мощности, способный создавать лазерный пучок, имеющий мощность, по меньшей мере, 20 кВт, компоновку низа бурильной колонны, имеющую оптический блок, выполненный с возможностью создания заданного профиля энергетического воздействия на поверхность ствола скважины и с возможностью создания заданного рисунка пятен падения лазерного пучка, средство для спуска компоновки низа бурильной колонны в ствол скважины и перемещения в нем при продвижении вниз ствола скважины, скважинный кабель передачи лазерного пучка большой мощности, имеющий длину, по меньшей мере, около 1000 фут (305 м), оптически связанный с генератором и с компоновкой низа бурильной колонны.

Изобретение относится к области проходки скважин и стволов высоковольтными разрядами в крепких горных породах и может найти применение в горнодобывающей промышленности, а также в строительной отрасли.

Изобретение относится к области разрушения горных пород высоковольтными электрическими разрядами, развивающимися внутри горной породы, и доразрушения твердосплавными резцами вращающегося бурового долота.

Изобретение относится к горнодобывающей промышленности и предназначено для проходки вертикальных и наклонных скважин и стволов. .

Изобретение относится к области горного дела, в частности к техническим средствам со стержневыми электродами для разрушения непосредственно высоковольтными разрядами горных пород и искусственных токонепроводящих материалов при бурении скважин, отверстий и т.п., а также при ремонтно-строительных работах.

Изобретение относится к области бурения твердых горных пород не с выбуриванием керна. .

Изобретение относится к техническим средствам для бурения скважин без отбора керна сравнительно большого диаметра (400 мм и более) путем разрушения забоя высоковольтными разрядами, развивающимися в горной породе.

Изобретение относится к области добычи и обработки строительных токонепроводящих материалов из природного камня высоковольтными импульсными разрядами. .

Изобретение относится к области бурения, камнедобычи и камнеобработки. .

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.
Наверх