Электроимпульсный способ бурения скважин и буровая установка

 

Изобретение относится к области бурения скважин, в частности к электроимпульсному способу бурения и буровой установке для реализации способа. Способ предполагает выбор оптимальных параметров режима бурения с учетом рабочего напряжения, энергии в импульсе и расхода промывочной жидкости, а буровая установка выполнена в виде источника импульсов высокого напряжения, системы промывки, спуско-подъемного механизма и бурового снаряда. Часть элементов колонны бурильных труб покрыта высокопроводящим материалом, колонна бурильных труб соединена с кондуктором скользящим контактом, установка снабжена блоком подбора оптимальных режимных параметров, источник импульсов выполнен в виде индуктивного накопителя с полупроводниковым коммутатором, высоковольтный ввод прикреплен к колонне бурильных труб сбоку, а часть его элементов выполнена с полупроводящим покрытием, продольные пазы съемного шламосборника снабжены упругими выступами, буровой наконечник выполнен с возможностью ограниченного поворота, электродная система бурового наконечника выполнена в виде четырехэлектродной ячейки или в виде двух электродов с загнутыми концами. Способ и буровая установка обеспечивают повышение эффективности бурения за счет надежной работы бурового снаряда, а также своевременного удаления продуктов разрушения с забоя скважины. 2 с. и 7 з.п. ф-лы, 9 ил., 2 табл.

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

Известны электроимпульсный способ бурения скважин и буровая установка (Важов В.Ф., Семкин Б.В., Адам А.М. Оптимизация электроимпульсного разрушения горных пород и искусственных материалов//Известия высших учебных заведений "Физика". - 1996. - N 4. - С. 106 - 109).

Известный способ заключается в том, что на электроды бурового наконечника установленного на горную породу, которая покрыта промывочной жидкостью, подают импульсы высокого напряжения микросекундной длительности. Происходит внедрение 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.

Недостатком этого способа является повышение эффективности бурения за счет оптимизации лишь одного параметра.

Известная буровая установка состоит из источника импульсов высокого напряжения, бурового снаряда, представляющего собой буровой наконечник и коаксиальную систему труб, разделенных изоляцией, а также из промывочного блока.

Недостаток известной буровой установки заключается в отсутствии конкретных конструктивных решений, направленных на достижение наибольшей эффективности бурения.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемым решениям по способу и устройству являются следующие известные электроимпульсный способ бурения скважин и буровая установка (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).

По выбранному за прототип электроимпульсному способу 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.

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

Из-за такой разницы условий разрушения рекомендации известного способа не являются оптимальными для условий бурения скважин и не позволяет достичь оптимальной эффективности бурения.

В известной буровой установке снаряд состоит из бурового наконечника, колонны бурильных труб и высоковольтного ввода, через который импульсы высокого напряжения от источника подаются на центральный токопровод колонны бурильных труб. Промывочная жидкость подается в скважину буровым насосом, а для очистки выходящей из скважины жидкости от шлама в промывочную систему включены шламосборник и гидроциклон. Перед началом электроимпульсного бурения в устье скважины укрепляют кондуктор. Для работы с буровым снарядом предусмотрен спуско-подъемный механизм.

Недостатки выбранной за прототип буровой установки связаны с тем, что в ней существенно проработаны лишь вопросы, связанные с промывкой скважины, а это также не позволяет достичь оптимальной эффективности бурения.

Основной технической задачей предложенных способа и установки является повышение эффективности бурения за счет надежной работы бурового снаряда, наибольшей производительности каждого импульса напряжения при высокой частоте следования импульсов, внедрения всех или почти всех разрядов в горную породу, а также за счет своевременного удаления продуктов разрушения с забоя скважины на поверхность. Предложенные способ и устройство позволяют устранить основные недостатки известных технических решений и повысить эффективность бурения в 1,5 - 1,6 раза.

Указанная техническая задача достигается тем, что в предложенном электроимпульсном способе бурения скважин, как и в прототипе, разрушение горных пород, находящихся под слоем промывочной жидкости, выполняющей роль электроизоляционной среды, осуществляют высоковольтными импульсными разрядами, которые происходят внутри горной породы, но в отличие от прототипа согласно предложенному решению основные параметры бурения выбирают из следующих условий: Рабочее напряжение Энергия в импульсе - W₀ ≥ 90 l^1,6, Дж; Расход промывочной жидкости где U₀ - экспериментальное значение амплитуды импульсного напряжения пробоя горной породы в промывочной жидкости при наложенных на одну поверхность образца горной породы двух электродах с расстоянием между ними 1 см, кВ/см; n - число электродов бурового наконечника; l - межэлектродный промежуток бурового наконечника, см;
D_н - диаметр бурового наконечника, см;
f - частота следования импульсов, Гц.

Также для достижения указанной технической задачи предложенная буровая установка, как и в прототипе, содержит источник импульсов высокого напряжения, систему промывки и спуско-подъемный механизм, присоединяемые к буровому снаряду, буровой снаряд состоит из последовательно соединенных высоковольтного ввода, пропущенной через кондуктор колонны бурильных труб и многоэлектродного бурового наконечника, колонна бурильных труб включает в себя коаксиально расположенные высоковольтную и заземленную части, разделенные изоляцией, но в отличие от прототипа согласно предложенному решению внутренняя поверхность заземленной части колонны бурильных труб и наружная поверхность высоковольтной части покрыты слоем немагнитного высокопроводящего материала, например дюралюминия, меди, латуни, колонна бурильных труб соединена с кондуктором электрическим скользящим контактом, делитель напряжения и токовый шунт, встроенные в буровой снаряд, и прибор контроля параметров промывочной жидкости соединены с блоком подбора оптимальных режимных параметров.

Целесообразно источник импульсов высокого напряжения выполнять в виде индуктивного накопителя с полупроводниковым коммутатором.

Целесообразно высоковольтный ввод прикреплять к колонне бурильных труб сбоку.

Целесообразно наружную поверхность изоляционного корпуса высоковольтного ввода и поверхность изоляции пропущенного через него высоковольтного токовода выполнять с полупроводящими покрытиями, которые электрически соединены соответственно с заземленной и высоковольтной частями колонны бурильных труб.

Целесообразно продольные пазы съемного шламосборника выполнять с упругими выступами.

Целесообразно буровой наконечник выполнять с возможностью поворота вокруг собственной оси на величину не менее межэлектродного промежутка.

Целесообразно также электродную систему бурового наконечника выполнять в виде четырехэлектродной ячейки с возможностью ее перемещения по забою скважины.

Кроме того, целесообразно буровой наконечник выполнять двухэлектродным и концы этих электродов загибать под углом не более 90^o.

Пример конкретного выполнения предложенного способа. Образцы микрокварцита поочередно погружали в дизельное топливо. На каждый из этих образцов сверху устанавливали (накладывали) два электрода, один из которых заземляли, а на другой подавали импульс высокого напряжения. Расстояние между этими электродами было равно 1 см. В одинаковых условиях испытывалось пять образцов микрокварцита. Целесообразно для любой породы испытывать 5 - 10 образцов, при этом тем больше, чем более неоднородны свойства горной породы. В нашем примере за экспериментальное значение амплитуды импульса напряжения пробоя U₀ бралось среднее значение из 5 испытаний. Оно было равно 190 кВ. Рабочее напряжение выбиралось (табл. 1) в соответствии с выражением

Испытываемый буровой наконечник имел 7 электродов при межэлектродном промежутке 4 см. Рабочее напряжение по приведенному выражению для испытывавшегося по микрокварциту бурового наконечника равно 252,5 - 378,8 кВ.

В табл. 1 приведены результаты измерения энергозатрат при различных рабочих напряжениях.

Пробой горной породы осуществлялся на фронте импульса напряжения. Объем разрушенной за один импульс напряжения горной породы зависит от нескольких факторов и, в частности, от величины приложенного к межэлектродному промежутку высокого импульсного напряжения, как одного из главных факторов. При напряжении ниже минимального рабочего (в табл. 1 это U_р = 220 кВ) нет внедрения канала разряда в горную породу, следовательно, отсутствует и ее разрушение. Повышение напряжения приводит к возникновению пробоя в горной породе и ее разрушению. При этом вероятность внедрения канала пробоя в горную породу меньше 100%.

Дальнейшее увеличение амплитуды напряжения приводит как к увеличению вероятности внедрения канала пробоя в горную породу, так и к увеличению размеров откольной воронки (длины, ширины, глубины). Однако в ряде случаев целесообразно бурение вести не при наибольшей вероятности внедрения разрядов и не при наименьших энергозатратах. Дело в том, что повышение рабочего напряжения приводит к увеличению вероятности пробоя изоляции, снижает срок службы конденсаторов, уменьшает надежность работы источника импульсов высокого напряжения. Поэтому для определенных условий оптимальным может быть нижний предел U_р, определенный в соответствии с рассматриваемым выражением.

При напряжении 380 кВ энергозатраты на разрушение горной породы минимальные, что и следует считать наиболее оптимальным рабочим напряжением. Значительное повышение амплитуды напряжения сверх 380 кВ вновь приводит к увеличению энергозатрат, что связано с расходом дополнительной энергии на переизмельчение разрушенной горной породы. Правильный выбор рабочего напряжения уменьшает энергозатраты до 1,5 раз.

В табл. 2 приведены результаты измерения энергозатрат при различных энергиях в импульсе. Бурение проводилось в песчанике. Межэлектродный промежуток составлял 4 см, а амплитуда рабочего напряжения 370 кВ. Энергия в разряде изменялась за счет изменения емкости в разряде.

Правильный выбор энергии, необходимой для разрушения горной породы, повышает эффективность бурения, снижает энергозатраты на разрушение горной породы. Это явление хорошо видно по результатам, приведенным в табл. 2. Увеличение выделяемой источником импульсов энергии в импульсе приводит к уменьшению энергозатрат до определенного значения энергии в импульсе 880 - 1100 Дж. Это связано с увеличением объема разрушаемой горной породы и с увеличением размеров откольной воронки. Дальнейшее увеличение энергии в импульсе вызывает увеличение энергозатрат, так как происходит переизмельчение горной породы. Выбор оптимальной энергии, выделяемой источником импульсов, позволяет уменьшить энергозатраты на разрушение горной породы в 1,5 раз и более. Таким образом, энергию в импульсе, необходимую для повышения эффективности бурения, следует выбирать из условия W₀ ≥ 90 l^1,6.

Влияние расхода промывочной жидкости на вынос продуктов разрушения было проверено следующим образом. Электроимпульсный буровой снаряд при диаметре бурового наконечника 110 мм и межэлектродном промежутке 4 см устанавливался на микрокварците. Энергия в импульсе, подводимая от ГИН к забою скважины, равнялась 850 Дж. Промывочный насос позволял повышать производительность до 450 л/мин. Прямопропорциональное увеличение скорости бурения происходило до частоты 9 имп/с. Дальнейшее увеличение частоты слабо влияло на увеличение скорости бурения. Нами установлено, что выбор величины расхода промывочной жидкости для обеспечения оптимального значения необходимо делать, исходя из условия

Сравнение величины расхода промывочной жидкости, выбранной из указанных условий, с экспериментальными данными показывает, что различие составляет менее 5%.

Конкретное выполнение предложенной буровой установки.

На фиг. 1 представлена схема всей буровой установки, на фиг.2 приведена электрическая схема источника импульсов высокого напряжения, на фиг.3 показан вариант крепления высоковольтного ввода к колонне бурильных труб под углом, на фиг. 4 приведен высоковольтный ввод, часть элементов которого снабжена полупроводящим покрытием, на фиг. 5 и 6 изображены продольный и поперечный разрезы схемного шламосборника, на фиг.7 показано выполнение бурового наконечника с возможностью поворота вокруг собственной оси, на фиг. 8 представлена торцевая часть бурового наконечника, электродная система которого выполнена в виде электродной ячейки, и на фиг.9 приведена схема расположения электродов бурового наконечника и форма этих электродов при срыве керна высоковольтными разрядами.

Буровая установка (фиг.1) содержит: источник импульсов высокого напряжения 1, систему промывки, состоящую из бака с промывочной жидкостью 2, бурового насоса 3 и шлангов 4, спуско-подъемный механизм, состоящий из лебедки 5, блока мачты 6 и троса 7, а также буровой снаряд, состоящий из высоковольтного ввода 8, колонны бурильных труб, пропущенной через кондуктор 9, и многоэлектродный буровой наконечник. Буровой наконечник состоит из заземленной системы электродов 10 и высоковольтной 11. Эти системы разделены короночным изолятором 12. Колонна бурильных труб включает в себя высоковольтные центрирующие изоляторы 13, внутреннюю высоковольтную часть 14 и наружную заземленную часть 15, которые разделены этими изоляторами. Внутренняя поверхность наружной заземленной части колонны бурильных труб 15 и внешняя поверхность внутренней высоковольтной ее части 14 покрыты слоем немагнитного электропроводящего материала дюралюминия. Кроме того, в качестве немагнитного покрытия применялись медь, латунь, алюминий, что дало аналогичные результаты. Заземленная часть колонны бурильных труб 15 соединена скользящим контактом 16 с кондуктором 9. В систему промывки встроен прибор контроля 17 для периодического или непрерывного контроля параметров промывочной жидкости. В колонну бурильных труб встроены емкостный делитель высокого импульсного напряжения 18 и токовый шунт 19, которые совместно с прибором контроля промывочной жидкости 17 соединены с блоком подбора оптимальных режимных параметров бурения 20.

Источник импульсов высокого напряжения (фиг.2), выполненный на базе индуктивного накопителя с твердотельным коммутатором, включает в себя следующие элементы: высоковольтный конденсатор 21, искровой разрядник 22, индуктивный накопитель 23 и твердотельный коммутатор (диод) 24. На рисунке также показаны высоковольтный 11 и заземленный 10 электроды бурового наконечника и горная порода 25.

Буровая установка, приведенная на фиг.3, имеет высоковольтный ввод 8, прикрепленный к заземленной части колонны бурильных труб 15 сбоку под любым углом в диапазоне 30^o < α > 150^o. На этом рисунке колонна бурильных труб пропущена через кондуктор 9, а спуско-подъемный механизм представлен лебедкой 5, тросом 7, блоком мачты 6 и мачтой 26.

У предложенного высоковольтного ввода 8 (фиг.4) на изоляционный корпус нанесено полупроводящее покрытие 27, электрически соединенное с фланцем 28 наружной заземленной части колонны бурильных труб 15. Через корпус высоковольтного ввода 8 проходит верхний конец внутренней высоковольтной части колонны бурильных труб 14, пропущенный через изолятор 29. На внешнюю поверхность изолятора 29 нанесено полупроводящее покрытие 30. Полупроводящее покрытие 30 на концах 31 изолятора 29 электрически соединено с внутренней высоковольтной частью колонны бурильных труб 14. Кроме того, на входе изолятора 29 в корпус высоковольтного ввода 8 полупроводящие покрытия 27 и 30 имеют электрическое соединение 32. Таким образом на поверхности изоляционных элементов образуются электрически проводящие пути.

Конструктивные особенности предложенного съемного шламосборника видны при рассмотрении его продольного и поперечного разрезов (фиг.5 и 6). Электроимпульсный буровой наконечник 33 прикреплен к наружной заземленной части колонны бурильных труб 15. Над буровым наконечником 33 на колонну бурильных труб свободно одета внутренняя труба 34 шламосборника. С помощью радиальных перегородок 35 к трубе 34 прикреплены наружные стенки 36. Труба 34, стенки 36 и перегородки 35 образуют два шламосборных контейнера, между которыми в боковых продольных пазах укреплены выступы (лепестки) 37, выполненные из упругого материала, например резины. На рисунках показаны также внутренняя высоковольтная часть колонны бурильных труб 14 и частицы шлама 38.

Конструктивное выполнение бурового наконечника с возможностью поворота вокруг собственной оси следующее (фиг.7). На этом чертеже приведен электроимпульсный буровой наконечник 33, навернутый на наружную заземленную часть колонны бурильных труб 15. В резьбовой части бурового наконечника 33 сделан горизонтальный вырез 39. В удаленных друг от друга концах этого выреза во ввернутую в буровой наконечник 33 наружную часть колонны бурильных труб 15 ввинчены два ограничителя 40.

Повысить эффективность электроимпульсного бурения, особенно при применении электропроводящих промывочных жидкостей, позволяет выполнение электродной системы бурового наконечника в виде четырехэлектродной ячейки с возможностью ее перемещения по забою скважины. На фиг.8 представлена торцевая часть предложенной электродной ячейки бурового наконечника. Она состоит из двух высоковольтных 41 и двух заземленных электродов 42, расположенных как бы по углам квадрата.

На фиг.9 показано конструктивное выполнение высоковольтного 43 и заземленного 44 электродов в виде стержней с загнутыми на угол не более 90^o в сторону осевой линии бурового наконечника концами. Эти электроды установлены на забой скважины так, что торцы их изогнутых концов касаются или почти касаются керна 45.

Работа буровой установки (фиг.1) осуществляется следующим образом. Буровой снаряд через кондуктор 9 устанавливается на забой скважины и соединяется с заземленной частью колонны бурильных труб 15 скользящим контактом 16. Из бака с жидкостью 2 при помощи насоса 3 по шлангам 4 жидкость подается в буровой снаряд, а по затрубному пространству и кондуктор 10 возвращается назад в бак с промывочной жидкостью. После этого импульсы от источника импульсов высокого напряжения 1 через высоковольтный ввод 8 подаются на внутреннюю высоковольтную часть снаряда 14, которая электрически соединена с высоковольтной системой электродов 11 бурового наконечника. На забое скважины происходит разряд между электродами высоковольтной 11 и заземленной 10 систем. Разряд проходит в толще горной породы. При каждом разряде выделяется энергия, запасенная в источнике импульсов высокого напряжения 1, и происходит отрыв и разрушение горной породы. Циркулирующая промывочная жидкость подхватывает и уносит из зоны разрядов разрушенную горную породу на поверхность.

Увеличение глубины скважины приводит к заметному искажению параметров высоковольтного импульса напряжения (удлиняется фронт импульса и уменьшается его амплитуда). Этот отрицательный эффект значительно уменьшается при нанесении на внутреннюю поверхность заземленной части колонны бурильных труб 15 и на внешнюю поверхность высоковольтной части 14 тонкого слоя немагнитного материала - дюралюминия. Могут быть использованы и такие материалы, как медь, латунь, алюминий. Толщина покрытия не превышала 0,1 мм.

При электроимпульсном бурении разрядный контур источника импульсов высокого напряжения 1 и бурового снаряда может быть присоединен к контуру заземления, а может и не присоединяться. В любом случае при протекании тока по колонне бурильных труб в момент пробоя между электродами бурового наконечника (10 и 11) между кондуктором 9 и заземленной частью колонны 15 возникает разность потенциалов и происходит пробой воздушного промежутка. Возникающий канал разряда может воспламенить горючую промывочную жидкость, что приводит к пожарам. Наличие скользящего контакта 16 исключает возникновение разрядов на этом участке. Прибор контроля промывочной жидкости 17, соединенный с блоком подбора оптимальных режимных параметров 20, определяет состояние промывочной жидкости и ее пригодность для продолжения бурения. При этом контролируются как электрофизические параметры промывочной жидкости - удельное электрическое сопротивление и диэлектрическая проницаемость, так и структурно-механические. Блок подбора оптимальных режимных параметров 20 снабжен программой работы, составленной на основании закономерностей электроимпульсного бурения скважин. Блок 20 посредством делителя высокого импульсного напряжения 19 и токового шунта 18 непрерывно или дискретно определяет оптимальные условия бурения по амплитуде импульса напряжения и энергии, необходимой на разрушение, а на основании данных прибора 17 - по параметрам промывочной жидкости. При отклонении от допустимых значений параметров для данных условий блок подбора оптимальных режимных параметров 20 вырабатывает сигнал-команду для автоматического или ручного регулирования процесса бурения.

Источник импульсов высокого напряжения (фиг.2), выполненный на базе индуктивного накопителя, работает следующим образом. Высоковольтный конденсатор 21 заряжается до напряжения, при котором срабатывает искровой разрядник 22, после чего высоковольтный конденсатор 21 разряжается через индуктивный накопитель 23 и твердотельный коммутатор 24. При протекании тока через твердотельный коммутатор в нем образуется объемный заряд и происходит обрыв тока за время, равное единицам наносекунд и более. При обрыве тока в твердотельном коммутаторе на индуктивном накопителе напряжение возрастает до величины, в 3-3,5 раза большей чем напряжение зарядки высоковольтного конденсатора 21. Это увеличенное напряжение прикладывается к электродами 10 и 11 бурового наконечника, в результате чего происходит пробой горной породы 25 и ее разрушение.

Использование индуктивного накопителя с твердотельным коммутатором вместо традиционного генератора импульсов напряжения дало большие преимущества для установки электроимпульсного бурения: снижение массо-габаритных характеристик источника импульсов более чем в 2 раза, что очень важно в передвижном варианте буровой установки; увеличение срока службы источника импульсов почти на порядок в результате уменьшения числа конденсаторов и разрядников, а также уменьшения их класса напряжения. Кроме того, использование индуктивного накопителя дало возможность исполнения источника импульсов в погружном варианте, т.е. непосредственно вблизи бурового наконечника, что очень важно при бурении глубоких и сверхглубоких скважин, а также при использовании для промывки скважин хорошо проводящих электрический ток жидкостей, например воды.

При расположении высоковольтного ввода 8 (фиг.3) сбоку заземленной части колонны бурильных труб 15 спуско-подъеные операции производятся традиционными устройствами при помощи мачты 26, лебедки 5 и троса 7. При этом трос 7 в процессе буровых операций остается постоянно прикрепленным к колонне бурильных труб, что позволяет избежать дополнительных операций отсоединения троса 7 при начале бурения и присоединения его к колонне бурильных труб после окончания бурения для подъема бурового снаряда. При обычном (фиг.1) вертикальном расположении высоковольтного ввода 8 приходится многократно присоединять и отсоединять трос 7, т.к. в этом случае токоподвод к высоковольтному вводу осуществляется в том месте, где на фиг.3 показано присоединение троса 7, что несовместимо.

Испытаниям также был подвергнут высоковольтный ввод 8 (фиг.4), корпус которого и изолятор 29 изготовлены из полиэтилена. Диаметр изолятора 29 по изоляции равен 44 мм, а диаметр внутренней высоковольтной части колонны бурильных труб 14 равен 15 мм. Высота изоляционной части высоковольтного ввода составляла 220 мм, а диаметр в нижней части 160 мм. Сопротивление полупроводящих покрытий между фланцем 28 и электрическим соединением 32 равнялось 1,2 кОм, а между каждым концом внутренней части колонны бурильных труб 14 и соединением 32 также 1,2 кОм, т.е. суммарное сопротивление полупроводящих покрытий составляло 2,4 кОм. Испытательное напряжение подавалось от генератора высоковольтных импульсов напряжения на внутреннюю часть колонны бурильных труб 14 и в процессе испытаний повышалось ступенями от 350 до 880 кВ. При этом длина фронта импульса составляла 1,5 · 10^-6 с. Сравнение результатов испытаний последнего высоковольтного ввода и аналогичного высоковольтного ввода, но без полупроводящих покрытий (фиг.1), показало, что рабочее напряжение при наличии покрытия выше в 2,7 раза.

Работа съемного шламосборника (фиг.5 и 6) осуществляется следующим образом. При разрушении горной породы образующийся на забое скважины шлам поднимается промывочной жидкостью по боковым продольным пазам между соседними перегородками 35 контейнеров. Над контейнерами промывочная жидкость из-за резкого увеличения площади сечения затрубного пространства теряет свою скорость, и шлам оседает в контейнеры. Однако при внезапном прекращении подачи промывочной жидкости или уменьшения скорости выходящего потока крупный шлам оседает и заклинивает буровой снаряд в скважине. Особенность электроимпульсного способа бурения заключается в том, что частицы шлама крупные и при больших межэлектродных промежутках их размеры могут превышать 100 мм. Наличие упругих выступов (лепестков) 37 позволяет крупным частицам шлама 38 при достаточной промывке подниматься вверх. При ее снижении эти частицы оседают на лепестки 37, а не опускаются к забою скважины и не заклинивают буровой снаряд, как это имеет место в известных технических решениях. Свободная посадка внутренней трубы 34 шламосборника позволяет извлекать его на дневную поверхность без подъема бурового снаряда.

Конструктивное решение (фиг.7), которое обеспечивает возможность поворота бурового наконечника вокруг собственной оси, вызвано следующим. При электроимпульсном бурении электрические разряды развиваются в горной породе между электродами бурового наконечника 33 и открывают часть горной породы, находящуюся над каналом развития разряда. В горной породе между электродами образуются откольные воронки. При вздрагивании бурового снаряда от воздействия электрических импульсных разрядов электроды как бы скатываются на дно воронок, и буровой наконечник 33 поворачивается относительно нижнего конца наружной части колонны бурильных труб 15. Ограничители 40 препятствуют полному скручиванию бурового наконечника 33 с колонны бурильных труб, но позволяют ему поворачиваться в заданном вырезом 39 интервале. Величина этого интервала выбирается не менее межэлектродного промежутка, что позволяет электродам передвинуться на самое дно откольных воронок. Это обеспечивает максимальную эффективность следующих разрядов, так как в этом случае происходит скол выступов горной породы между центрами откольных воронок. При жесткой же фиксации бурового наконечника относительно колонны бурильных труб не происходит такого эффективного разрушения горной породы и снижение эффективности бурения достигает 20%. Если же буровой наконечник навинчен на колонну бурильных труб без какой-либо фиксации, то в процессе бурения происходит его полное самопроизвольное свинчивание, что приводит к нарушению процесса бурения.

Рассмотрим особенности работы бурового наконечника (фиг.8), электродная система которого выполнена в виде четырехэлектродной ячейки с возможностью ее перемещения по забою скважины. Эти особенности вызваны тем, что значительную часть стоимости электроимпульсного бурения составляют затраты на изоляционные промывочные жидкости. Существенно снизить эти затраты позволяет применение дешевых электропроводящих промывочных жидкостей, например воды. Но при их использовании в электродной системе бурового наконечника происходят большие утечки токов. Поэтому при использовании электропроводящих промывочных жидкостей целесообразно уменьшать число электродов. Однако при таком решении ограничены возможности бурения скважин большого диаметра. В связи с этим предложено не только уменьшение числа электродов, а и возможность перемещения электродов по забою скважины при выполнении электродной системы в виде четырехэлектродной системы. Такое расположение электродов является оптимальным, так как электрические разряды, развивающиеся между каждой парой соседних высоковольтных 41 и заземленных 42 электродов, внедряются в горную породу в зонах I, а зона II остается в виде столбика горной породы. Но в связи с тем, что при разрядах в зонах I на этот столбик действуют боковые импульсные нагрузки, то столбик скалывается и разрушается. Перемещением четырехэлектродной ячейки по забою скважины можно получить скважину почти с любой конфигурацией забоя, причем как с образованием керна, так и без него. Перемещение можно выполнить с поверхности потоком промывочной жидкости, энергией импульсных разрядов. На фиг.8 показано образование забоя скважины вращением четырехэлектродной ячейки вокруг оси A. Для бурения скважины такого диаметра обычный буровой наконечник имеет в несколько раз больше электродов. При его использовании соответственно в несколько раз выше утечки токов, а значит, существенно ниже эффективность бурения.

Прежде чем рассматривать работу двухэлектродного бурового наконечника (фиг.9), следует отметить, что при бурении скважин большого диаметра целесообразно не разрушать всю горную породу на забое скважины, а вести бурение с получением керна и затем извлекать керн из скважины. Но срыв керна большого диаметра представляет серьезную проблему. Согласно предложению для срыва керна 45 в скважину опускается буровой наконечник двумя противостоящими электродами 43 и 44, концы которых загнуты в сторону керна. Если в скважине жидкости нет, то в нее заливается жидкость и на высоковольтный электрод 43 (электрод 44 при этом заземлен) подают несколько импульсов высокого напряжения с повышенной амплитудой. Развитие разрядов между электродами приводит к срыву керна. Если параметров импульсов недостаточно для срыва керна при двух противостоящих электродах, то эти электроды сближают, чтобы разряды происходили в боковой части керна. Перемещением пары электродов вокруг керна с подачей на них импульсов высокого напряжения удается сорвать керн большого диаметра. Для срыва керна диаметром 60 см достаточно подать на электрод 2 около 100 импульсов высокого напряжения. При таком срыве керна эффективность бурения повышается на 30% по сравнению с бурением без образования и срыва керна.

Формула изобретения

1. Электроимпульсный способ бурения скважин, при котором разрушение горных пород, находящихся под слоем промывочной жидкости, выполняющей роль электроизоляционной среды, осуществляют высоковольтными импульсными разрядами, которые происходят внутри горной породы, отличающейся тем, что основные параметры бурения выбирают из следующих условий:
Рабочее напряжение, кВ

Энергия в импульсе, Дж - W ₀ ≥ 90 l^1,6
Расход промывочной жидкости, л/мин
где U₀ - экспериментальное значение амплитуды импульсного напряжения пробоя горной породы в промывочной жидкости при наложенных на одну поверхность образца горной породы двух электродов с расстоянием между ними 1 см, кВ/см;
n - число электродов бурового наконечника;
l - межэлектродный промежуток бурового наконечника, см, где D_н - диаметр бурового наконечника, см;
f - частота следования импульсов, Гц.

2. Буровая установка, содержащая источник импульсов высокого напряжения, систему промывки и спуско-подъемный механизм, присоединяемые к буровому снаряду, который состоит из последовательно соединенных высоковольтного ввода, пропущенной через кондуктор колонны бурильных труб и многоэлектродного бурового наконечника, причем колонна бурильных труб включает в себя коаксиально расположенные высоковольтную и заземленную части, разделенные изоляцией, отличающаяся тем, что внутренняя поверхность заземленной части колонны бурильных труб и наружная поверхность высоковольтной части покрыты слоем немагнитного высокопроводящего материала, например дюралюминия, меди, латуни, колонна бурильных труб соединена с кондуктором электрическим скользящим контактом, делитель напряжения и токовый шунт, встроенные в буровой снаряд, и прибор контроля параметров промывочной жидкости соединены с блоком подбора оптимальных режимных параметров.

3. Установка по п.2, отличающаяся тем, что источник импульсов высокого напряжения выполнен в виде индуктивного накопителя с полупроводниковым коммутатором.

4. Установка по п. 2, отличающаяся тем, что высоковольтный ввод прикреплен к колонне бурильных труб сбоку.

5. Установка по п.2 или 4, отличающаяся тем, что наружная поверхность изоляционного корпуса высоковольтного ввода и поверхность изоляции пропущенного через него высоковольтного токовода выполнены с полупроводящими покрытиями, которые электрически соединены соответственно с заземленной и высоковольтной частями колонны бурильных труб.

6. Установка по п. 2, отличающаяся тем, что продольные пазы съемного шламосборника выполнены с упругими выступами.

7. Установка по п.2, отличающаяся тем, что буровой наконечник выполнен с возможностью поворота вокруг собственной оси на величину не менее межэлектродного промежутка.

8. Установка по п.2, отличающаяся тем, что электродная система бурового наконечника выполнена в виде четырехэлектродной ячейки с возможностью ее перемещения по забою скважины.

9. Установка по п.2, отличающаяся тем, что буровой наконечник выполнен в виде двух электродов, а концы этих электродов загнуты под углом не более 90^o.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10