RU2123596C1 - Электроимпульсный способ бурения скважин и буровая установка - Google Patents

Электроимпульсный способ бурения скважин и буровая установка Download PDF

Info

Publication number
RU2123596C1
RU2123596C1 RU96120954A RU96120954A RU2123596C1 RU 2123596 C1 RU2123596 C1 RU 2123596C1 RU 96120954 A RU96120954 A RU 96120954A RU 96120954 A RU96120954 A RU 96120954A RU 2123596 C1 RU2123596 C1 RU 2123596C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
drilling
voltage
drill
drill bit
pipe string
Prior art date
Application number
RU96120954A
Other languages
English (en)
Other versions
RU96120954A (ru
Inventor
А.М. Адам
В.Ф. Важов
Original Assignee
Научно-исследовательский институт высоких напряжений при Томском политехническом университете
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Научно-исследовательский институт высоких напряжений при Томском политехническом университете filed Critical Научно-исследовательский институт высоких напряжений при Томском политехническом университете
Priority to RU96120954A priority Critical patent/RU2123596C1/ru
Priority to JP51816698A priority patent/JP3877010B2/ja
Priority to PCT/JP1997/002345 priority patent/WO1998016713A1/ja
Priority to AU33592/97A priority patent/AU3359297A/en
Priority to US09/284,833 priority patent/US6164388A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2123596C1 publication Critical patent/RU2123596C1/ru
Publication of RU96120954A publication Critical patent/RU96120954A/ru

Links

Images

Classifications

    • EFIXED CONSTRUCTIONS
    • E21EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21BEARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B7/00Special methods or apparatus for drilling
    • E21B7/18Drilling by liquid or gas jets, with or without entrained pellets
    • EFIXED CONSTRUCTIONS
    • E21EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21BEARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B7/00Special methods or apparatus for drilling
    • E21B7/14Drilling by use of heat, e.g. flame drilling
    • E21B7/15Drilling by use of heat, e.g. flame drilling of electrically generated heat

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Geology (AREA)
  • Mining & Mineral Resources (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Geochemistry & Mineralogy (AREA)
  • Earth Drilling (AREA)
  • Drilling And Exploitation, And Mining Machines And Methods (AREA)

Abstract

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.

Description

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
Figure 00000002

Энергия в импульсе - W0 ≥ 90 l1,6, Дж;
Расход промывочной жидкости
Figure 00000003

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;
Dн - 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 90o.
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
Figure 00000004

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 Uр = 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 Uр, 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 l1,6.
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
Figure 00000005

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 30o < α > 150o. 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 90o 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.

Claims (9)

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
Figure 00000006

Энергия в импульсе, Дж - W 0 ≥ 90 l1,6
Расход промывочной жидкости, л/мин
Figure 00000007

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 Dн - 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 90o.
RU96120954A 1996-10-14 1996-10-14 Электроимпульсный способ бурения скважин и буровая установка RU2123596C1 (ru)

Priority Applications (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU96120954A RU2123596C1 (ru) 1996-10-14 1996-10-14 Электроимпульсный способ бурения скважин и буровая установка
JP51816698A JP3877010B2 (ja) 1996-10-14 1997-07-07 電気パルスによる掘削方法及び掘削機
PCT/JP1997/002345 WO1998016713A1 (fr) 1996-10-14 1997-07-07 Procede d'excavation a l'aide d'impulsions electriques et excavatrice associee
AU33592/97A AU3359297A (en) 1996-10-14 1997-07-07 Excavation method using electric pulses, and excavator
US09/284,833 US6164388A (en) 1996-10-14 1997-07-07 Electropulse method of holes boring and boring machine

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU96120954A RU2123596C1 (ru) 1996-10-14 1996-10-14 Электроимпульсный способ бурения скважин и буровая установка

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2123596C1 true RU2123596C1 (ru) 1998-12-20
RU96120954A RU96120954A (ru) 1999-01-10

Family

ID=20186811

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU96120954A RU2123596C1 (ru) 1996-10-14 1996-10-14 Электроимпульсный способ бурения скважин и буровая установка

Country Status (5)

Country Link
US (1) US6164388A (ru)
JP (1) JP3877010B2 (ru)
AU (1) AU3359297A (ru)
RU (1) RU2123596C1 (ru)
WO (1) WO1998016713A1 (ru)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7270195B2 (en) 2002-02-12 2007-09-18 University Of Strathclyde Plasma channel drilling process
RU2471068C1 (ru) * 2011-05-27 2012-12-27 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" Способ контроля процесса электроимпульсного разрушения твердых тел
RU2524101C2 (ru) * 2011-03-23 2014-07-27 Николай Данилович Рязанов Способ электроимпульсного бурения скважин, электроимпульсной буровой наконечник

Families Citing this family (38)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3434800B2 (ja) * 2001-01-31 2003-08-11 海洋科学技術センター 地殻コア試料の採取方法、並びにこれに用いる抗菌性高分子ゲルおよびゲル材料
US6857706B2 (en) 2001-12-10 2005-02-22 Placer Dome Technical Services Limited Mining method for steeply dipping ore bodies
WO2003057996A2 (en) 2002-01-03 2003-07-17 Placer Dome Technical Services Limited Method and apparatus for a plasma-hydraulic continuous excavation system
US7695071B2 (en) 2002-10-15 2010-04-13 Minister Of Natural Resources Automated excavation machine
DE10346055B8 (de) * 2003-10-04 2005-04-14 Forschungszentrum Karlsruhe Gmbh Aufbau einer elektrodynamischen Fraktionieranlage
NO322323B2 (no) 2003-12-01 2016-09-13 Unodrill As Fremgangsmåte og anordning for grunnboring
US7959094B2 (en) * 2004-08-20 2011-06-14 Tetra Corporation Virtual electrode mineral particle disintegrator
US7559378B2 (en) 2004-08-20 2009-07-14 Tetra Corporation Portable and directional electrocrushing drill
US9190190B1 (en) 2004-08-20 2015-11-17 Sdg, Llc Method of providing a high permittivity fluid
US8172006B2 (en) 2004-08-20 2012-05-08 Sdg, Llc Pulsed electric rock drilling apparatus with non-rotating bit
US7527108B2 (en) * 2004-08-20 2009-05-05 Tetra Corporation Portable electrocrushing drill
US8186454B2 (en) * 2004-08-20 2012-05-29 Sdg, Llc Apparatus and method for electrocrushing rock
US20060037516A1 (en) * 2004-08-20 2006-02-23 Tetra Corporation High permittivity fluid
US8789772B2 (en) 2004-08-20 2014-07-29 Sdg, Llc Virtual electrode mineral particle disintegrator
US9416594B2 (en) 2004-11-17 2016-08-16 Schlumberger Technology Corporation System and method for drilling a borehole
GB2420358B (en) * 2004-11-17 2008-09-03 Schlumberger Holdings System and method for drilling a borehole
US10060195B2 (en) 2006-06-29 2018-08-28 Sdg Llc Repetitive pulsed electric discharge apparatuses and methods of use
US20110064706A1 (en) * 2008-01-11 2011-03-17 U.S. Nutraceuticals, Llc D/B/A Valensa International Method of preventing, controlling and ameliorating urinary tract infections and supporting digestive health by using a synergistic cranberry derivative, a d-mannose composition and a proprietary probiotic blend
US20110056192A1 (en) * 2009-09-10 2011-03-10 Robert Weber Technique for controlling pumps in a hydraulic system
US8362629B2 (en) * 2010-03-23 2013-01-29 Bucyrus International Inc. Energy management system for heavy equipment
US8606451B2 (en) 2010-10-06 2013-12-10 Caterpillar Global Mining Llc Energy system for heavy equipment
US8718845B2 (en) 2010-10-06 2014-05-06 Caterpillar Global Mining Llc Energy management system for heavy equipment
US8626403B2 (en) 2010-10-06 2014-01-07 Caterpillar Global Mining Llc Energy management and storage system
CA2860775A1 (en) 2011-01-07 2012-07-12 Sdg Llc Apparatus and method for supplying electrical power to an electrocrushing drill
JP5789391B2 (ja) * 2011-03-30 2015-10-07 日信工業株式会社 カーボンナノファイバーを用いた電極用多孔質体、電極、電池、キャパシタ、水処理装置、油田装置用の耐熱筐体、油田装置及び電極用多孔質体の製造方法
US9279322B2 (en) * 2011-08-02 2016-03-08 Halliburton Energy Services, Inc. Systems and methods for pulsed-flow pulsed-electric drilling
US20130032398A1 (en) * 2011-08-02 2013-02-07 Halliburton Energy Services, Inc. Pulsed-Electric Drilling Systems and Methods with Reverse Circulation
RU2500873C1 (ru) * 2012-04-28 2013-12-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" Электроимпульсный буровой снаряд
US10407995B2 (en) 2012-07-05 2019-09-10 Sdg Llc Repetitive pulsed electric discharge drills including downhole formation evaluation
US9190852B2 (en) 2012-09-21 2015-11-17 Caterpillar Global Mining Llc Systems and methods for stabilizing power rate of change within generator based applications
US10077644B2 (en) 2013-03-15 2018-09-18 Chevron U.S.A. Inc. Method and apparatus for generating high-pressure pulses in a subterranean dielectric medium
WO2015042608A1 (en) 2013-09-23 2015-03-26 Sdg Llc Method and apparatus for isolating and switching lower voltage pulses from high voltage pulses in electrocrushing and electrohydraulic drills
GB2590874B (en) * 2015-08-19 2021-11-10 Halliburton Energy Services Inc High-power fuse-protected capacitor for downhole electrocrushing drilling
US9976352B2 (en) 2015-08-27 2018-05-22 Saudi Arabian Oil Company Rock formation drill bit assembly with electrodes
WO2017127659A1 (en) 2016-01-20 2017-07-27 Baker Hughes Incorporated Electrical pulse drill bit having spiral electrodes
JP2018053573A (ja) * 2016-09-29 2018-04-05 国立研究開発法人海洋研究開発機構 地盤掘削装置
GB2565584A (en) 2017-08-17 2019-02-20 Fibercore Ltd Drilling system
CN114217662B (zh) * 2021-11-23 2022-09-20 华中科技大学 一种高电压脉冲碎岩技术的匹配电压波头确定方法及系统

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3700169A (en) * 1970-10-20 1972-10-24 Environment One Corp Process and appratus for the production of hydroelectric pulsed liquids jets
US3840270A (en) * 1973-03-29 1974-10-08 Us Navy Tunnel excavation with electrically generated shock waves
JPS5812433B2 (ja) * 1980-11-06 1983-03-08 東京電子技研株式会社 水中マイクロ波破砕方法およびその装置
US5914020A (en) * 1994-12-05 1999-06-22 E. I. Du Pont De Nemours And Company Electric field method and apparatus for decontaminating soil
RU2081259C1 (ru) * 1995-02-22 1997-06-10 Научно-исследовательский институт высоких напряжений при Томском политехническом университете Способ изготовления изделий из некондиционного железобетона
KR0184541B1 (ko) * 1995-10-30 1999-04-01 박주탁 골드슈미트 파암장치

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Семкин Б.В. и др. Основы электроимпульсного разрушения материалов. - Сб.: Наука, 1995, с.7 - 16, 220 - 224. *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7270195B2 (en) 2002-02-12 2007-09-18 University Of Strathclyde Plasma channel drilling process
RU2524101C2 (ru) * 2011-03-23 2014-07-27 Николай Данилович Рязанов Способ электроимпульсного бурения скважин, электроимпульсной буровой наконечник
RU2471068C1 (ru) * 2011-05-27 2012-12-27 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" Способ контроля процесса электроимпульсного разрушения твердых тел

Also Published As

Publication number Publication date
AU3359297A (en) 1998-05-11
US6164388A (en) 2000-12-26
JP3877010B2 (ja) 2007-02-07
WO1998016713A1 (fr) 1998-04-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2123596C1 (ru) Электроимпульсный способ бурения скважин и буровая установка
RU96120954A (ru) Электроимпульсный способ бурения скважин и буровая установка
US20180266182A1 (en) Rock formation drill bit assembly with electrodes
DE69010899T2 (de) Seismischer generator.
US5845854A (en) Method of solid insulator destruction
WO1989011581A1 (en) Method and device for exciting a well during oil extraction
AU594185B2 (en) Downhole electric heating generator for producing steam or hot water
US20140060804A1 (en) Well Cleaning Device
CN114174630A (zh) 用于电脉冲镗孔的钻头
RU2248591C2 (ru) Скважинный источник упругих колебаний
RU2500873C1 (ru) Электроимпульсный буровой снаряд
RU2283937C2 (ru) Электроимпульсный бур
RU2407885C2 (ru) Электродная система скважинного электрогидроимпульсного устройства
Lisitsyn et al. Use of inductive energy storage for electric pulse destruction of solid materials
RU2593850C1 (ru) Способ подачи реагента и обработки скважины с высоковязкой нефтью
RU2132105C1 (ru) Зарядное устройство емкостного накопителя
RU2441127C1 (ru) Электроимпульсное породоразрушающее устройство
SU1741900A1 (ru) Высоковольтный электрод дл электроимпульсного разрушени твердых материалов
KR101435493B1 (ko) 펄스 방전을 이용한 지하수 관정 세척방법
EA010901B1 (ru) Устройство для электрогидравлического воздействия на призабойную зону скважины
RU2013135C1 (ru) Высоковольтный электрод для электроимпульсного разрушения материалов
RU2254400C1 (ru) Устройство для катодной защиты спускаемого в скважину оборудования
SU969884A1 (ru) Электроимпульсна камера дл активации растворов
RU2208142C2 (ru) Электрогидроударное устройство для активации нефтегазоносного пласта и способ питания его электричеством
RU2524101C2 (ru) Способ электроимпульсного бурения скважин, электроимпульсной буровой наконечник

Legal Events

Date Code Title Description
PC43 Official registration of the transfer of the exclusive right without contract for inventions

Effective date: 20110525

MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20131015