RU2500873C1

RU2500873C1 - Electric pulse drilling assembly

Info

Publication number: RU2500873C1
Application number: RU2012117948/03A
Authority: RU
Inventors: Альберт Мартынович Адам; Василий Михайлович Муратов; Михаил Юрьевич Журков; Евгения Альбертовна Адам; Татьяна Петровна Курочкина; Сергей Юрьевич Дацкевич
Priority date: 2012-04-28
Filing date: 2012-04-28
Publication date: 2013-12-10
Also published as: RU2012117948A

Abstract

FIELD: mining.

SUBSTANCE: hydraulic current lead (1), drill stem (2) and drill head including housing (6), high-voltage and earthed electrodes (7 and 8) and high-voltage insulator (9) are connected in series in the assembly. Inside drill stem (2) there coaxially fixed is axial current lead (5), on which central pipe (10) is freely put and provided with charging device (14) and high-voltage pulse (15) source, which are fixed on the above central pipe. Shock absorbing spring (12) is installed under high-voltage pulse (15) source in casing (13) freely put on central pipe (10). One or more bottom-hole posts (11) are attached to lower end of central pipe (10) and have the possibility of longitudinal movement till they come out of the drill head by more than 1/3 of inter-electrode distance.

EFFECT: period of trouble-free operation of a charging device and a high-voltage pulse source is increased by several times.

3 cl, 3 dwg, 1 ex

Description

Электроимпульсный буровой снаряд предназначен для проходки скважин и стволов высоковольтными импульсными разрядами, развивающимися непосредственно в горной породе, и может найти применение в горной промышленности для проходки в крепких горных породах скважин и стволов диаметром от 400 мм до 2,0 м и глубиной от десятков до сотен метров. Предложенный снаряд может быть применен и в строительной отрасли для бурения скважин в крепких горных породах глубиною в несколько метров.An electropulse drill is designed for drilling wells and shafts with high-voltage pulsed discharges that develop directly in the rock, and can be used in mining for drilling in strong rocks of wells and shafts with a diameter of 400 mm to 2.0 m and a depth of tens to hundreds meters. The proposed projectile can also be used in the construction industry for drilling wells in strong rocks several meters deep.

Известен электроимпульсный буровой снаряд [патент на изобретение SU №730022, МПК⁴ Е21С 37/18, опубл. 30.12.87. вып.№48], который содержит буровую колонну, в которой коаксиально размещена высоковольтная токопроводящая система, буровой наконечник и генератор высоковольтных импульсов, расположенный над буровым наконечником внутри колонны бурильных труб. Размещение генератора высоковольтных импульсов непосредственно над буровым наконечником позволяет существенно уменьшить искажение импульсов. Минимальное искажение импульсов необходимо для внедрения разрядов в горную породу с разрушением ее на забое скважины.Known electrical pulse drill [patent for invention SU No. 730022, IPC ⁴ Е21С 37/18, publ. 12/30/87. issue No. 48], which contains a drill string, in which a high-voltage conductive system, a drill bit and a high-voltage pulse generator located above the drill bit inside the drill pipe string are coaxially placed. Placing a high-voltage pulse generator directly above the drill bit can significantly reduce pulse distortion. Minimum impulse distortion is necessary for introducing discharges into the rock with its destruction at the bottom of the well.

Основной недостаток известного бурового снаряда связан с тем, что для его работы предусмотрено зарядное устройство устанавливать на земной поверхности и оттуда подавать постоянное высокое зарядное напряжение (36 кВ) на генератор высоковольтных импульсов, размещенный над буровым наконечником внутри колонны бурильных труб. В результате этого в процессе бурения токопроводящая система находится под высоким напряжением, что требует надежной ее изоляции и предъявляет повышенные требования к безопасности работы с буровым снарядом. Другой существенный недостаток вызван тем, что при развитии каждого высоковольтного импульсного разряда в горной породе буровой снаряд подскакивает над забоем скважины на высоту от долей миллиметров до нескольких миллиметров, в том числе и его генератор высоковольтных импульсов, что существенно снижает время безаварийной работы генератора. Также отрицательно влияют на работу генератора и электрогидравлические удары, связанные с кавитационными процессами в промывочной жидкости, вызванными высоковольтными импульсными разрядами на забое скважины.The main disadvantage of the known drill is due to the fact that it is provided for the charger to be installed on the earth's surface and from there apply a constant high charging voltage (36 kV) to the high-voltage pulse generator located above the drill bit inside the drill pipe string. As a result of this, in the process of drilling, the conductive system is under high voltage, which requires reliable isolation and places high demands on the safety of working with a drill. Another significant drawback is caused by the fact that during the development of each high-voltage pulse discharge in the rock, the drill jumps over the bottom of the well to a height from fractions of a millimeter to several millimeters, including its high-voltage pulse generator, which significantly reduces the time of trouble-free operation of the generator. Also negatively affect the operation of the generator and electro-hydraulic shocks associated with cavitation processes in the flushing fluid caused by high-voltage pulse discharges at the bottom of the well.

Первый недостаток позволяет устранить изобретение «Способ бурения горных пород электрическими импульсными разрядами и буровой снаряд» [патент RU №2319009; МПК Е21С 37/18, Е21В 7/00 (2006.01), опубл. 10.03.2008. Бюл. №7], в котором рассмотрен выбранный за прототип буровой снаряд для бурения высоковольтными импульсными разрядами, включающий в себя последовательно соединенные буровой наконечник и колонну бурильных труб, внутри которой непосредственно над буровым наконечником размещены источник высоковольтных импульсов и его зарядное устройство, электрически подсоединенное к тоководу, который введен сверху в колонну бурильных труб, причем источник высоковольтных импульсов и зарядное устройство снабжены рубашкой, образующей канал для потока промывочной жидкости между колонной бурильных труб и рубашкой.The first disadvantage allows to eliminate the invention "Method of drilling rocks with electric pulse discharge and drill" [patent RU No. 2319009; IPC E21C 37/18, E21B 7/00 (2006.01), publ. 03/10/2008. Bull. No. 7], which considers a drill selected for prototype drilling for high-voltage pulsed discharges, which includes a drill bit and a drill pipe string connected in series, inside of which a high-voltage pulse source and its charger are connected electrically connected to the current lead directly above the drill bit, which is inserted from above into the drill pipe string, the high-voltage pulse source and the charger being provided with a jacket forming a channel for the flow internal fluid between the drill pipe and the jacket.

Основной недостаток устройства - прототипа вызван тем, что при развитии каждого высоковольтного импульсного разряда в горной породе происходит подскок бурового снаряда над забоем скважины на высоту до нескольких миллиметров. Кроме того, на источник высоковольтных импульсов и частично на зарядное устройство воздействуют электрогидравлические удары, возникающие из-за кавитационных процессов в промывочной жидкости. Это предъявляет повышенные требования к механической прочности всех элементов источника высоковольтных импульсов и их соединений. Срок безаварийной работы бурового снаряда не превышает 10 часов, так как отламываются выводы конденсаторов, изменяются установленные зазоры между электродами разрядников, нарушаются механические и электрические соединения элементов источника высоковольтных импульсов и зарядного устройства и др.The main disadvantage of the prototype device is caused by the fact that during the development of each high-voltage pulse discharge in the rock, a drill bit jumps over the bottom of the well to a height of several millimeters. In addition, electro-hydraulic shocks, arising from cavitation processes in the washing liquid, act on the source of high-voltage pulses and partially on the charger. This places high demands on the mechanical strength of all elements of the source of high-voltage pulses and their connections. The period of trouble-free operation of the drill does not exceed 10 hours, since the capacitors break off, the established gaps between the spark gap electrodes change, mechanical and electrical connections of the elements of the source of high-voltage pulses and the charger are violated.

Основной технический результат предложенного решения состоит в увеличении в несколько раз срока безаварийной работы источника высоковольтных импульсов и зарядного устройства благодаря тому, что практически полностью устранены их подскоки и существенно снижено воздействие на них электрогидравлических ударов.The main technical result of the proposed solution is to increase by several times the period of trouble-free operation of the source of high-voltage pulses and the charger due to the fact that their jumps are almost completely eliminated and the effect of electro-hydraulic shocks on them is significantly reduced.

Указанный технический результат достигается тем, что в электроимпульсном буровом снаряде для проходки скважин высоковольтными импульсными разрядами, содержащем последовательно соединенные гидротоковвод, колонну бурильных труб и буровой наконечник, над которым внутри колонны бурильных труб последовательно размещены источник высоковольтных импульсов и зарядное устройство, электрически подсоединенное к осевому тоководу, введенному коаксиально в колонну бурильных труб через гидротоковвод, согласно предложенному решению, источник высоковольтных импульсов и зарядное устройство жестко закреплены на центральной трубе, свободно надетой на осевой токовод, и к нижнему концу центральной трубы прикреплены один или несколько забойных упоров, которые выполнены с возможностью продольного перемещения до частичного выхода из бурового наконечника.The specified technical result is achieved in that in an electric impulse drill for drilling wells with high-voltage impulse discharges containing a series-connected hydraulic conduit, a drill pipe string and a drill bit above which a source of high-voltage pulses and a charger electrically connected to an axial current lead are sequentially placed inside the drill pipe string introduced coaxially into the drill pipe string through the hydraulic conduit, according to the proposed solution, the source in The high-voltage pulses and the charger is rigidly secured to the central tube loosely fitted on the axial tokovod, and the lower end of the central tube are attached one or more downhole abutment, which are arranged to move longitudinally to a partial release of the drill bit.

Целесообразно под источником высоковольтных импульсов устанавливать пружину-амортизатор, размещая ее в подвижном кожухе, выполненном в виде стакана с центральным донным отверстием, через которое свободно пропущена центральная труба, при этом нижний конец источника высоковольтных импульсов размещен в подвижном кожухе над пружиной-амортизатором.It is advisable to install a spring-shock absorber under the source of high-voltage pulses, placing it in a movable casing made in the form of a glass with a central bottom hole through which the central tube is freely passed, while the lower end of the high-voltage pulse source is placed in the movable casing above the spring-shock absorber.

Также целесообразно забойные упоры выполнять выступающими из приподнятого над забоем скважины бурового снаряда более чем на 1/3 межэлектродного расстояния бурового наконечника.It is also advisable to perform bottom-hole stops protruding from the drill bit raised above the bottom of the borehole by more than 1/3 of the electrode gap of the drill bit.

Пример конкретного выполнения. На фиг.1 приведен продольный разрез предложенного бурового снаряда, приподнятого над забоем скважины; на фиг.2 изображен вид А на его торцевую поверхность; на фиг.3 буровой снаряд показан стоящим на забое скважины. Электроимпульсный буровой снаряд (фиг.1 и фиг.2) содержит гидротоковвод 1, служащий для подачи в колонну бурильных труб 2 через входной штуцер 3 промывочной жидкости 4 и для коаксиального ввода в колонну бурильных труб осевого токовода 5. С другого конца к колонне бурильных труб 2 присоединен корпус бурового наконечника 6. Основными элементами бурового наконечника являются также высоковольтные электроды 7, заземленные электроды 8 и высоковольтный изолятор 9. Внутри колонны бурильных труб 2 на осевой токовод 5 свободно надета центральная труба 10, к нижнему (призабойному) концу которой прикреплены два забойных упора 11. Над забойными упорами 11 установлена пружина-амортизатор 12, размещенная в подвижном кожухе 13. Кожух 13 выполнен в виде стакана с центральным донным отверстием, через которое кожух свободно надет на центральную трубу 10. Над пружиной-амортизатором 12 на центральной трубе 10 жестко закреплены зарядное устройство 14 и источник высоковольтных импульсов 15. Нижний конец источника высоковольтных импульсов 15 размещен в подвижном кожухе 13 над пружиной-амортизатором 12. Для подвода к зарядному устройству 14 переменного напряжения (220-380 В) к нему подведен гибкий низковольтный кабель 16. Высоковольтный кабель 17 предназначен для подачи высокого постоянного напряжения (36 кВ) от зарядного устройства 14 на источник импульсов высокого напряжения 15. В приподнятом над забоем скважины положении бурового снаряда призабойные упоры 11 выступают из него более чем на 1/3 межэлектродного расстояния (зазора между разнополярными электродами 7 и 8) бурового наконечника. Устье скважины укреплено кондуктором 18, снабженным выходным штуцером 19 для обеспечения выноса из скважины промывочной жидкостью 4 шлама 20.An example of a specific implementation. Figure 1 shows a longitudinal section of the proposed drill, raised above the bottom of the well; figure 2 shows a view of A on its end surface; figure 3 drill is shown standing on the bottom of the well. Electric pulse drill (figure 1 and figure 2) contains a hydraulic conduit 1, which serves to supply drill pipe 2 through the inlet fitting 3 flushing fluid 4 and for coaxial input into the drill pipe string of the axial current lead 5. From the other end to the drill pipe string 2, the housing of the drill bit 6 is connected 6. The main elements of the drill bit are also high-voltage electrodes 7, grounded electrodes 8 and a high-voltage insulator 9. Inside the drill pipe 2, the central pipe 10 is freely mounted on the axial current lead 5 , to the lower (bottom-hole) end of which two bottom stops are attached 11. Above the bottom stops 11 a spring shock absorber 12 is installed, which is located in the movable casing 13. The casing 13 is made in the form of a glass with a central bottom hole through which the casing is freely put on the central pipe 10 A charger 14 and a source of high voltage pulses 15 are rigidly fixed above the spring shock absorber 12 on the central tube 10. The lower end of the source of high voltage pulses 15 is placed in the movable casing 13 above the spring shock absorber 12. For supply A flexible low-voltage cable 16 is connected to an alternating voltage charger (220-380 V). A high-voltage cable 17 is used to supply high DC voltage (36 kV) from a charging device 14 to a high voltage pulse source 15. In a position raised above the bottom of the well the drill endhole stops 11 protrude from it by more than 1/3 of the interelectrode distance (the gap between the bipolar electrodes 7 and 8) of the drill bit. The wellhead is reinforced with a conductor 18 provided with an outlet fitting 19 to allow the removal of sludge 20 from the well by washing fluid 4.

Работа предложенного электроимпульсного бурового снаряда происходит следующим образом. Буровой снаряд через кондуктор 18 спускают в скважину. До установки снаряда на забой скважины его элементы занимают положение, показанное на фиг.1. Центральная труба 10 находится в нижней позиции, а вместе с этой трубой жестко закрепленные на ней зарядное устройство 14 и источник высоковольтных импульсов 15, а также свободно надетые на центральную трубу пружина-амортизатор 12 и ее подвижный кожух 13. Забойные упоры 11 выступают из призабойной торцевой поверхности бурового снаряда более чем на 1/3 расстояния между высоковольтным электродами 7 и заземленными 8. С момента, когда забойные упоры 11 достигают забоя скважины, эти упоры, центральная труба 10, подвижный кожух 13, пружина-амортизатор 12, источник высоковольтных импульсов 15 и зарядное устройство 14 остаются на месте, а к забою скважины продолжают перемещаться осевой токовод 5, гидротоковвод 1, колонна бурильных труб 2, все элементы бурового наконечника (6, 7, 8 и 9) до установки высоковольтных электродов 7 и заземленных 8 на забой скважины. Величина такого перемещения к забою равна тому, насколько выступают забойные упоры 11 из призабойной торцевой поверхности бурового снаряда до касания упоров забоя скважины. При расположении элементов бурового снаряда в соответствии с фиг.3 (снаряд стоит на забое) через входной штуцер 3 в колонну бурильных труб 2 закачивают промывочную жидкость 4 (дизельное топливо или другую диэлектрическую жидкость), а когда она начнет вытекать из выходного штуцера 19, на зарядное устройство 14 (по кабелю 16) подают переменное напряжение 220 В. От зарядного устройства 14 постоянное зарядное напряжение (36 кВ) поступает (по кабелю 17) на источник импульсов 15, который вырабатывает импульсы высокого напряжения (амплитудой до 400 кВ при частоте следования 10 имп/с), которые приводят к развитию высоковольтных импульсных разрядов в горной породе на забое скважины с разрушением этой породы. Образующийся шлам 20 выносится с забоя скважины по затрубному пространству промывочной жидкостью 4, которую после ее истекания из выходного штуцера 19 очищают от шлама и вновь подают в скважину через входной штуцер 3. При развитии в горной породе каждого электрического разряда происходит подскок всех элементов бурового снаряда, которые не приподняты над забоем скважины с помощью забойных упоров 11: корпуса бурового наконечника 6 с электродами 7, 8 и высоковольтным изолятором 9, а также колонны бурильных труб 2, осевого токовода 5 и гидротоковвода 1. Центральная труба 10, пружина-амортизатор 12, подвижный кожух 13, а главное, источник высоковольтных импульсов 15 и зарядное устройство 14 не подскакивают, и их детали, соединения этих деталей не разрушаются, не выходят из строя. Этому способствует и снабжение бурового снаряда пружиной-амортизатором 12 и подвижным кожухом 13, которые гасят электрогидравлические удары и способствуют увеличению срока безаварийной работы бурового снаряда, который в течение 52 часов ни разу не вышел из строя при бурении в граните скважины диаметром 400 мм.The work of the proposed electropulse drill is as follows. The drill through the conductor 18 is lowered into the well. Before installing the projectile on the bottom of the well, its elements occupy the position shown in figure 1. The central pipe 10 is in the lower position, and together with this pipe the charger 14 and the source of high-voltage pulses 15, as well as the spring-shock absorber 12 and its movable casing 13, freely mounted on the central pipe, are installed. The bottom-hole stops 11 protrude from the bottom end the surface of the drill bit more than 1/3 of the distance between the high-voltage electrodes 7 and the grounded 8. From the moment when the bottom stops 11 reach the bottom of the well, these stops, the central pipe 10, the movable casing 13, the spring shock absorber 12, the high-voltage pulse generator 15 and the charger 14 remain in place, and the axial current guide 5, hydraulic conduit 1, drill pipe string 2, all elements of the drill bit (6, 7, 8 and 9) continue to move to the bottom of the well until the high-voltage electrodes 7 and grounded 8 to the bottom of the well. The magnitude of such a movement to the bottom is equal to how far the face stops 11 protrude from the bottom face end surface of the drill until the bottom stops touch the borehole. With the arrangement of the elements of the drill in accordance with FIG. 3 (the drill is at the bottom), flushing fluid 4 (diesel fuel or other dielectric fluid) is pumped into the drill pipe 2 through the inlet 3, and when it starts to flow out of the outlet fitting 19, the charger 14 (via cable 16) delivers an alternating voltage of 220 V. From the charger 14, a constant charging voltage (36 kV) is supplied (via cable 17) to the pulse source 15, which generates high voltage pulses (with an amplitude of up to 400 kV at often those 10 impulses / s), which lead to the development of high-voltage pulsed discharges in the rock at the bottom of the well with the destruction of this rock. The resulting slurry 20 is carried out from the bottom of the borehole through the annulus with flushing fluid 4, which, after it has drained from the outlet nozzle 19, is cleaned of sludge and again fed into the well through the inlet nozzle 3. When each electrical discharge develops in the rock, all elements of the drill string jump, which are not raised above the bottom of the borehole using bottomhole stops 11: the housing of the drill bit 6 with electrodes 7, 8 and high-voltage insulator 9, as well as the drill pipe string 2, axial current lead 5 and hydraulic current 1. a central tube 10, the spring-shock absorber 12, the movable cover 13, and most importantly, the source of high voltage pulses 15 and charger 14 does not jump, and parts thereof, these compounds are not destroyed parts without fail. This is also facilitated by the supply of the drill with a spring shock absorber 12 and a movable casing 13, which absorb electro-hydraulic shocks and contribute to an increase in the period of trouble-free operation of the drill, which for 52 hours has never failed during drilling in granite with a diameter of 400 mm.

Необходимость в том, чтобы в приподнятом над забоем скважины снаряде забойные упоры 11 выступали из него более чем на 1/3 межэлектродного расстояния, вызвана тем, что глубина откольных воронок, образующихся при развитии электрических разрядов в горной породе, не превышает 1/3 межэлектродного расстояния. Чтобы забойные упоры 11 не зависали над откольными воронками, и нужно выполнять это требование. Иначе забойные упоры 11 зависнут над откольными воронками, не достигая их дна, и источник высоковольтных импульсов 15, зарядное устройство 14 будут подскакивать при каждом разряде в горной породе (если разряд развивается не в горной породе, а в промывочной жидкости, то подскоков не происходит, но тогда нет и разрушения горной породы, что характерно для случаев существенного искажения формы высоковольтных импульсов).The need for the projectile raised above the bottom of the borehole bottomhole stops 11 to protrude from it by more than 1/3 of the interelectrode distance, due to the fact that the depth of the spalling funnels formed during the development of electric discharges in the rock does not exceed 1/3 of the interelectrode distance . So that the face stops 11 do not hang over the split funnels, and this requirement must be fulfilled. Otherwise, the bottom stops 11 will hover over the split funnels, not reaching their bottom, and the source of high-voltage impulses 15, the charger 14 will jump at each discharge in the rock (if the discharge does not develop in the rock, but in the flushing liquid, then no jumps occur, but then there is no rock destruction, which is typical for cases of significant distortion of the shape of high-voltage pulses).

Claims

1. Electropulse drill for drilling wells with high-voltage pulsed discharges, containing a series-connected hydraulic conduit, a drill pipe string and a drill bit, over which a source of high-voltage pulses and a charger are placed in series inside the drill pipe string and are electrically connected to an axial current lead inserted coaxially into the drill string pipes through a hydraulic conduit, characterized in that the source of high-voltage pulses and the charger are rigidly fixed a central tube loosely fitted on the axial tokovod, and the lower end of the central tube are attached one or more downhole abutment, which are arranged to move longitudinally to a partial release of the drill bit.

2. Electropulse drill according to claim 1, characterized in that under the source of high voltage pulses there is a shock absorber installed in a movable casing made in the form of a cup with a central bottom hole through which the central pipe is freely passed, and the lower end of the source of high voltage pulses placed in a movable casing.

3. Electropulse drill according to claim 1, characterized in that in the projectile raised above the bottom of the well bottomhole stops protrude from it by more than 1/3 of the interelectrode distance of the drill bit.