RU2580860C1

RU2580860C1 - Electric-pulse non-rotating drill bit

Info

Publication number: RU2580860C1
Application number: RU2015103106/03A
Authority: RU
Inventors: Альберт Мартынович Адам
Priority date: 2015-01-30
Filing date: 2015-01-30
Publication date: 2016-04-10

Abstract

FIELD: mining.

SUBSTANCE: invention is intended for drilling column wells and wells without core sampling with back inner flushing in hard rock, and can be used during exploration works, in mining industry, in construction works. Coaxial assemblies of external (2, 3) and internal (4, 5) drilling crowns are divided by high-voltage insulator (1). Drilling bit body (2) is connected to drill string (6), and core adapter (4) is connected to high-voltage current lead (7). Internal crown (5) is spring-loaded by spring (11), with possibility of advancing external crown (3) not more than by 1/3 of inter-electrode distance. Along inner surface of internal crown (5) there are tangentially located blades of hard-alloy cutters (16), shaped as one-sided wedges, and along outer surface of external crown (3) there are blades of similar cutters (17). Inner electrode ribs (14) of external crown (3) and outer electrode ribs (15) of internal crown (5) are made with multifaceted hard-alloy cutters (18, 19), which enable to align bottom hole.

EFFECT: hard-alloy cutters in form of one-sided wedge (16, 17), can prevent sticking of drilling bit on cores and well walls.

3 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к техническим средствам для проходки колонковых скважин, а также скважин без отбора керна, с обратной внутренней промывкой с помощью высоковольтных импульсных разрядов, развивающихся непосредственно в горной породе. Оно может найти применение при геологоразведочных работах, в горнодобывающей промышленности, при строительных и других работах, требующих бурения скважин, в т.ч. большого диаметра, в крепких горных породах.The invention relates to technical means for sinking core wells, as well as wells without coring, with backward internal flushing using high-voltage pulse discharges developing directly in the rock. It can find application in exploration work, in the mining industry, in construction and other works requiring well drilling, including large diameter, in strong rocks.

Известен снаряд для электроимпульсного способа бурения скважин без вращения с обратной внутренней промывкой (авторское свидетельство на изобретение SU №699837, ΜΠΚ Ε21С 37/18, приоритет от 13.09.1965, опубл. 15.10.1993. Бюл. №37-38). Снаряд содержит наружную и внутреннюю токопроводящие колонны труб с наружной и внутренней коронками невращающегося бурового долота, при этом колонны труб и коронки разделены изоляторами и выполнены с системой отверстий (окон).A known projectile for an electropulse method of drilling wells without rotation with reverse internal flushing (copyright certificate for the invention SU No. 699837, ΜΠΚ Ε21C 37/18, priority of 09/13/1965, publ. 10/15/1993. Bull. No. 37-38). The projectile contains external and internal conductive pipe columns with external and internal crowns of a non-rotating drill bit, while the pipe columns and crowns are separated by insulators and are made with a system of holes (windows).

Одним из основных недостатков известного бурового устройства является низкий срок службы изоляторов, т.к. его межэлектродное расстояние равно или близко величине зазора, в котором установлены изоляторы, а для надежной работы изоляторов необходимо, чтобы величина зазора была на 30-50% больше межэлектродного расстояния. Конструкция известного бурового устройства не позволяет это сделать. Другой основной недостаток вызван остановками процесса бурения из-за зависаний бурового устройства над забоем на керне или стенках скважины.One of the main disadvantages of the known drilling device is the low life of the insulators, because its interelectrode distance is equal to or close to the gap in which the insulators are installed, and for reliable operation of the insulators it is necessary that the gap is 30-50% greater than the interelectrode distance. The design of the known drilling device does not allow this. Another major drawback is caused by shutdowns in the drilling process due to freezing of the drilling device over the bottom of the core or well walls.

Первый недостаток позволяет устранить выбранное за прототип электроимпульсное буровое долото для проходки скважин без вращения (патент на изобретение SU №2471987, ΜΠΚ Ε21С 37/18; Ε21В 10/00, приоритет от 08.07.2011, опубл. 10.01.2013. Бюл. №1). Известное долото содержит цилиндрические, коаксиально расположенные и разделенные высоковольтным изолятором наружную и внутреннюю коронки, выполненные с боковыми промывочными окнами, причем призабойная часть наружной коронки снабжена размещенными равномерно внутренними радиальными ребрами-электродами, между каждой парой которых равноудаленно установлено по одному наружному радиальному ребру-электроду внутренней коронки, а величина зазора между наружной и внутренней коронками, в котором установлен высоковольтный изолятор, больше межэлектродного расстояния в призабойной части электроимпульсного бурового долота.The first drawback allows you to eliminate the electropulse drill bit selected for the prototype for drilling without rotation (patent for invention SU No. 2471987, ΜΠΚ ΜΠΚ21С 37/18; Ε21В 10/00, priority date 08.07.2011, publ. 10.01.2013. Bull. No. 1 ) The known bit contains cylindrical, coaxially located and separated by a high-voltage insulator outer and inner crowns, made with side flushing windows, and the bottom-hole part of the outer crown is provided with uniformly distributed inner radial ribs-electrodes, between each pair of which one outer radial rib-electrode of the inner is equally spaced crowns, and the gap between the outer and inner crowns in which the high-voltage insulator is installed is large interelectrode distance in a near portion of electro drill bit.

Основной недостаток известного бурового долота связан с остановками процесса углубки скважин из-за отсутствия возможности предотвращения зависаний долота на керне или стенках скважины. Пример зависания долота на керне окварцованного песчаника (с приложением фотографии) приведен в описании работы предложенного долота.The main disadvantage of the known drill bit is associated with stops the process of deepening the wells due to the inability to prevent freezing of the bit on the core or well walls. An example of a hang of a bit on a core of silica sandstone (with the attachment of a photograph) is given in the description of the work of the proposed bit.

Основным техническим результатом предложенного устройства является повышение непрерывности процесса углубки скважин благодаря возможности предотвращения зависаний долота на керне или стенках скважин.The main technical result of the proposed device is to increase the continuity of the process of deepening the wells due to the possibility of preventing freezing of the bit on the core or well walls.

Указанный технический результат достигается тем, что в электроимпульсном невращающемся буровом долоте, содержащем цилиндрические, коаксиально расположенные и разделенные высоковольтным изолятором узлы наружной и внутренней коронок, выполненные с боковыми промывочными окнами, причем призабойная часть узла наружной коронки снабжена размещенными равномерно внутренними радиальными ребрами-электродами, между каждой парой которых равноудаленно от них установлено по одному наружному радиальному ребру-электроду узла внутренней коронки, а зазор, в котором установлен высоковольтный изолятор, больше межэлектродного расстояния, согласно предложенному решению призабойная часть внутренней коронки снабжена внутренними твердосплавными резцами, имеющими форму одностороннего клина, лезвия которых расположены тангенциально вдоль внутренней поверхности внутренней коронки, а призабойная часть наружной коронки снабжена наружными твердосплавными резцами, имеющими форму одностороннего клина, лезвия которых расположены тангенциально вдоль наружной поверхности наружной коронки.The specified technical result is achieved by the fact that in the electropulse non-rotating drill bit containing cylindrical, coaxially located and separated by a high-voltage insulator nodes of the outer and inner crowns made with side flushing windows, the bottom-hole part of the outer crown assembly is provided with uniformly located inner radial fins-electrodes between each pair of which equidistant from them has one outer radial rib-electrode of the inner crown assembly and the gap in which the high-voltage insulator is installed is greater than the interelectrode distance, according to the proposed solution, the bottom-hole part of the inner crown is provided with internal carbide cutters having the shape of a one-sided wedge, the blades of which are located tangentially along the inner surface of the inner crown, and the bottom-hole part of the outer crown is equipped with external carbide cutters having the shape of a one-sided wedge, the blades of which are located tangentially along the outer surface of the outer cor ki.

Целесообразно внутреннюю коронку выполнять подпружиненной с возможностью опережения наружной коронки не более чем на 1/3 межэлектродного расстояния.It is advisable to make the inner crown spring-loaded with the possibility of advancing the outer crown by no more than 1/3 of the interelectrode distance.

Целесообразно также внутренние и наружные радиальные ребра-электроды снабжать многогранными твердосплавными резцами.It is also advisable to provide internal and external radial ribs-electrodes with polyhedral carbide cutters.

Пример конкретного выполнения предложенного устройства проиллюстрирован следующими чертежами. На фиг. 1 приведен продольный разрез предложенного электроимпульсного невращающегося бурового долота, а на фиг. 2 изображен его вид с призабойного торца. Кроме того, на фиг. 3 представлена фотография керна, поднятого с забоя скважины буровым снарядом для механического колонкового бурения; предварительно скважина бурилась с поверхности электроимпульсным буровым долотом-прототипом. Электроимпульсное невращающееся буровое долото (фиг. 1 и фиг. 2) содержит коаксиально расположенные и разделенные высоковольтным изолятором 1 узлы наружной и внутренней коронок, причем узел наружной коронки состоит из корпуса бурового долота 2 и наружной коронки 3, а узел внутренней коронки из кернового переходника 4 и внутренней коронки 5. Верхний конец корпуса бурового долота 2 предназначен для прикрепления долота к колонне бурильных труб 6 с присоединением кернового переходника 4 к высоковольтному трубчатому тоководу 7. Над высоковольтным изолятором 1 в корпусе бурового долота 2 проделаны равномерно расположенные по окружности боковые промывочные окна 8. Наружная коронка 3 выполнена с боковыми промывочными окнами 9. Боковые промывочные окна 10 кернового переходника 4 расположены также равномерно над внутренней коронкой 5, на которую надета пружина 11. Верхний конец внутренней коронки 5 свободно вставлен в керновый переходник 4, для предотвращения выпадания коронки 5 из которого в нем выполнено ограничительное отверстие (прорезь) 12, а через это отверстие свободно пропущен ограничительный винт 13, закрепленный в верхнем конце внутренней коронки 5. Ограничительный винт 13 позволяет подпружиненной внутренней коронке 5 опережать наружную коронку 3, но не более, чем на 1/3 межэлектродного расстояния (на фиг. 1 обе коронки показаны на одном уровне, когда предложенное буровое долото стоит на ровном забое; в этом случае внутренняя коронка максимально утоплена). Призабойная часть наружной коронки 3 снабжена размещенными равномерно внутренними радиальными ребрами-электродами 14, между каждой парой которых равноудаленно от них установлено по одному наружному радиальному ребру-электроду 15 внутренней коронки 5. Призабойная часть внутренней коронки 5 снабжена внутренними твердосплавными резцами 16, имеющими форму одностороннего клина. Их лезвия расположены тангенциально вдоль внутренней поверхности внутренней коронки 5, выступая из нее на 2÷4 мм. Призабойная часть наружной коронки 3 снабжена наружными твердосплавными резцами 17, имеющими также форму одностороннего клина. Их лезвия расположены тангенциально вдоль наружной поверхности наружной коронки 3, выступая из нее на 3÷4 мм. Чем крепче горная порода, тем меньше выступают резцы 16 и 17. Кроме того, внутренние и наружные радиальные ребра-электроды 14 и 15 снабжены многогранными (восьмигранными) твердосплавными резцами 18 и 19, соответственно, выступающими из торцов ребер-электродов на 4-5 мм. На фиг. 3 представлена фотография керна 20, поднятого буровым снарядом для механического колонкового бурения с забоя скважины, бурение которой велось электроимпульсным буровым долотом-прототипом с отбором электроимпульсного керна 21. Но процесс углубки скважины прекратился, т.к. внутренняя коронка бурового долота-прототипа зависла на электроимпульсном керне 21 на кольцевой границе 22, т.к. ниже этой границы электроимпульсный керн 21 недостаточно обработан (имеет больший диаметр), что не позволяет ему войти во внутреннюю коронку бурового долота-прототипа. Высоковольтные электрические разряды не внедряются в горную породу, расположенную между точками а и б, а из точки а развиваются в горизонтальном направлении в промывочной жидкости (дизельном топливе), т.к. этот путь разряда значительно короче, чем в горной породе между точками а и б, и слабее по электрической прочности.An example of a specific implementation of the proposed device is illustrated by the following drawings. In FIG. 1 shows a longitudinal section of the proposed electropulse non-rotating drill bit, and in FIG. 2 shows its view from the bottom end. In addition, in FIG. 3 is a photograph of a core taken from the bottom of a well with a drill for mechanical core drilling; previously, the well was drilled from the surface by an electric pulse prototype drill bit. The electropulse non-rotating drill bit (Fig. 1 and Fig. 2) contains coaxially located and separated by a high-voltage insulator 1 nodes of the outer and inner crowns, the outer crown assembly consists of the drill bit body 2 and the outer crown 3, and the inner crown assembly of the core adapter 4 and the inner crown 5. The upper end of the drill bit body 2 is for attaching the bit to the drill string 6 with the core adapter 4 connected to the high voltage tubular lead 7. Above the high voltage with the insulator 1 in the case of the drill bit 2, the side flushing windows 8 are made evenly spaced around the circumference 8. The outer crown 3 is made with the side flushing windows 9. The side flushing windows 10 of the core adapter 4 are also located evenly over the inner crown 5, on which the spring 11 is put on. The upper end the inner crown 5 is freely inserted into the core adapter 4, to prevent the crown 5 from falling out of which a restrictive hole (slot) 12 is made in it, and the ogre is freely passed through this hole ichitelny screw 13 mounted in the upper end of the inner bit 5. The restrictor screw 13 allows the spring-loaded inner crown 5 outpace outer crown 3, but not more than 1/3 of the interelectrode distance (FIG. 1 both crowns are shown at the same level when the proposed drill bit stands on a flat bottom; in this case, the inner crown is maximally recessed). The bottom-hole portion of the outer crown 3 is provided with uniformly distributed inner radial ribs-electrodes 14, between each pair of which one outer radial rib-electrode 15 of the inner crown 5 is installed equally well. The bottom-hole portion of the inner crown 5 is provided with internal carbide cutters 16 having the shape of a one-sided wedge . Their blades are located tangentially along the inner surface of the inner crown 5, protruding from it by 2 ÷ 4 mm. The bottomhole portion of the outer crown 3 is provided with external carbide cutters 17, also having the shape of a one-sided wedge. Their blades are located tangentially along the outer surface of the outer crown 3, protruding from it by 3 ÷ 4 mm The stronger the rock, the less protruding are the cutters 16 and 17. In addition, the inner and outer radial ribs-electrodes 14 and 15 are equipped with polyhedral (octagonal) carbide cutters 18 and 19, respectively, protruding from the ends of the ribs-electrodes by 4-5 mm . In FIG. Figure 3 shows a photograph of a core 20, raised by a drill for mechanical core drilling from the bottom of the well, which was drilled by an electric pulse drill bit prototype with selection of an electric pulse core 21. But the process of deepening the well stopped, because the inner crown of the prototype drill bit hung on an electropulse core 21 at an annular boundary 22, because below this boundary, the electropulse core 21 is not sufficiently processed (has a larger diameter), which does not allow it to enter the inner crown of the prototype drill bit. High-voltage electric discharges are not introduced into the rock located between points a and b, but from point a they develop horizontally in the flushing liquid (diesel fuel), because this discharge path is much shorter than in the rock between points a and b, and weaker in electrical strength.

Работа предложенного электроимпульсного невращающегося бурового долота (фиг. 1 и фиг. 2) заключается в следующем. Долото опускают в скважину. До касания забоя внутренняя коронка 5 опережает наружную коронку 3 на 1/3 межэлектродного расстояния, а при постановке долота на забой она сжимает пружину 11, отчего ограничительный винт 13 поднимается (в ограничительном отверстии 12) вместе с внутренней коронкой 3 до полной постановки на забой обеих коронок. На дневной поверхности затрубное пространство перекрывают превентором (на рисунках не показан) и в зазор между колонной бурильных труб 6 и высоковольтным трубчатым тоководом 7 подают промывочную жидкость, например, дизельное топливо. Колонну бурильных труб 6 заземляют, а к трубчатому тоководу 7 подводят импульсы высокого напряжения (не менее 200 кВ). Между призабойными частями внутренней коронки 5 и наружной 3 непосредственно в горной породе развиваются электрические разряды, отрывающие кусочки горной породы, наибольший размер которых в шламе близок к величине межэлектродного расстояния. Подаваемая с поверхности промывочная жидкость через боковые промывочные окна 8 корпуса бурового долота 2 проходит к забою скважины, где через боковые промывочные окна 9 наружной коронки 3 поступает в зазор между наружной и внутренней коронками 3 и 5, откуда попадает под внутреннюю коронку 5 и в боковые промывочные окна 10 кернового переходника 4, вынося на дневную поверхность по высоковольтному трубчатому тоководу 7 частицы шлама и куски керна, которые периодически откалываются от воздействия на поступающий во внутреннюю коронку 5 керн электрических разрядов. В процессе углубки скважины с образованием керна внутренние твердосплавные резцы 16 внутренней коронки 5 соскабливают с керна неровности, не позволяя, как в прототипе (фиг. 3), зависать буровому долоту на керне над забоем скважины. Также наружные твердосплавные резцы 17 наружной коронки 3 (фиг. 1 и фиг. 2) зачищают от выступающих неровностей стенки скважины. Однако соскабливание, зачистка происходят не только под действием веса бурового снаряда. При развитии в горной породе каждого электрического разряда происходит подскок над забоем на несколько миллиметров всего бурового снаряда (при большой длине снаряда нижней его части). Обычно при электроимпульсном бурении высоковольтные импульсы подают с частотой не менее 10 имп./с. В связи с такими сравнительно частыми ударами бурового снаряда по забою скважины внутренние и наружные радиальные ребра-электроды 14 и 15 и снабжены многогранными твердосплавными резцами 18 и 19, которые предназначены для разрушения той горной породы, которая нарушена электрическими импульсными разрядами, но еще не оторвана от массива. Происходит также выравнивание забоя скважины, что способствует более эффективному воздействию на горную породу каждого электрического разряда, т.е. увеличению скорости бурения на несколько процентов. Хотя увеличение скорости бурения за счет многогранных твердосплавных резцов 18 и 19 незначительно, следует иметь ввиду, что это достигается сравнительно простым и дешевым способом. Такие резцы могут быть применены и в некоторых невращающихся буровых долотах для электроимпульсного бурения скважин сплошного забоя. Важно и то, что при электроимпульсном бурении невращающимися буровыми долотами по приведенной технологии износ резцов многократно ниже, чем при механическом вращательном бурении.The work of the proposed electropulse non-rotating drill bit (Fig. 1 and Fig. 2) is as follows. The bit is lowered into the well. Before touching the face, the inner crown 5 is ahead of the outer crown 3 by 1/3 of the interelectrode distance, and when setting the bit to the bottom, it compresses the spring 11, which means the restriction screw 13 rises (in the restriction hole 12) together with the inner crown 3 to fully set both crowns. On the day surface, the annular space is blocked with a preventer (not shown in the figures) and flushing fluid, for example, diesel fuel, is fed into the gap between the drill pipe string 6 and the high-voltage tubular lead 7. The drill pipe string 6 is earthed, and high voltage pulses (at least 200 kV) are supplied to the tubular current lead 7. Between the bottom-hole parts of the inner crown 5 and the outer 3 directly in the rock, electrical discharges develop, tearing pieces of rock, the largest size of which in the sludge is close to the interelectrode distance. The flushing fluid supplied from the surface through the side flushing windows 8 of the drill bit body 2 passes to the bottom of the well, where through the side flushing windows 9 of the outer crown 3 it enters the gap between the outer and inner crowns 3 and 5, from where it falls under the inner crown 5 and into the side flushing the windows 10 of the core adapter 4, bringing to the day surface through the high-voltage tubular current lead 7 sludge particles and pieces of core, which periodically break off from the impact on the core core electron coming into the inner crown 5 ble digits. In the process of deepening the well with core formation, the internal carbide cutters 16 of the inner crown 5 are scraped off the roughness from the core, not allowing, as in the prototype (Fig. 3), the drill bit on the core to hang over the bottom of the well. Also, the outer carbide cutters 17 of the outer crown 3 (Fig. 1 and Fig. 2) are cleaned from protruding irregularities of the borehole wall. However, scraping, stripping occurs not only under the influence of the weight of the drill. With the development of each electrical discharge in the rock, a jump over the face by several millimeters of the entire drill shell (with a large length of the shell of its lower part) occurs. Typically, in electrical pulse drilling, high voltage pulses are supplied with a frequency of at least 10 pulses / s. In connection with such relatively frequent impacts of a drill on the bottom of the well, the inner and outer radial ribs-electrodes 14 and 15 are equipped with polyhedral carbide cutters 18 and 19, which are designed to destroy rock that is disturbed by electrical impulse discharges, but has not yet been torn from array. Alignment of the bottom of the well also occurs, which contributes to a more effective impact on the rock of each electric discharge, i.e. increase in drilling speed by several percent. Although the increase in drilling speed due to the many-sided carbide cutters 18 and 19 is insignificant, it should be borne in mind that this is achieved in a relatively simple and cheap way. Such cutters can also be used in some non-rotating drill bits for electric pulse drilling of continuous wells. It is also important that during electropulse drilling with non-rotating drill bits according to the above technology, the wear of the cutters is many times lower than with mechanical rotary drilling.

Таким образом, в электроимпульсном невращающемся буровом долоте впервые применены твердосплавные резцы, основная область применения которых: механическое бурение. При этом в предложенном буровом долоте резцы, имеющие форму одностороннего клина, установлены так, что их лезвия расположены в тангенциальном направлении, что совершенно неприемлемо для механических коронок, в которых лезвия таких резцов расположены в радиальном направлении. Особенностью бурения предложенным электроимпульсным невращающимся буровым долотом является использование его подскоков при развитии электрических разрядов в горной породе. Благодаря предложенным отличительным признакам, приведенным в формуле изобретения, в совокупности с известными признаками предложенное буровое долото не зависает на керне или стенках скважины, и его скорость бурения выше, чем у прототипа.Thus, carbide cutters were used for the first time in an electropulse non-rotating drill bit, the main field of application of which is mechanical drilling. Moreover, in the proposed drill bit, cutters having the shape of a one-sided wedge are installed so that their blades are located in the tangential direction, which is completely unacceptable for mechanical crowns in which the blades of such cutters are located in the radial direction. A feature of drilling the proposed electropulse non-rotating drill bit is the use of its jumps during the development of electrical discharges in the rock. Due to the proposed distinguishing features given in the claims, in conjunction with the known features, the proposed drill bit does not hang on the core or walls of the well, and its drilling speed is higher than that of the prototype.

Claims

1. Electropulse non-rotating drill bit containing cylindrical, coaxially located and separated by a high-voltage insulator nodes of the outer and inner crowns made with side flushing windows, and the bottom-hole part of the outer crown assembly is provided with uniformly distributed inner radial ribs-electrodes, between each pair of which are equidistant from them one outer radial rib-electrode of the inner crown assembly is installed, and the gap in which the high-voltage isolate is installed p, greater than the interelectrode distance, characterized in that the bottom-hole part of the inner crown is provided with internal carbide cutters having the shape of a one-sided wedge, the blades of which are located tangentially along the inner surface of the inner crown, and the bottom-hole part of the outer crown is equipped with external carbide cutters having the shape of a one-sided wedge, blades which are located tangentially along the outer surface of the outer crown.

2. Electropulse non-rotating drill bit according to claim 1, characterized in that the inner crown is spring-loaded with the possibility of advancing the outer crown by no more than 1/3 of the interelectrode distance.

3. Electropulse non-rotating drill bit according to claim 1, characterized in that the inner and outer radial ribs-electrodes are equipped with polyhedral carbide cutters.