способ и устройство для электромеханического бурения скважин

Формула изобретения

1. Способ электромеханического бурения скважин, включающий передачу электрической энергии к забою, электроимпульсное воздействие и механическое разрушение породы с последующим удалением ее из скважины промывочным агентом, отличающийся тем, что процесс разрушения осуществляется непрерывно вращающимся механическим инструментом и перемещающимися по забою высоковольтными электрическими импульсами, снижающими прочность породы.

2. Устройство для электромеханического бурения скважин, включающее бурильные трубы с токоподводом, генератор импульсов с разрядником, механический породоразрушающий инструмент с электродами, соединенными через разрядник с генератором импульсов, и привод для вращения породоразрушающего инструмента, отличающееся тем, что привод выполнен в виде электробура, а породоразрушающий инструмент - в виде лопастного долота, оснащенного электродами, которые через разрядник подключены к генератору импульсов, состоящему из последовательно включенных катушки индуктивности и конденсатора, образующих резонансный колебательный контур, при этом одним из электродов служат лопасти долота, а другим - контактные вкладыши, расположенные в прорезях пластин, выполненных из изоляционного материала и прикрепленных к лопастям долота с тыльной стороны.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к буровой технике, а именно к способам и техническим средствам бурения скважин различного назначения.

Известны новые способы бурения скважин, наиболее эффективным из которых является электроимпульсный способ бурения [1]. Этот способ не требует создания больших осевых усилий, что особенно важно при бурении горизонтальных скважин, т.к. в этом случае передача больших осевых усилий затруднена вследствие трения бурильных труб о стенки скважины.

Физическая сущность этого способа заключается в электрическом пробое породы при передаче в нее высоковольтных импульсов и выделении в канале разряда энергии в тысячи джоулей за время 10^-5-10^-6 с. Конечным результатом электрического пробоя является возникновение ударной волны, преобразующей электрическую энергию в механическую [2].

Испытания электроимпульсного способа показали, что скорости бурения по крепким породам в 2-3 раза превышают скорости бурения шарошечным инструментом. Примерно в такое же число раз уменьшается энергоемкость процесса разрушения, а осевое усилие снижается не менее чем на порядок.

К недостаткам известного электроимпульсного способа бурения относятся:

- применение высоких напряжений (сотни киловольт), что требует повышенного внимания к обеспечению безопасности обслуживающего персонала и к техническому состоянию бурового оборудования;

- избирательный характер разрушения породы, т.е. пробой происходит в том месте, где электрическая прочность породы наименьшая, в результате чего при отсутствии вращения бурового органа не обеспечивается равномерное разрушение забоя;

- снижение эффективности разрушения пород с увеличением глубины бурения вследствие усилия затухания импульсов и уменьшения крутизны их фронта, что ограничивает область применения известных электроимпульсных буровых органов по глубине бурения несколькими сотнями метров,

- отсутствие зачистки поверхности забоя от разрушенной породы, что ухудшает условия передачи энергии в породу, снижает эффективность воздействия и повышает энергоемкость разрушения.

Известен способ электромеханического бурения скважин, включающий передачу электрической энергии к забою, электроимпульсное воздействие на породу и механическое разрушение породы с последующим ее удалением из скважины промывочным агентом [3].

Указанный способ принят нами за прототип.

К недостаткам известного способа бурения относится то, что:

- ось вращения бурового снаряда не совмещена с осью его симметрии (т.е. расположена эксцентрично), в связи с чем разрушение породы на забое осуществляется периодически с периодом в один оборот, что снижает производительность бурения. Кроме того, эксцентричное расположение оси вращения способствует произвольному отклонению оси скважины от заданного направления бурения, что может приводить к различным нежелательным последствиям;

- воздействие на породу электрическими импульсами производится в зоне, расположенной между резцами электродной ячейки, вследствие чего передние резцы (по ходу вращения бурового снаряда) всегда воздействуют на неослабленную импульсами породу, что резко снижает эффективность электроимпульсного способа бурения и сохраняет стойкость резцов. Это свидетельствует также о недостаточной согласованности процессов электроимпульсного и механического разрушения породы;

- задние резцы (по ходу вращения) перемещают при бурении разрушенную породу в зону электроимпульсного воздействия, в результате чего экранируется забой и ухудшаются условия передачи энергии импульсов в породу, что также повышает энергоемкость бурения;

- расположение резцов на буровом наконечнике, а также работа их при неравных силовых нагрузках снижает эффективность механического разрушения породы, что также повышает энергоемкость бурения.

Задачей предлагаемого способа является повышение эффективности процесса бурения.

Для решения указанной задачи в известном способе, включающем передачу электрической энергии к забою, электроимпульсное воздействие на породу и механическое разрушение породы с последующим удалением ее из скважины промывочным агентом, процесс разрушения осуществляется непрерывно вращающимся механическим инструментом и перемещающимися по забою высоковольтными электрическими импульсами, снижающими прочность породы.

В результате применения предложенного способа по сравнению с механическим способом уменьшается износ породоразрушающего инструмента, снижается в 2-3 раза энергоемкость бурения и уменьшается как минимум в 10 раз осевое усилие на породоразрушающий инструмент.

По сравнению с энергоимпульсным способом бурения в предлагаемом способе требуется применение на порядок меньших импульсных напряжений, достигается устранение за счет вращения электродов избирательного характера пробоя, улучшение условий передачи энергии в породу за счет очистки поверхности забоя от разрушенной породы, снижение энергоемкости разрушения породы и формирования стенок скважины.

Нам не известны способы бурения скважин, обладающие совокупностью вышеперечисленных признаков, что означает соответствие предлагаемого способа требованиям, предъявляемым к изобретениям.

Известно устройство для бурения скважин с помощью электробура, включающее бурильные трубы с токоподводом, генератор импульсов с разрядником, механический породоразрушающий инструмент с электродами, соединенными через разрядник с генератором импульсов, и привод для вращения породоразрушающего инструмента [3]. Указанное устройство принято нами за прототип.

Недостатком указанного устройства является низкая эффективность при бурении в крепких породах вследствие невысокой механической скорости бурения и высокой энергоемкости процесса разрушения породы.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение эффективности процесса бурения.

Для решения указанной задачи в известном устройстве для электромеханического бурения скважин, включающем бурильные трубы с токоподводом, генератор импульсов с разрядником, механический породоразрушающий инструмент с электродами, соединенными через разрядник с генератором импульсов, и привод для вращения породоразрушающего инструмента, привод выполнен в виде электробура, а породоразрушающий инструмент - в виде лопастного долота, оснащенного электродами, которые через разрядник подключены к генератору импульсов, состоящему из последовательно включенных катушки индуктивности и конденсатора, образующих резонансный колебательный контур, при этом одним из электродов служат лопасти долота, а другим - контактные вкладыши, расположенные в прорезях пластин, выполненных из изоляционного материала и прикрепленных к лопастям долота с тыльной стороны.

Указанные признаки позволят устранить недостатки, присущие известным устройствам для бурения пород выше средней твердости, за счет комплексного воздействия на породу электроимпульсного удара и ее механического разрушения.

Нам не известны устройства для электромеханического бурения скважин, обладающие совокупностью вышеперечисленных признаков, что означает соответствие предлагаемого устройства требованиям, предъявляемым к изобретениям.

На фиг. 1 изображено устройство для электромеханического бурения скважин - электромеханический буровой орган.

На фиг. 2 - вид А фиг. 1.

На фиг. 3 - разрез по Б-Б фиг. 1.

На фиг. 4 - принципиальная электрическая схема работы бурового органа, где Д - электробур 1 фиг. 1,

П - провод токопроводящего стержня 10 фиг. 1,

Т - труба 13 фиг. 1,

L - катушка индуктивности 7 фиг. 1,

С - конденсатор 6 фиг. 1,

Р - разрядник 8 фиг. 1,

З - забой скважины.

Электромеханический буровой орган (фиг. 1, 2 и 3) содержит электробур 1, включающий статор 2, ротор 3 и шпиндель 4, долото 5, генератор импульсов, включающий цилиндрический конденсатор 6 и катушку индуктивности 7, формирующий разрядник 8, сквозь которые проходят установленные на изоляторах 9 отрезки токопроводящего стержня 10. Электрическое соединение узлов бурового органа между собой производится с помощью однофазных кабельных разъемов 11 и трубных резьбовых соединений 12. Спускается устройство в скважину на трубах 13. Электрическое соединение узлов бурового органа с поверхности производится по схеме: провод 10 - труба 13. При этом с целью исключения влияния электроимпульсного устройства на режим работы двигателя электробура они включены параллельно. Конденсатор и катушку индуктивности настраивают при изготовлении на работу в резонанс напряжений на частоте 50 герц.

Долото 5 - породоразрушающий механический инструмент лопастного типа, лопасти 14 которого армированы резцами 15. К лопастям 14 прикреплены пластины 16, изготовленные из изоляционного материала, в прорезях которых размещены контактные вкладыши 17, подключенные проводом 18 через разъем к токопроводящему проводу 10.

Разрядник 8 представляет собой два шара 19, размещенных в верхней части электробура 1 в корпусе из электроизоляционного материала. Один из шаров закреплен на резьбе на конце неподвижного отрезка (провода) 10, а второй - на конце вращающегося вместе с долотом другого отрезка 20. Регулирование искрового промежутка между шарами производят с помощью резьбового соединения одного или обоих шаров.

Работа предложенного бурового органа и способ электромеханического бурения скважин с его помощью заключается в следующем.

По электрической схеме при подаче переменного напряжения на электробур Д по проводу П и трубе Т это же напряжение одновременно подается па катушку L и конденсатор С колебательного контура, который в этот момент отключен от электродов на забое 3 разрядником Р (фиг.4). В дальнейшем по мере нарастания колебаний в генераторе импульсов и накопления в нем энергии происходит резонансное увеличение напряжения на катушке 7 и конденсаторе 6, в результате чего разрядник 8, включенный параллельно конденсатору 6, пробивается при некотором установленном на нем напряжении, после чего вся накопленная в конденсаторе 6 энергия передается через разрядник 8 под высоким напряжением к рабочим электродам, контактирующим с породой на забое лопастями 14 долота 5 и контактными вкладышами 17 (фиг. 1).

В результате происходит электрический пробой породы между электродами, что сопровождается или разрушением приповерхностного слоя породы, или ослаблением его прочности. При этом в связи с тем, что пластины 16 из изоляционного материала с контактными вкладышами 17 расположены с противоположной стороны крепления резцов 15, разряды от контактных вкладышей 17 взаимодействуют с тыльной стороной лопастей 14, что устраняет эрозию резцов 15 от разрядов.

Благодаря тому что расстояние от генератора импульсов до забоя скважины в предлагаемом устройстве постоянно, крутизна фронта импульсов также постоянна, что исключает зависимость эффективности разрушения породы при бурении от глубины скважины.

Окончательное разрушение ослабленного слоя породы и очистку забоя скважины от разрушительной породы производят механическим способом с помощью резцов 15 вращающегося долота. При этом процесс разрушения осуществляется непрерывно. Следует отметить, что в результате ослабления прочности породы мощность двигателя электробура может быть уменьшена в 3-4 раза по сравнению с бурением без предразрушения разбуриваемой породы, а область применения лопастных долот может быть распространена на самые крепкие породы.

Источники информации:

1. Авторское свидетельство СССР N 1701885 E 21 B 7/15, опубликовано 30.12.91 г. Бюллетень N 48.

2. Вижов В. Ф. , Левченко Б.П., Семкин Б.В., Чепиков А.Т. Электроимпульсный способ бурения. Тезисы докладов 6-ой Российской научной конференции по защите от ионизирующих излучений ядерно-технических установок. Обнинск. 20.09.94 г., т. 2, стр. 213-215.

3. Авторское свидетельство СССР N 730029, E 21 C 37/18, 1993.