RU2445430C1

RU2445430C1 - Electropulse drilling rig

Info

Publication number: RU2445430C1
Application number: RU2010132788/03A
Authority: RU
Inventors: Василий Михайлович Муратов (RU); Василий Михайлович Муратов; Альберт Мартынович Адам (RU); Альберт Мартынович Адам; Владислав Фёдорович Важов (RU); Владислав Фёдорович Важов; Владимир Васильевич Лопатин (RU); Владимир Васильевич Лопатин
Priority date: 2010-08-04
Filing date: 2010-08-04
Publication date: 2012-03-20
Also published as: RU2010132788A

Abstract

FIELD: mining.

SUBSTANCE: rig comprises several parallel drilling assemblies installed on a rotary platform 1 and equipped with a common drilling string 2, and every of which comprises the following serially connected components: a submerged charging device 3, a submerged source of high-voltage pulses 4, a high-voltage input 20 and a drilling tip representing a comb 5 with grounded electrodes 6 and a comb 7 with high-voltage electrodes 8. In the centre of the platform 1 (at the side of the bottomhole) there is a support grounded electrode 9 fixed. In order to increase efficiency of drilling, on the platform 1 there are sludge pumps 10 installed, and downstream their slot nozzles 13 at the bottom there are rock-breaking elements fixed with reinforced cutters to the platform 1, bottomhole ends of grounded electrodes 6 and high-voltage ones 8 are bent towards the side that is reverse to the direction of rotation of a drilling assembly, high-voltage electrodes 8 are equipped with insulation coatings.

EFFECT: increased efficiency of drilling.

4 cl, 3 dwg

Description

Изобретение предназначено для проходки скважин большого диаметра в крепких горных породах высоковольтными разрядами с использованием различных промывочных жидкостей. Изобретение может найти применение в горнодобывающей промышленности для проходки вертикальных и наклонных скважин и стволов, а также при проходке стволов для хранения и утилизации опасных отходов.The invention is intended for driving large diameter wells in strong rocks with high voltage discharges using various flushing fluids. The invention can find application in the mining industry for sinking vertical and deviated wells and shafts, as well as in sinking shafts for storage and disposal of hazardous waste.

Известен электроимпульсный буровой снаряд (авторское свидетельство СССР №730022, МПК E21C 37/18, опубл. 30.12.87, бюл. №48), содержащий высоковольтный ввод, буровую колонну с размещенной внутри нее высоковольтной токопроводящей системой, буровой наконечник и генератор высоковольтных импульсов, расположенный непосредственно над буровым наконечником. Снаряд снабжен также системой промывки.Known electric pulse drill (USSR author's certificate No. 730022, IPC E21C 37/18, publ. 30.12.87, bull. No. 48) containing a high-voltage input, a drill string with a high-voltage conductive system located inside it, a drill bit and a generator of high-voltage pulses, located directly above the drill bit. The projectile is also equipped with a flushing system.

Недостатком этого бурового снаряда является необходимость подачи высокого постоянного зарядного напряжения по токопроводящей системе буровой колонны от расположенного на поверхности зарядного устройства, что предъявляет повышенные требования к изоляции токопроводящей системы. Кроме того, в этой конструкции не предусмотрено вращение бурового наконечника, которое позволяет существенно повысить эффективность электроимпульсного бурения.The disadvantage of this drill is the need to supply a high constant charging voltage through the conductive system of the drill string from the charger located on the surface, which makes increased demands on the insulation of the conductive system. In addition, this design does not provide for the rotation of the drill bit, which can significantly increase the efficiency of electric pulse drilling.

Первый недостаток бурового снаряда-аналога устранен полностью, а второй частично в буровом снаряде-прототипе (патент RU №2319009, МПК E21C 37/18, E21B 7/00, опубл. 10.03.2008, бюл. №7), состоящем из последовательно соединенных колонны бурильных труб, зарядного устройства, источника высоковольтных импульсов и бурового наконечника, причем зарядное устройство и источник высоковольтных импульсов снабжены рубашкой, которая образует канал для нисходящего потока промывочной жидкости между внутренней стенкой колонны бурильных труб и рубашкой. Кроме того, предусмотрено вращение бурового снаряда в процессе его работы.The first drawback of an analogue drill has been completely eliminated, and the second partially in a prototype drill (patent RU No. 2319009, IPC E21C 37/18, E21B 7/00, publ. 10.03.2008, bull. No. 7), consisting of series-connected drill pipe string, a charger, a high voltage pulse source and a drill bit, the charger and a high voltage pulse source having a jacket, which forms a channel for a downward flow of flushing fluid between the inner wall of the drill pipe string and the jacket. In addition, the rotation of the drill during its operation is provided.

Основной недостаток бурового снаряда-прототипа заключается в том, что в нем наименьшее расстояние между центральным высоковольтным электродом и заземленным электродом сравнительно велико и близко к величине радиуса бурового наконечника. Так, при диаметре бурового наконечника 100 см это расстояние составляет 48-49 см. Проведенные в НИИ высоких напряжений эксперименты показали, что при разрушении мелкозернистого гранита двухэлектродным устройством с расстоянием между электродами (межэлектродным промежутком) 40 см недостаточно источника импульсов с максимальным напряжением 700 кВ и энергией в импульсе около 50 кДж. При таких же параметрах разрушение эффективно при расстоянии между электродами до 30 см. Таким образом, при использовании бурового снаряда-прототипа с увеличением диаметра его бурового наконечника, а соответственно и диаметра скважины (ствола), приходится применять более мощные и более дорогие источники высоковольтных импульсов. При использовании буровых наконечников с большим расстоянием между электродами существует и проблема выноса продуктов разрушения (шлама) на поверхность промывочной жидкостью, т.к. при электроимпульсном бурении большое количество частиц шлама имеют размеры, превышающие половину расстояния между электродами, т.е. при расстоянии между электродами 30 см часть кусков оторванной разрядами горной породы имеют длину более 15 см. Это не позволяет вести процесс углубки ствола непрерывно. Приходится после проходки 20-30 см останавливать процесс бурения, поднимать из ствола буровой снаряд, извлекать шлам и снова повторять все операции, что существенно снижает эффективность бурения из-за увеличения затрат времени на вспомогательные работы.The main disadvantage of the prototype drill is that in it the smallest distance between the central high-voltage electrode and the grounded electrode is relatively large and close to the radius of the drill bit. So, with a drill bit diameter of 100 cm, this distance is 48-49 cm. Experiments conducted at the Research Institute for High Voltage showed that when a fine-grained granite is destroyed by a two-electrode device with an electrode distance (interelectrode gap) of 40 cm, a pulse source with a maximum voltage of 700 kV and pulse energy of about 50 kJ. With the same parameters, destruction is effective when the distance between the electrodes is up to 30 cm. Thus, when using a prototype drill with an increase in the diameter of its drill bit and, accordingly, the diameter of the well (bore), it is necessary to use more powerful and more expensive sources of high-voltage pulses. When using drill bits with a large distance between the electrodes, there is also the problem of the removal of fracture products (sludge) to the surface by washing liquid, because when electropulse drilling, a large number of particles of sludge have sizes exceeding half the distance between the electrodes, i.e. at a distance between the electrodes of 30 cm, some of the pieces of rock torn off by discharges have a length of more than 15 cm. This does not allow the barrel deepening process to proceed continuously. After drilling 20-30 cm, it is necessary to stop the drilling process, raise the drill from the barrel, remove the cuttings and repeat all the operations again, which significantly reduces the drilling efficiency due to an increase in the time spent on auxiliary work.

Техническим результатом предложенного решения является создание возможности применения при бурении скважин большого диаметра источников высоковольтных импульсов, энергия в импульсе которых и их стоимость в несколько раз меньше, чем у прототипа. Кроме того, кратно повышается эффективность бурения за счет выноса продуктов разрушения на поверхность промывочной жидкостью непосредственно в процессе углубки скважины.The technical result of the proposed solution is the creation of the possibility of using high-voltage pulse sources when drilling wells of large diameter, the energy in the pulse of which and their cost are several times less than that of the prototype. In addition, the drilling efficiency is greatly increased due to the removal of fracture products to the surface by the flushing fluid directly in the process of deepening the well.

Указанный технический результат достигается тем, что электроимпульсная буровая установка, состоящая из узла вращения, системы промывки, силового шкафа и бурового снаряда, который включает в себя последовательно соединенные колонну бурильных труб, погружное зарядное устройство, погружной источник высоковольтных импульсов и буровой наконечник, согласно предложенному решению содержит несколько параллельно расположенных на вращающейся платформе буровых снарядов, которые выполнены с общей колонной бурильных труб и выход каждого источника высоковольтных импульсов которых электрически соединен со снабженной высоковольтными электродами гребенкой одного из буровых наконечников, параллельно которой размещена гребенка с заземленными электродами, причем в центре платформы установлен опорный заземленный электрод, а шламовый насос для каждого бурового снаряда размещен на платформе.The specified technical result is achieved by the fact that the electropulse drilling rig, consisting of a rotation unit, a flushing system, a power cabinet and a drill, which includes a series of drill pipe string, a submersible charger, a submersible source of high voltage pulses and a drill bit, according to the proposed solution contains several parallel shells located on a rotating platform, which are made with a common string of drill pipes and the output of each source The high voltage pulse pulses of which are electrically connected to a comb of one of the drill bits provided with high voltage electrodes, in parallel with which a comb with grounded electrodes is placed, with a reference grounded electrode installed in the center of the platform, and a slurry pump for each drill bit placed on the platform.

Целесообразно электроды обеих гребенок выполнять из тросиков, упругих стержней или трубок, призабойные концы которых изогнуты в сторону, обратную направлению вращения бурового снаряда, а высоковольтные электроды снабжать изоляционными покрытиями.It is advisable that the electrodes of both combs be made of cables, elastic rods or tubes, the bottom-hole ends of which are curved in the direction opposite to the direction of rotation of the drill, and the high-voltage electrodes should be provided with insulating coatings.

Целесообразно также колонну бурильных труб и напорные трубы шламовых насосов выполнять телескопическими, а всасывающие патрубки шламовых насосов соединять со щелевыми насадками, расположенными за призабойными концами электродов.It is also advisable to make the drill pipe string and slurry pump pressure pipes telescopic, and to connect the suction pipes of the slurry pumps with slotted nozzles located behind the bottom-ends of the electrodes.

Кроме того, целесообразно после каждой щелевой насадки размещать армированные резцами породоразрушающие элементы, наружные концы которых выступают за боковые электроды гребенок на расстояние не более 1/3 межэлектродного промежутка.In addition, it is advisable after each slotted nozzle to place rock-cutting elements reinforced with cutters, the outer ends of which extend beyond the lateral electrodes of the combs to a distance of no more than 1/3 of the interelectrode gap.

Пример конкретного выполнения предложенной электроимпульсной буровой установки проиллюстрирован тремя рисунками. На фиг.1 показана буровая установка на забое скважины в процессе ее работы по разрушению горной породы. На фиг.2 приведен вид сверху по поперечному сечению установки А-А, а на фиг.3 представлено сечение Б-Б гребенок с высоковольтными и заземленными электродами. Установка состоит из платформы 1, на которой параллельно размещены два одинаковых буровых снаряда с общей колонной бурильных труб 2, каждый из которых включает в себя последовательно соединенные погружное зарядное устройство 3, погружной источник высоковольтных импульсов 4 и буровой наконечник, представляющий собой гребенку 5 с заземленными электродами 6 и расположенную параллельно ей гребенку 7 с высоковольтными электродами 8. Призабойные концы всех электродов изогнуты в сторону, обратную направлению вращения бурового снаряда (фиг.3). Выход погружного источника высоковольтных импульсов 4 (фиг.1 и 2) электрически соединен с гребенкой 7. В центре платформы 1 с нижней ее стороны (фиг.1) установлен опорный заземленный электрод 9. Межэлектродные промежутки между этим электродом и соседними высоковольтными электродами 8 равны величине межэлектродного промежутка между расположенными напротив друг друга высоковольтными электродами 8 и заземленными электродами 6. Все электроды выполнены стержневой формы из нержавеющей стали. Они могут быть изготовлены также из тросиков или упругих трубок. Кроме того, все высоковольтные электроды 8 с гребенкой 7 могут быть снабжены изоляционными покрытиями, например полиэтиленовыми (на рисунках не показаны). На платформе 1 размещено по одному шламовому насосу 10 для каждого бурового снаряда. Колонна бурильных труб 2 и напорные трубы 11 шламовых насосов 10 выполнены телескопическими, а всасывающие патрубки 12 этих насосов соединены со щелевыми насадками 13, которые расположены за изогнутыми призабойными концами электродов 6 и 8. За каждой щелевой насадкой 13 (фиг.2) к платформе 1 (к нижней ее стороне) прикреплены армированные резцами породоразрушающие элементы 14, наружные концы которых выступают за боковые электроды 6 и 8 на расстояние не более 1/3 от межэлектродного промежутка. Назначение армированных резцами породоразрушающих элементов 14 несколько отличное, чем армированных резцами коронок, шарошечных долот при механическом бурении, т.к. в рассматриваемой буровой установке основная задача элементов 14 - доразрушать (отделять от массива) ту горную породу, которая ослаблена высоковольтными разрядами, но полностью от массива не оторвана, т.к. полное разрушение (с отрывом) горных пород высоковольтными разрядами происходит в виде откольных воронок глубиной 1/3 межэлектродного промежутка, а вокруг этих воронок горная порода находится в полуразрушенном состоянии. На фиг.1 также показано, что для подачи переменного напряжения 380 В от силового шкафа 15 в скважину (ствол) 16 к токоприемнику 17 служит кабель питания 18, а от токоприемника к каждому погружному зарядному устройству 3 - силовой кабель 19. Погружной источник высоковольтных импульсов 4 электрически подключен к гребенке 7 (с высоковольтными электродами 8) с помощью высоковольтного ввода 20. На дневной поверхности вокруг скважины размещен желобообразный кольцевой шламосборник 21, который установлен так, чтобы при вращении платформы 1 (с размещенным на ней оборудованием) с помощью узла вращения 22 верхний конец трубы 11 шламового насоса 10 всегда находился над шламосборником. Для возвращения промывочной жидкости 23 из шламосборника 21 в скважину 16 шламосборник снабжен сливным патрубком 24. Устройство для проведения спускоподъемных операций на рисунках не показано. Межэлектродный промежуток между каждой парой соседних разнополярных электродов составляет 80 мм, диаметр опорного заземленного электрода у забоя равен 10 мм, а всех остальных электродов 8 мм. Длина гребенки 5 с заземленными электродами 6, как и гребенки 7 с высоковольтными электродами 8 равна 350 мм. Диаметр электроимпульсной буровой установки по наружным концам армированных резцами породоразрушающих элементов 14 (фиг.2), выступающих на 30 мм каждый, составляет 930 мм.An example of a specific implementation of the proposed electropulse drilling rig is illustrated in three figures. Figure 1 shows the drilling rig at the bottom of the well in the process of its work to destroy the rock. In Fig.2 shows a top view of the cross section of the installation aa, and Fig.3 shows a section bB combs with high voltage and grounded electrodes. The installation consists of a platform 1, on which two identical drill bits are placed in parallel with a common drill pipe string 2, each of which includes a submersible charger 3 connected in series, a high-voltage pulse submersible source 4 and a drill bit representing a comb 5 with grounded electrodes 6 and a comb 7 located parallel to it with high-voltage electrodes 8. The bottom-hole ends of all the electrodes are bent in the direction opposite to the direction of rotation of the drill (Fig. 3). The output of the submersible source of high-voltage pulses 4 (FIGS. 1 and 2) is electrically connected to a comb 7. In the center of the platform 1, a reference grounded electrode 9 is installed on its lower side (FIG. 1). Interelectrode gaps between this electrode and adjacent high-voltage electrodes 8 are equal to the interelectrode gap between the high-voltage electrodes 8 located opposite each other and the grounded electrodes 6. All the electrodes are made of a rod-shaped stainless steel. They can also be made of cables or elastic tubes. In addition, all high-voltage electrodes 8 with comb 7 can be provided with insulating coatings, for example polyethylene (not shown in the figures). On the platform 1, there is one slurry pump 10 for each drill. The drill pipe string 2 and pressure pipes 11 of the slurry pumps 10 are telescopic, and the suction pipes 12 of these pumps are connected to the slotted nozzles 13, which are located behind the curved bottom-ends of the electrodes 6 and 8. Behind each slotted nozzle 13 (Fig. 2) to the platform 1 (to its lower side) rock-breaking elements 14 reinforced with cutters are attached, the outer ends of which protrude beyond the side electrodes 6 and 8 to a distance of no more than 1/3 of the interelectrode gap. The purpose of the rock-cutting elements reinforced with cutters 14 is somewhat different than that of crowns reinforced with cutters and cone bits during mechanical drilling, as in the drilling rig under consideration, the main task of elements 14 is to destroy (separate from the massif) rock that is weakened by high-voltage discharges, but is not completely torn off from the massif, because complete destruction (with separation) of rocks by high-voltage discharges occurs in the form of spalling funnels with a depth of 1/3 of the interelectrode gap, and around these funnels the rock is in a dilapidated state. Figure 1 also shows that for supplying an alternating voltage of 380 V from the power cabinet 15 to the well (trunk) 16 to the current collector 17, a power cable 18 is used, and from the current collector to each submersible charging device 3, a power cable 19. A submersible source of high voltage pulses 4 is electrically connected to comb 7 (with high-voltage electrodes 8) using high-voltage input 20. On the day surface around the well there is a trough-shaped annular sludge collector 21, which is installed so that when the platform 1 rotates (with th equipment) using a rotation unit 22 the upper end of the pipe 11, slurry pump 10 is always located above the chip catcher. To return the washing fluid 23 from the sludge collector 21 to the well 16, the sludge collector is equipped with a drain pipe 24. The device for conducting hoisting operations is not shown in the figures. The interelectrode gap between each pair of adjacent bipolar electrodes is 80 mm, the diameter of the reference grounded electrode at the bottom is 10 mm, and all other electrodes are 8 mm. The length of the comb 5 with grounded electrodes 6, as well as combs 7 with high-voltage electrodes 8 is 350 mm. The diameter of the electric pulse drilling rig at the outer ends of the rock-cutting elements reinforced with cutters 14 (FIG. 2), projecting 30 mm each, is 930 mm.

Работа предложенной буровой установки осуществляется следующим образом (фиг.1 и 2). Платформу 1 с размещенным на ней оборудованием устанавливают на забой скважины 16, скважину заполняют промывочной жидкостью 23 и включают шламовые насосы 10. Заполнение скважины 16 промывочной жидкостью 23 ведут до такого уровня, чтобы при включенных насосах 10 он был выше гребенок 7 с высоковольтными электродами 8 на величину нескольких межэлектродных промежутков. Затем узел вращения 22 включают таким образом, чтобы скорость перемещения крайних боковых частей буровой установки, т.е. наружных концов породоразрушающих элементов 14, составляла 20-25 мм/с (в среднем один оборот снаряда за 130 с). На гребенку 7 с высоковольтными электродами 8 от погружного источника высоковольтных импульсов 4 подают импульсы напряжения 300-350 кВ с частотой 4-5 импульсов в секунду. Шлам, образующийся за счет развивающихся в горной породе электрических разрядов и за счет доразрушения горной породы, ослабленной разрядами, породоразрушающими элементами 14, попадает в две щелевые насадки 13, всасывающие патрубки 12 и подается шламовыми насосами 10 через их напорные трубы 11 в шламосборник 21, в котором шлам отделяют, а очищенная от шлама промывочная жидкость по сливному патрубку 24 стекает обратно в скважину. За один оборот платформы 1 глубина разрушения крупнозернистого гранита составляет 25-30 мм, т.е. средняя скорость бурения установки равна 0,68 м/ч. С учетом того, что износ электродов 6 и 8 от воздействия на них высоковольтных разрядов незначительный, а породоразрушающий элемент 14 работает при низкой скорости вращения и, в основном, только доразрушает ослабленную электрическими разрядами горную породу, можно сделать вывод, что без замены электродов и породоразрушающих элементов может быть пройдена скважина диаметром около 1 м и глубиной 10 м и более, в зависимости от свойств горных пород.The work of the proposed drilling rig is as follows (Fig.1 and 2). The platform 1 with the equipment located on it is installed on the bottom of the well 16, the well is filled with flushing fluid 23 and the slurry pumps 10 are filled. The filling of the well 16 with flushing fluid 23 is carried out to such a level that when the pumps 10 are turned on, it is higher than the dies 7 with high-voltage electrodes 8 by the value of several interelectrode gaps. Then, the rotation unit 22 is turned on so that the speed of movement of the extreme lateral parts of the rig, i.e. the outer ends of the rock cutting elements 14, was 20-25 mm / s (an average of one revolution of the projectile in 130 s). The comb 7 with high voltage electrodes 8 from a submersible source of high voltage pulses 4 serves voltage pulses of 300-350 kV with a frequency of 4-5 pulses per second. The sludge generated due to electric discharges developing in the rock and due to the additional destruction of the rock, weakened by the discharges, rock cutting elements 14, fall into two slotted nozzles 13, the suction nozzles 12 and are supplied by the slurry pumps 10 through their pressure pipes 11 to the sludge collector 21, where the sludge is separated, and the flushing fluid purified from the sludge flows down the drain pipe 24 back into the well. For one revolution of platform 1, the fracture depth of coarse granite is 25-30 mm, i.e. the average drilling speed of the installation is 0.68 m / h. Considering that the wear of electrodes 6 and 8 from the effect of high-voltage discharges on them is insignificant, and the rock cutting element 14 operates at a low speed of rotation and, basically, only destroys the rock weakened by electric discharges, it can be concluded that without replacing the electrodes and rock cutting elements, a well with a diameter of about 1 m and a depth of 10 m or more can be passed, depending on the properties of the rocks.

Claims

1. Electropulse drilling rig, consisting of a rotation unit, a flushing system, a power cabinet and a drill, which includes a series of drill pipes, a submersible charger, a submersible source of high voltage pulses and a drill bit, characterized in that it contains several parallel located on a rotating platform of the drill, which are made with a common string of drill pipes and the output of each source of high voltage pulses which are electrically connected n equipped with high voltage electrodes one of comb drill bits, which is placed in parallel with the grounded comb electrodes, wherein the center support platform mounted ground electrode, and a slurry pump for each drill is placed on the platform.

2. Electropulse drilling rig according to claim 1, characterized in that the electrodes of both combs are made of cables, elastic rods or tubes whose bottom ends are curved in the direction opposite to the direction of rotation of the drill, and the high-voltage electrodes are provided with insulating coatings.

3. Electropulse drilling rig according to claim 1, characterized in that the drill pipe string and pressure pipes of the slurry pumps are telescopic, and the suction nozzles of the slurry pumps are connected to slotted nozzles located behind the bottom ends of the electrodes.

4. Electropulse drilling rig according to claim 3, characterized in that after each slotted nozzle rock-cutting elements reinforced with cutters are placed, the outer ends of which extend beyond the lateral electrodes of the combs to a distance of no more than 1/3 of the interelectrode gap.