RU2167991C2

RU2167991C2 - Method and device for electromechanical drilling of holes

Info

Publication number: RU2167991C2
Application number: RU99107249A
Authority: RU
Inventors: Б.И. Абызбаев; Н.К. Байбаков; Б.В. Байдюк; С.М. Цыганенко
Original assignee: Открытое акционерное общество "Российская инновационная топливно-энергетическая компания"; Институт проблем нефти и газа РАН и Министерства общего и профессионального образования РФ
Priority date: 1999-04-08
Filing date: 1999-04-08
Publication date: 2001-05-27

Abstract

FIELD: drilling technique, particularly, methods and technical means for drilling of holes of various applications. SUBSTANCE: essence of the invention consists in that process of rock breakage is carried out continuously by rotating mechanical tool and high-voltage electrical pulses moving over bottom of hole to reduce rock strength. The device for realization of claimed method is proposed. EFFECT: higher efficiency of drilling. 2 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к буровой технике, а именно к способам и техническим средствам бурения скважин различного назначения. The invention relates to drilling equipment, and in particular to methods and technical means for drilling wells for various purposes.

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. Known new methods of drilling wells, the most effective of which is the electric pulse method of drilling [1]. This method does not require the creation of large axial forces, which is especially important when drilling horizontal wells, because in this case, the transmission of large axial forces is difficult due to friction of the drill pipes against the walls of the well.

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].The physical essence of this method is the electrical breakdown of the rock during the transmission of high-voltage pulses into it and the release of thousands of joules of energy in the discharge channel over a period of 10 ^-5 -10 ^-6 s. The final result of electrical breakdown is the occurrence of a shock wave that converts electrical energy into mechanical energy [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. Tests of the electropulse method showed that the drilling speeds for hard rocks are 2–3 times higher than the speed of drilling with a cone tool. The energy intensity of the fracture process decreases by about the same number of times, and the axial force decreases by no less than an order of magnitude.

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.The disadvantages of the known electropulse method of drilling include:
- the use of high voltages (hundreds of kilovolts), which requires increased attention to ensuring the safety of maintenance personnel and to the technical condition of drilling equipment;
- selective nature of rock destruction, i.e. breakdown occurs in the place where the electric strength of the rock is the smallest, as a result of which, in the absence of rotation of the drilling organ, uniform destruction of the face is not provided;
- a decrease in the efficiency of rock destruction with an increase in the depth of drilling due to the decay force of the pulses and a decrease in the steepness of their front, which limits the scope of application of the known electric-pulse drilling bodies along the drilling depth to several hundred meters,
- the lack of cleaning the surface of the face from the destroyed rock, which worsens the conditions for the transfer of energy into the rock, reduces the impact efficiency and increases the energy intensity of destruction.

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]. A known method of electromechanical drilling of wells, including the transfer of electrical energy to the bottom, electropulse effect on the rock and mechanical destruction of the rock, followed by its removal from the well by a flushing agent [3].

Указанный способ принят нами за прототип. The specified method was adopted by us as a prototype.

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.The disadvantages of the known method of drilling include the fact that:
- the axis of rotation of the drill is not aligned with the axis of its symmetry (i.e., it is located eccentrically), in connection with which the destruction of the rock at the bottom is carried out periodically with a period of one revolution, which reduces drilling productivity. In addition, the eccentric location of the axis of rotation contributes to the arbitrary deviation of the axis of the well from a given direction of drilling, which can lead to various undesirable consequences;
- the impact on the rock by electric pulses is performed in the area located between the cutters of the electrode cell, as a result of which the front cutters (in the direction of rotation of the drill string) always act on the rock not weakened by pulses, which sharply reduces the efficiency of the electropulse method of drilling and maintains the stability of the cutters. This also indicates a lack of coordination of the processes of electrical impulse and mechanical destruction of the rock;
- the rear incisors (in the direction of rotation) move the destroyed rock into the zone of electrical impulse during drilling, as a result of which the face is screened and the conditions for the transfer of pulse energy to the rock are worsened, which also increases the energy consumption of drilling;
- the location of the cutters on the drill bit, as well as their work with unequal power loads reduces the effectiveness of mechanical destruction of the rock, which also increases the energy consumption of drilling.

Задачей предлагаемого способа является повышение эффективности процесса бурения. The objective of the proposed method is to increase the efficiency of the drilling process.

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. To solve this problem in a known method, including the transfer of electrical energy to the face, the electropulse effect on the rock and the mechanical destruction of the rock, followed by its removal from the well by a flushing agent, the destruction process is carried out by a continuously rotating mechanical tool and high-voltage electric pulses moving along the bottom, reducing the strength of the rock .

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. As a result of the application of the proposed method, in comparison with the mechanical method, the wear of the rock cutting tool is reduced, the energy consumption of drilling is reduced by 2-3 times and the axial force of the rock cutting tool is reduced by at least 10 times.

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. Compared with the energy-pulse method of drilling, the proposed method requires the application of an order of magnitude lower impulse voltages, elimination due to the rotation of the electrodes of the selective nature of the breakdown, improvement of the conditions for energy transfer to the rock by cleaning the face from the destroyed rock, reduction of the energy intensity of rock destruction and formation of the borehole walls .

Нам не известны способы бурения скважин, обладающие совокупностью вышеперечисленных признаков, что означает соответствие предлагаемого способа требованиям, предъявляемым к изобретениям. We do not know how to drill wells that have a combination of the above characteristics, which means that the proposed method meets the requirements for inventions.

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. A device for drilling wells using an electric drill, including drill pipes with a current supply, a pulse generator with a spark gap, a mechanical rock cutting tool with electrodes connected through a spark gap to a pulse generator, and a drive for rotating the rock cutting tool [3]. The specified device is accepted by us as a prototype.

Недостатком указанного устройства является низкая эффективность при бурении в крепких породах вследствие невысокой механической скорости бурения и высокой энергоемкости процесса разрушения породы. The disadvantage of this device is the low efficiency when drilling in hard rock due to the low mechanical drilling speed and high energy intensity of the process of rock destruction.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение эффективности процесса бурения. The problem to which the invention is directed, is to increase the efficiency of the drilling process.

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. To solve this problem in a known device for electromechanical drilling of wells, including drill pipes with current supply, a pulse generator with a spark gap, a mechanical rock cutting tool with electrodes connected through a spark gap to a pulse generator, and a drive for rotating the rock cutting tool, the drive is made in the form of an electric drill, and rock cutting tool - in the form of a blade bit equipped with electrodes that are connected through a spark gap to a pulse generator, consisting of For example, inductors and a capacitor are included, forming a resonant oscillatory circuit, with one of the electrodes being the blade of the bit, and the other is the contact inserts located in the slots of the plates made of insulating material and attached to the blades of the bit on the back side.

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. These signs will eliminate the disadvantages inherent in known devices for drilling rocks above average hardness, due to the complex impact on the breed of electric shock and its mechanical destruction.

Нам не известны устройства для электромеханического бурения скважин, обладающие совокупностью вышеперечисленных признаков, что означает соответствие предлагаемого устройства требованиям, предъявляемым к изобретениям. We do not know devices for electromechanical drilling of wells that have a combination of the above characteristics, which means that the proposed device meets the requirements for inventions.

На фиг. 1 изображено устройство для электромеханического бурения скважин - электромеханический буровой орган. In FIG. 1 shows a device for electromechanical drilling of wells - an electromechanical drilling body.

На фиг. 2 - вид А фиг. 1. In FIG. 2 is a view A of FIG. 1.

На фиг. 3 - разрез по Б-Б фиг. 1. In FIG. 3 is a section along BB of FIG. 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.In FIG. 4 is a circuit diagram of the operation of the drilling body, where D is the electric drill 1 of FIG. 1,
P - wire of the conductive rod 10 of FIG. 1,
T - pipe 13 of FIG. 1,
L is the inductor 7 of FIG. 1,
C is the capacitor 6 of FIG. 1,
P is the arrester 8 of FIG. 1,
Z - bottomhole.

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. The electromechanical drilling body (Figs. 1, 2, and 3) contains an electric drill 1, including a stator 2, a rotor 3, and a spindle 4, a chisel 5, a pulse generator, including a cylindrical capacitor 6 and an inductor 7, forming a spark gap 8 through which passes installed on insulators 9 segments of the conductive rod 10. The electrical connection of the nodes of the drilling body to each other is carried out using single-phase cable connectors 11 and pipe threaded connections 12. The device is lowered into the well on pipes 13. Electrical connection s drill body from the surface produced according to the scheme 10 is carried - a pipe 13. In this case, in order to exclude the influence of electro-motor apparatus to the electric drill mode they are connected in parallel. The capacitor and inductor are tuned during manufacture to work in resonance voltage at a frequency of 50 hertz.

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. Chisel 5 is a rock-cutting mechanical tool of the blade type, the blades 14 of which are reinforced with cutters 15. To the blades 14 are attached plates 16 made of insulating material, in the slots of which are placed contact inserts 17 connected by a wire 18 through a connector to a conductive wire 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. Arrester 8 is two balls 19 located in the upper part of the electric drill 1 in a housing made of insulating material. One of the balls is fixed to the thread at the end of the fixed segment (wire) 10, and the second at the end of the other segment rotating together with the bit 20. The spark gap between the balls is regulated by means of a threaded connection of one or both balls.

Работа предложенного бурового органа и способ электромеханического бурения скважин с его помощью заключается в следующем. The work of the proposed drilling body and the method of electromechanical drilling with its help is as follows.

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). According to the electric circuit, when an alternating voltage is applied to the electric drill D through the wire P and pipe T, the same voltage is simultaneously supplied to the coil L and the capacitor C of the oscillating circuit, which at this moment is disconnected from the electrodes on the face 3 by the spark gap P (Fig. 4). In the future, as the oscillations in the pulse generator increase and energy accumulates in it, a resonant increase in voltage occurs on the coil 7 and capacitor 6, as a result of which the spark gap 8, connected in parallel with capacitor 6, breaks through at some voltage set on it, after which all accumulated in the capacitor 6, energy is transmitted through the arrester 8 under high voltage to the working electrodes in contact with the rock at the bottom by the blades 14 of the bit 5 and the contact inserts 17 (Fig. 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. As a result, an electrical breakdown of the rock occurs between the electrodes, which is accompanied either by the destruction of the surface layer of the rock, or the weakening of its strength. Moreover, due to the fact that the plates 16 of insulating material with contact inserts 17 are located on the opposite side of the mounting of the cutters 15, the discharges from the contact inserts 17 interact with the back of the blades 14, which eliminates the erosion of the cutters 15 from the discharges.

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. Due to the fact that the distance from the pulse generator to the bottom of the well in the proposed device is constant, the steepness of the pulse front is also constant, which excludes the dependence of the efficiency of rock destruction during drilling on the depth of the well.

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. The final destruction of the weakened rock layer and the cleaning of the bottom of the well from destructive rock is carried out mechanically using cutters 15 of the rotating bit. Moreover, the destruction process is carried out continuously. It should be noted that as a result of the weakening of the rock strength, the power of the electric drill motor can be reduced by 3-4 times compared to drilling without pre-fracturing the drilled rock, and the area of application of the blade bits can be extended to the hardest rocks.

Источники информации:
1. Авторское свидетельство СССР N 1701885 E 21 B 7/15, опубликовано 30.12.91 г. Бюллетень N 48.Sources of information:
1. USSR author's certificate N 1701885 E 21 B 7/15, published December 30, 1991. Bulletin No. 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. 2. Vizhov V.F., Levchenko B.P., Semkin B.V., Chepikov A.T. Electric pulse drilling method. Abstracts of the 6th Russian Scientific Conference on the Protection of Nuclear Engineering Installations from Ionizing Radiations. Obninsk. 09/20/94, vol. 2, pp. 213-215.

3. Авторское свидетельство СССР N 730029, E 21 C 37/18, 1993. 3. USSR author's certificate N 730029, E 21 C 37/18, 1993.

Claims

1. The method of electromechanical drilling of wells, including the transfer of electrical energy to the bottom, electrical impulse exposure and mechanical destruction of the rock, followed by its removal from the well by a flushing agent, characterized in that the destruction process is carried out by a continuously rotating mechanical tool and high voltage electrical pulses moving along the bottom, reducing strength breed.

2. Device for electromechanical drilling of wells, including drill pipes with current supply, a pulse generator with a spark gap, a mechanical rock cutting tool with electrodes connected through a spark gap to a pulse generator, and a drive for rotating the rock cutting tool, characterized in that the drive is made in the form of an electric drill, and rock cutting tool - in the form of a blade bit equipped with electrodes that are connected through a spark gap to a pulse generator, consisting of inductor and capacitor, forming a resonant oscillatory circuit, while one of the electrodes are the blade of the bit, and the other is the contact inserts located in the slots of the plates made of insulating material and attached to the blades of the bit on the back side.