Электроимпульсный буровой наконечник
Электроимпульсный буровой наконечник предназначен для бурения скважин сплошного забоя сравнительно большого диаметра (более 300 мм). Он состоит из разделенных изолятором (1), имеющим центральный промывочный канал (2), высоковольтной и заземленной электродных систем, электроды которых (9, 17 и 18) выполнены стержневыми, чередующимися и равномерно расположены по окружности. Высоковольтная электродная система снабжена полым центральным электродом (3), к которому прикреплен дополнительный высоковольтный электрод крестообразной формы (5). Нижняя часть (4) полого центрального электрода (3) выполнена конусной, полой и перфорированной отверстиями (6). Торцевые поверхности стержневых высоковольтных электродов (9), дополнительного высоковольтного электрода (5) и призабойных концов заземленных электродов (17 и 18) выполнены на одном уровне. 1 з.п. ф-лы, 3 л., 1 пр.
Полезная модель относится к техническим средствам для бурения скважины сплошного забоя сравнительно большого диаметра (300 мм и более) с помощью высоковольтных электрических разрядов, развивающихся в горной породе между стержневыми электродами. Электроимпульсные буровые наконечники со стержневыми электродами обеспечивают наибольшие скорости бурения. Это связано с тем, что при расположении стержневых электродов по углам квадрата, прямоугольника, параллелограмма, ромба электрические разряды развиваются по сторонам этих фигур, а в их центральной части горная порода разрушается без дополнительных разрядов, тогда как, например, при параллельных пластинчатых электродах разряды необходимы на всем протяжении электродов. Однако при стержневых электродах существует проблема создания буровых наконечников большого диаметра без значительного увеличения межэлектродных промежутков. Но увеличение промежутков приводит к необходимости использования более мощных источников высоковольтных импульсов и промывочных насосов.
Известен бур со стержневыми электродами для проходки скважин электрическими импульсными разрядами (а.с. СССР 
282216, МПК 7 Е21В 19/10, опубл. 10.04.2004), состоящий из заземленной трубы с вырезами, образующими расположенные по окружности заземленные электроды, причем внутри заземленной трубы укреплен проходной изолятор, через который пропущен с возможностью осевого перемещения высоковольтный полый центральный стержень, имеющий один центральный полый электрод и несколько высоковольтных электродов, расположенных по окружности между заземленными электродами.
Основным недостатком известного устройства является то, что при увеличении его диаметра без изменения межэлектродного промежутка приходится увеличивать диаметр полого центрального электрода. В связи с этим под полым центральным электродом разрушается не вся горная порода, и в центре образуется керн, заполняющий внутреннюю полость центрального электрода, для периодического извлечения которого требуются дополнительные затраты времени и специальные технические решения.
Наиболее близким к предложенному устройству является электроимпульсный буровой наконечник (патент на изобретение РФ 2286432, МПК 8 Е21В 7/00, опубл.
27.10.2006), состоящий из высоковольтной и заземленной электродных систем со стержневыми электродами, разделенных изолятором с промывочными окнами, причем буровой наконечник выполнен с дополнительным промывочным каналом. В призабойной части бурового наконечника в седле установлен временный гидрозатвор, а над седлом выполнен один или несколько электродных каналов, в каждом из которых размещен дополнительный подпружиненный электрод.
Основным недостатком бурового наконечника-прототипа является сложность конструкции при увеличении его диаметра без изменения межэлектродного промежутка, т.к. для решения этой задачи число дополнительных электродов должно быть равным или близким числу межэлектродных промежутков между основными заземленными и высоковольтными электродами, что усложняет конструкцию до ее неработоспособности.
Техническим результатом предложенного решения является создание сравнительно простой конструкции электроимпульсного бурового наконечника со стержневыми электродами, позволяющей увеличить его диаметр без увеличения межэлектродных промежутков.
Указанный технический результат достигается тем, что в электроимпульсном буровом наконечнике, состоящем из высоковольтной и заземленной электродных систем, разделенных изолятором с промывочным каналом, причем электроды обеих электродных систем выполнены стержневыми, чередующимися и равномерно распложены по окружности, а высоковольтная электродная система снабжена полым центральным электродом, согласно предложенному решению, к полому центральному электроду прикреплен дополнительный высоковольтный электрод, равноудаленный от электродов заземленной электродной системы, торцевая поверхность которого выполнена на одном уровне с торцевыми поверхностями призабойных концов стержневых высоковольтных электродов.
Кроме того, нижняя часть центрального электрода, расположенная над дополнительным высоковольтным электродом, выполнена конусной, полой и перфорированной.
Целесообразно также дополнительный высоковольтный электрод выполнять крестообразным.
Пример конкретного выполнения.
На фиг.1 показан вид призабойного торца электроимпульсного бурового наконечника, на фиг.2 приведено его продольное сечение А-А, а на фиг.3 представлена изометрическая проекция заземленной электродной системы и частично высоковольтной.
Основными элементами бурового наконечника являются коаксиально расположенные высоковольтная и заземленная электродные системы, разделенные изолятором 1, имеющим центральный промывочный канал 2. Высоковольтная электродная система состоит из размещенного в канале 2 полого центрального электрода 3, нижняя часть 4 которого, расположенная над дополнительным высоковольтным электродом 5, выполнена конусной, полой и перфорированной отверстиями перфорации 6. Под изолятором 1 на полом центральном электроде 3 размещен поджимающий фланец 7. Под этим фланцем 7 на полом центральном электроде 3 закреплен фланец высоковольтной электродной системы 8, к которому приварены равноудаленные друг от друга стержневые высоковольтные электроды 9. Нижняя часть 4 центрального электрода 3 снабжена выходным отверстием 10 и промывочными каналами 11, имеющими продолжение в торцевой поверхности крестообразного высоковольтного электрода 5, торцевая поверхность которого выполнена на одном уровне с торцевыми поверхностями призабойных концов стержневых высоковольтных электродов 9.
Верхний конец полого центрального электрода 3 контактирует с внутренним трубчатым тоководом 12 погружного генератора высоковольтных импульсов 13, к заземленному корпусу 14 которого с помощью электросварки прикреплен его фланец 15, а к этому фланцу с помощью винтов опорный фланец заземленной электродной системы 16. К опорному фланцу 16 приварены стержневые заземленные электроды двух видов 17 и 18. Призабойные концы стержневых заземленных электродов одного вида - 17 выполнены с небольшими утолщениями или без них, а у другого вида - 18 призабойные концы сделаны в форме башмаков, носки которых обращены к центру бурового наконечника. Чередование стержневых высоковольтных электродов 9 с заземленными вида 17 или 18 (через один), наличие дополнительного высоковольтного электрода 5 крестообразной формы позволило разработать электроимпульсный буровой наконечник с одинаковым (50 мм) промежутком между высоковольтными 5, 9 и заземленными электродами 17, 18 при диаметре бурового наконечника 360 мм. Наружный диаметр заземленного корпуса 14 погружного генератора высоковольтных импульсов 13 составляет 325 мм.
Работа электроимпульсного бурового наконечника осуществляется следующим образом. Буровой наконечник устанавливается на забой скважины. Для выноса шлама и газообразных продуктов, образующихся при развитии высоковольтных электрических разрядов, по внутреннему трубчатому тоководу 12 подают электроизоляционную (диэлектрическую) промывочную жидкость в полый центральный электрод 3, в его нижнюю полую конусную часть 4, из которой промывочная жидкость через отверстия перфорации 6, выходное отверстие 10 и промывочные каналы 11 попадает на забой
скважины, откуда по затрубному пространству поднимается на дневную поверхность. Затем от погружного генератора высоковольтных импульсов 13 по его тоководу 12 подают импульсы высокого напряжения через центральный электрод 3 на стержневые высоковольтные электроды 9 и дополнительный высоковольтный электрод 5. Между электродами 9 и 5, к которым подведены импульсы, и заземленными электродами 17, 18 в горной породе развиваются высоковольтные электрические разряды, отрывающие кусочки горной породы от массива, которые промывочной жидкостью выносятся на поверхность вдоль стенки скважины вместе с газообразными продуктами, образующимися при развития разрядов.
Работоспособность предложенного бурового наконечника была показана при бурении скважины в крупнозернистом граните Колыванского месторождения, расположенного в юго-западной части Алтайского края. В качестве промывочной жидкости применялось трансформаторное масло. Промывка составляла 1700 л/мин. напряжение импульсов высокого напряжения равнялось 360 кВ, а емкость в разряде 13200 пФ. Импульсы подавались с частотой 5-6 имп./с. Была пробурена скважина диаметром 380-390 мм глубиною 1,8 м при скорости бурения 1,7 м/ч.
Сравнение предложенного бурового наконечника с подобным наконечником без дополнительного высоковольтного электрода 5, но с одинаковым (50 мм) промежутком между высоковольтными и заземленными электродами, показывает, что предложенный буровой наконечник имеет диаметр больше на 33,3%, а площадь (по наружному диаметру) больше в 1,78 раза, т.к. при промежутке 50 мм и при одинаковых параметрах электродов наконечник без дополнительного высоковольтного электрода 5 имеет диаметр 270 мм.
Буровой наконечник-прототип предназначен для особых условий бурения, и его конструктивные особенности не позволяют создавать работоспособные буровые наконечники увеличенного диаметра при неизменном промежутке между высоковольтными и заземленными электродами.
1. Электроимпульсный буровой наконечник, состоящий из высоковольтной и заземленной электродных систем, разделенных изолятором с промывочным каналом, причем электроды обеих электродных систем выполнены стержневыми, чередующимися и равномерно распложены по окружности, а высоковольтная электродная система снабжена полым центральным электродом, отличающийся тем, что к полому центральному электроду прикреплен дополнительный высоковольтный электрод, равноудаленный от электродов заземленной электродной системы, торцевая поверхность которого выполнена на одном уровне с торцевыми поверхностями призабойных концов стержневых высоковольтных электродов.
2. Электроимпульсный буровой наконечник по п.1, отличающийся тем, что нижняя часть центрального электрода, расположенная над дополнительным высоковольтным электродом, выполнена конусной, полой и перфорированной.
3. Электроимпульсный буровой наконечник по п.1, отличающийся тем, что дополнительный высоковольтный электрод выполнен крестообразным.
