Бурение нефтяных и газовых скважин

Электроимпульсный способ бурения (Важов В.М.)

Электроимпульсный способ бурения скважин в горных породах является принципиально новым способом разрушения.

При воздействии импульсного высокого напряжения микросекундной длительности на горную породу, расположенную в электроизоляционной жидкости (в том числе и в воде), происходит внедрение канала электрического разряда в горную породу. Это явление открыто в Томском политехническом университете и получено свидетельство на открытие (Свидетельство на открытие № А-122 от 29.04.1998 с приоритетом от 14.12.1961 / А.А. Воробьев, Г.А. Воробьев, А.Т. Чепиков. Закономерности пробоя твердого диэлектрика на границе раздела с жидким диэлектриком при действии импульса напряжения).

Далее в этом канале за время 10^-6 10^-5 с выделяется электрическая энергия, запасенная во внешнем высоковольтном генераторе импульсных напряжений (ГИН). При этом происходит электровзрыв в горной породе. Рабочим телом (инструментом), разрушающим горную породу, является плазма канала разряда, которая не изменяет своих характеристик от разряда к разряду, т. е. не изнашивается и не стареет. Электроимпульсным (ЭИ) способом могут быть разрушены практически все горные породы, исключая породы с очень высокой (металлической) электропроводностью. Преобразование электрической энергии ГИН в механическую работу разрушения происходит непосредственно в горной породе без промежуточных ступеней трансформации.

Разрушение горной породы осуществляется крупным сколом. Это обеспечивает высокий КПД перехода энергии накопителя в работу разрушения, низкую энергоемкость и высокую производительность отбойки горной породы на забое скважины. Конструкция электродной системы обеспечивает автоматическое регулирование последовательности разработки забоя скважины и разработку ее диаметра, что исключает необходимость вращения бурового наконечника и использования других видов механических нагрузок. Износ бурового наконечника незначителен, что позволяет проходить сотни метров скважин без смены бурового наконечника. Все это позволяет изготавливать элементы бурового снаряда из рядовых сталей. Особенностью электроимпульсного способа бурения является существенное возрастание эффективности проходки с увеличением диаметра скважины (бурового наконечника) при условии оптимизации режима бурения.

Упрощенная технологическая схема ЭИ бурения скважин включает источник высокого импульсного напряжения (ГИН), буровой снаряд, спускоподъемное устройство, систему промывки скважины. Общий вид бурового снаряда представлены на рис. 4.29. Главными элементами его являются буровой наконечник 1, колонна бурильных труб 2, высоковольтный ввод 3. Передача импульсов высокого напряжения от ГИН к буровому наконечнику осуществляется через высоковольтный ввод 3 по центральному токопроводу, расположенному коаксиально в колонне бурильных труб, который зафиксирован внутри колонны с помощью изоляторов. Буровой наконечник (рис. 4.29) состоит из совокупности высоковольтных 1 и заземленных 2 электродов, объединенных в единую конструкцию, но электрически изолированных друг от друга изолятором 3.

Рис. 4.28. Общий вид бурового снаряда: 1 – буровой наконечник диаметром 270 мм; 2 – буровые трубы диаметром 200 мм; 3 – высоковольтный ввод

Рис. 4.29. Буровой наконечник диаметром 270 мм: 1 – высоковольтный электрод; 2 – заземленный электрод; 3 – изолятор бурового наконечника; S – расстояние между электродами

Схемы промывки скважин при ЭИ бурении существенно не отличаются от традиционных для механических способов бурения. Устье скважины оборудуется кондуктором. Циркуляция жидкости обеспечивается насосом. Вынос шлама осуществляется той же жидкостью, в которой происходит разрушение горной породы на забое скважины. Шлам осаждается в отстойниках или удаляется при помощи циклонов. В качестве промывочной жидкости применяются различные растворы на нефтяной основе. Возможно бурение на технической воде и растворах на водной основе.

К настоящему времени при лабораторных испытаниях достигнуты следующие характеристики бурения (рис. 4.3)

Таблица 4.3. Достигнутые характеристики электроимпульсного бурения

диаметр скважин, мм		80 1100
глубина бурения, м		до 270
энергия, запасаемая высоковольтным источником импульсов, кДж		0,1 20
средняя скорость бурения при частоте следования импульсов 10 имп/с:
диаметр скважины, мм	порода	средняя скорость, м/час
160	окварцованный песчаник	5,0
180	микрокварциты	6,0
250	вечная мерзлота с валунами и прослойками льда	14,6

Электроимпульсный способ позволяет бурить скважины с отбором керна, возможно бурение скважин любой формы. Практически было выполнено бурение скважин квадратного, эллипсообразного сечений. Априори возможно эффективное искривление скважин и многозабойное бурение.