CC BY
165
ЭНЕРГЕТИКА
УДК 621.374: 622.323
АРКТИЧЕСКИЕ ПЕРСПЕКТИВЫ ЭЛЕКТРОИМПУЛЬСНОГО СПОСОБА РАЗРУШЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ И ЗАДАЧИ ИХ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ*
А. Ф. Усов1, М. Хи2
1ФГБУН Кольский научный центр РАН 2Университет науки и технологии Хуажонг, КНР
Аннотация
Рассмотрены перспективы использования электроимпульсного способа бурения скважин для совершенствования технологии вскрытия и разработки нефтяных месторождений с целью повышения полноты использования недр.
Обоснована концепция создания электроимпульсного проходческого комплекса на основе погружного источника высоковольтных импульсов с управляемым формированием призабойного пространства для повышения его маневренности и создания в толще породы специальных выработок технологического назначения для формирования куста наклонных и горизонтальных скважин с максимально полным охватом нефтеносных пластов, а также для размещения аппаратуры геофизического мониторинга и иных целей. Разработки по проекту в отношении техники генерирования импульсов, технических средств разрушения, аппаратурных методов контроля процесса разрушения и управления работой установки могут найти применение при бурении скважин большого диаметра для термальной энергетики, котловых скважин для создания хранилищ ядерных отходов, скважин для свайных оснований инженерных объектов в зоне вечной мерзлоты, в том числе хранилищ СПГ, в модульных установках для разработки месторождений особо ценного сырья в сложных географических и климатических условиях Севера и др. Ключевые слова:
добыча нефти, тяжелая нефть, бурение скважин, Арктический шельф, электроимпульсное разрушение, буровая техника, высоковольтные импульсы.
ARCTIC PROSPECTS OF ELECTRIC PULSE METHOD FOR MATERIALS DESTRUCTION AND TASKS OF THEIR SCIENTIFIC AND TECHNICAL SUPPORT
Anatoly F. Usov, Mengbing He
1Kola Science Centre of the RAS Huazhong University of Science and Technology, China
Abstract
To improve the technology of opening and development of oil fields for increasing the completeness of subsoil use, the prospects of using the electric pulse method of drilling are discussed.
We have validated the concept of creating an electric pulse tunnel system based on submersible source of high-voltage pulses with controllable formation of work space for increasing its maneuverability and creating special technological outputs in a rock mass for forming a cluster of slant and horizontal boreholes with most complete coverage of oil shelves, for location of geophysical monitoring equipment and for other purposes. Developments of the project related to techniques for generating pulses, technical means of destruction, hardware control methods of destruction process and work mode of a plant can be used for drilling large diameter boreholes for thermal power engineering; boiler wells for creating repositories of nuclear wastes; boreholes for foundations of engineering objects
* Работа выполнена по гранту РФФИ-ГФЕН_а № 53041.
in permafrost zone, including LNG storages, in modular plants for mining valuable raw materials in severe geographical and climatic conditions of the North.
Keywords:
oil production, heavy oil, well drilling, Arctic shelf, electric pulse destruction, drilling equipment, high-voltage pulses.
Введение. Электроимпульсное разрушение материалов
Российские ученые заложили основы нового научного направления в электрофизике - физики электровзрыва в конденсированных средах и его технологического применения для разрушения геоматериалов [1-3]. Электроимпульсный способ разрушения геоматериалов отличает высокая энергетическая эффективность и уникальные технологические особенности. Это определяет перспективность его универсального использования в процессах добычи и переработки минерального сырья и в горнотехническом строительстве: для бурения скважин различного диаметра и назначения, дробления и измельчения руд и технических материалов, резания и поверхностной обработки массива и блочного камня. В России впервые были проведены испытания различных технологических применений способа как в лабораторных, так и в производственных условиях с подтверждением значимых технологических преимуществ способа перед традиционными. Особым стимулом для развития исследований способа было то, что он по энергоэффективности разрушения крепких и особо крепких горных пород существенно превосходит традиционные способы.
Научный приоритет российских ученых закреплен пионерными научными публикациями [4-7]; инновационный потенциал новых технологий подтверждается присуждением разработкам высоких наград международных инновационных выставок. Однако в силу отсутствия должного финансирования научных исследований и разрушения системы проектно-конструкторских организаций в горно-обогатительной отрасли, производственное освоение разработанных технологий в России остановилось, ограничившись передачей геологическим научно-производственным организациям десятка дезинтеграционных установок для исследования и опробования геологических проб [8]. Именно усовершенствованные образцы этих установок, поставленных в Германию, Францию и Великобританию, способствовали подключению зарубежных научных организаций и фирм к исследованиям по электроимпульсной тематике, в том числе в рамках совместных проектов с российскими организациями. В Исследовательском центре г. Карлсруэ (FZK), Германия, создан исследовательский институт электроразрядных и микроволновых технологий и уже появились предложения зарубежных фирм (Ammann Schweiz AG Mediacenter, SelFrag) [9] на продажу электроимпульсных установок, изготавливаемых по лицензиям данного центра. Работы по электроимпульсным технологиям также проводятся в Канаде, Японии, Австралии, Китае и др. Научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы по электроимпульсным технологиям выполнены для транснациональных компаний: Shell, Statoil, UnoDril, Schlumberger, BP, Komatsu и др.
Государство и отечественный бизнес теряют возможность освоения уникальных инновационных технологий, создались условия для безвозвратной утраты накопленного в России большого багажа составляющих ноу-хау знаний. Для перехода к стадии широких опытно-конструкторских работ и производственного освоения технологий очень значимым является восстановление фронта научно-исследовательских работ для дальнейшего совершенствования научно-технических основ электроимпульсного способа с учетом современных достижений электроники, электротехники, высоковольтной импульсной техники. Поэтому сейчас, когда от российских ученых ждут «...не слепого копирования существующих зарубежных разработок, а собственных, оригинальных решений задач, стоящих перед экономикой и промышленностью.»
(из выступления В. В. Путина на Президентском совете 8 декабря 2014 г.), есть основание поставить вопрос о форсировании разработки научно-технологических основ электроимпульсного способа разрушения материалов, как отвечающего потребностям многих отраслей горной промышленности и инженерного строительства. Прежде всего, это имеет отношение к нефте-газодобыче в Арктике и связанным с ней технико-экономическим и экологическим проблемам.
Ниже оцениваются перспективы разработки технологий на основе электроимпульсного способа разрушения геоматериалов для освоения месторождений нефти, газа и твердых полезных ископаемых в зоне вечной мерзлоты и на Арктическом шельфе в сложной ледовой обстановке, для различных инженерно-технических работ в арктических условиях. Работы в данном направлении стали предметом проекта, выполняемого в соответствии с Соглашением о научно-техническом сотрудничестве между Кольским научным центром РАН и Университетом науки и технологии Хуажонг (Huazhong University of Science and Technology, HUST), КНР.
Научно-техническое содержание новой технологии повышения нефтеотдачи и полноты использования месторождений углеводородов с помощью электроимпульсного бурения и электрогидроимпульсного воздействия на продуктивный пласт включает:
• бурение скважин электроимпульсным способом как наименее энергоемким способом разрушения горных пород, наиболее производительным и экономичным способом проходки в силу более высокой стойкости породоразрушающего инструмента, меньших затрат времени на спускоподъемные операции;
• новые электротехнические решения в отношении генерирования высоковольтных импульсов, позволяющие создавать компактные буровые снаряды на основе погружных генераторов импульсов, обеспечивая высокую маневренность продвижения бурового снаряда в толще пород при проходке вертикальных, наклонных, горизонтальных и горизонтально-восходящих скважин с наиболее эффективным вскрытием нефтеносных пластов;
• создание с помощью электроимпульсных породоразрушающих устройств на глубине в толще пород специальных выработок (технологического оперативного пространства) для формирования куста наклонных и горизонтальных скважин с максимально полным охватом нефтеносных пластов, а также для размещения аппаратуры геофизического мониторинга и иных технологических узлов;
• электроимпульсное бурение удачно сочетается с электрогидроимпульсным воздействием на продуктивный пласт. Генерирование высоковольтных импульсов для электроимпульсного бурения по схеме работы с двумя источниками, отличающимися уровнями напряжения и энергии, обеспечит существенное повышение КПД передачи энергии в канал разряда блока электрогидроимпульсного воздействия за счет возможности увеличения длины разрядного промежутка при его пробое повышенным напряжением от блока электроимпульсного пробоя.
С 2016 г. эти работы начинаются проектом РФФИ-ГФЕН-а № 53041 - совместным конкурсом Российского фонда фундаментальных исследований и Государственного фонда естественных наук КНР, которым предусматривается совершенствование техники генерирования высоковольтных импульсов для электроимпульсного бурения скважин большого диаметра как первого этапа в разработке новой энергоэффективной технологии вскрытия и разработки нефтяных месторождений в рамках фундаментальной научной проблемы «Совершенствование научно-технических основ скважинных горных технологий для освоения нефтяных и газовых месторождений на больших глубинах».
Электроимпульсное бурение в технологии добычи нефти в Арктике
Запасы нефти, удобные для добычи, истощаются ускоренными темпами, степень выработанности запасов осваиваемых нефтегазовых месторождений достигла 60 %, притом что извлечение нефти из недр ниже 40 % [10, 11]. В условиях стагнации нефтедобычи в основных регионах страны Арктический шельф России рассматривается как один из ключевых
регионов поддержания и роста добычи нефти. Потенциальные для освоения месторождения в северных районах в большей части содержат трудноизвлекаемые запасы тяжелой нефти и сложные подгазовые залежи. Разработка месторождений высоковязких нефтей (битумы, тяжелые нефти, газовые гидраты) как ценного сырья для получения множества полезных нефтехимических продуктов актуальна как никогда [12]. Однако для добычи нетрадиционных ресурсов требуются новые технологии, многими из которых Россия не располагает и ограничена санкциями на их поставку из-за рубежа. Возможно, что именно здесь ожидается наиболее эффективное использование электроимпульсного бурения для вскрытия месторождений, способствующее полноте извлечения тяжелой нефти.
Исследования электроимпульсного бурения в российских разработках электроимпульсной тематики составляют основную долю работ. Спектр технологического использования способа включает: бурение веера скважин в условиях подземной выработки для добычи руд, бурение горизонтальных опережающих скважин для сооружения подземных выработок, бурение неглубоких скважин (5-10 м) для сооружения траншей и котлованов в скальных породах, проходку скважин большого диаметра для сооружения шахтных стволов и колодцев (КНЦ РАН, г. Апатиты, рис. 1); бурение взрывных скважин для добычи руд на открытых горных работах, бурение геолого-разведочных скважин с отбором ориентированного керна, бурение скважин большого диаметра в мерзлых грунтах района БАМ, бурение глубоких скважин (Научно-исследовательский институт высоких напряжений, г. Томск), сооружение шахтных стволов (Институт угля Сибирского отделения РАН, г. Кемерово).
Рис. 1. Высоковольтный полигон электроимпульсного бурения КНЦ РАН: буровой стенд, буровые снаряды для бурения скважин большого диаметра и вид буримых скважин
Из богатого опыта физических исследований и технологических разработок в дополнение к оценке достоинств способа [13] акцентируем внимание на следующем.
1. Фактор диаметра буримых скважин. Технико-экономическая эффективность применения способа определяется как технико-физическими показателями процесса - скоростью бурения и энергоемкостью процесса, так и показателями эксплуатационной надежности технических средств. При исключительно жестких условиях по уровню электрических параметров (импульсного напряжения) работоспособность технических средств имеет решающее значение для реализации способа. В частности, основная масса отказов при бурении связана с электрическим пробоем твердой и жидкой изоляции в буровом снаряде. При уменьшении диаметра скважин координация электрической прочности изоляционных элементов бурового снаряда и пробивных напряжений горной породы в рабочих промежутках породоразрушающего
инструмента соответствующим выбором соотношения величин этих промежутков с учетом вероятностного характера пробоя сред становится менее однозначной в отношении надежности работы изоляции. Кроме того, соответствующее этому случаю существенное снижение производительности разрушения делает электроимпульсное бурение при диаметре скважин менее 60-80 мм экономически нецелесообразным. Электроимпульсное бурение скважин диаметром 100-150 мм апробировано при бурении взрывных скважин в карьерах и в подземных выработках с использованием как диэлектрических жидкостей, так и воды. По критериям технико-экономической эффективности бурение оправдано при частоте следования 15-20 имп/с. Возможность работы импульсных конденсаторов в таком частотном режиме подтверждена стендовыми испытаниями как отдельно конденсаторов, так и генераторов импульсного напряжения (ГИН) Аркадьева - Маркса.
С увеличением диаметра буримых скважин координировать электрическую прочность элементов изоляции и пробивных напряжений породы становится все проще. Возможность увеличения рабочих промежутков в породоразрушающем инструменте способствует повышению производительности бурения. За счет секционирования породоразрушающего инструмента с подключением секций к отдельным источникам импульсного напряжения появляется возможность значительно (пропорционально числу секций) повысить плотность импульсов, подаваемых на забой разрушения и скорость бурения. Парадокс, но с увеличением диаметра скважины механическая скорость электроимпульсного бурения повышается, а удельные энергозатраты процесса бурения снижаются. Впервые на это обращено внимание в монографии [5], в работах последнего времени (см., например, [14]) подтверждено, что скорость бурения возрастает с увеличением диаметра скважины при оптимизации условий бурения: расстояния между электродами, рабочего напряжения, энерговклада, условий промывки. Для получения скорости электроимпульсного бурения, сопоставимой с лучшими показателями механических способов, достаточно частоты следования импульсов 4-6 имп/с.
2. Фактор вида промывочной жидкости. Среда в приэлектродной области породоразрушающего устройства выполняет две функции: во-первых, аналогично буровому раствору при механических способах бурения, выносит из скважины продукт разрушения породы, во-вторых, и это главное, способствует реализации физического принципа процесса электроимпульсного разрушения - внедрения разряда в поверхностный слой твердого тела. В технологических исследованиях электроимпульсного бурения используются диэлектрические и слабо электропроводящие (от деионизованной до уровня технической воды) жидкости. Экспериментально показана возможность электроимпульсного разрушения в паровоздушной среде под давлением [15]. Но это можно рассматривать лишь в плане выявления ограниченного влияния фактора статического давления на разрушаемость породы. Техническую целесообразность и осуществимость предложения, рассматриваемого как перспективное для глубинного бурения скважин, еще следует подтвердить натурными экспериментами, это станет возможным лишь после разработки соответствующих технических средств бурения. Отметим, что предусмотренная выполняемым проектом разработка погружных генераторов высоковольтных импульсов создаст условия для проверки возможности бурения на больших глубинах при высоком статическом давлении. На первом этапе испытания предлагается провести на законсервированной скважине, но, как представляют авторы настоящей статьи, лучше при использовании диэлектрической жидкости в качестве рабочей среды. Реализация процесса в электрически прочном газе под давлением, в вакууме не имеет экспериментального подтверждения и технологически вряд ли осуществима для условий электроимпульсного бурения. Не имеет прямого отношения к принципу электроимпульсного разрушения и эффект разупрочнения материала каналами незавершенного пробоя при воздействии импульсов напряжения наносекундной длительности, реализуемый как в жидкой диэлектрической среде, так и в воздухе (принципиально в любом газе и в вакууме). Это самостоятельный и достаточно эффективный способ разрядно-импульсной обработки материалов, в частности, как один
из этапов комбинированного рудоподготовительного процесса с использованием нескольких способов дезинтеграции руды, например, для вскрытия и извлечения драгоценных металлов методами выщелачивания [16-18]. В первоначальном предложении электроимпульсного разрушения был вариант импульсного высоковольтного разрушения горных пород без второго электрода, когда его функцию выполняет электропроводящая породная масса в недрах Земли [1]. Предполагалось, что этот вариант найдет применение при бурении глубоких скважин. Результатов экспериментальной проверки данного предложения представлено не было. Возможность разупрочнения породы каналами незавершенных разрядов, в том числе без ограничений на длительность импульсов напряжения, не вызывает возражений, но технологически вряд ли будет оправдано усложнение схемы средствами механического бурения разупрочненного массива породы.
В сравнении с выполнявшимися ранее исследованиями, на основе которых сложились представления об электроимпульсном бурении, в настоящее время подход к выбору промывочной жидкости существенно изменяется. Ранее в проектах электроимпульсного бурения скважин при выборе промывочной жидкости учитывались три главных фактора: влияние электрофизических свойств жидкости на эффективность внедрения разряда в горную породу, фактор пожаробезопасности и фактор стоимости жидкости. В диэлектрических жидкостях эффективность внедрения разряда в горную породу выше, процесс реализуется при менее жестких критериальных условиях пробоя (пробивные градиенты напряжения и крутизна фронта импульсов), в результате производительность процесса и эксплуатационная надежность изоляционных элементов систем передачи импульсов и бурового инструмента выше, чем в недиэлектрической среде. Фактор пожаробезопасности стал учитываться после двух случаев пожара на экспериментальных установках, использовавших в качестве промывочной жидкости дизельное топливо как самую дешевую диэлектрическую жидкость: на испытательном полигоне Научно-исследовательского института высоких напряжений (Томск) и на установке Кольского филиала АН СССР в подземном руднике комбината «Апатит». Однако при использовании альтернативного варианта промывочной жидкости, неогнеопасной и дешевой (по стоимости воды), существенно усложняются условия генерирования импульсов с параметрами (амплитудой и крутизной фронта импульса), обеспечивающими приемлемую эффективность внедрения разряда в горную породу. Это определяется электрическими параметрами электродного устройства бурения (сопротивление и емкость), которые непосредственно связаны с диаметром скважины. Для скважин диаметром 100-250 мм проблемы с генерированием высоковольтных импульсов решались применением схем обострения высоковольтных импульсов и деионизацией воды ионообменными смолами, и использование воды для промывки считалось обоснованным [19]. Применение диэлектрических жидкостей для бурения скважин большого диаметра со значительной металлоемкостью породоразрушающего устройства - вынужденная мера. Для преодоления этого фактора предложены растворы на нефтяной основе [20] со значительной долей воды - известково-битумный раствор. Его рецептура раствора разработана Институтом проблем нефти газа им. И.М. Губкина РАН, исследования электрофизических свойств данного раствора подтвердили эффективность его применения для электроимпульсного бурения [21]. Позднее аналогичный раствор на углеводородной основе был разработан в Институте угля СО РАН [22]. К настоящему времени предложен большой набор негорючих и экологически безопасных растворов на диэлектрической основе, в том числе буровых растворов на масляной основе Versa Pro и Versa Clean, трансформаторной жидкости Midel 7131 и др. Определяющим становится понимание, что электроимпульсное бурение вне зависимости от диаметра скважин следует ориентировать на использование растворов на диэлектрической основе в качестве промывочной жидкости, что не только решает экологические проблемы бурения, но и упрощает электротехническое обеспечение технологии.
Электротехнические аспекты бурения скважин большого диаметра
Главная причина, продолжительное время сдерживавшая производственное освоение электроимпульсных технологий, - это несовершенство электротехнического оборудования для реализации способа: ограниченный ресурс работы и неудовлетворительные удельные энергетические и массогабаритные характеристики элементной базы (конденсаторы, зарядные устройства, генераторы импульсов), во многих случаях не обеспечивавшие технико-экономическую эффективность процессов и достаточную эксплуатационную надежность работы установок [23-25]. Сейчас по основному перечню технических вопросов найдены решения этой проблемы. Выполненные исследования указывают на достижимость целей по существенному (в отдельных случаях на порядок и выше) улучшению массогабаритных параметров оборудования. Произошедший в последние два десятилетия революционный прорыв в выпрямительной технике, связанный с совершенствованием полупроводниковой элементной базы и переходом к схемам высокочастотного преобразования напряжения, позволяет более чем на порядок улучшить удельные энергетические характеристики зарядных устройств. Созданы импульсные конденсаторы, способные работать при частоте следования 20 имп/с с ресурсом в 108-109 импульсов, что практически закрывает вопросы в проблеме экономической обоснованности многих технологических процессов.
В отношении средств генерирования высоковольтных импульсов имеется значительный пакет предложений, как предлагавшихся ранее, но не вовлеченных в использование, так и возможных для заимствования из смежных областей электрофизики и электротехники с адаптацией их к режимам, свойственным электроимпульсному разрушению материалов. С переходом к схемам импульсного трансформирования напряжения и использованию материалов с высокой магнитной проницаемостью удалось существенно уменьшить габариты и вес генераторов импульсов [26-28], что открывает путь к созданию компактных и энергетически эффективных технологических комплексов электроимпульсного разрушения геоматериалов повышенной производительности с оптимальной компоновкой электротехнической и технологической частей установки.
При проходке скважин большого диаметра (3 00-400 мм) требуется более рационально ставить задачу и добиваться решения скважинного исполнения генератора высоковольтных импульсов, включая в него зарядное устройство, генератор высоковольтных импульсов по схеме импульсного трансформатора (накопитель энергии - импульсный трансформатор и коммутирующие устройства). Расположение генератора импульсов непосредственно перед породоразрушающим устройством снимает проблемы, связанные с канализацией высоковольтных импульсов на забой и с ограничением мощности разряда индуктивностью передающей системы.
В проекте за основу схемы генерирования высоковольтных импульсов будет принята схема импульсного трансформирования (ИТ) с контуром обострения импульсов (рис. 2). Энергетическая оптимизация передачи энергии в ИТ прежде всего исходит из условия оптимального соотношения параметров ИТ (С2 п1/С\ = 1, где n -коэффициент трансформации), при котором обеспечивается максимальная передача энергии из накопителя С1 с первичной стороны ИТ в накопитель С2 на вторичной стороне ИТ (обостритель) к моменту времени первого максимума напряжения, когда срабатывает коммутирующее устройство подключения обострителя к разрядному промежутку породоразрушающего устройства (буровой коронке). В исследованиях на лабораторном образце ИТ класса 350 кВ на разомкнутом магнитопроводе из феррита КПД энергопередачи достигает значения 80 %.
Второе (и главное) условие энергетической оптимизации процесса электроимпульсного разрушения исходит из представления процесса двумя последовательными стадиями [5]. На стадии формирования пробоя твердого тела параметры импульсного напряжения определяют вероятность внедрения и глубину внедрения разряда в поверхностный слой твердого тела, т. е. потенциальный объем разрушения. На стадии формирования в твердом теле поля
напряжении и распространения трещин параметры энерговыделения в канале разряда (количество и мощность) определяют степень разрушения материала, КПД преобразования энергии канала разряда в работу разрушения, энергию новоИ поверхности. При этом критерии оптимизации параметров энерговыделения определяются физико-механическими свойствами материалов и условиями пробоя. Для хрупких материалов (при малои глубине внедрения разряда, при пробое фрагментов породы небольшой крупности) энергию следует выделять достаточно быстро: за время, ограниченное условиями разгрузки канала разряда через устья внедрения, и выходящие на свободную поверхность трещины. Для пластичных материалов при значительном расстоянии канала разряда до свободной поверхности энерговыделение следует затянуть во времени, обеспечивая максимально продолжительное время распространения трещин.
Рис. 2. Переходный процесс в генераторе импульсов с импульсным трансформатором:
а - электрическая схема генератора; б - осциллограмма напряжения на обостряющей емкости в режиме холостого хода; в - осциллограмма напряжения на нагрузке; г - схема замещения; д - энергопередача в обостритель
В одноконтурной схеме генерирования импульсов (генератор Маркса) невозможно задать параметры генератора, чтобы они отвечали условиям оптимальности для обеих стадий процесса. Чтобы обеспечить оптимизацию процесса электроимпульсного разрушения на обеих стадиях процесса, необходимо применять комбинированные схемы генератора импульсов с двумя источниками разного уровня напряжения и энергии [4], когда энергией одного источника -(с высоким уровнем напряжения) обеспечивают электрический пробой породы, а энергией второго источника (с более низким уровнем напряжения) - непосредственное разрушение породы. В этом случае с большей энергетической эффективностью имеется возможность независимо оптимизировать формирование импульса напряжения на нагрузке для эффективного пробоя (с максимальной вероятностью и глубиной внедрения) и режим энерговклада в канал разряда после пробоя, обеспечивая максимальный разрушающий эффект и минимальную энергоемкость процесса электроимпульсного разрушения в целом. Однако в действующей практике исследований электроимпульсного способа разрушения этим принципом пренебрегали, используя для генерирования импульсов более простую схему генератора Маркса. Создание
компактного погружного генератора высоковольтных импульсов (111ВВИ) возможно только по схеме импульсного трансформирования. В выполняемом проекте предусматривается исполнение 11 ВВИ по схеме с двумя источниками энергии: для формирования пробоя будет использоваться импульсный трансформатор с контуром обострения, а для разрушения породы -отдельный накопитель энергии (до 1 кДж). Будут рассмотрены различные схемы синхронизации срабатывания источников (трехэлектродные разрядники, магнитные ключи и др.). При использовании диэлектрических сред в качестве промывочной жидкости энергию, необходимую для формирования пробоя, можно ограничить величиной в несколько десятков джоулей. Столь незначительный уровень энергии снимает остроту проблемы теплового режима ИТ, ее можно будет решить охлаждением ИТ циркулирующей промывочной жидкостью.
По такой же схеме будет формироваться канал (контур) электрогидроимпульсного воздействия на нефтеносный пласт, но при существенно большем значении энергии второго источника (десятки килоджоулей) - за счет увеличения значения емкости. Канал генерирования высоковольтных импульсов будет настраиваться на пробой максимально возможного разрядного промежутка, чтобы повысить КПД передачи энергии из накопителя в канал разряда и усилить эффект воздействия.
При бурении скважин большого диаметра создаются предпосылки интенсификации процесса разрушения за счет увеличения межэлектродных промежутков буровой коронки. Ограничением этому является допустимый уровень рабочего напряжения, определяющий эксплуатационную надежность работы установки. Оптимизационные исследования по снижению пробивных градиентов будут исходить из возможности корректировки подходов к методике выбора критериальных условий эффективного электрического пробоя твердого тела (внедрение разряда в твердое тело), на основе изучения закономерностей пробоя в широком диапазоне параметров волн импульсного напряжения по форме (косо-, прямоугольные с наносекундным фронтом, апериодические, волны третьего порядка) и времени воздействия в интервале от нано-до микросекунд, в том числе с использованием различных дополнительных воздействий на процесс развития разряда. Ранее, при сопоставлении критериальных условий электроимпульсного разрушения на косо- и прямоугольных наносекундных импульсах [5], был поставлен вопрос о необходимости разработки универсальной методики, учитывающей закономерности пробоя на импульсах напряжения произвольной формы. В работах последнего времени представлены экспериментальные данные об электроимпульсном пробое и разрушении на хвосте апериодических волн напряжения (см., например, [29]). Показано, что в этом случае уровни напряжения пробоя породы значимо снижаются в сравнении с косоугольными импульсами. Разработка универсальной методики выявления критериальных условий эффективного электрического пробоя твердого тела будет иметь большое практическое значение для оптимизации электроимпульсного процесса, так как позволит при технически приемлемом уровне рабочих напряжений оптимально увеличить разрядные промежутки в породоразрушающих инструментах и за счет этого существенно повысить производительность и снизить энергоемкость электроимпульсного разрушения.
При рассматрении проекта в качестве нового этапа в развитии электроимпульсных технологий нельзя оставлять в стороне проблему разработки методов и аппаратных средств для оценки эффективности разрядного процесса (внедрения в твердое тело) в условиях непрерывного технологического процесса с возможностью оперативного управления, том числе автоматического, работой установки путем корректировки параметров генерирования импульсов для обеспечения максимальной эффективности процесса, с отключением установки в случае нештатной ситуации. Острота этой проблемы возрастает из-за удаленности технических средств реализации технологии - бурового снаряда с погружным генератором импульсов - от пункта управления электротехнологическим комплексом. В электроимпульсной технологии достоверно интерпретируется лишь единственный критерий оценки эффективности разрядного процесса -сопротивление канала разряда. В сопоставимых условиях пробоя в промежутках одинаковой
величины сопротивление канала разряда в твердом теле (горная порода) выше, чем в жидкости, тем более в газовой среде [30]. Учитывая многообразие причин, вызывающих нештатные режимы работы установки, этого недостаточно, чтобы разрабатывать аппаратные комплексы для оперативного автоматического управления работой установки. Должны быть исследованы и другие методы, основанные, например, на использовании характеристик светового, звукового и электромагнитного излучения, волн давления в рабочей жидкости и др., чтобы по совокупности регистрируемых параметров отрабатывались команды на управление электроимпульсной установкой.
Технологические схемы электроимпульсного бурения
Бурение скважин можно осуществлять сплошным забоем, способом последовательного расширения скважины (опробовано в исследовательской практике, см. рис. 1), кольцевым забоем с подрезкой керна и его крупноблоковым удалением (предложение). Для шламоудаления применимы способы, свойственные механическим способам бурения: промывка, эрлифт, шнековые транспортеры, с призабойными шламосборниками и без них. Варианты проходки вертикальных скважин представлены на рис. 3.
Рис. 3. Схемы проходки скважин большого диаметра:
а - сплошным забоем с погружным источником импульсов, шнековый транспортер шлама, б - сплошным забоем с призабойным шламосборником и удалением шлама эрлифтом, в - кольцевым забоем с подрезкой и отрывом керна
Способы и средства электроимпульсного бурения позволяют управлять направлением скважины вне связи с геологическими причинами их искривления - анизотропия, слоистость, перемежаемость, трещиноватость пород. Управляемое формирование забоя разрушения обеспечивается перераспределением плотности энергии электрических разрядов по площади забоя электротехническими приемами и за счет конструктивных особенностей породоразрушающего инструмента. В электроимпульсном бурении такая задача ставится впервые. Повышение маневренности бурового снаряда, если задать направление его продвижения по наиболее продуктивным залежам и меандрам, будет способствовать наиболее эффективному вскрытию продуктивных пластов.
С помощью электроимпульсных породоразрушающих устройств имеется возможность создания в толще породы «котлов» и выработок различного профиля как оперативного рабочего пространства для решения различных технологических задач, контроля и геофизического мониторинга. Применительно к электроимпульсному бурению известно предложение по созданию котлового расширения скважин с помощью раздвижных электродов [7]. Для создания оперативного рабочего пространства многофункционального назначения этого
недостаточно, будут исследованы другие способы и средства. Использование выработки для формирования куста наклонных и горизонтальных скважин обеспечит максимально полный охват нефтеносных пластов (рис. 4а).
Вариант бурения на шельфе представлен на рис. 4б. Поскольку электроимпульсное бурение не требует энергоемких средств вращения бурового инструмента и значительной высоты буровой вышки, а ограничивается лишь спуско-подъемным механизмом бурового снаряда и системой шламоудаления, компактный технологический комплекс для электроимпульсного бурения с роботизированной системой управления установкой имеет смысл размещать
в закрепляемой на морском дне камере (эллинге) со снабжением комплекса электрической энергией от блока, размещаемого на поверхности океана (платформа, корабль) или под слоем льда. При необходимости возможен вариант заполнения эллинга диэлектрической жидкостью, используемой для промывки скважины. Предлагаемое решение не экзотичнее того, что предлагается Ове Гудместадом (Ove Gudmestad), Университет Ставангера, Норвегия, -прокладка с материка к месторождению протяженного подземного тоннеля (длиной до 30 км на глубине 200-300 м) с камерой для размещения бурового оборудования [31].
1--
- - :-> - - 1 в
I , II , II I I I
~ -"f--./у _:—_: •—- —
I j
f-Г —Т ■fbBr^T \ 11 V— -
1 у ,% s / /ss/ // ?
б
а
Рис. 4. Схема электроимпульсного бурения скважин для вскрытия нефтеносного месторождения (а) и на шельфе (б)
Заключение
Технологии на основе электроимпульсного способа разрушения материалов открывают множество возможностей повышения нефтеотдачи и полноты использования месторождений углеводородов, прежде всего тяжелой нефти.
Частные разработки по проекту в отношении техники генерирования импульсов, разработки технических средств разрушения, аппаратурных методов контроля процесса разрушения и управления работой установки могут найти применение: для бурения скважин большого диаметра для термальной энергетики; для бурения котловых скважин большого диаметра с целью создания хранилищ ядерных отходов; для бурения скважин для свайных оснований инженерных объектов в зоне вечной мерзлоты, в том числе хранилищ СИТ; в модульных установках для разработки месторождений особо ценного сырья в сложных географических и климатических условиях Севера и др.
Выполнение проекта предоставляет широкие возможности совместной творческой работы электро- и геофизиков, электротехников, разработчиков буровой техники, подводных аппаратов и робототехнических комплексов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Воробьев А. А., Воробьев Г. А., Чепиков А. Т. Электрические разряды обрабатывают материалы, разрушают твердые тела // Изв. Томск. политехн. ин-та. Томск: Изд-во ТГУ, 1958. Т. 95. С. 315-339. 2. Закономерность пробоя твердого диэлектрика на границе разряда с жидким диэлектриком при воздействии импульса напряжения: свидетельство на открытие № 122 РФ. Приоритет от 14.12.1961; Опубл. 27.07. 1999. 3. Воробьев А. А. Разрушение горных пород электрическими импульсными разрядами. Томск: Изд-во ТГУ, 1961. 150 с. 4. Усов А. Ф., Семкин Б. В., Зиновьев Н. Т. Переходные процессы в установках электроимпульсной технологии. Л., 1987. 179 с. 5. Семкин Б. В., Усов А. Ф., Курец В. И. Основы электроимпульсного разрушения материалов. Апатиты: КНЦ РАН, 1995, 276 с. 6. Курец В. И., Усов А. Ф., Цукерман В. А. Электроимпульсная дезинтеграция материалов. Апатиты: КНЦ РАН, 2002. 324 с. 7. Брыпин В. И. Бурение скважин специального назначения: учеб. пособие. Томск: Изд-во ТГУ, 2006. 255 с. 8. Шупояков А. Д., Лупап С. Д., Таракановский Э. Н. Установка избирательной дезинтеграции геологических проб (ДИК1 М) // Обогащение руд. 1989. № 4. С. 45-46. 9. Selfrag. High voltage pulse power fragmentation. URL: http://www.selective-fragmentation.com 10. Ившина О. «Тяжелая нефть» России: отрасль на пороге кризиса. URL: http://www.bbc.com/russian/business/2014/11/141127_oil_russia_salym 11. Наши нефтегазовые технологии порой самые революционные, но...: интервью акад. А. Н. Дмитриевского. URL: http://teknoblog.ru/2015/03/14/35031 12. Никопин И. В. Методы разработки тяжелых нефтей и природных битумов // Наука - фундамент решения технологических проблем развития России. 2007. № 2. С. 54-68. 13. Усов А. Ф. Полувековой юбилей электроимпульсному способу разрушения материалов // Вестник Кольского научного центра РАН. 2012. № 4. С. 165-192. 14. Важов В. Ф. Развитие научно-технологических основ электроимпульсного бурения и резания горных пород: дис. ... докт. техн. наук. Томск, 2014. 15. Кривко В. В. Исследование импульсных характеристик пробоя различных сред и разрушения горных пород при повышенных давлениях и температурах: дис. ... канд. техн. наук. Томск, 1964. 253 с. 16. Усов А. Ф., Ракаев А. И. Электроимпульсное дробление и разупрочнение руд и материалов // Обогащение руд. 1989. № 4. С. 42-43. 17. Вскрытие упорных золотосодержащих руд при воздействии мощных электромагнитных импульсов / В. А. Чантурия [и др.] // ДАН. 1999. Т. 366, № 5. С. 680-683. 18. Комплексная переработка пиритовых отходов горно-обогатительных комбинатов наносекундными импульсными воздействиями / Ю. А. Котов [и др.] // ДАН. 2000. Т. 372, № 5. С. 654-656. 19. Усов А. Ф. Исследование и расчет ГИН и условий использования электропроводящих сред в электроимпульсной технологии: дис. ... канд. техн. наук. Томск, 1966. 20. Усов А. Ф. Симонов В. Я. К вопросу об использовании воды и водных растворов в качестве промывочной среды при электроимпульсной технологии // Электроимпульсные методы разрушения горных пород: сб. науч. ст. Томск: Изд-во Томского ун-та, 1967. С. 44-45. 21. О применении известково-битумных и эмульсионных растворов при электроимпульсном бурении скважин / Р. Э. Клейн [и др.] // Электроимпульсное разрушение горных пород: сб. науч. ст. Апатиты: КФАН СССР, 1969. Вып. 2. С. 156-160. 22. Абрамов И. Л. Исследование структурированных растворов на углеводородной основе при разрушении горных пород электроимпульсным способом: дис. ... канд. техн. наук. Кемерово, 1996. 23. Усов А. Ф. Перспективы технологий электроимпульсного разрушения горных пород и руд // Известия РАН. Энергетика. 2001. № 1. С. 54-62. 24. Усов А. Ф., Гладков В. С. Вопросы электротехнического обеспечения технологий электроимпульсного разрушения материалов источниками высоковольтных импульсов // Вестник НТУ "ХПИ". Харьков, 2004. Вып. 35. С. 143-154. 25. Усов А. Ф., Бородупин В. В. Проблема улучшения удельных массогабаритных и энергетических характеристик технических средств электроимпульсного разрушения материалов // Горн. информ.-аналит. бюл. 2010. № 9. С. 375--379. 26. Усов А. Ф., Потокин А. С. Импульсное трансформирование напряжения и энергии для электроимпульсного разрушения материалов // Труды Кольского научного центра РАН. Энергетика. 2014. Вып. 9 (26). С. 40-49. 27. Усов А. Ф., Потокин А. С., Ипьин Д. В. Исследование теплового режима импульсного трансформатора в технологическом режиме электроимпульсного разрушения. // Труды Кольского научного центра РАН. Энергетика. 2015. Вып. 11 (34). С. 46-54. 28. Usov A. F., He Mengbing, Potokin A. S. Prospects in creation technological systems electric pulse fracture ores based on new electrical base // XXVII International Mineral Processing Congress (IMPC-2014), Santiago Chili, 20-24 October 2014: Conference Proceedings. 2014. P. 33-44. 29. Кузнецов Ю. И., Важов В. Ф., Журков М. Ю. Электрический пробой твердых диэлектриков и горных пород на спаде импульса напряжения // Известия вузов. Физика. 2011. № 4. С. 17-22. 30. Семкин Б. В. Электрический взрыв в конденсированных средах: учеб. пособие. Томск: Изд-во Томского политехн. ин-та, 1979. 88 с. 31. Норвежский ученый предлагает альтернативный метод добычи нефти в Арктике: [заголовок с экрана монитора]. URL: http://www.dw.com/ru/норвежский-ученый-предлагает-альтернативный-метод-добычи-нефти-в-арктике/a-15490339.
Сведения об авторах
Усов Анатолий Федорович - кандидат технических наук, старший научный сотрудник, начальник научно-организационного отдела КНЦ РАН, старший научный сотрудник Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН E-mail: usov@admksc.apatity.ru
Хи Менбинг - кандидат технических наук, доцент Университета науки и технологии,
Хуаджонг, Китай
E-mail: pulhmb@hust.edu.cn
About the authors
Anatoly F. Usov - PhD (Eng.), Head of Department for Organization & Planning of Scientific Research at the Kola Science Centre of the RAS E-mail: usov@admksc.apatity.ru
Mengbing He - PhD (Eng.), Associate Professor at Huazhong University of Science and Technology, China E-mail: pulhmb@hust.edu.cn
Библиографическое описание статьи
Усов А. Ф. Арктические перспективы электроимпульсного способа разрушения материалов и задачи их научно-технического обеспечения / А. Ф. Усов, M. Хи // Вестник Кольского научного центра РАН. - 2016. - № 2 (25). - С. 111-123.
Reference
Usov A. F. Arctic Prospects of Electric Pulse Method for Materials Destruction and Tasks of Their Scientific and Technical Support / A. F. Usov, M. He // Herald of the Kola Science Centre of the RAS. - 2016. - Vol. 2 (25). - P. 111-123.
