CC BY
49
УДК 553.9; 621.3; 622.2; 62-9 А. C. Потокин, Хи М., Д. В. Ильин,
А. Ф. Усов
СПОСОБЫ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ОПТИМИЗАЦИИ ПРОЦЕССА ГЕНЕРИРОВАНИЯ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ИМПУЛЬСОВ ДЛЯ ЭЛЕКТРОИМПУЛЬСНОГО БУРЕНИЯ СКВАЖИН
Аннотация
На экспериментальном лабораторном оборудовании импульсного трансформирования напряжения показана возможность улучшения энергетических и эксплуатационных характеристик электротехнических средств электроимпульсного способа разрушения материалов. Обоснованы параметры и технические решения лабораторного стенда, необходимые для проведения исследований по созданию погружного генератора высоковольтных импульсов (ПГВВИ) для электроимпульсного бурения скважин.
Ключевые слова
энергетическая оптимизация, импульсное трансформирование напряжения, электроимпульсное разрушение, электроимпульсное бурение скважин.
A. S. Potokin, He M., D. V. Ilin, A. F. Usov
ENERGY OPTIMIZATION METHODS OF THE PROCESS GENERATION HIGH-VOLTAGE PULSES FOR ELECTRIC PULSE DRILLING OF WELLS
Abstract
The possibility of improvement in the energy and operational characteristics of electric and technical tools of the electric pulse method of material destruction by use experimental laboratory equipment of voltage transformation pulsed is shown. Parameters and technical solutions of the laboratory model to perform research needed to create a submersible generator of high-voltage pulses for electric-pulse drilling wells are substantiated.
Keywords:
energy optimization, voltage transformation pulsed, electric pulse destruction, electric pulse drilling of wells.
Введение
Бурить скважины можно механическим, термическим, электроимпульсным и другими способами (несколько десятков). Однако, в настоящее время, промышленное применение находят только способы механического бурения - ударное и вращательное. Остальные пока не вышли из стадии экспериментальной разработки [1]. Выполненным анализом способов и средств генерирования высоковольтных импульсов для электроимпульсного разрушения горных пород показано, что главным техническим фактором, продолжительное время сдерживавшим производственное использование электроимпульсного (ЭИ) способа разрушения материалов, в том числе способ электроимпульсного бурения, является неудовлетворительные эксплуатационно-технические (масса, габариты, удобство обслуживания, ресурс работы) характеристики электротехнического оборудования, обеспечивающего генерирование высоковольтных импульсов [2-4].
Несмотря на сдерживающее производственное освоение ЭИ способа, экспериментально доказана его высокая энергетическая эффективность и уникальные технологические особенности, что предопределяет перспективность его универсального использования в процессах добычи
и переработки минерального сырья и горнотехнического строительства [5-7]. Технологии на основе ЭИ способа разрушения материалов открывают множество возможностей повышения нефтеотдачи и полноты использования месторождений углеводородов и, прежде всего, тяжелой нефти, что наиболее эффективным может быть в арктических условиях [8,9]. Доказана перспективность использования ЭИ способа в частности бурения скважин, как наименее энергоемкого способа разрушения горных пород, наиболее производительного и экономичного способа проходки скважин в силу более высокой стойкости породоразрушающего инструмента и требующего меньших затрат времени на спуско-подъемные операции [10-12]. Создание новых электротехнических решений в отношении генерирования высоковольтных импульсов позволяет создавать компактные буровые снаряды на основе погружных генераторов, обеспечивая высокую маневренность продвижения бурового снаряда в толще пород, позволяя наиболее эффективное вскрытие нефтеносных пластов. Энергетическая оптимизация электроимпульсного способа и совершенствование электротехнических средств его реализации для ЭИ бурения, помимо возможности повышения нефтеотдачи и полноты использования месторождений углеводородов, может дать возможность использовать его для более широкого практического применения:
- бурение скважин большого диаметра для термальной энергетики;
- бурение скважин для свайных оснований инженерных объектов в зоне вечной мерзлоты, в том числе, хранилищ СПГ (сжиженного природного газа);
- бурение котловых скважин большого диаметра для создания хранилищ ядерных и химических отходов;
- переработка попутных нефтяных газов.
В статье представлены результаты исследований по совершенствованию техники генерирования высоковольтных импульсов для улучшения энергетических и эксплуатационных характеристик электроимпульсных установок за счет улучшение энергетических характеристик средств генерирования высоковольтных импульсов схемными электротехническими способами и максимальной оптимизации энергетических режимов с учетом физической сущности процесса, реализуемого в две последовательные стадии: электрического пробоя твердого тела с формированием канала разряда в твердом теле (горной породе) на первой стадии - и непосредственно разрушения на второй стадии под действием импульсных силовых полей, формируемых при выделении на канал разряда энергии накопителя.
Развитие и современное состояние технологии электроимпульсного бурения скважин. 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. Стенд электроимпульсного бурения, буровые инструменты и буримые скважины. Кольский филиал АН СССР, Апатиты, 1972 г.
В настоящее время НИОКР в области электроимпульсных технологий, в большинстве случаев, проводятся российскими учеными в сотрудничестве с зарубежными коллегами, как в рамках проектов государственных фондов, так и при финансовой поддержке коммерческих зарубежных фирм. К примеру, инновационная международная научно-образовательная лаборатория электроразрядных и пучково-плазменных технологий научно-исследовательского института высоких напряжений при Томском политехническом институте (НИИ ВН ТПУ) сотрудничает с такими организациями как Statoil, Unodrill AS и Schlumberger - крупнейшими нефтегазодобывающими и нефтесервисными компаниями Норвегии и США, а также с компаниями Mesta AS - дочерней компанией Министерства торговли и промышленности Норвегии, предоставляющей услуги по строительству, с целью создания и совершенствования электроимульсной установки для бурения особо прочных пород (рис. 2). Также лаборатория сотрудничает с частной компанией США занимающейся разработкой и производством ВЧ усилителей мощности для широкого спектра применений LCF Enterprises, и многими другими зарубежными фирмами, специализирующимися в различных областях промышленности - National Cement Compane PSC (ОАЭ, Дубай), АО «Ульбинский металлургический завод» (Республика Казахстан), Пекинский университет аэронавтики и астронавтики (КНР), Компания "Vinkou Xiajen Integrated hauses, Ltd. (КНР, г. Инкоу, провинция Ляонин), Компания Beijing Fortune Technologies Ltd. (Китай, Пекин), Компания «Schneider Electric». По словам ученых ТПУ перспективой электроимпульсного бурения способа является бурение геотермальных скважин. Через них можно будет получать естественное тепло Земли для обогрева помещений и для вращения турбин.
Работа лаборатории импульсных технологий в подводной нефте- и газодобыче Политехнического университета Петра Великого, созданной по заказу, при участии и на средства норвежских нефтяников (рис.3), направлена на применение электроимпульсной технологии для проверки надежности герметизации скважин для предотвращения техногенных аварий, таких как взрыв на нефтяной платформе Deepwater Horizon в 2010 году.
Рис.2. Исследования по электроимпульсному бурению скважин в НИИ ВН при ТПУ (г. Томск)
Лаборатория электроэнергетики и электротехнологии Центра физико-технических проблем энергетики Севера Кольского научного центра РАН (ЦФТПЭС КНЦ РАН), совместно с колледжем электротехники и электроники университета науки и технологии, Хуаджонг, Китай (СЕБЕ Ии8Т) в рамках международного сотрудничества по проекту РФФИ-ГФЕН проводит исследования по совершенствованию техники генерирования высоковольтных импульсов для электроимпульсного бурения скважин большого диаметра (рис. 4)
Рис.3. Исследовательская установка (слева) и макет инструмента по неразрушающему контролю состояния устья скважины (справа) лаборатории Политехнического университета (г. Санкт-Петербург)
Рис.4. Лабораторный стенд макета буровой ЭИ установки ЦФТПЭС КНЦ РАН для проведения исследований энергетической оптимизации процесса генерирования высоковольтных импульсов
В сравнении с выполненными ранее исследованиями, на основе которых сложились представления об электроимпульсном бурении, в работах ЦФТПЭС КНЦ РАН существенно изменился подход к выбору промывочной жидкости и компоновочной схемы блока генерирования импульсов. Ранее в проектах электроимпульсного бурения скважин при выборе промывочной жидкости учитывались три главных фактора: зависимость эффективности внедрения разряда в горную породу от электрофизических свойств жидкости, факторы пожаробезопасности и стоимость жидкости. В диэлектрических жидкостях эффективность внедрение разряда в горную породу выше и процесс реализуется при менее жестких критериальных условиях пробоя (пробивные градиенты напряжения и крутизна фронта импульсов), и в результате с большей производительностью процесса и эксплуатационной надежностью изоляционных элементов систем передачи импульсов и бурового инструмента, чем в недиэлектрической среде. Фактор пожаробезопасности стал учитываться после произошедших случаев пожара на экспериментальных установках, использовавших в качестве промывочной жидкости дизельное топливо, как самую дешевую диэлектрическую жидкость. Однако при использовании в качестве альтернативного варианта промывочной (буровой) жидкости, неогнеопасной и дешевой по стоимости воды, усложняются условия генерирования импульсов с параметрами обеспечивающими приемлемую эффективность внедрение разряда в горную породу. Использование диэлектрических жидкостей для бурения скважин большого диаметра считалось вынужденной мерой. К настоящему времени предложен большой набор негорючих и экологически безопасных растворов на диэлектрической основе (буровые растворы на масляной основе Versa Pro и Versa Clean, трансформаторная жидкость Midel 7131 и др.) и становится определяющим понимание, что электроимпульсное бурение вне зависимости от диаметра скважин следует ориентировать на использование в качестве промывочной жидкости именно растворов на диэлектрической основе.
Совершенствование техники генерирования высоковольтных импульсов для 111ВВИ. Наиболее распространенным типом генератора импульсов для электроимпульсной технологии служит емкостной генератор по схеме умножения напряжения Аркадьева-Маркса, обладающий простотой и высокой надежностью. Применявшееся до недавнего времени генерирование высоковольтных импульсов генераторами импульсного напряжения Аркадьева-Маркса отличается громоздкостью и большим весом конструкции многоступенчатого генератора, разнесенного по нескольким параллельным ветвям (ступеням) с протяженной системой высоковольтных проводников с необходимостью выдерживать изоляционные промежутки до заземляемых ограждений.
Поскольку наших работах формирование структуры и параметров техники генерирования высоковольтных импульсов исходит из использования для бурения скважин большого диаметра буровых растворов на диэлектрической основе, это не только решает экологические проблемы бурения, но и упрощает электротехническое обеспечение технологии. Генерирование высоковольтных импульсов осуществляется по схеме импульсного трансформирования [15] в скважинном исполнении с расположением генераторного блока непосредственно в призабойной зоне бурения в сочленении с электроимпульсным буровым устройством. Электрические параметры схемы генерирования импульсов обосновываются двухуровневой оптимизацией, предусматривающей энергетическую оптимизацию передачи энергии из первичного контура ИТ во вторичный и разделение функций электрического пробоя горной породы и ее разрушения. В этом случае энергия импульсов, передаваемая во вторичный контур ИТ ограничивается уровнем, необходимым лишь для формирования электрического пробоя горной породы, что в диэлектрической среде не превышает нескольких десятков джоулей при напряжениях, соответствующих критериальным условиям электроимпульсного разрушения. Энергия для разрушения породы обеспечивается дополнительным емкостным накопителем энергии, а режим выделения энергии формируется в соответствии с физико-механическими (прочностными и акустическими) свойствами горной породы. ИТ и дополнительный накопитель энергии в совокупности с элементами синхронизации их срабатывания на объект электроимпульсного разрушения образуют схему с двумя источниками энергии, отличающихся уровнями энергии и напряжения.
Генератор по схеме ИТ, применяемый в наших работах по совершенствованию техники генерирования высоковольтных импульсов имеет ограниченное число единичных элементов, что позволяет сделать его малогабаритным и компактно сочленить в единый электротехнический блок с минимальным путем подключения к технологическому породоразрушающему устройству, упрощая при этом задачу получения импульсов напряжения с параметрами по амплитуде и длительности фронта, отвечающими критериальным условиям электроимпульсного разрушения.
Энергетическая оптимизация процессов электроимпульсного разрушения исходит из представления физической сущности процесса двумя последовательными относительно независимыми стадиями [6]. На стадии формирования пробоя твердого тела параметры импульсного напряжения, их соответствие критериальным условиям электроимпульсного разрушения определяют вероятность внедрения и глубину внедрения разряда в поверхностный слой твердого тела,
т.е потенциальный объем разрушения. На стадии формирования в твердом теле поля механических напряжений и распространения трещин характер энерговыделения в канале разряда определяет степень разрушения материала, к.п.д. преобразования энергии канала разряда в работу разрушения, энергию новой поверхности. При этом критерии оптимизации параметров энерговыделения должны учитывать физико-механические (прочностные и акустические) свойства материалов и частично условия пробоя, влияющие на разгрузку канала разряда за счет истечения плазмы канала разряда через устья и трещины, выходящие на свободную поверхность. Для хрупких материалов и при малой глубине внедрения разряда, при пробое фрагментов породы небольшой крупности энергию следует выделять достаточно быстро за время, ограниченное условиями разгрузки канала разряда. Для пластичных материалов и при значительном расстоянии от канала разряда до свободной поверхности энерговыделение следует затянуть во времени, обеспечивая максимально продолжительное время распространения трещин. В схеме генерирования импульсов (генератор Маркса) невозможно задать параметры генератора, чтобы они отвечали условиям оптимальности для обеих стадий процесса.
В наших исследованиях по энергетической оптимизации процесса генерирования высоковольтных импульсов для электроимпульсного бурения скважин используются схемное решение (рис.5) с использованием ИТ и магнитного ключа [13,14] позволяющие синхронизировать работу двух накопителей энергии, отличающихся по уровням напряжения и энергии, чтобы независимо оптимизировать формирование импульса напряжения на нагрузке до пробоя в разрядном промежутке и режим энерговклада в канал разряда после пробоя. Эти, частично известные в электротехнике схемы дают возможность существенно снизить энергоемкость электроимпульсного разрушения, соответственно снизить потребление энергии для заданной производительности и за счет этого уменьшить габариты и вес электротехнического блока ПГВВИ для бурения скважин.
Рис.5. Принципиальная схема с двумя источниками энергии для электроимпульсного бурения скважин
Для создания накопителей энергии схемы генерирования высоковольтных импульсов с двумя независимыми источниками - формирующего канал разряда Сь С2 и, выделяющего основную часть запасенной энергии для разрушения в сформированный канал разряда С3, были выбраны емкостные накопители энергии позволяющие изготовить малогабаритные конденсаторные сборки с оптимальной энергией для реализации ЭИ пробоя и разрушения горной породы (табл.1). Количество запасенной энергии основного накопителя энергии С и обостряющей емкости С2 были определены исходя из опыта применения схемы емкостной коррекции фронта импульсов [5, с.75] и разрушения большинства горных пород при сниженных градиентах напряжения в диэлектрических жидкостях [7,с.42].
Таблица 1
Обоснование выбора конденсаторов для исследовательского макета ПГВВИ
Требуемые параметры емкостных накопителей Расчетная емкость накопителей
С1 С2 Сз
W1= 50 Дж и1= 50 кВ 40 нФ - -
^^2= 50 Дж и2= 400 кВ - 0,8 нФ -
W3 = 1000 Дж и3 = 50 кВ - - 0,6 мкФ
Формула для определения запасенной энергии в накопителях:
си2
Ш =
Расчет емкости основного накопителя С ^ первого контура (ГИН) производился по формуле:
_ 2Ш ^1= 772
Емкость обострителя рассчитывалась с учетом коэффициента трансформации импульсного трансформатора:
_ Сх
С? — -7
г п2
Щ
где п = — - коэффициент трансформации по соотношению витков первичной и вторичной обмоток импульсного трансформатора (Ктр ИТ = 7):
ИЪ Г 4к 1 с2-ктр2 п = — = I --— I , где к =-—
\_(1+к)2\ А С,
Расчет емкости основного накопителя вторичного контура (ГИТ) производился по той же формуле, что и , но с учетом больших рабочих напряжений до 400 кВ и энергии до 1кДж.
Блочное размещение элементов погружного генератора выполненного по схеме генерации импульсов с двумя источниками энергии - генератора импульсных напряжений (ГИН) и генератора импульсных токов (ГИТ), предусмотрено в едином элементе, заполненном диэлектрической жидкостью и не превышающем диаметром 500 мм (рис. 6).
Рис.6. Макет ПГВВИ для электроимпульсного бурения скважин (в горизонтальной плоскости)
В наших лабораторных экспериментах по электроимпульсному бурению, электроимпульсному воздействию в диэлектрической жидкости (Midel 7131) подвергались образцы различных горных пород Кольского полуострова - микроклиновый пегматит, биотитовый гнейс, мрамор, гранат-слюдяной сланец, габбро гранит, а также строительные материалы - силикатный кирпич, бетонные блоки.
На рисунке 7а показан результат электроимпульсного бурения на образце бетонного блока размером 160х160х80 мм с использованием двухуровневой схемы генерирования импульсов лабораторного макета ПГВВИ.
б
Рис.7. а) Результат электроимпульсное разрушения бетонного блока при помощи лабораторного макета погружного генератора высоковольтных импульсов; б) Осциллограмма тока и напряжения в момент пробоя образца
а
Заключение
На экспериментальном лабораторном оборудовании генерирования высоковольтных импульсов по схеме импульсного трансформирования и двухуровневой схемы генерирования импульсов (ГИН-ГИТ) обоснованы параметры и технические решения лабораторного стенда, необходимые для проведения исследований по созданию погружного генератора высоковольтных импульсов (ПГВВИ) для электроимпульсного бурения скважин. Показана возможность существенного улучшения энергетических и эксплуатационных характеристик электротехнических средств электроимпульсного способа разрушения материалов применительно к бурению скважин, что создает реальные технико-экономические предпосылки для практической реализации способа в технологиях добычи и переработки минерального сырья, повышения нефтеотдачи и полноты использования месторождений углеводородов, горнотехнического и инженерного строительства, переработки и утилизации технических материалов и техногенных твердых отходов с обеспечением высокой энергетической и уникальной технологической эффективности.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект № 16-58-53041 ГФЕН_а). Выражается благодарность сотрудникам ГИ КНЦ РАН Каулиной Т.В. и Ильченко В.Л. за предоставленные образцы горных пород. Сотрудникам лаборатории электроэнергетики и электротехнологии №33 ЦФТПЭС КНЦ РАН за консультации и помощь в проведении исследований: Селиванову В.Н., Данилину А.Н., Колобову В.В., Прокопчуку П.И. Бараннику М.Б., Бушкову А.Н., Климову А.А.
Литература
1. Дмитриев. А.Ю. Основы технологии бурения скважин. Учебное пособие. - Томск: Изд-во ТПУ, 2008. - 216 с.
2. Usov A., Potokin A., Ilin D., Tsukerman V. The experience in development of technique and technology of electric pulse disintegration of rocks and ores. TMS Annual Meeting 145. 2016. С. 325-332.
3. Usov A., Potokin A., Mengbing H. Prospects creation technological systems electric pulse fracture ores based on new electrical base. IMPC 2014 - 27th International Mineral Processing Congress 27. 2014.
4. Usov A., Kurets V., Tsukerman V., Potokin A. Electric pulse disintegration of rocks and ores - russian experience. 26th International Mineral Processing Congress, IMPC 2012: Innovative Processing for Sustainable Growth - Conference Proceedings 2012. С. 5610-5617.
5. Усов А.Ф., Семкин Б.В., Зиновьев Н.Т. «Переходные процессы в установках электроимпульсной технологии» - Л.:- Наука, 1987г., 179с.; изд. 2-ое, Барнаул: изд. АГТУ, 2000 г., 160 с;
6. Семкин Б.В., Усов А.Ф., Курец В.И. «Основы электроимпульсного разрушения материалов.» - Апатиты: КНЦ РАН, 1995 г, 276 с;
7. Курец В.И., Усов А.Ф., Цукерман В.А. «Электроимпульсная дезинтеграция материалов.»- Апатиты: КНЦ РАН, 2002, 324 с.)
8. Усов А.Ф., Хи М. Арктические перспективы электроимпульсного способа разрушения материалов и задачи их научно-технического обеспечения. Вестник Кольского научного центра РАН. 2016. № 2 (25). С. 111-123.
9. Ильин Д.В., Усов А.Ф. Потенциал электроимпульсного бурения для энергоэффективности и ресурсосбережения в освоении Арктики. Энергоснабжение, энергопотребление, энергосбережение. Сборник статей III региональной научно-практической конференции студентов образовательных организаций и молодых специалистов 2017. С. 8-15
10. Фурман Э.Г., Муратов В.М., Степанов А.В., Важов В.Ф., Макеев В.А. Погружной электроразрядный генератор. Патент на изобретение RUS 2340081 25.04.2007
11.Муратов В.М., Адам А.М., Важов В.Ф., Лопатин В.В. Электроимпульсная буровая установка. Патент на изобретение RUS 2445430 04.08.2010
12. Важов В.Ф., Дацкевич С.Ю., Журков М.Ю., Муратов В.М., Rodland A.R. Электроимпульсное бурение скважин большого диаметра. Материалы Всероссийского форума с международным участием, посвященного 150-летию академика Обручева В.А., 130-летию академика Усова М.А. и 120-летию профессора Урванцева Н.Н.. Национальный исследовательский Томский политехнический университет. 2013. С. 360-363.
13.Bai, Hao-yin; Li, Cheng-zu; Liu, Jun; et all. Investigation of a Magnetic Pulse Compression System Containing Gas Switch. IEEE Transactions on plasma science. 2012. T.40, Vol. 10 pp. 2597-2602. DOI: 10.1109/TPS.2012.2199134
14.He, Mengbing; Jiang, Jinbo; Huang, Guoliang et all. Disintegration of rocks based on magnetically isolated high voltage discharge. REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS. 2013. Т. 84 Vol. 2. № 024704. DOI: 10.1063/1.4792433
15.Усов А.Ф., Потокин А.С. Импульсное трансформирование напряжения и энергии для электроимпульсного разрушения материалов. // Труды Кольского научного центра РАН сер. Энергетика, вып. 9, 2014, с. 40-49.
Сведения об авторах
Потокин Александр Сергеевич,
младший научный сотрудник лаборатории электроэнергетики и электротехнологии Центра
физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН
184209, г. Апатиты, ул. Ферсмана, д. 21А
эл. почта: [email protected], тел. (81555)79-465
Хи Менгбинг
кандидат технических наук, доцент Университета науки и технологии, Хуаджонг, Китай E-mail: [email protected]
Ильин Даниил Владимирович,
инженер-исследователь лаборатории электроэнергетики и электротехнологии Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 12А эл. почта: [email protected], тел. (81555)79432
Усов Анатолий Федорович,
начальник научно-организационного отдела КНЦ РАН, старший научный сотрудник Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН, к.т.н. 184209, г. Апатиты, ул. Ферсмана, д. 14. эл. почта: [email protected], тел. (81555) 79226
