Американский Научный Журнал ПРОГРЕСС В БУРЕНИИ СКВАЖИН – ЗА ЭЛЕКТРОИМПУЛЬСНЫМ СПОСОБОМ БУРЕНИЯ

Аннотация. Цель работы – доказана возможность использования технической воды в качестве промывной жидкости при электроимпульсном бурении скважин. При электроимпульсном бурении на технической воде использован принцип неуправляемого синхронного «поджига» межэлектродного промежутка, что позволяет достигать скорости роста напряженности электрического поля в межэлектродном промежутке до 1014 кВ/сек. Использование данных технических решений позволит создать новую экономически выгодную буровую технику. Скачать в формате PDF
38 American Scientific Journal № ( 32) / 20 19
ПРОГРЕСС В БУРЕНИИ С КВАЖИН – ЗА ЭЛЕКТРОИ МПУЛЬСНЫМ СПОСОБОМ Б УРЕНИЯ.

Рязанов Николай Данилович
Инженер -электрофизик,
директор ООО «Импульсные комплексные технологии»
(ООО «Имкомтех»), Росс ия, г. Томск

PROGRESS IN DRILLING WELLS IS BEYOND THE ELECTROPULSE METHOD OF D RILLING.

Ryazanov Nikolay Danilovich
The engineer -electro physicist,
the director of Ltd Company «Pulsing complex technologies »
(Ltd Company "Imcomtech"), Russia, Toms k

Аннотация . Цель работы – доказана возможность использования технической воды в качестве
промывной жидкости при электроимпульсном бурении скважин. При электроимпульсном бурении на
техниче ской воде использован принцип неуправляемого синхронного «поджига» межэлектродного
проме жутка, что позволяет достигать скорости роста напряженности электрического поля в
межэлектродном промежутке до 10 14 кВ/сек. Использование данных технических решений поз волит
создать новую экономически выгодную буровую тех нику.
Annotation . The goal of the work is to prove the possibility of using technical water as a washing fluid in
the electropulse drilling of wells. In the case of electropulse drilling on technical wa ter, the principle of
unmanageable synchronous "fire" of the inter -electrode interval is used, which allows to achieve the rate of
increase of the intensity of the electric field in the inter -electrode interval up to 10 14 kV/s. The use of these technical
solutions will create new cost -effective drilling equipment.
Ключевые слова: электрический разряд, электроимпульсные технологии, бурение скважин,
разрушение горных пород, буровые наконечники.
Keywords: electrical discha rge, electropulse technology, drilling wells, rock destruction, drilling tips.

Электроимпульсными (ЭИ) способами
бурения и дезинтеграцией горных пород и
материалов в период с 1960 по 2015 годы в СССР
занимались Кольский научный центр РАН, НИИ
высоких напряжений при Томском
политехническом институте, Карагандинский
политехнический инс титут и Санкпетербу ргский
институт «Механобр ». За этот период была
проделана большая работа, как в теоретическом
плане, так и в практическом применении. В работах
[1, 2, 3] подробно изложены вопросы, связанные с
разработкой способа разрушения твердых
непро водящих материалов путем их импульсного
элек трического пробоя. Рассмотрены
закономерности электрического пробоя
материалов и принципы создания
породоразрушающих устройств, динамика,
кинетика и энергетика процессов разрушения
материала искровым разрядом и м етоды расчета
параметров разрушения. Приведе ны результаты
исследовательских и опытных работ по бурению
скважин различного диаметра (100 -1200 мм),
резанию и поверхностной обработке камня,
дроблению и измельчению различных руд и
искусственных материалов.
Бур ени е горных пород – один из самых
затратных и трудоемких технологических
процессов при разведке и разработке
месторождений полезных ископаемых. Технико -
экономический анализ современных способов
бурения скважин показывает невозможность
устранения целого ряд а присущих им
принципиальных недостатков [4] :
− низкий КПД (2 –10 %);
− наличие сложных кинематических
устройств;
− быстроизнашивающийся и недостаточно
надёжный буровой наконечник;
− резкое уменьшение скорости бурения с
увеличением крепости разрушаемых пород и
диам етра скважин;
− высокая себестоимость буровых работ и
др.
На основании накопленного опыта и
полученных результатов можно
отметить, что ЭИ способ бурения в полной мере
отвечает требованиям,
сформулированным выше и обладающий
следующими преимуществами:
a) бездол отное разрушение горной породы;
b) импульсное (взрывное) разрушение
горной породы;
c) разрушение крупным сколом;
d) сокращённое число трансформаций
энергии;
e) эффективное бурение крепких и очень
крепких пород - высокая скорость бурения, малые
энергозатраты;
f) боль шой д иапазон диаметров и форм
скв ажин;
g) малый износ бурового наконечника;
h) возможность бурения с керном;
i) мобильность буровой установки;
Анализ проведенных ранее работ по ЭИ
разрушению, бурению, резанию
показывает наличие целого ряда проблем, которые
требу ют дальнейшего
исследования и раз работки технологических

American Scientific Journal № ( 32) / 2019 39

условий для практического
применения в ЭИ технологиях. Наиболее важные
проблемы, которые необходимо решить,
следующие:
1. Высокие амплитуды импульсного
напряжения затрудняют создание
промышленных устано вок для ЭИ бурения.
Необходимо сн ижение рабочего напряжения.
2. Поиск рабочей и промывочной
жидкости с целью замены углеводородов
(трансформаторного и солярового масел).
3. Не решенной проблемой является
надежность и срок службы
твёрдой изоляции при работе в вод е, которые
необходимы при
промышл енном применении ЭИ способов.[4, с.
141].
4. Анализ энергораспределения в
процессах ЭИ технологий показал, что
непроизводительные затраты энергии на стадии ее
трансформации и передачи к объекту разрушения
могут достигать 70 –80 %. [3, с. 179].
Производительност ь ЭИ разрушения
определяется величиной объема разрушения,
производимого одним импульсом – V. Величина
единичного объема разрушения зависит от целого
ряда фактов, из которых основными являются
следующие: расстояние между эле ктродами L,
глубина внедрения разряда Н, вероятность
внедрения разряда в твердое тело Р, энергия
воздействующего импульса W и время ее
выделения Z [1, 8, 9].

Рис.1 Схема формирования разряда в с лучае косоугольной и прямоугольной волн напряжения

Для практики использования ЭИ способа
особо важно следующее: увеличение длины
разрядных промежутк ов L является наиболее
эффективным способом повышения
производительности V и снижения энергоемкости
W электроимпульсного разрушения.
Обычно при ЭИ бурении пробой происходит
на фронте импульса напряжения [1,5]. Однако в
работах [6, 7] рассмотрена возможнос ть
осуществления ЭИ эффекта в воде на плоской части
прямоугольных импульсов с нано секундным
фронтом (Рис. 1). На основании анализа
результатов исследований отмечено [6], что
оптимальные пробивные напряжения Uпр горных
пород в зависимости от типа породы при
одинаковых предразрядных временах tпр
снижаются на 15 – 30% в случае воздействия на
породу прямоугольных импульсов с
наносекундным фронтом, по сравнению с
косоугольным импульсом напряжения [6, с. 123].
По экспериментальным данным для горных пород
преоблад ающей тенденцией является повышение
вероятности внедрения с ростом крутизны фронта
импульсов напряжения и межэлектродного
расстояния , и это выводит на соответствующие
рекомендации для повышения эффективности
пробоя – увеличивать разрядные промежутки,
умень шать фронт импульса вплоть до наносекунд
(10 -9 с) [3, с. 172].
Таким образом, при использовании
прямоугольных импульсов с наносекундным
фронтом в ЭИ бурении скважин вероятность
внедрения канала разряда в горную породу
увеличивается и может достигать 100%, при этом
эффективность процесса разрушения горных пород
значительно повышается, п о сравнению с
использованием косоугольной волны напряжения
[6, с. 129].
Несмотря на огромный объем проделанных
работ, практического применения ЭИ технологии
не получили в сил у нерешенных проблем –
стойкость высоковольтной изоляции
потенциальных электродов при работе на
технической воде, высокие предпробивные потери
энергии и невозможность использовать в качестве
рабочей жидкости техническую воду.
Однако в последние годы намети лась
тенденция в решении данны х проблем:
увеличить ресурс изоляции высоковольтных
электродов до 10 9 импульсов;
уменьшить предпробивные потери энергии до
единиц %;
увеличить длину канала разряда (или снизить
пробивные напряжения);
достигнуть вероятность вн едрения канала
разряда в породу практически до 100%;
для неглубоких скважин использовать в
качестве источников импульсов источники

40 American Scientific Journal № ( 32) / 20 19
импульсов с косоугольным фронтом, как наиболее
надежные и недорогие в изготовлении.
В основе данного решения заложен принцип
неуправляемого синхронного «поджига»
межэлектродного промежутка [10 -13]. Сущность
неуправляемого синхронного «поджига» состоит в
том, что вокруг потенциального электрода,
расположенного в технической воде, потоком воды
(или другой жидкости) создается газов ая полость,
изо лирующая потенциальный электрод от воды
(жидкости) окружающей этот электрод. При подаче
высоковольтного импульса на потенциальный
электрод вначале происходит пробой газовой
полости, а затем происходит электрический пробой
основного межэлектр одного промежут ка. В данном
случае, основной высоковольтный импульс
является и поджигающим импульсом, при этом
время синхронизации поджигающего импульса
составляет несколько наносекунд и данный способ
работает в диапазоне напряжения от нескольких
киловольт до мегавольт. Теоретическое объяснение
данного эффекта было дано значительно позже [14,
15]. Оно заключается в том, что изменение
напряженности электрического поля в
межэлектродном промежутке изменяется как за
счет роста напряжения на электродах, так и за счет
роста нап ряженности при изменении в меньшую
сторону радиуса потенциального электрода. Если
напряженность электрического поля от роста
напряжения изменяется пропорционально росту
напряжения, то напряженность электрического
поля от уменьшения радиуса п отенциального
электрода изменяется пропорционально U/r2. Так,
если для примера примем изменение напряжения за
одну микросекунду до 300 кВ, то скорость
изменения напряженности составит 3 •10 8 кВ/сек, а
изменение напряженности за счет изменения
радиуса с 10 -2 м до 10 -6 м составит 300 кВ/10 -12 или
3•10 14 кВ/сек, что на шесть порядков выше, чем
изменение напряженности за счет роста
напряжения. Такие скорости изменения
напряженности создают все условия для
образования канала разряда по линии
максимальной напряжен ности.
Ране е в работе [1] отмечалось, что для
внедрения канала разряда в горную породу в
дизельном топливе требуется скорость нарастания
напряжения 300÷500 кВ/мкс (5 •10 8), то на воде уже
требуется скорость 2000÷3000 кВ/мкс (3 •10 9), то
есть на порядок больш е. А если б рать
прямоугольный импульс с наносекундным
фронтом, то на воде уже требуется 200÷300 кВ/нс
(3•10 11), то есть ещё на два порядка больше. В тоже
время, внедрение канала разряда в горную породу в
воде увеличивается и может достигать 100%, при
этом эффективнос ть процесса разрушения горных
пород значительно повышается, по сравнению с
использованием косоугольной волны напряжения
[6, с. 129].

Рис. 2 . Буровой наконечник для ЭИ бурения на технической воде.

В работе 3, отмечается 100% -е внедрение
канала разряда в твердую горную породу, при
нахождении потенциальног о электрода
приподнятого над поверхностью горной поро ды.
Этот момент также можно объяснить образованием
поджигающего канала между потенциальным
электродом и поверхностью горной породы, то есть
за счет об разования высокой напряженности
электрического поля з а счет быстрого уменьшения
площади потенциального эле ктрода.

American Scientific Journal № ( 32) / 2019 41

Рис. 3 . Буровой снаряд для ЭИ бурения на технической воде.

В работе 16 предложен способ и устройство
бурового наконечника для ЭИ бурения скважин на
технической воде. Сущность способа ЭИ бурения
заключается в том, что потоком промывной
жидкости 3 вокру г оголенной части
потенциального электрода 1 образует ся газовая
полость 4. При подаче высоковольтного импульса
на электродную систему с оголенной части
высоковольтного электрода 1 происходит пробой
газовой полости 4, а затем образуется канал пробоя
по го рной породе до заземленного электрода 2. В
данном спосо бе использован принцип
неуправляемого синхронного «поджига»
межэлектродного промежутка. ЭИ бурение данным
методом позволяет использовать в качестве
промывной жидкости техническую воду, при этом
не искл ючена возможность использования в
качестве промывной жи дкости морской воды.
Также в работе 16 предлагается ЭИ буровой
наконечник (Рис. 3), который автоматически
производит расширение диаметра бурения
скважины, что способствует не зависанию
бурового снаря да и образования более широ кого
канала для выноса продуктов бурения на
поверхность. Данный буровой снаряд работает
следующим образом. Промывная жидкость
(техническая вода) 3 через каналы 6 в изоляторе 5
подается в забойную зону. Вокруг конца
тарельчатого в ысоковольтного электрода 1
образуется газовая полость 4. При подаче
высоковольтного импульса на электрод 1
происходит пробой газовой полости 4, а затем
горной породы между электродом 1 и заземленным
электродом 2, расположенным по центру. После
того, когда межэлектродный промежуток м ежду
электродом 1 и центральным электродом 2
сравняется с межэлектродным промежутком
образованным электродом 1 и кольцевым
электродом 2, то электрические разряды
образуются уже в этом промежутке, за сче т
которых увеличивается диа метр буровой
скважины. Так как в предложенных конструкциях
бурового наконечника 12, 13, 16, 17  используется
принцип неуправляемого синхронного «поджига»
межэлектродного промежутка, то скорости
напряженности электрического поля достигают
величины 10 14 кВ /се к, разряд всегда внедряется в
горную породу, а величина напряжения пробоя
горных пород ниже на 20 – 30%.
Таким образом, разработанный
неуправляемый синхронный «поджиг»
межэлектродного промежутка позволяет решить
следующие проб лемы при ЭИ способе бурения :
− увеличить ресурс изоляции
высоковольтных электродов до 10 9 импульсов;
− уменьшить предпробивные потери энергии
до единиц %;
− увеличить длину канала разряда (или
снизить пробивные напряжения);
− увеличить вероятность внедрения канала
разряда в породу практичес ки до 100%;
− для скважин глубиной до 10 м
использовать источники импульсов с
косоугольным фронтом, как наиболее надежные и
простые в изготовлении.
Использование электродной системы с
неуправляемым синхронным «поджигом» в
технологи и дробления и дезинтеграции горных
пород и минералов п озволит создать надежные и
долговечные ЭИ установки, которые превзойдут по

42 American Scientific Journal № ( 32) / 20 19
своим характеристикам механические дробилки
18.

Список литературы:
1. Сёмкин Б.В., Усов А.Ф., Курец В.И.
Основы электроимпульс ного разрушения
материалов. СПб: Наука, 1995, 276 с.
2. Курец В.И., Усов А.Ф., Цукерман В.А.
Электроимпульсная дезинтеграция материалов
Апатиты: КНЦ РАН, 2002. 324 с.
3. Усов А.Ф. Полувековой юбилей
электро импульсного способа разрушения
материалов. Журнал «Вестн ик Кольского научного
центра РАН» №4, 2012/(11), с.:173 -201.
4. Важов В.Ф. Развитие научно -
технологических основ электроимпульсного
бурения и резания горных пород. Дисс. на соиск. ст.
доктора техн. наук . Томск, 2014, с. 213.
5. Воробьёв А.А., Воробьёв Г.А., Зав адовская
Е.К., Каляцкий И.И.,
Кривко В.В., Панин В.Ф., Сёмкин Б.В., Торбин
Н.М., Ушаков В.Я., Чепиков А.Т. Импульсный
пробой и разрушение диэлектриков и горных
пород. – Томск: Изд -во ТГУ, 1971. – 226 с.
6. Брылин В.И. Разрушение горных пород и
бурения скважин с
применением в качестве промывочной жидкости
воды прямоугольными
импульсами напряжения с наносекундным
фронтом / дисс… канд. техн. наук/. Томск, 1972. –
150 с.
7. Седов Н.В. Исследование основных
показа телей при разрушении
горных пород высоковольтными прямоу гольными
импульсами с
наносекундным фронтом / дисс… канд. техн. наук.
– Томск, 1975. – 169 с.
8. Чепиков А.Т. Исследование и разработка
электроимпульсного
способа бурения скважин / дисс… докт. техн. наук .
– Томск: изд. ТПИ, 1968. – 420 с.
9. Сёмкин Б.В. Исследов ание физических
основ и эффективности
процесса электроимпульсного разрушения твёрдых
тел / дисс… канд. техн.
наук. – Томск, 1966. – 212 с.
10. Рязанов Н.Д. Способ формирования
электрических разрядов в жид кости. SU А.С. №
127313, 1985г.
11. Рязанов Н.Д., Левченко Б .С. Устройство
для формирования электрических разрядов в
жидкости. SU А.С. №1450698, 1987г.
12. Рязанов Н.Д., Левченко Б.С. Устройство
для электроимпульсного разрушения твердых
материалов. SU А.С. № 15242 63, 1987г.
13. Левченко Б.С., Рязанов Н.Д.
Высоковольтный эл ектрод электроимпульсного
породоразрушающего инструмента. SU А.С. №
1598513, 1989г.
14. Рязанов Н.Д. Явление снижения
электрической прочности диэлектриков//
Электронный научный журнал "Исследования
технических наук". - 2014. - Выпуск 3(13) Июль -
Сентябрь. С. 46 -51. [Электронный ресурс]. - Режим
доступа: http://www.researc hes -of-technical -
sciences.ingnpublishing.com/archive/2014/release -3-
13 -july
september/ryazanov_n_d_yavlenie_snizh eniya_elektri
cheskoj_prochnosti_dielektrikov/
15. Рязанов Н.Д. Научное подтверждение
существования «темных молний». Электронный
научный журнал «A ustria -science», 1 часть,
№20/2018, с. 47 -49.
16. Рязанов Н.Д., Рязанова Н.Г. Способ
электроимпульсного бурения скважин,
электроимпульсный буровой наконечник. Патент
RU № 2524101, 2014г.
17. Левченко Б.С., Рязанов Н.Д.
Высоковольтный электрод электроимпульсного
по родоразрушающего инструмента. SU А.С. №
1688624, 1990г.
18. Сафронов В.Н. Исследовани е
энергоёмкости электроимпульсной технологии
дробления горных пород. Вестник ТГАСУ № 1,
2004, с. 81 -88.

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОДАТЛИ ВОСТИ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ
ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ Б ЛОКОВ

Шиляев Сергей Александрович
(Россия) – профессор кафедры «Автомобили и металлообрабатывающее оборудование»,
ФГБОУ ВО «Ижевский государственный технический университет имени М.Т. Калашникова»
Федотов Роман Иванович
(Россия) – магистрант кафедры «Автомобили и металлообрабатывающ ее оборудование»,
ФГБОУ ВО «Ижевский государственный технический университет имени М.Т. Калашникова»
Воронов Виктор Владимирович
(Россия) – магистрант кафедры «Автомоби ли и металлообрабат ывающее оборудование»,
ФГБОУ ВО «Ижевский государственный технический университет имени М.Т. Калашникова»

Аннотация . В данной работе рассмотрены проблемы повышения точности обработк и отверстий на
станках ЧПУ путем повышения точности и жесткости инструментальных блоков. Проведено исследование
контактной жесткости инструментального блока.
Ключевые слова: Станок, ЧПУ, инструментальный блок, унификация, вспомогательный
инструмент, режущ ий инструмент.