«ШОҚан оқулары 19» Халықаралық ғылыми-тәжірибелік конференция материалдары

4
 
 
Electro-hydraulic drilling is a fundamentally new method that has not yet been 
applied  in  industry;  the  task  of  research  and  the  practical  use  of  this  technology 
remains relevant to this day. 
The unique benefits of this new technology are the following: 
- opportunity to perform work in confined working space conditions (inside of 
constructed buildings, premises, basements, etc.) where it is almost impossible to use 
conventional drilling methods due to bulky equipment; 
- long term reliable operation due to the absence of rubbing and wearing parts 
of the equipment; 
-   ease of operation and maintenance, that is achieved by the use as an active 
part a widely available cable electrode that is a consumable product. 
-  low power consumption and environmental friendliness of performed work. 
This  technology,  as  compared  to  conventional  ones,  makes  it  possible  to 
demolish  such  obstacles  as  solid  rocks  more  efficiently  and  in  a  short  time  when 
drilling  wells  for  heat  exchangers  by  impact  of  shock  waves  at  high-voltage 
discharges in aqueous media. 
Electro-hydraulic  effect  is  a  high  voltage  electrical  discharge  in  a  liquid 
medium.  During  the  formation  of  an  electric  discharge  in  a  liquid  energy  release 
occurs within a relatively short period of time. A powerful high-voltage electric pulse 
with  a  steep  leading  front  causes  a  variety  of  physical  phenomena.  Such  as  the 
emergence of ultra-high hydraulic pulse pressure, electromagnetic radiation in a wide 
range  of  frequencies  up,  under  certain  conditions,  to  x-rays,  cavitations  phenomena 
[5, 6, 7]. 
To  form  the  pulse  with  a  short  leading  front  voltage  applied  to  the  discharge 
gap in the liquid we used the discharge gap in a gas – a gas discharger, and in order to 
generate  certain  pulse  energy  an  accumulating  electrical  capacitor  was  used.    We 
developed and implemented into practice electro-hydraulic setup and working
 
cell for 
drilling (Fig. 1). 
 
 
Fig.1. Scheme of electro-hydraulic apparatus and electro-hydraulic drill 
 
 

5
 
 
1 – power supply, 2 – high-voltage generator, 3 – pulse capacitor,  
4 – discharger, 5 –  coaxial cable-electrode, 6 –  centre electrode,  
7 and 8 – water passages for injection the face, 9 – vent in the bit for gas outlet,  
10 – teeth of the drilling bit, 11 – head of the drilling bit. 
 
The  setup  consists  of  a  power  supply  (1),  high  voltage  generator  (2),  pulse 
capacitor  (3)  discharger  (4),  coaxial  cable-electrode  (5)  and  electro-hydraulic  drill 
consisting of the centre electrode (6), (7) and (8)  are water passages for  injection the 
face, (9) – vent in the bit for gas outlet (10) – teeth of the drilling bit (11) – head of 
the drilling bit [8]. 
The appearance of the electro-hydraulic drill is shown on the picture (Fig. 2) 
 
 
 
Fig. 2. The appearance of the electr-hydraulic drill 
 
The  setup  works  as  follows.  Pulse  capacitor  (3)  is  charged  by  a  high  voltage 
generator  (2),  that  powered  by  controlled  power  supply  (1).  When  reaching  the 
specified voltage a breakdown takes place in the discharger (4) and the energy stored 
in  the  capacitor  through  an  electrode  cable  is  transferred  to  the  working  part  of  the 
electro-hydraulic drill. A pulse electric discharge occurs in the fluid, the latter being a 
source  of  powerful  mechanical  shock  waves  that  are  reflected  from  the  head  of  the 
drill and focused on a processed rock thus destroying it into small pieces. 
As  a  result  of  the  pilot  study,  the  optimal  values  of  time  and  the  number  of 
spark  discharges  at  electro-hydraulic  drilling  stones  are  determined,  the  time  for 
destruction of stones and solid rocks while drilling is defined. 
The  objects    of  electro-hydraulic  processing  were  such  solid  rocks  as  natural 
stones.  A  natural  stone  is  a  material  of  quite  diverse  structure,  often  composed  of 
various  minerals  that  are  often  exposed  to  significant  tensions  in  the  formation 

6
 
 
process  and  the  subsequent  occurrence  in  the  Earth's  crust  [9].  For  the  experiment 
natural stones of 5-6 hardness units by the Mohs scale were used. 
Experiments were conducted as follows. On the surface of the stone located in 
a  tank  of  water,  an  to  electro-hydraulic  drill  was  mounted.  After  feeding  electric 
power  to  the  set-up,  the  number  of  discharges  for  the  destruction  process  was 
determined. 
The resulting diagram of number of discharges dependency on the thickness of 
the stone at different values of energy is presented in Figure 3. 
 
 
 
Fig. 3.The dependency diagram of the destruction process of stone of specified 
thickness on characteristics of electro-hydraulic pulses. 
 
You can see that at the discharge energy level around 288 Joules destruction of 
a stone to the thickness of 40-70 mm is possible. The number of pulses is 270. When 
discharge energy rises, the thickness of destructed stones increases while the number 
of  pulses  required  for  destruction  decreases.  For  example,  at  the  discharge  energy 
level around 612 J it is possible to destruct stones of 70 mm thickness. This requires 
less number of pulses of about 160. 
On the basis of experimental research the limits of electro-physical parameters 
of method, when the intensive destruction of solid rocks – natural stones begins were 
determined. 
The  quantitative  dependency,  characterizing  the  beginning  of  the  process  of 
destruction  of  rocks  of  various  thickness  depending  on  the  number  and  energy  of 
discharges was defined. 
The  experimental  work  proved  the  possibility  of  achieving  higher  drilling 
speeds  compared  to  those  at  conventionally  used  plants.  The  electric  pulse 
destruction  is  implemented  without  using  a  drilling  bit,  it  does  not  require  special 
tightness  of  electrodes  to  bottomhole  surface  with  considerable  force;  therefore,  the 
wear of the electrodes at electrohydraulic pulse drilling is relatively minor.