УСТАНОВКА ЭЛЕКТРОДУГОВОГО ПЛАЗМОБУРА Российский патент 1997 года по МПК E21C37/18 E21B7/15 

Изобретение относится к устройствам для бурения твердых пород с возможностью экспресс-анализа состава пород в процессе бурения.

В существующих устройствах для бурения твердых каменистых пород используют преимущественно буровые колонки вращательного действия, разрушающие породу за счет механического разрушения инструментом, имеющим твердосплавные или алмазные режущие кромки (Баюнчиков В.А. Оборудование для алмазного бурения Л. Недра, 1972, с. 5 19). Устройство для бурения содержит штангу с закрепленной на ней буровой колонкой, вращатель с силовым приводом и штангоподъемник. Недостатками такого устройства являются быстрое затупление режущих кромок при бурении твердых пород, что требует частой остановки и замены дорогостоящей коронки, недостаточная производительность и невозможность экспресс-анализа разрушаемой породы.

Известно устройство (Копылов В.Е. "Бурение? Интересно!" М. Недра, 1981, с. 132), взятое в качестве прототипа, которое содержит лазер, закрепленный в нижней части буровой колонки. Лазерный луч, испускаемый лазером, нагревает и оплавляет разрушаемую породу. Однако низкий КПД лазера не позволяет достигать значительной скорости бурения при небольших затратах энергии. Установка не позволяет также производить экспресс-анализ состава разрушаемой породы.

Решаемая техническая задача заключается в увеличении производительности бурового оборудования при бурении твердых пород, снижении энергозатрат, повышении КПД и возможности экспресс-анализа химического состава материала скважины.

Поставленная задача достигается тем, что в установке электродугового плазмобура, содержащего буровую колонку, соединенную с источником нагрева разрушаемой породы, источник нагрева выполнен в виде плазмотрона, соединенного с системой подачи плазмообразующего газа и системой охлаждения плазмотрона, содержащего корпус, не менее двух плоскообразных сопел, расположенных с пересекающимися межэлектродными промежутками и объединенных центральным каналом плазмотрона, не менее трех электродов, соединенных с одним или несколькими источниками электропитания, устройство вращения или колебания плазмотрона, устройство отсасывания разрушенной породы, сопла подачи охлаждающей породу среды, закрепленные у основания буровой колонки и имеющие систему каналов, устройство поступательной подачи плазмотрона, газоанализатор, датчик которого установлен у основания буровой колонки.

Плоскообразные сопла плазмотрона в количестве трех штук могут быть расположены под углом 120^o друг к другу в виде звезды, три периферийных электрода установлены на периферии плоскообразных сопел и соединены с источником электропитания переменного трехфазного тока по схеме треугольник.

Плоскообразные сопла плазмотрона в количестве трех штук могут быть расположены под углом 120^o друг к другу в виде звезды. Три периферийных электрода установлены на периферии плоскообразных сопел, в центральном канале плазмотрона установлен центральный электрод.

Плазмотрон может содержать четыре плоскообразных сопла, расположенных под углом 90^o друг к другу, четыре периферийных электрода, расположенных на периферии плоскообразных сопел попарно друг против друга и попарно соединенных с двумя источниками электропитания.

Плазмотрон может содержать четыре плоскообразных сопла, расположенных под углом 90^o друг к другу, четыре периферийных электрода, расположенных на периферии плоскообразных сопел, центральный электрод, расположенный в центральном канале плазмотрона, соединенные попарно с четырьмя источниками электропитания по схеме один периферийный электрод и центральный электрод с одним источником электропитания.

Предложенное техническое решение удовлетворяет критерию "изобретательский уровень", так как отличительные признаки позволяют получить "новое свойство" - высокую производительность за счет периодического резкого нагрева и принудительного охлаждения, высокой плотности тепловой энергии, выводимой в породу и воздействующей на нее, снижение энергозатрат, повышение КПД и возможности экспресс-анализа химического состава породы непосредственно в процессе бурения по всей длине скважины.

Из известных источников информации не обнаружены признаки, подобные введенным отличительным.

На фиг. 1 изображен общий вид установки электродугового плазмобура с разрезом плазмотрона в поперечном сечении; на фиг. 2 нижняя часть установки с разрезом плазмотрона по плоскости симметрии его плоскообразных сопел; на фиг. 3 разрез плазмотрона, содержащего три плоскообразных сопла, расположенных под углом 120^o друг к другу, и три периферийных электрода; на фиг. 4 разрез плазмотрона, содержащего три плоскообразных сопла, три периферийных электрода и центральный электрод; на фиг. 5 разрез плазмотрона, содержащего четыре плоскообразных сопла, четыре периферийных электрода; на фиг. 6 разрез плазмотрона, содержащего четыре плоскообразных сопла, четыре периферийных электрода и центральный электрод.

Установка электродугового плазмобура содержит (фиг. 1) буровую колонку 1, имеющую основание 2, на котором закреплен плазмотрон 3, соединенный с системой подачи плазмообразующего газа 4 и с системой охлаждения плазмотрона 5, устройство вращения 6 плазмотрона 3, устройство отсасывания 7 (удаления) разрушенной породы с трубой 8, сопла 9 подачи охлаждающей породу среды (например, воды или газов, воздуха, азота, в том числе сжиженных газов и т. д. ), закрепленные у основания 2 буровой колонки 1 и имеющие систему каналов 10 на торце сопел 9.

Установка электродугового плазмобура содержит также устройство поступательной подачи 11 плазмотрона 3, газоанализатор 12, датчик 13 которого размещен у основания 2 буровой колонки 1, газоанализатор 12 размещен на пульте 14, от которого обеспечивается управление системами и устройствами установки электродугового плазмобура.

Пульт управления 14 содержит переключатели для включения и выключения установки электродугового плазмобура и ее систем, регулятора изменения режимов работы и устройства световой и звуковой сигнализации для контроля работы установки электродугового плазмобура и ее систем (не показано).

Плазмотрон 3 содержит корпус 15, плоскообразные сопла 16 с пересекающимися межэлектродными промежутками и объединенные центральным каналом 17 плазмотрона 3. Три плоскообразных (фиг. 3) сопла 16 плазмотрона 3 расположены под углом 120^o друг к другу в виде звезды) и закреплены в корпусе 15 плазмотрона 3, на периферии 18 плоскообразных сопел 16 установлены периферийные медные водоохлаждаемые электроды 19 в количестве 3 штук, которые соединены с источником электропитания 20 переменного трехфазного тока по схеме "треугольник". (Фазы А, В, С источника электропитания 20 соединены с каждым из трех периферийных электродов 19, а в качестве источника электропитания 20 может быть источник электропитания переменного трехфазного тока 20, обмотки которого соединены в треугольник или звезду без нулевого провода).

Форма плоскообразных сопел при поперечном сечении плазмотрона может быть прямоугольной (плоской) (фиг. 3 6), клиновидной или овальной. В поперечном сечении плоскообразных сопел 16 (фиг. 1) плоскообразные сопла 16 плазмотрона 3 выполнены сужающимися, в продольном сечении (фиг. 2) расширяющимися. На плазмобуре установлены три сопла подачи 9 охлаждающей породу среды (воды) соответственно количеству плоскообразных сопел 16. Плазмотрон (фиг. 4) может содержать три плоскообразных сопла 16, расположенных под углом 120^o друг к другу в виде звезды, три периферийных электрода 19 установлены на периферии 18 плоскобразных сопел и центральный электрод 21, размещенный в центральном канале 17 плазмотрона 3, и соединенные совместно с периферийными электродами 19 с источником электропитания 22 переменного трехфазного тока по схеме "звезда" (нулевой провод N соединен с центральным электродом и линейные провода А, В, С с периферийными электродами 19).

Центральный электрод 21 плазмотрона может быть подключен совместно с периферийными электродами 19 к трем источникам электропитания постоянного или однофазного переменного тока 22 по схеме: каждый периферийный и центральный электрод соединены с одним источником электропитания. На установке электродугового плазмобура в этом случае установлены три сопла подачи 9 охлаждающей породы среды. Плазмотрон 3 может содержать четыре плоскообразных сопла 16 (четыре плоскообразных сопла 16 можно рассматривать как два плоскообразных сопла пересекающихся между собой в средней части сопел) (фиг. 5), расположены под углом 90^o друг к другу, четыре периферийных электрода 19, расположенных на периферии 18 плоскообразных сопел 16 попарно друг против друга и попарно соединенных с двумя источниками электропитания постоянного или однофазного переменного тока 23 и 24. на плазмобуре с таким плазмотроном установлены четыре сопла 9 подачи охлаждающей породу среды (воды). Плазмотрон 3 (фиг. 6) может содержать четыре плоскообразных сопла 16, расположенных под углом 90^o друг к другу, четыре периферийных электрода 19, расположенных на периферии 18 плоскообразных сопел 16. Сопла подачи 9 охлаждающей породу среды выполнены из керамики или металла удлиненной формы и имеют систему каналов 10, направленных по нормали к поверхности разрушаемой породы, обеспечивая ее охлаждение по всей площади, кроме центральной области, равной приблизительно диаметру центрального канала плазмотрона. Сопла подачи 9 (охлаждающей породу среды, например воды) могут быть соединены с системой водоохлаждения 5 плазмотрона 3, либо соединены с собственной системой подачи охлаждающей породу среды (воды). Корпус 15 плазмотрона 3 выполнен из электронепроводящего жаростойкого материала, например кардиерита.

Плоскообразные сопла 16 изготовлены из пористого жаростойкого диэлектрика, например пенокардиерита. С целью возбуждения дуговых разрядов плазмотрон 3 снабжен электродом поджига 29, осциллятором 30, а система подачи плазмообразующих газов 4 снабжена блоком подачи горючей газовой смеси 31.

Устройство вращения или колебания 6 плазмотрона 3 содержит электродвигатель, редуктор и регулятор скорости вращения (колебания) плазмотрона 3, установленный на пульте управления 14 установкой электродугового плазмобура, (не показано).

Устройство отсасывания 7 (удаления) разрушенной породы содержит высокоскоростной электродвигатель крыльчаткой (не показан), соединенные с зоной бурения трубой 8 с конической законцовкой (устройство отсасывания 7 разрушенной породы работает по принципу пылесоса), и обеспечивает удаление разрушенной породы, паров и газов из области разгрушения за пределы установки.

Устройство поступательной подачи 11 плазмотрона 3 содержит электрический или гидравлический силовой привод, обеспечивающий подъем и спуск буровой колонки 1 с плазмотроном 3 и трубы 8. Регулятор устройства поступательной подачи 11 обеспечивает подачу плазмотрона 3 с заданной поступательной скоростью V в канале скважины. Датчики крайних положений 32 и 33 плазмотрона обеспечивают: верхний датчик 32 отключение поступательной подачи при минимальном расстоянии между плазмобуром и породой, а нижний датчик 33 - включение поступательной подачи при увеличении этого расстояния до максимально установленного значения. Включение датчиков в крайне допустимых положениях обеспечивается подпружиненным штоком 34 с плечом, на краю которого установлено колесо 35.

В качестве газоанализатора 12 может быть использован масс-спектральный газоанализатор типа МСД-1, датчик 13 газоанализатора имеет трубку, соединяющую его с центральной зоной испарения породы. Для предупреждения возможного пожара у основания колонки установлен датчик пожара 36, соединенный с сигнализацией и источником электропитания плазмотрона для отключения в случае пожара.

Установка электродугового плазмобура работает следующим образом.

Предварительно включается система охлаждения плазмотрона 5, обеспечивая подачу охлаждающей воды к элементам плазмотрона 3, в том числе к его электродам 19 и 21. Далее обеспечивается подача дозы горючей газовой смеси от блока подачи газовой смеси 31 системы подачи плазмообразующего газа 4 через канал в корпусе 15 плазмотрона 3, по зазорам между корпусом сопла 15 и плоскообразными соплами 16, проникает через поры плоскообразных сопел и попадает в межэлектродные зазоры плазмотрона 3. При включении осциллятора 30 обеспечивается пробой газового промежутка (около 1,5 2,5 мм) между периферийным электродом 19 и электродом поджига 29, газовая горючая смесь воспламеняется. При включенном источнике электропитания трехфазного переменного тока 20 возбуждаются три дуги, горящие в узком сопловом межэлектродном промежутке (фиг. 3) между периферийными электродами 19, после чего подача горючей газовой смеси прекращается и подается плазмообразующий газ от системы подачи плазмообразующего газа 4 через стенки плоскообразных сопел 16, которые обеспечивают стабилизацию дуг в центре плоскообразных сопел, две дуги в каждый момент времени горят в едином столбе, что обеспечивает устойчивое их горение без погасания дуг (в дуговом канале непрерывно течет ток в том или ином направлении, что позволяет использовать источники электропитания переменного трехфазного тока промышленной частоты (50 Гц)). Плазменный факел, истекающей с высокой температурой и большой скоростью из плоскообразных сопел 16, воздействует на разрушаемую породу, нагревает ее. Устройство вращения или колебания 6 плазмотрона 3 обеспечивает вращение (или колебание) вокруг его оси с заданной скоростью, тем самым плазменный факел в виде трех узких струй, смыкающихся в центре с высокой температурой от 2000 до 6000-10000^oC и большой скоростью, циклически нагревает породу (в центральной области нагреваемой породы происходит нагрев до температуры плавления и ее удаление плазменной струей). Периферийные области периодически прогреваются плазменной струей и охлаждаются принудительно подачей воды через систему каналов 10 сопел 9 подачи охлаждающей породу среды. Периодический скоростной нагрев и резкое охлаждение позволяет интенсивно разрушать породу на мелкие частицы, которые удаляются устройством отсасывания 7 разрушенной породы через канал трубы 8.

Устройство поступательной подачи 11 плазмотрона 3 обеспечивает поступательную подачу к разрушаемой породе с заданными скоростями, причем максимальное и минимальное положение плазмотрона 3 относительно разрушаемой породы обеспечивается датчиками крайних положений 32 и 33 путем выключения поступательной подачи датчиком 32 при достижении минимального расстояния и включения поступательной подачи датчиком 33 при достижении максимального расстояния. Устройство поступательной подачи 11 плазмотрона 3 обеспечивает также при необходимости быстрый подъем или спуск плазмотрона 3 в скважине.

По мере бурения часть породы газов вместе с парами отбирается датчиком 13 газоанализатора и анализируется на предмет химического состава газоанализатором 12, непрерывно либо периодически записывается его пишущим устройством.

В случае недостаточной эффективности бурения на описанных выше режимах при бурении некоторых пород (например, застывшие лавы вулканов) установка электродугового плазмобура может обеспечить режим разрушения без подачи охлаждающей воды с нагревом породы до температуры плавления, выдувом ее плазмой и отсос в виде капель и паров и режимы с циклическим нагревом и самоохлаждением породы. В случае встречи в скважине с горючими веществами и возникновении пожара срабатывает датчик пожара 36, выключает источник электропитания и включает сигнализацию о пожаре. Дуги гаснут, а подача дозы воды обеспечивает тушение пожара либо автоматически, либо оператором установки электродугового плазмобура.

Плазмотрон 3 (фиг. 4), имеющий центральный электрод 21, расположенный в центральном канале 17, позволяет применять в одном плазмотроне плоскообразные сопла 16 различной длины и при этом обеспечивать электропитание от источника питания переменного трехфазного тока с нулевым проводом, а также использовать три самостоятельных источника электропитания переменного однофазного тока или постоянного тока. Такая конструкция плазмотрона 3 позволяет также уменьшить тепловое воздействие дуг на поверхность плоскообразных сопел 16 в области центрального канала 17.

Конструкция плазмотрона 3, содержащего четыре плоскообразных сопла 16 (фиг. 5), позволяет увеличить тепловой поток, воздействующий на породу на одну четверть по сравнению с плазмотроном (фиг. 3 и 4) при одинаковой нагрузке на электроды 19, кроме того при расположении плоскообразных сопел 16 под углом 90^o друг к другу (противоположные плоскообразные сопла 16 находятся в одной плоскости, угол между ними составляет 180^o) уменьшить тепловую нагрузку на поверхность плоскообразных сопел 16 от дуговых разрядов в области центрального канала 17 (дуга без изгиба горит в плоскости симметрии плоскообразных сопел 16). Плазмотрон 3 (фиг. 6), содержащий четыре плоскообразных сопла 16, четыре периферийных электрода 19 и центральный электрод 21 позволяет использовать относительно низковольтные источники электропитания как переменного, так и постоянного тока при сохранении высокой плотности энергии, подводимой к разрушаемой породе.

Использование предлагаемой установки электродугового плазмобура позволяет эффективно с большой скоростью и небольшим расходом энергии разрушать породу с использованием трех режимов разрушения:
1) циклический скоростной нагрев с резким принудительным охлаждением;
2) циклический нагрев и самоохлаждение;
3) нагрев до температуры плавления и выше с выдувом расплавленной породы и ее отсос в виде капель и паров.

Установка позволяет производить экспресс-анализ по всей длине пробуренной скважины химического состава материала разрушаемой породы, что позволяет использовать ее в геологоразведке, для нее характерен высокий КПД, большой ресурс и пожаробезопасность в процессе бурения.

Изобретение относится к устройствам бурения твердых, каменистых пород при проходке скважин, тоннелей, траншей и т.д. с возможностью экспресс-анализа химического состава породы. Установка электродугового плазмобура содержит буровую колонку, плазмотрон, устройство отсасывания разрушенной породы, устройство вращения или колебания плазмотрона, устройство поступательной подачи плазмотрона, газоанализатор, датчик которого установлен у основания буровой колонки. Плазмотрон может содержать два, три, четыре и более плоскообразных сопел, периферийные электроды и центральный электрод, соединенные с одним или несколькими источниками электропитания. Соответственно количеству плоскообразных сопел установлены сопла подачи охлаждающей породу среды. 4 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Установка электродугового плазмобура, содержащая буровую колонку, соединенную с источником нагрева разрушаемой породы, отличающаяся тем, что источник нагрева выполнен в виде плазмотрона, соединенного с системой подачи плазмообразующего газа и системой охлаждения плазмотрона, содержащего корпус, не менее двух плоскообразных сопел, расположенных с пересекающимися межэлектродными промежутками и объединенных центральным каналом плазмотрона, не менее трех электродов, соединенных с одним или несколькими источниками электропитания, устройство вращения или колебания плазмотрона, устройство отсасывания разрушенной породы, сопла подачи охлаждающей породу среды, закрепленные у основания буровой колонки и имеющие систему каналов, устройство поступательной подачи плазмотрона, газоанализатор, датчик которого установлен у основания буровой колонки. 2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что плоскообразные сопла плазмотрона в количестве трех штук расположены под углом 120^o друг к другу в виде звезды, три периферийных электрода установлены на периферии плоскообразных сопел и соединены с источником электропитания переменного трехфазного тока по схеме "треугольник". 3. Установка по п.1, отличающаяся тем, что плоскообразные сопла плазмотрона в количестве трех штук расположены под углом 120^o друг к другу в виде звезды, три периферийных электрода установлены на периферии плоскообразных сопел, в центральном канале плазмотрона установлен центральный электрод. 4. Установка по п.1, отличающаяся тем, что плазмотрон содержит четыре плоскообразных сопла, расположенных под углом 90^o друг к другу четыре периферийных электрода, расположенных на периферии плоскообразных сопел попарно друг против друга и попарно соединенных с двумя источниками электропитания. 5. Установка по п.1, отличающаяся тем, что плазмотрон содержит четыре плоскообразных сопла, расположенных под углом 90^o друг к другу, четыре периферийных электрода, расположенных на периферии плоскообразных сопел, центральный электрод, расположенный в центральном канале плазмотрона, соединенных попарно с четырьмя источниками электропитания по схеме один периферийный электрод и центральный электрод с одним источником электропитания.