ЭЛЕКТРОИМПУЛЬСНЫЙ БУР Российский патент 2006 года по МПК E21B7/00 E21C37/18 

Изобретение относится к техническим средствам для бурения скважин электроимпульсным способом с промывкой электропроводящими и электроизоляционными жидкостями. Оно может найти применение при бурении скважин и стволов, резании горных пород, разрушении искусственных материалов, например слоя загрязненных полов производственных помещений и т.п.

Известен электроимпульсный бур (патент РФ №730029, МПК 5 Е 21 С 37/18, опубл.30.10.93 г., бюл. №39-40), который позволяет вести бурение скважин не только с использованием электроизоляционных, но и электропроводящих промывочных жидкостей. Он состоит из полого заземленного корпуса, в котором закреплен изолированный высоковольтный токопровод. Токопровод соединен с изолированными высоковольтными электродами, расположенными внутри наружной коронки. Разрушение горной породы происходит при подаче в корпус промывочной жидкости и подаче на токопровод импульсов высокого напряжения. При этом бур вращают или перемещают по разрушаемой поверхности.

Основным недостатком этого бура является сравнительно низкое электрическое сопротивление призабойного узла, т.к. наименьшее число электродов равно пяти, из которых два высоковольтных, тогда как наиболее высокое сопротивление у конструкций из двух электродов, один из которых высоковольтный. При низком электрическом сопротивлении призабойного узла происходят большие утечки импульсных токов, что приводит к снижению эффективности бурения.

Наиболее близким к предложенному буру по конструкции и достигаемому эффекту является электроимпульсный бур (патент РФ №730032, МПК 5 Е 21 С 37/18, опубл.15.02.94 г., бюл. №3), состоящий из полого заземленного корпуса с наружной коронкой, в продольной прорези которых установлены высоковольтные изолированные токопровод и электрод. Бур выполняется как с трехэлектродной системой: один высоковольтный электрод и два выступа заземленной наружной коронки, так и с двухэлектродной: один высоковольтный электрод и один выступ наружной коронки.

Основным недостатком этого бура является сравнительно низкая эффективность бурения, которая связана с тем, что конструктивно предусмотрено постоянное вращение (перемещение) электродов по забою скважины: и когда электрический разряд внедрился в горную породу и произвел ее откол (глубина откольной воронки обычно равна 1/3 от величины межэлектродного промежутка), и когда не внедрился, и когда внедрился, но откола не произошло. В результате этого забой представляет собой поверхность с бессистемно расположенными откольными воронками. При двухэлектродной системе, когда оба электрода или один оказываются на краю откольной воронки, в 1,5 раза увеличивается длина канала пробоя и поэтому электрический разряд лишь частично внедряется в горную породу или совсем не внедряется, что и снижает эффективность электроимпульсного разрушения. Более того, в таких случаях увеличивается электрическая нагрузка на изоляционные элементы бура.

Техническим результатом предложенного решения является повышение эффективности бурения в 1,2-1,5 раза за счет увеличения числа электрических разрядов, внедрившихся в горную породу и сделавших при этом эффективное откалывание кусков этой породы, т.е. во всем промежутке между электродами, а не только под одним из электродов или в части межэлектродного промежутка. При этом наиболее высокая эффективность достигается в крепких горных породах при межэлектродных промежутках 50-100 мм и более, при которых вес одной частицы шлама бывает десятки граммов и даже несколько килограммов.

Указанный технический результат достигается тем, что в электроимпульсном буре, состоящем из корпуса бура и буровой коронки, в продольных прорезях которых с помощью изолятора укреплены высоковольтные токопровод и электрод, причем корпус бура соединен с узлом вращения, имеющим блок его включения и выключения, согласно предложенному решению буровая коронка снабжена подвижным электродом, выступающим из торца этой коронки ниже другого электрода, первого по ходу вращения, и ограничителем перемещения подвижного электрода, выполненным сменным на ограничители перемещения различной длины.

Целесообразно подвижный электрод выполнять в виде двухрожковой вилки, обращенной в сторону высоковольтного электрода.

Целесообразно также корпус бура и буровую коронку выполнять из электроизоляционного материала.

Кроме того, целесообразно подвижный электрод устанавливать в торцевой части изолятора.

Также целесообразно к подвижному электроду прикреплять тягу, соединенную с блоком включения и выключения узла вращения бура.

Проведенный заявителем анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностями признаков, тождественными всем признакам заявляемого устройства, отсутствуют.

Результаты поиска известных решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа заявляемого изобретения, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники.

Из определенного заявителем уровня техники не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками изобретения преобразований на достижение указанного технического результата. Следовательно, изобретение соответствует условию патентоспособности "изобретательский уровень".

Пример конкретного выполнения. На фиг.1 приведен общий вид электроимпульсного бура, на фиг.2 - его сечение по линии А-А; на фиг.3 - сечение по линии Б-Б; на фиг.4 и фиг.5 - вариант выполнения его подвижного электрода: вид сбоку и вид спереди; на фиг.6 представлен общий вид бура, корпус которого и буровая коронка выполнены из электроизоляционного материала; на фиг.7 подвижный электрод бура установлен в торцевой части изолятора; на фиг.8 показана связь тяги с блоком включения и выключения узла вращения бура. Бур (фиг.1) состоит из корпуса 1 с буровой коронкой 2. В продольных прорезях корпуса 1 и буровой коронки 2 установлен высоковольтный изолятор 3, в котором укреплены высоковольтные токопровод 4 и электрод 5. Буровая коронка 2 выполнена с промывочными окнами 6. В торцевом отверстии этой коронки 2 установлен подвижный электрод 7, выступающий из торца за счет воздействия на него пружины 8. Высоковольтный электрод 5 и подвижный электрод 7 образуют межэлектродный промежуток для воздействия электрическими разрядами на горную породу с образованием канала электрического пробоя 9. Масса подвижного электрода 7 может достигать сотен граммов. Над подвижным электродом 7 внутри пружины 8 свободно установлен ограничитель перемещения 10 подвижного электрода 7. Ограничитель перемещения 10 представляет собой кусочек трубки. Целесообразно иметь набор сменных ограничителей 10 различной длины, которая зависит от конкретных условий (величины межэлектродного промежутка, свойств горных пород) и подбирается экспериментально.

Для нормального процесса бурения вращать бур следует при соединении корпуса бура 1 с узлом вращения через муфту предельного момента. Узел вращения и муфта предельного момента на чертежах не показаны, т.к. реальные буровые станки, например СКБ-5, ЗИФ-650М, ЗИФ-1200МР, СКБ-3, СКБ-4, с целью предохранения механизмов станков от перегрузок оснащены фрикционными муфтами, настраиваемыми на передачу определенного крутящего момента, при превышении которого диски муфт проскальзывают друг относительно друга.

Соединение корпуса бура 1 с узлом вращения через муфту предельного момента необходимо не только для предохранения узлов и деталей от механических перегрузок, но и для того, чтобы узел вращения работал только тогда, когда после развития канала электрического пробоя 9 кусочек горной породы над ним отколот. Иногда для такого откола необходима подача двух и более импульсов высокого напряжения.

Для повышения эффективности электроимпульсного разрушения к подвижному электроду 7 прикреплена тяга 11, которая пропущена через ограничитель перемещения 10.

Выполнение подвижного электрода 7 возможно в трех вариантах: в виде цилиндрического стержня, в виде стержня с призабойным выступом 12 в нижней части, обращенным в сторону высоковольтного электрода 5 (фиг.1), и в виде двухрожковой вилки (фиг.4 и фиг.5), рожки которой 13 (фиг.5) обращены также в сторону высоковольтного электрода 5 (фиг.1). При небольшой длине бура его корпус 1 и буровая коронка 2 могут быть выполнены из электроизоляционного материала (фиг.6), а подвижный электрод 7 может быть установлен в торцевой части изолятора 3 (фиг.7), что позволяет повысить электрическое сопротивление призабойной части бура и снизить утечки токов при подаче на токопровод 4 импульсов высокого напряжения. При выполнении корпуса бура (фиг.6) и буровой коронки 2 из электроизоляционного материала электрическая связь подвижного электрода 7 с источником импульсов высокого напряжения может быть осуществлена через токопроводящую тягу 11. В простейшем случае достаточно тягу 11 заземлить, т.е. соединить с контуром заземления источника импульсов.

На фиг.8 верхняя часть 14 токопроводящей тяги 11 выполнена из электроизоляционного материала и прикреплена к электропроводящей перемычке 15, расположенной над контактами 16. Контакты 16 электропроводниками 17 подключены к токосъемным кольцам 18, которые с помощью проводов 19 электрически присоединены к блоку включения и выключения 20 узла вращения.

При экспериментальной проверке работы электроимпульсного бура его межэлектродный промежуток между высоковольтным электродом 5 и подвижным электродом 7 (в горизонтальной плоскости) составлял 50 мм; в качестве источника импульсов высокого напряжения применялся генератор, собранный по схеме Аркадьева-Маркса с номинальным напряжением 500 кВ и емкостью в разряде 0,035 мкФ; исходное удельное сопротивление использовавшейся технической воды составляло 6·10³ Ом·см. Бурение проводилось в блоках слабосцементированного песчаника, мрамора и крупнозернистого гранита.

Работа электроимпульсного бура заключается в следующем. После установки его на забой скважины в затрубное пространство (по стрелке а, фиг.1) закачивается промывочный агент, который, омыв забой, через промывочные окна 6 попадает во внутреннюю полость бура, по которой (по стрелке 6) поднимается на поверхность. Импульсы высокого напряжения от генератора подводят к высоковольтному токопроводу 4, через который они попадают на высоковольтный электрод 5. Подвижный электрод 7 заземляют через корпус бура 1 и буровую коронку 2 (или подводят импульсы другой полярности, чем на высоковольтный электрод 5). Первые импульсы высокого напряжения подают на высоковольтный токопровод 4 при невращающемся буре, чтобы подвижный электрод 7 максимально опустился в откольную воронку, образующуюся при развитии каналов электрических пробоев 9 в горной породе. Затем бур вращают и идет процесс последовательного разрушения горной породы по кольцевому забою скважины. В идеале следовало бы сделать так, чтобы подвижный электрод 7 выступал из торца буровой коронки 2 на величину межэлектродного промежутка. Однако это может привести к развитию части или всех электрических разрядов между высоковольтным электродом 5 и стенкой подвижного электрода 7 по поверхности горной породы непосредственно под торцевой частью буровой коронки 2, особенно при использовании электропроводящих промывочных жидкостей. При этом важную роль играют и электрофизические свойства горной породы. В условиях опытного бурения наилучшие результаты получены, когда подвижный электрод 7 выступал из торца коронки 2 в слабосцементированном песчанике на 30-35 мм, в крупнозернистом граните на 25-30 мм, в мраморе на 15-20 мм. С другой стороны, нельзя допускать, чтобы подвижный электрод 7, например, стержневой формы без выступа 12, полностью или почти полностью находился в отверстии буровой коронки 2, т.к. в таких случаях бур будет работать, как прототип, т.е. электрические разряды будут развиваться бессистемно: в т.ч. по поверхности горной породы или в жидкости, когда высоковольтный электрод 5 и подвижный электрод 7 находятся на краях откольной воронки. Предотвратить это позволяет применение сменных ограничителей перемещения 10 подвижного электрода 7. Пружина 8 обеспечивает постоянный контакт подвижного электрода 7 с горной породой, т.к. для развития электрических разрядов в горной породе необходимо, чтобы высоковольтный электрод 5 и подвижный электрод 7 контактировали с горной породой.

При бурении в некоторых горных породах, например мраморе, и при значительной толщине стенки призабойной части буровой коронки 2 (в несколько сантиметров) горная порода под подвижным электродом 7 разрушается неравномерно и происходит временное зависание подвижного электрода 7, требуются дополнительные электрические разряды. При использовании подвижного электрода, выполненного в виде двухрожковой вилки (фиг.4 и фиг.5), обращенной в сторону высоковольтного электрода 5 (фиг.1), электрические разряды развиваются в горной породе между высоковольтным электродом 5 и каждым рожком поочередно, а часть горной породы между рожками разрушается от бокового воздействия электрических пробоев без дополнительных разрядов.

Выполнение корпуса бура 1 и особенно буровой коронки 2 (фиг.6) из электроизоляционных материалов целесообразно при использовании электропроводящих промывочных жидкостей, т.к. это позволяет заметно (в опытах на 8-19%) снизить утечки (растекания) импульсных токов и полнее использовать энергию подводимых к буру импульсов высокого напряжения для разрушения горных пород. Однако для этих целей нельзя использовать хрупкие электроизоляционные материалы, слабые по механической прочности, с низким напряжением электрического пробоя. Но при сравнительно небольшой требуемой глубине разрушения горной породы эффективно изготовление бура с максимальным использованием в его конструкции электроизоляционных материалов.

Тот же результат достигается при установке подвижного электрода 7 в торцевой части изолятора 3 (фиг.7). Бур такой конструкции удобно использовать при резании горных пород, снятии с искусственных материалов, например, загрязненных радиоактивными отходами полов загрязненного слоя, перемещая бур не только по окружности, а практически в любом нужном направлении.

Эффективность бурения может снизиться из-за того, что поверхность откола на забое скважины (фиг.1) под высоковольтным электродом 5 имеет наклонную поверхность и при вращении бура электрод 7 из-за своей подвижности может как бы наехать на эту наклонную поверхность в пределе, пока не упрется верхним торцом в ограничитель перемещения 10. В результате этого в дальнейшем уменьшается толщина отколотого кусочка горной породы над каналом электрического пробоя 9. Предотвратить это позволяет тяга 11, которая включает в работу узел вращения только тогда, когда подвижный электрод 7 выступает из торца коронки 2 на заданную глубину: при опытных испытаниях в слабосцементированном песчанике на 30-35 мм, в крупнозернистом граните на 25-30 мм. Если глубина меньше, то через тягу 11 происходит выключение узла вращения, импульсы высокого напряжения продолжают поступать к буру и, когда подвижный электрод 7 опустится на заданную глубину, снова включается вращение.

Один из вариантов выполнения такого включения приведен на фиг.8. При опускании подвижного электрода на заданную глубину вниз опускается прикрепленная к нему тяга 11, с верхней частью 14 которой опускается и перемычка 15, замыкая контакты 16. При этом через электропроводники 17, токосъемные кольца 18 и провода 19 включается блок включения и выключения 20 узла вращения. Когда подвижный электрод приподнимается, через тягу 11 и ее верхнюю часть 14 приподнимается и перемычка 15, размыкая электрическую цепь. Возможен вариант с одним токосъемным кольцом и другие.

При опытном бурении в сравнении с прототипом эффективность бурения (объем разрушенной горной породы) возросла в слабосцементированном песчанике в среднем на 20%, в крупнозернистом граните на 28%, в мраморе на 47%. Это достигнуто за счет соответствующего увеличения числа импульсов высокого напряжения, внедрившихся в горную породу в большей части межэлектродного промежутка.

Изобретение относится к техническим средствам для бурения скважин электроимпульсным способом и может найти применение при бурении стволов и скважин, резании горных пород, разрушении искусственных неэлектропроводящих материалов. Электроимпульсный бур состоит из корпуса 1 бура, буровой коронки 2, в продольных прорезях которых с помощью изолятора 3 укреплены высоковольтные токопровод 4 и электрод 5. Буровая коронка 2 снабжена подвижным электродом 7, выступающим из торца этой коронки, и ограничителем перемещения 10 подвижного электрода 7. Корпус бура 1 соединен с узлом вращения через муфту предельного момента. Достигаемым техническим результатом является повышение эффективности разрушения горных пород за счет увеличения внедрившихся в эти породы электрических разрядов. 4 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Электроимпульсный бур, состоящий из корпуса бура и буровой коронки, в продольных прорезях которых с помощью изолятора укреплены высоковольтные токопровод и электрод, причем корпус бура соединен с узлом вращения, имеющим блок его включения и выключения, отличающийся тем, что буровая коронка снабжена подвижным электродом, выступающимиз торца этой коронки ниже другого электрода, первого по ходу вращения, и ограничителем перемещения подвижного электрода, выполненным сменным на ограничители перемещения различной длины.2. Электроимпульсныйбур по п.1, отличающийся тем, что подвижной электрод выполнен в виде двухрожковой вилки, обращенной в сторону высоковольтного электрода.3. Электроимпульсный бур по п.1, отличающийся тем, что корпус бура и буровая коронка выполнены из электроизоляционного материала.4. Электроимпульсный бур по п.1, отличающийся тем, что подвижный электрод установлен в торцевой части изолятора.5. Электроимпульсный бур по п.1, отличающийся тем, что к подвижному электроду прикреплена тяга, соединенная с блоком включения и выключения узла вращения бура.