БУРОВОЙ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЙ СНАРЯД С ОБРАТНОЙ ПРИЗАБОЙНОЙ ЦИРКУЛЯЦИЕЙ ВОЗДУХА Российский патент 2023 года по МПК E21B7/00 E21B25/00 

Изобретение относится к буровой технике и может быть использовано для колонкового бурения скважин в снежно-фирновой толще ледников Арктики и Антарктики.

Известен буровой зонд на шлангокабеле (Gibson C., Boeckmann G., Meulemans Z., Kuhl T., Koehler J., Johnson J., Slawny K. RAM-2 Drill system development: An upgrade of the Rapid Air Movement Drill // Annals of Glaciology. 2020. № 62 (84). P. 1-10. doi: 10.1017/aog.2020.72) состоящий из шлангокабеля, распорного устройства, вольфрамовых утяжелителей, модуля электроники, бесщёточного электродвигателя постоянного тока, планетарного редуктора, резцовой головки.

Недостатком конструкции является резцовая коронка для бурения сплошным забоем, что не позволяет отбирать образцы ледового массива в виде керна.

Известна установка для быстрого бурения льда с непрерывной транспортировкой шлама и керна по воздуху (Wang, R.; An, L.; Cao, P.; Chen, B.; Sysoev, M.; Fan, D.; Talalay, P. Rapid ice drilling with continual air transport of cuttings and cores: General concept // Polar Sci. 2017. 14. P. 21-29. doi:10.1016/j.polar.2017.09.004), включающая в себя воздушный компрессор, установку для охлаждения воздуха, ресивер, коалесцирующий фильтр, адсорбционную сушилку, двухканальный переключатель, привод, двустенные бурильные трубы, кернолом, буровую коронку.

Недостатком конструкции является кернолом, не обеспечивающий сохранение целостности хрупкого снежно-фирнового керна.

Известен колонковый электромеханический буровой снаряд на грузонесущем кабеле (патент CN №102828689, опубл. 06.08.2014) включающий в себя грузонесущий кабель, кабельный замок, токосъемное кольцо, распорное устройство, электродвигатель, вариатор скорости, вакуумный насос, расходомер, шламосборный фильтр, колонковую трубу, буровую коронку.

Недостатком конструкции является применение вариатора скорости, кинематически связанного с приводным электродвигателем, что исключает возможность независимого регулирования скорости вращения снаряда и скорости вращения вакуумной турбины в процессе работы.

Известен колонковый электромеханический буровой снаряд на грузонесущем кабеле (А.В. Большунов, Д.А. Васильев, С.А. Игнатьев, А.Н. Дмитриев, Н.И. Васильев Механическое бурение ледников с очисткой забоя сжатым воздухом // Лед и Снег // 2022. Т.62. №1 С.35-46. doi: 10.31857/S2076673422010114) Состоящий из буровой коронки, колонковой трубы, шламосборника, шламоподъемной трубы, сетчатого фильтра, вакуумной турбины, редуктора, приводного электродвигателя, распорного устройства, электроотсека, кабельного замка, грузонесущего кабеля.

Недостатком конструкции является применение редуктора, кинематически связанного с приводным электродвигателем, что исключает возможность независимого регулирования скорости вращения снаряда и скорости вращения вакуумной турбины в процессе работы.

Известен колонковый электромеханический буровой снаряд на грузонесущем кабеле (Hu Z., Talalay P., Zheng Z., Cao P., Shi G., Li Y., Ma H. Air reverse circulation at the hole bottom in ice-core drilling // Journ. of Glaciology. 2019. V. 65. № 249. P. 149-156. doi: 10.1017/jog.2018.95.) принятый за прототип, включающий в себя буровую коронку, кернорватели, колонковую трубу, шламосборник, расходомер, рабочее колесо, мультипликатор, редуктор, двигатель, герметичный приборный отсек, распорное устройство, подшипник, токосъемное кольцо, датчик нагрузки, кабельный замок, пружину, грузонесущий кабель.

Недостатком является применение в конструкции снаряда сетчатого шламосборного фильтра, обладающего низкой эффективностью при работе с сжатым воздухом, и повышение его гидравлического сопротивления в процессе заполнения, что негативно сказывается на процессе удаления шлама.

Техническим результатом является, повышение эффективности колонкового бурения снежно-фирнового горизонта.

Технический результат достигается тем, что шламосборный фильтр состоит из трубы, в верхней части которой жестко закреплен циклонный фильтр, снизу к которому закреплен с возможностью съема шламосборный бак, в выходном патрубке циклонного фильтра жестко закреплен датчик расхода воздуха, а в трубе шламосборного фильтра сверху над датчиком расхода воздуха, жестко закреплена мотор-турбина со щеточным коллекторным узлом, напротив которой выполнены окна, в электроотсеке жестко закреплен электродвигатель с частотным управлением.

Буровой электромеханический снаряд с обратной призабойной циркуляцией воздуха поясняется следующими фигурами:

фиг. 1 - общий вид бурового снаряда;

фиг. 2 - снаряд в разрезе, где:

1 - буровая коронка;

2 - колонковая труба;

3 - ниппель;

4 - шламосборный фильтр;

5 - электроотсек;

6 - распорное устройство;

7 - кабельный замок;

8 - грузонесущий кабель;

9 - кернорвательное устройство;

10 - труба шламосборного фильтра;

11 - циклонный фильтр;

12 - шламосборный бак;

13 - датчик расхода воздуха.

14 - мотор-турбина;

15 - щеточный коллекторный узел;

16 - отводящее окно;

17 - муфта;

18 - электродвигатель с частотным управлением.

Буровой электромеханический снаряд с обратной призабойной циркуляцией воздуха состоит из буровой коронки 1 (фиг. 1), которая с возможностью съема соединена с колонковой трубой 2. Внутри буровой коронки 1 установлено с возможностью съема кернорвательное устройство 9 (фиг. 2). Колонковая труба 2 через ниппель 3 с возможностью съема соединена с шламосборным фильтром 4 (фиг. 1). Шламосборный фильтр 4 состоит из трубы шламосборного фильтра 10 (фиг. 2), в верхней части которой жестко закреплен циклонный фильтр 11. Снизу к циклонному фильтру 11 закреплен с возможностью съема шламосборный бак 12. В выходного патрубка циклонного фильтра 11 жестко закреплен датчик расхода воздуха 13. В трубе шламосборного фильтра 10 сверху над датчиком расхода воздуха 13 жестко закреплена мотор-турбина 14 со щеточным коллекторным узлом 15. В трубе шламосборного фильтра 10 напротив мотор-турбины 14 выполнены окна 16 для выхода воздуха. В электроотсеке 5 жестко закреплен электродвигатель с частотным управлением 18. Труба шламосборного фильтра 10, через муфту 17, жестко соединена с валом электродвигателя с частотным управлением 18. Сверху электроотсека 5 (фиг. 1) последовательно установлены, распорное устройство 6, кабельный замок 7 и грузонесущий кабель 8.

Буровой электромеханический снаряд с обратной призабойной циркуляцией воздуха работает следующим образом. Снаряд спускается в скважину на грузонесущем кабеле 8, закреплённом в кабельном замке 7. Распорное устройство 6 служит для предотвращения вращения верхней части снаряда в скважине. Перед постановкой бурового снаряда на забой скважины, подается питание из электроотсека 5 на электродвигатель с частотным управлением 18 и через полый вал и щеточный коллекторный узел 15 на мотор-турбину 14. Процесс бурения идет до заполнения колонковой трубы 2 керном, после чего останавливается вращение электродвигателя с частотным управлением 18, производится отрыв керна кернорвательным устройством 9, останавливается вращение мотор-турбины 14 и снаряд извлекается на поверхность.

В процессе бурения шлам с забоя удаляется за счет призабойной циркуляции воздуха осуществляемой мотор-турбиной 14. Шлам увлекается потоком воздуха, поднимается по кольцевому зазору образованным керном и колонковой трубой 2, затем движется по кольцевому зазору между трубой шламосборного фильтра 10 и шламосборным баком 12 и попадает в шламосборный фильтр циклонного типа 11. Шлам под действием центробежной силы и гравитации попадает шламосборный бак 12, а очищенный воздух через выходной патрубок циклонного фильтра 11 проходит через датчик расхода воздуха 13, мотор-турбину 14 и отводящие окна 16, обратно в затрубное пространство скважины.

Повышение эффективности колонкового бурения снежно-фирнового горизонта достигается за счет установки в буровом снаряде фильтра циклонного типа со съемным шламосборным баком, электродвигателя с частотным управлением и мотор-турбины.

Изобретение относится к буровой технике и может быть использовано для колонкового бурения скважин в снежно-фирновой толще ледников Арктики и Антарктики. Буровой электромеханический снаряд с обратной призабойной циркуляцией воздуха включает буровую коронку, колонковую трубу, шламосборный фильтр, электроотсек, распорное устройство, кабельный замок. Шламосборный фильтр состоит из трубы, в верхней части которой жестко закреплен циклонный фильтр, снизу к которому закреплен с возможностью съема шламосборный бак. В выходном патрубке циклонного фильтра жестко закреплен датчик расхода воздуха, а в трубе шламосборного фильтра сверху над датчиком расхода воздуха жестко закреплена мотор-турбина со щеточным коллекторным узлом, напротив которой выполнены отводящие окна. В электроотсеке жестко закреплен электродвигатель с частотным управлением. Обеспечивается повышение эффективности колонкового бурения снежно-фирнового горизонта. 2 ил., 2 пр.

Буровой электромеханический снаряд с обратной призабойной циркуляцией воздуха, включающий буровую коронку, колонковую трубу, шламосборный фильтр, электроотсек, распорное устройство, кабельный замок, отличающийся тем, что шламосборный фильтр состоит из трубы, в верхней части которой жестко закреплен циклонный фильтр, снизу к которому закреплен с возможностью съема шламосборный бак, в выходном патрубке циклонного фильтра жестко закреплен датчик расхода воздуха, а в трубе шламосборного фильтра сверху над датчиком расхода воздуха жестко закреплена мотор-турбина со щеточным коллекторным узлом, напротив которой выполнены отводящие окна, в электроотсеке жестко закреплен электродвигатель с частотным управлением.