Устройство для электротермического бурения скважин Советский патент 1990 года по МПК E21C37/18 

Изобретение относится к горной промышленности, в частности к устройствам для электротермического бурения скважин, например, плавлением твердой среды (льда).

Цель изобретения - повышение подводимой к породе мощности при одновременном снижении уровня избирательности электротермического разрушения.

На фиг.1 показана общая схема устройства; на фиг.2 - буровая часть устройства; на фиг. 3 - буровая штанга с перегородками; на фиг.4 - разрез А-А на фиг.З; на фиг.5 - перегородка.

Устройство для электротермического бурения скважин имеет (фиг.1) монтажное основание 1, вращатель 2, штангодержа- тель 3, подъемник 4, сальник 5, магнетрон 6, компрессор 7, керносборник 8, буровую

штангу 9 с волноводом 10 для канализации СВЧ-энерги и и высокотемпературный пе- нетратор 11.

Буровая штанга 9 (фиг.З и 4) представляет собой пару коаксиальных трубчатых элементов 12 и 13, образующих кольцевую полость 14 между ними. Трубчатые элементы 12 и 13 вдоль буровой штанги 9 могут собираться из секций, составляя колонну (не показана) буровых штанг 9,

Наружный 12 и внутренний 13 трубчатые элементы жестко соединены центрирующими перегородками 15, смещенными одна относительно другой в плоскости, перпендикулярной оси 16 штанги 9, и разнесенными в направлении оси 16 на расстояние, равное длине волны электромагнитного излучения или превышающее ее. Согласование высоты разноса перегородок 15 с

О

о

00

со N о

линой волны излучения обуславливается словиями формирования магнитного потоа. Чтобы избежать поглощения и отражеия электромагнитного излучения в волноводе 10 от поперечных потоку площа- 5 ок перегородок 15, их выполняют скошенными, например ,по нескольким плоскостям фиг.5). Секции штанг 9 соединяются в коонну посредством резьбовых соединений не показаны). Высокотемпературный пе- 10 нетратор 11 (фиг.2) состоит из нагревателя 17, изготавливаемого из жаростойкого материала, например, молибдена; термоизолятора 18 и кристаллизатора 19, соединяемых со штангой 9 переходником 20. 15 Нагреватель 17 образован торцовыми приза- бойными частями 21 и 22 трубчатых злемен- тов 12 и 13, а торцы 23 и 24 этих частей 21 и 22 вплотную соединены друг с другом с образованием кольцевой конусной полости 25. 20

Преобразователь электромагнитной энергии в тепловую происходит за счет образующейся короткозамкнутой нагрузки путем перевода кольцевой цилинрической полости 26 волноводного тракта в конусную полость 25. 25

Термоизолятор 18 выполняется из термостойкого материала с низкой теплопроводностью, например нитрида алюминия и предназначен для предотвращения ухода тепла в трубы штанги 9.30

Кристаллизатор 19 также выполняется из термостойкого материала, но с высокой теплопроводностью, например, графита и предназначен для охлаждения и кристаллизации расплава горной породы и формиро- 35 вания ствола скважины. Шламопровод 27 размещен внутри трубчатого элемента 13.

Устройство работает следующим образом.

После сборки бурового снаряда, в состав 40 которого входят секционный волновод 19 и пенетратор 11, и постановки его на забой скважины включается магнетрон 6. Электромагнитное излучение магнетрона частотой, например, 2-6 ГГц по волноводу 10 45 подается в нагреватель 17 пенетратора 11. Вследствие того, что волновод 10 нагревателя 17 выполнен в виде кольцевой конической полости 25, образующей плавный переход от коаксиальной линии к коротко- 50 замкнутому концу, в нагреватель 17 передается основная часть СВЧ-энергии. При прохождении электромагнитного излучения через нагреватель 17 в нем за счет потерь происходит преобразование электромаг- 55 нитной энергии в тепловую. При этом вследствие уменьшения размеров кольцевого сечения конусной полости 25 нагревателя 17 и увеличения в этой связи напряженности поля, а следовательно, и потерь наибольшее выделение тепла происходит вблизи торцов 23 и 24, т.е. в месте контакта с разрушаемой горной породой. Тепловой поток контактным путем направляется в породу, температура которой на контакте с пенетратором увеличивается, достигая тем- пера туры ее плавления, Температуры плавления подавляющей части горных пород составляют 1200-1700°С. Порода плавится, образуя вокруг пенетратора зону 28 расплава. Осевым давлением на пенетратор 11 через штангу 9 образующийся расплав 28 выдавливается в шламопровод 27, к которому по волноводу 10 подводится охлаждающий очистной агент. Для прохода очистного агента из полости волновода 10 в шламопровод 27 в теле термоизолятора 18 предусматриваются проходы 29.

В зоне внешней поверхности пенетратора 11 поднимающийся расплав 28 породы, достигая уровня кристаллизатора 19, теряет температуру, кристаллизуется и образует остеклованный слой 30 на стенках скважины.

В зависимости от величины внутреннего диаметра пенетратора 11 бурение может осуществляться как с отбором горных пород, так и сплошным забоем. Образующийся керн 31 и гранулированный затвердевший расплав (шлам) 32 выносится потоком очистного агента на поверхность.

Возможно использование варианта в виде одного трубчатого элемента 13 без шламопровода 27 (вариант с одной просто конической полостью не показан).

Формула изобретения

1.Устройство для электротермического бурения скважин, включающее вращатель, буровую штангу с волноводом для канализации СВЧ-энергии, шламопровод и нагреватель, отличающееся тем, что, с целью повышения подводимой к породе мощности при одновременном снижении уровня избирательности электротермического разрушения, буровая штанга выполнена в виде двух полых коаксиальных трубчатых элементов, причем последние образуют кольцевую полость между ними, при этом нагреватель образован торцовыми прИчЗабойными частями трубчатых элементов, а торцы этих частей вплотную соединены друг с другом с образованием конусной кольцевой полости между ними.

2.Устройство поп.1,отличающее- с я тем, что трубчатые элементы жестко Связаны между собой с помощью центрирующих перегородок, которые смещены отно- сительно одна другой в плоскости, перпендикулярной к оси штанги, и разнесены в направлении оси штанги на расстояние не менее длины полуволны магнитного излучения.

/ /////// /Л

У/ /// /// //

/4

Фиг. 5

Изобретение относится к горной промышленности и предназначено для электротермического бурения твердых сред плавлением. Цель - повышение подводимой к породе мощности при одновременном снижении уровня избирательности электротермического разрушения. Устройство содержит вращатель, буровую штангу в виде пары коаксиальных трубчатых элементов (ТЭ) 12, 13, установленных с образованием кольцевой полости между ТЭ 12, 13. Торцы 23, 24 ТЭ 12, 13 соединены вплотную с образованием конусной кольцевой полости 25. Торцовые призабойные части 21, 22 ТЭ 12, 13 образуют нагреватель 17. Рабочая часть штанги имеет кристаллизатор и шламопровод 27. При работе устройства СВЧ-энергия канализируется по волноводу на короткозамкнутые торцы 23, 24, а расплав, шлам породы выдавливается в сторону стенок скважины и шламопровода 27. Возможно бурение льда. 1 з.п.ф-лы, 5 ил.

фиг