Устройство для электротермического бурения-плавления скважин во льду Советский патент 1992 года по МПК E21B7/15 E21C37/18 

сл

С

Изобретение относится к горному делу и м.б. использовано при бурении-плавлении скважин во льдах. Цель изобретения - повышение эффективности бурения за счет перераспределения внешнего и внутреннего тепловых потоков. Корпус состоит из внутреннего кольца 1 и наружной обечайки 2. Между ними укреплен тепловод 3 полутороидальной формы с ферромагнитными обечайками 4 в его полости. Индуктор 5 создает поле, замыкающееся по обечайкам 4. При этом в последних выделяется тепло, излучаемое в массив льда. Максимум тепловой энергии (до 80%) сконцентрирован на забое, что повышает эффективность работы устройства. 1 ил.

//

о о

кэ

Предлагаемое устройство относится к технике, применяемой в горной промышленности, в частности к устройствам для бурения скважин во льду и мерзлых грунтах, и может быть использовано для отбора керна из грунтов и ледяных покровов.

Известно устройство для электротермического бурения скважин во льду, включающее цилиндрический полый корпус, в теле которого расположены витки электронагревательного элемента 1. Недостатком устройства является то, что в устройстве, несмотря на наличие торцового нагревательного элемента, коэффициент теплопередачи относительно невысок вследствие рассеяния тепла в верхней части корпуса.

Наиболее близким к предлагаемому устройству по технической сущности и дости- гаемо.му результату является устройство для электротермического бурения скважин во льду, включающее полый цилиндрический корпус-магнитопровод, в теле которого по периметру расположены витки индуктора, плоскость намотки которых в продольном сечении перпендикулярна торцу корпуса-магнитопровода. Недостатком устройства для электротермического бурения скважин во льду является то, что вследствие отсутствия направленной концентрации энергии на забое снижается КПД теплопередачи, возрастает энергоемкость бурения из-за расплавления объемов льда около стенок скважины и, в итоге, уменьшается эффективность бурения.

Цель изобретения - повышение эффективности бурения за счет увеличения мощности, реализуемой на забое.

. Поставленная цель достигается тем, что между внутренним кольцом корпуса и обечайкой жестко закреплен тепловод полутороидальной формы, имеющий внутреннюю полость с ферромагнитными обечайками, причем высота открытой наружной поверхности теплопровода в 2-4 раза превышает высоту открытой внутреннней поверхности тепловода.

На чертеже схематически изображено устройство для электрического бурения скважин во льду, продольный разрез.

Устройство состоит из разъемного полого цилиндрического корпуса, включающего внутреннее кольцо 1 и наружную обечайку 2, выполненную из материала низкой теплопроводности, В корпусе расположен медный концентратор тепловой энергии - тепловод 3, внутренняя полость которого покрыта плотно прилегающими к тепловоду обечайками 4 из ферромагнитного материала. В полости тепловода расположены витки медных проводников - индуктор 5 в изоляции 6.

Устройство для электротермического бурения скважин во льду работает следующим образом,

После установки на лед и подключения к источнику питания повышенной частоты (5,5-4 кГц) по индуктору 5 протекает ток, который создает магнитное поле, замыкаю0 щееся по ферромагнитным обечайкам 4. При этом в них индуктируется. ЭДС, под действием которой по обечайкам проходит ток, выделяя тепловую энергию.Так как обечайки 4 плотно прилегают к тепловоду 3

5 (например, заклепочное соединение), то температурное напряжение при передаче требуемого количества тепла от обечаек 4 к тепловоду 3 незначительно.

По сравнению с традиционным спосо0 бом передачи тепла, заключающимся в том, что нагреватель, по которому протекает ток от внешнего источника, имеет электроизоляцию, а следовэтельно.и повышенное тепловое сопротивление при передаче тепла.

5В предлагаемом устройстве выделяемая тепловая энергия сконцентрирована (80% от всей мощности устройства) на торце, т.е. в области контакта с забоем, что значительно увеличивает скорость буре0 ния -плавления скважин.

Корпус устройства, состоящий из внутреннего кольца 1 и наружной обечайки 2, выполнен из стали, т.е. из материала менее теплопроводного, чем медь. Таким образом,

5 уменьшена теплопередача через боковые поверхности.

Величина корпуса тепловода из-под экранирующих частей корпуса корректируется в зависимости от величины разработки

0 скважин и необходимого диаметра керна.

Использование предлагаемого устройства позволяет существенна увеличить мощность, реализуемую на забое, за счет того, что нагреватель передает тепловую

5 энергию непосредственно- тепловоду, а не через изоляцию (электро-или тепло}, как при традиционном способе нагрева. Температура всех частей устройства не превышает 100°С при заметно больших передаваемых

0 мощностях. Это обеспечивает эффективность бурения за счет увеличения мощности и повышения надежности отдельных элементов и их долговечности.

Кроме того, предлагаемое устройство

5 позволяет в процессе бурения выдерживать заданные диаметры как скважины за счет управления тепловым потоком, передаваемым в радиальном направлении в скважину, так и керна. Это позволяет вести безаварий- ное бурение скважины во льду с требуемым

зазором между снарядом и скважиной при максимально возможных диаметрах скважины и керна.

При испытании предлагаемого устройства пробурено 200 м скважины. Высокая надежность устройства позволяет вести эффективно бурение-плавление ледников в различных режимах, как сухих, так и залитых незамерзающей жидкостью скважин. Керн, получаемый при бурении-плавлении, содержит многостороннюю информацию об изменении природных условий Земли и представляет большой интерес для целого ряда естественных наук, таких,как гляциология, геофизика, микробиология и др. Ф о р м-ула изобретения Устройство для электротермического бурения-плавления скважин во льду, содер0

5

жащее корпус, состоящий .из внутреннего кольца и наружной обечайки из материала с низкой теплопроводностью, и индуктор, витки которого намотаны в плоскости, пер- nei икулярной к торцу корпуса, отличающееся тем, что, с целью повышения эффективности бурения путем перераспределения внешнего и внутреннего тепловых потоков, оно снабжено тепловодом полутороидальной формы с внутренней полостью и размещенными в последней ферромагнитными обечайками, причем тепловод закреплен между кольцом и обечайкой с обеспечением превышения высоты открытой наружной поверхности тепловода над высотой его открытой внутренней поверхности в 2-4 раза.