Устройство для проходки скважин Советский патент 1980 года по МПК E21B7/14 E21C21/00 

Изобретение относится к области горной промышленности и может быть использовано при проходке скважин в толще льда для научно-исследовательских и промышленных целей, в частности, при бурении скважин во льдах Антарктиды и Арктики. Известно устройство для электротермического бурения скважин во льду, включаюш.ее кольцевой изолятор, обхватывающий его электронагреватель, выполненный в виде секций, огибающих торцовую часть изолятора 1. Данное устройство для своей работы требует постоянно работающей электростанции, а также емкости с горючим при работе его в отдаленных районах. Следовательно, при отборе ледяного керна в условиях Арктики и Антарктиды потребуется подвижная электроустановка, но ее транспортирование и обслуживание связаны со значительными трудностями, больщая металлоемкость, подвод горючего, сложное кабельное хозяйство. Также известно устройство для проходки скважин, содержащее газогенераторы с твердым топливом и запальным устройством, газораспределительную камеру с щелевым торцовым соплом и боковыми соплами. соединенную с камерами сгорания газогенераторов 2. Данное устройство работает на твердом топливе - порохе, транспортировка которого ввиду его небольших габаритов при больших энергетических запасах более проста. Однако это устройство предназначено для проходки скважин в горных породах и .мерзлых грунтах, но его конструкция не предусматривает воз.можности получения керна. Цель изобретения - эффективное плавление и удаление льда по всей поверхности кольцевого забоя. Достигается эта цель тем, что в известном устройстве для проходки скважин, содержащем газогенераторы с твердым топливом и запальным устройством, газораспределительную камеру с щелевым торцовым соплом и боковыми соплами, соедине ную с камерами сгорания газогенераторов, газораспределительная камера выполнена в виде тора, внутри которого установлены завихрители газового потока, а внутренняя поверхность щелевого сопла снабжена заборниками газа в виде кольцевых уступов.

На фиг. 1 показано предлагаемое устройство, общий вид; на фиг. 2 - то же, вид в плане; на фиг. 3 - сечение А-А на фиг. 1. Устройство состоит из кольцевой вторичной газораспределительной камеры 1, выполненной в виде тора с кольцевым щелевым соплом 2 фокусировки Лаваля, на внутренней поверхности которого выполнены заборники газа 3 в виде кольцевых конических уступов. Над кольцевыми уступами расположены боковые сопла 4, направленные под углом, близким 90°, к забою, служащие для размыва льда и прохода торового кольца - кольцевой камеры 1. На кольцевой вторичной камере установлены газогенераторы - первичные камеры сгорания 5, заполненные твердым топливом 6, опирающимся на решетку 7, и срабатывающие от пиропатронов 8 запального-устройства. Крепление первичной камеры 5, соединенной, например, с помощью резьбы со сверхзвуковым соплом Лаваля 9, с камерой 1 производится накидной гайкой 10, а уплотнение обеспечивается жаростойким, например, асбестовым уплотнителем 11. Для равномерного распределения по внутренней полости 12 торовой камеры 1 на соплах 9 установлено кольцевое газоповоротное устройство 13, снабженное с боков винтовыми завихрителями 14, обеспечивающими равномерное растекание га.за в полости 12 газового торового кольца камеры 1. Кроме того, для достижения большей равномерности распределения газового потока в газоповоротном устройстве 13 выполнены отверстия 15. На камере 1 имеются реактивные сопла 16, которые уравновещивают тягу сопла 2 и служат для прижима всего термобура к забою.

Устройство работает следующим образом.

Термобур устанавливают над поверхностью льда и включают все пиропатроны 8, которые воспламеняют твердое топливо 6. Выделяющиеся при горении высокотемпературные газы через сопла 9 устремляются в полость 12, но предварительно попадают на газоповоротное устройство 13, оснащенное отверстиями 15 и винтовыми завихрителями 14, обеспечивая равномерное распределение-газа во вторичной камере-торовом кольце 1, а следовательно, и равномерной струи по всему периметру щелевого кольцевого сопла 2. Благодаря наличию двух камер: газогенератора 5 - камеры высокого давления (около 100 атм) и торового кольца вторичной камеры 1 с уменьщенным давлением (25-40 атм) обеспечивается необходимая сверхзвуковая скорость высокотемпературной газовой струи, обеспечивающей испарение льда без перехода в жидкую фазу.

Газ поступает в сопло Лаваля 2, где формируется в сверхзвуковой поток, приче.м часть газа, идущая по периферии сопла, попадает на уступы заборника 3, выполненные в виде непрерывных колец, направляющих газ в размещенные над ними сопла 4, в которых формируются сверхзвуковые струи высокотемпературного газа, размывающего лед, обеспечивая проход торовому кольцу камеры 1, поджимаемому реактивной силой сопел 16, обеспечивающих эжекцию отходящих с продуктами сгорания крошек льда и пара.

Наличие ка.меры сгорания газогенератора нредлагаемого устройства позволяет вести процесс сгорания твердого топлива при высоком давлении, более 100 атм. Вторичная газораспределительная камера имеет больший объем и пониженное давление до 25- 40 ати давления и благодаря своей форме в виде тора со щелевым соплом и заборниками газа для боковых сопел позволяет совершать работу с эффективным разрушение.м и удалением льда по всей поверхности кольцевого забоя на любом диаметре керна.

Разрущение льда с отбором керна предлагаемым устройством на глубину 1-8 м длится несколько секунд, в то время как для проходки того же диаметра скважины и получения керна известными устройствами потребуются часы.

При этом транспортировка твердого топлива в виде пороха ввиду сравнительно незначительных габаритов при больших мощностях упрощена, поэто.му устройство .может быть использовано в отдаленных районах.

Формула изобретения

Устройство для проходки скважин, содержащее газогенераторы с твердым топливом и запальным устройством, газораспределительную камеру с щелевым торцовым соплом и боковыми соплами, соединенную с камерами сгорания газогенераторов, отличающееся тем, что, с целью эффективного плавления и удаления льда по всей поверхности кольцевого забоя, газораспределительная камера выполнена в виде тора, внутри которого установлены завихрители газового потока, а внутренняя поверхность щелевого сопла снабжена заборниками газа в виде кольцевых уступов.

Источники инфор.мации, принятые во внимание при экспертизе

1.Авторское свидетельство СССР № 176217, кл. Е 2 С 37/18, 1964.

2.Авторское свидетельство СССР № 300608, кл. Е 21 С 19/10, 1969.

-ФЙ/г./