Устройство для электротермомеханического бурения

СОЮЗ СОВЕТСКИХ СОЦИАЛИСТИЧЕСКИ ЕСПУБЛИК ЕТ Е ИЗОБ ПИСА АВТОРСКОМ ВИДЕТЕЛЬСТ му являсточник дсвыим разГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР(71) Государственный институт по проектированию предприятий железорудной промышленности "Кривбасспроект" иКриворожский горнорудный институт(56) Авторское свидетельство СССРЛЬ 1555460, кл. Е 21 С 37/18, 1988,Авторское свидетельство СССРМ 1627694, кл, Е 21 С 37/18, 1988,(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭЛЕКТРОТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОГО БУРЕНИЯ(57) Использование; предназначено для бурения горных пород, Сущность изобретеИзобретение относится к горной промышленности, а именно к устройствам для бурения горных пород с использованием тепла, вырабатываемого с помощью электричества,и предназначено для проходки вертикальных и наклонных скважин в крепких минеральных средах, преимущественно обводненных, а также для бурения скважин, в которых удаление бурового шлама осуществляется промывкой.Известно устройство для электротермомеханического бурения (1), содержащее буровой снаряд с вынесенным из скважины электрическим разделителем бурового става и токоприемным устройством, изолирующий элемент, обеспечивающий электрическую изоляцию бурового става от корпуса станка, а также неподвижный электрод-заземлител ь. Неподвижный электродзаземлитель и токоведущая часть бурового става присоединены к источнику элекгриче .Ы (11) 1 / 7056 ц 5 Е 21 С 37/18, Е 21 В 7/15 ния: устройство содержит буровой став с буровым инструментом, помещенный в проходной изолятор, источник питания с электродом-заземлителем, электрические разделители бурового става - вынесенный из скважины и погруженный в скважину, токовод внутри бурового става, который между разделителями электрически присоединен к неподвижному электроду - заземлителю и к тому же полюсу исгочника питания, что и электрод-заземлитель, причем на буровом ставе ниже вынесенного из скважины электрического разделителя установлен кольцевой токоприемник, что обеспечивает повышение производительности за счет увеличения полезной части потребляемой электрической мощности, 3 ил,ского тока, При работе устроиства электрическая цепь замкнута на вмещающую горную породу и между снарядом и неподвижным электродом-заземлителем протекает электрический ток,Недостатком данного устройства является уменьшение полезной части потребляемой электрической мощности, т,е. той ее части, которая поступает на забой скважины. Это происходит вследствие шунтирования участка цепи снаряд-забой скважины - электрод-заземлитель дополнительной проводимостью, возникающей при заполнении затрубного пространства буровым шламом или. когда штанги касаются стенок скважин в результате изгиба бурового става или искривления скважины,Наиболее близким к заявляемо ется устройство (21, содержащее и электрического тока, буровой снаря несенным из скважины электрическделителем бурового стана, токоприемник, а также с погруженным в скважину электрическим разделителем бурового става и тоководом, смонтированным внутри буровых штанг, который осуществляет электрическое соединение источника с частью бурового става ниже погруженного в скважину электрического разделителя. Устройство содержит также неподвижный электрод-заземлитель, присоединенный к источнику питания, При работе устройства электрическая цепь замкнута через вмещающую горную породу и электрический ток протекает между неподвижным электродом-заземлителем и частью бурового става ниже погруженного в скважину электрического разделителя. Устройство содержит также неподвижный электрод-заземлитель, присоединенный к источнику питания. При работе устройства электрическая цепь замкнута. через вмещающую горную породу и электрический ток протекает между неподвижным электродом-заземлителем и частью бурового става ниже погруженного в скважину электрического разделителя. Недостатком устройства является уменьшение полезной части потребляемой электрической мощности, т,е. той ее части. которая поступает на забой скважины, вследствие шунтирования участка цепи "снаряд - забой скважины - заземлитель" дополнительной проводимостьюзамыкающей токоведущую часть бурового става ниже погруженного электрического разделителя, который, по известному устройству, вынесен из призабойной зоны на стенки скважины, При этом проводимость шунта при погружении снаряда в скважину возрастает до величины, определяемой высотой установки погруженного в скважину электрического разделителя бурового става, которая, в известном устройстве, не минимизируется, Следует учитывать также, что обводненность и зашламованность затрубного пространства максимальны именно в нижней части скважины, на которую и приходится участок бурового става, находящийся под напряжением, Другим недостатком устройства является относительно высокое сопротивление неподвижного электрода-заземлителя, определяющееся свойствами горной породы и конструкцией переносного заземлителя, что определяет выделение на нем значительной мощности, доля которой в общей потребляемой мощности воЗрастает при уменьшении удельного сопротивления горной породы, т,е. при бурении железных руд со значительным содержанием железа,Целью изобретения является повышение производительности электротермомеханического бурения с одновременнымрасширением области его применения за5 счет увеличения полезной части потребляемой электрической мощности, поступающей на забой скважины.Указанная цель достигается тем, что вустройстве для электротермомеханического10 бурения. содержащем помещенный в проходной изолятор буровой став с буровыминструментом, источник питания с электродом-заземлителем, вынесенный из скважины, и погруженные в скважину15 электрические разделители бурового става,расположенный внутри бурового става токовод, связанный с источником питания ичастью бурового става ниже погруженного вскважину электрического разьединителя,20 размещенный на буровом ставе ниже вынесенного из скважины электрического разделителя кольцевой токоприемник; участокбурового става посредством кольцевого токоприемника, расположенного под выне 25 сенным из скважины электрическимразделителем, электрически связан с электродом-заземлителем и подключен к тому жеполюсу источника питания, что и электродзаземлитель. Сопоставительный анализ с30 прототипом позволяет сделать вывод, чтозаявляемое устройство отличается тем, чтоучасток бурового става посредством кольцевого токоприемника расположен под вынесенным из скважины электрическим35 разделителемэлектрически связан с электродом-заземлителем и подключен к тому жеполюсу источника питания, что и электродзаземлитель. Таким образом, заявляемоетехническое решение соответствует крите 40 рию "новизна",Известно техническое решение 3, покоторому устройство для электротермомеханического бурения горных пород содержит закрепленный на штанге центральный45 буровой инструмент и расположенный с некоторым отставанием по отношению к немубуровой расширитель, подключенные к источнику электрического тока и отдаленныедруг от друга и от части бурового става,50 расположенной выше расширителя изолирующими переходниками, выполняющимифункции электрических разделителей бурового става по заявляемому устройству, Приэтом при бурении электрический ток проте 55 кает между местами контакта инструментаи расширителя с горной породой.В этом случае контакт расширителя сгорной породой может рассматриваться какзаземление, но в отличие от заявляемогоустройства - контакт и, соответственно, со55 противление геометрическими параметрами расширителя и локальными свойствами горной породы в месте контакта, в то время как по заявляемому устройству - сопротивление заземления переменное и определяется всей площадью бурового става, погружаемого в скважину,Сравнение заявляемого решения с прототипом и другими техническими решениями в данной области техники позволило выявить в них признаки, отличающие заявляемое решение от прототипа и перечисленными признаками послеотличительной части формулы изобретения, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию "существенные отличия",На фиг, 1 показана схема устройства; на фиг. 2 - а) эл. схема процесса воздействия на горную породу по прототипу; б) то же - по заявляемому устройству; на фиг. 3 соответствующие а) и б) диаграммы, показывающие выделение полезной мощности в призабойной зоне при бурении по известной схеме (прототип, кривая ), и при бурении с применением заявляемого устройства (кривая 11),Устройство (фиг. 1) содержит буровой став 1 с буровым инструментом 2, погруженный электрический разделитель 3 и вынесенный из скважины электрический разделитель 4, став 1 помещен в проходной изолятор 5, причем часть бурового става между верхним разделителем 4 и нижним разделителем 3 с помощью кольцевого токоприемника 6, расположенного ниже верхнего разделителя 4, с помощью проводников 7 соединены с источником питания электрического тока 8, посредством проводников 9 и токоприемника 10, размещенного выше электрического разделителя 4, а также токовода 11 внутри бурового става соединен с частью бурового става, находящейся ниже разделителя 3, электрод-заземлител ь 12 и ро водником 13 соединен с источником эл, тока 8.Устройство работает следующим образом. При бурении горной породы электрический ток от одного полюса источника питания 8 по проводникам 9 через токоприемник 10 подается по тоководу 11 на часть бурового става 1 между верхним и нижним электрическими разделителями 3 и 4, по проводникам 13 на неподвижный электродзаземлитель 12 а от другого полюса источник питания 8 по проводникам 9 через токоприемник 10 и токовод 11 на часть бурового става 1, расположенную ниже погруженного разделителя 3 и буровой инструмент 2. Замы кан ие электрической цепи происходит через вмещающую горную 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 породу, при этом ток протекает в начале бурения между заземлителем 12 и частью бурового става ниже разделителя 3, содержащей инструмент 2, и при заглублении бурового става 1 в скважину, когда затрубное пространство заполняется шламом. водой или по другим причинам не изолирует буровой став 1 от стенок скважины - электрический ток протекает также и между частью става 1, ограниченной разделителями 3 и 4 и частью става ниже разделителя 3, включая инструмент 2, В последнем случае сопротивление электрическому току тем меньше, чем глубже погружается буровой став 1 и таким образом осуществляется шунтирование неподвижного электрода-заземлителя 12. Положительный эффект достигается за счет того, чтог при шунтировании участка эл. цепи через горную породу включено сопротивление в рабочей зоне инструмента и сопротивление в зоне неподвижного электрода-заземлителя между заземлителем 12 и инструментом 2, сопротивление в цепи уменьшается, а так как сопротивление на инструменте остается неизменным, то мощность, выделяющаяся в рабочей зоне инструмента, возрастает, Это возрастание тем больше,чем глубже погружается буровой став, чем меньше становится, соответственно, сопротивление шунта,Примером конкретной реализации заявляемого устройства является станок, оснащенный вынесенным из скважины электрическим разделителем става, выполненным в виде изолирующей муфты с прокладкой из текстолита и осевым токоприемником, расположенным над муфтой, кабелем, смонтированным внутри бурового става и закрепленным одним концом на концах токоприемника, а другим - на клеммах внутри става на участке под нижним разделителем, в качестве которого применен изолирующий переходик 2, состоящий из наружной (токоведущей) и внутренней частей, разделенных изолирующей прокладкой, которая имеет внутренний и наружный изолирующие промежутки. Проходной изолятор 2 размещен в механизме свинчивания, состоит из внутренней и наружной втулок, разделенных изолирующей прокладкой, На буровом ставе ниже изолирующей муфты размещен кольцевой токоприемник, присоединяемый к полюсу источника питания, к которому также при помощи кабеля присоединен неподвижный электрод-заземлитель в виде графитового электрода, помещаемого в соседнюю скважину. Изолирующая муфта 1 состои г из верхней и нижней ступиц, которые присоединены к фланцам, Между ступица1770564 50 55 ми установлена изолирующая шайба, Фланцы стянуты между шпильками, изоляцию которых от наружной поверхности фланцев обеспечивают изолирующие шайбы.Особенностью конструкции является размещение изолирующего переходника в максимальной близости от бурового инструмента. Эксперименты в условиях карьера при бурении обводненных скважин указывают, что удельная проводимость при погружении бурового става диаметром 190 - 200 мм при бурении скважин долотом диаметром 244 мм составляет 0,1-0,4 Сим/м, сопротивление неподвижного электродазаземлителя составляет 1-150 м, а сопротивление долота 1 - 60 м, В этих условиях полезная мощность, выделяющаяся в рабочей зоне инструмента, при использовании прототипа падает при бурении скважины до 10потребляемой мощности, а заявляемое устройство обеспечивает выделение полезной мощности в тех же условиях в пределах 80 - 90, При отсутствии шунтирования, т,е, при бурении сухих вертикальных скважин, на забое в заявляемом устройстве выделяется такая же мощность, что и при использовании известного устройства (фиг, 2,3),Подключение части бурового става между вынесенным и погруженным электрическими разделителями к тому же полюсу источника питания, к которому подключен неподвижный электрод-заземлитель, позволяет шунтировать его и уменьшить сопротивление заземления, увеличивая тем самым выделение мощностей в рабочей зоне инструмента, сопротивление которого не меняется при погружении бурового снаряда в зависимости от глубины бурения. Это позволяет осуществлять эффективное ЭТМ бурения обводненных скважин и скважин с промывкой, а также наклонных скважин, т.е, во всех случаях, в которых замыкание бурового става на стенки скважины практически нельзя исключить. По сравнению с прототипом предлагаемое техническое решение обеспечиваеттакое преимущество как возможность бурения разведочных скважин, которые по сле забуривания могут быть пройдены приотключенном электроде-заземлителе, а только за счет подвижного заземления через буровой став между верхним и нижним электрическими разделителями. Выделение 10 дополнительной мощности на забое скважины в рабочей зоне инструмента усиливает электротермическое воздействие на горную породу и снижает ее прочность, что позволяет повысить производительность 15 бурения на 15-20 . Формула изобретения Устройство для электротермомеханического бурения, содержащее помещенный в 20 проходной изолятор буровой став с буровым инструментом, источник питания с электродом-эаземлителем, вынесенный из скважины, и погруженные в скважину электрические разделители бурового става, рас положенный внутри бурового ставатоковод, связанный с источником питания и частью бурового става ниже погруженного в скважину электрического разделителя, размещенный на буровом ставе ниже вынесен ного из скважины электрическогоразделителя кольцевой токоприемник, о тл и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения производительности электротермомеханического бурения за счет увеличения 35 полезной части потребляемой мощности,поступающей на забой скважины, лежащий между вынесенным и погруженным в скважину электрическими разделителями участок бурового става посредством 40 кольцевого токоприемника, расположенного под вынесенным из скважины электрическим разделителем, электрически связан с электродом-заземлителем и подключен к тому же полюсу источника питания, что и 45 электрод-заземлитель.остэвитель С ехред М,Морг Редакто рректор В, Петр аказ 372 ВНИИ Тираж Подписное Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СС 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5