Устройство для электротермического бурения скважин

 

Сущность изобретения: устройство содержит высокотемпературный пенетратор с нагревателем и кристаллизатором, подъемный механизм с лебедкой, компрессор, источник электрической энергии и основание. Основание выполнено в виде соосно установленных и соединенных между собой обсадной трубы, металлической трубы, кольцевой герметизирующей прокладки, бетонной плиты, герметизирующей прокладки из битума и приспособления для герметизации полости скважины. Лебедка кинематически связана с высокотемпературным пенетратором электрическим кабелем из жаропрочного материала. Один конец кабеля размещен на барабане лебедки и электрически соединен посредством токосъемника с источником электрической энергии, другой конец посредством кабельного замка закреплен на корпусе высокотемпературного пенетратора и электрически соединен с нагревателем. 1 ил.

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано для бурения скважин плавлением горных пород без отбора керна преимущественно в рыхлых четвертичных отложениях и техногенных грунтах.

Известен электронагревательный буровой снаряд, включающий буровой наконечник, электрический нагреватель, электрический кабель и трубку для вывода продуктов разрушения .

Однако этот снаряд не обеспечивает крепления и формирования стенок скважины прочным остеклованным расплавом при бурении плавлением сыпучих, рыхлых отложений и техногенных грунтов, поскольку почти весь расплав удаляется с забоя скважины. Наличие камеры в верхней части для охлаждения головки водой приводит к большим потерям тепловой энергии. В связи с этим указанный электронагревательный буровой снаряд не пригоден для бурения скважин в сыпучих, рыхлых четвертичных отложениях и техногенных грунтах, при бурении плавлением которых требуется использование всего объема расплава для качественного крепления и формирования стенок скважины прочным остеклованным расплавом.

Известно устройство для электротермического бурения скважин, взятое за прототип, включающее вращатель, буровую штангу с волноводом для канализации СВЧ-энергии, шламопровод и нагреватель .

Это устройство не обеспечивает качественного крепления и формирования стенок скважины прочным остеклованным расплавом даже при минимальном внутреннем диаметре пенетратора при бурении плавлением сыпучих, слабосцементированных, рыхлых четвертичных отложений и техногенных грунтов, поскольку почти весь расплав удаляется с забоя скважины через внутреннее отверстие пенетратора, минуя стенки скважины. При наращивании штанг и волноводов нарушается установившийся режим бурения плавления, что приводит к снижению эффективности бурения скважин.

Целью изобретения является повышение эффективности бурения плавлением сыпучих, рыхлых четвертичных отложений и техногенных грунтов, качественное крепление и формирование стенок скважины прочным остеклованным расплавом.

Для этого основание выполнено в виде соосно установленных и соединенных между собой обсадной трубы для крепления устья скважины, металлической плиты, кольцевой герметизирующей прокладки, бетонной плиты, расположенной на нижнем торце металлической плиты герметизирующей прокладки, например, из битума и размещенного в отверстии для прохода высокотемпературного пенетратора приспособления для герметизации полости скважины, кинематическая связь лебедки с высокотемпературным пенетратором выполнена в виде электрического кабеля из жаропрочного материала, при этом один конец электрического кабеля размещен на барабане лебедки и электрически соединен посредством токосъемника с источником электрической энергии, а другой конец электрического кабеля посредством кабельного замка закреплен на жаропрочной трубе высокотемпературного пенетратора и электрически соединен с нагревателем, установленным в корпусе пенетратора, причем кольцевая герметизирующая прокладка расположена между металлической и бетонной плитами и образует с последними сообщенную с полостью скважины промежуточную полость, которая посредством выполненного в бетонной плите канала сообщена с компрессором, приспособление для герметизации полости скважины имеет осевой канал для прохода электрического кабеля.

Предлагаемое изобретение обеспечивает эффективную передачу тепла от пенетратора породе, давление термобурового снаряда нар забой скважины, уплотнение породного расплава и при помощи кристаллизатора формователя высококачественное крепление стенок скважины застывшим расплавом. Существенным отличием является то, что осевое давление пенетратором на забой скважины осуществляется нe буровым станком через бурильную колонну, а нагнетанием воздуха компрессором в полость скважины. Преимуществом этого устройства является и то, что использование грузонесущего жаропрочного кабеля и сжатого воздуха обеспечивает непрерывный процесс бурения плавлением при необходимом осевом давлении пенетратора (термобурового снаряда) на забой скважины.

На чертеже изображено предлагаемое устройство.

Устройство для электротермического бурения скважин состоит из высокотемпературного пенетратора 1 с нагревателем 2, размещенным в корпусе пенетратора, кристаллизатора-формователя 3 для охлаждения и кристаллизации расплава горной породы и формирования ствола скважины, жестко соединенного одним концом с корпусом пенетратора, а другим концом с жаропрочной трубой 4, при этом второй конец жаропрочной трубы жестко соединен с кабельным замком 5, лебедки 6, токосъемника 7 и источника 8 электрической энергии 8. Кинематическая связь лебедки 6 с высокотемпературным пенетратором 1 выполнена в виде электрического кабеля 9, при этом один конец электрического кабеля 9 размещен на барабане лебедки 6 и электрически соединен посредством токосъемника 7 с источником 8, а другой конец электрического кабеля 9 посредством кабельного замка 5 закреплен на жаропрочной трубе 4 высокотемпературного пенетратора 1 и электрически соединен с нагревателем 2. Основание выполнено в виде соосно установленных и соединенных между собой обсадной трубы 10 для крепления устья скважины, металлической плиты 11, кольцевой герметизирующей прокладки 12, бетонной плиты 13, расположенной на нижнем торце металлической плиты 11 герметизирующей прокладки 14 и размещенного в отверстии для прохода высокотемпературного пенетратора 1 приспособления 15 для герметизации полости скважины. Кольцевая герметизирующая прокладка 12 расположена между металлической и бетонной плитами и образует с последними сообщенную с полостью скважины промежуточную полость, которая посредством выполненного в бетонной плите канала 16 сообщена с компрессором 17. Приспособление 15 для герметизации полости скважины имеет осевой канал для прохода жаропрочного электрического кабеля.

Устройство работает следующим образом.

На поверхности земли копается шурф глубиной 0,5 м, диаметром 0,5 - 3 м в зависимости от диаметра проектируемой скважины. Бурится скважина глубиной 4,5 м и устанавливается обсадная труба 10 в скважину. Дно шурфа заливается расплавленным битумом, на прокладку 14 из расплавленного битума кладется стальная плита 11 с отверстием в ее центральной части, диаметр отверстия должен быть не менее диаметра пенетратора термобурового снаряда. На стальную плиту устанавливается бетонная плита 13 через уплотнительное герметизирующее кольцо приспособления 15. После установки бетонной плиты 13 размещается термобуровой снаряд пенетратором в отверстие бетонной и стальной плит. От источника 8 электроэнергии к снаряду подается электропитание по электрическому жаропрочному кабелю 9, намотанному на барабан лебедки 6, через токосъемник 7. Нагретый до рабочей температуры от 1000 до 1800^оС в зависимости от температуры плавления горной породы пенетратор 1 расплавляет горную породу. Под действием осевого давления на забой, создаваемого весом снаряда, пенетратор 1 погружается в горную породу, при этом образовавшийся расплав уплотняется и частично вытесняется по кратчайшему пути в зону охлаждения, где он застывает и под действием кристаллизатора-формователя 3 принимает заданную форму, образуя на стенках скважины прочный непроницаемый остеклованный слой, выполняя при этом роль обсадных труб. После полного погружения снаряда в скважину герметизируется устье скважины герметизирующим приспособлением 15, по каналу 16 компрессором 17 подается воздух в скважину. При заданном давлении воздух давит на верхнюю торцовую часть термобурового снаряда и, следовательно, на забой скважины. Термобуровой снаряд, погружаясь, увлекает за собой грузонесущий жаропрочный электрический кабель 9, намотанный на барабан лебедки 6.

Таким способом осуществляется задавливание термобурового снаряда и расплав уплотняется, качество остеклованного слоя стенок скважины улучшается, при этом диаметр скважины увеличивается. За счет увеличения диаметра скважины исключается зависание снаряда и обеспечивается безаварийный подъем его из скважины.

Наиболее эффективно применение данного устройства при бурении скважин в труднодоступных и отдаленных районах: экспериментальные скважины для выщелачивания солей и для захоронения особо вредных отходов в мощных отложениях каменной соли; скважин в сложных горнотехнических условиях; горизонтальных скважин для сооружения подземных коммуникаций и др.

Преимущества бурения плавлением предлагаемым устройством по сравнению с механическим бурением заключается в следующем: одновременное с бурением крепление слабосвязных и трещиноватых пород за счет остеклования стенок застывшим породным расплавом устраняет необходимость в обсадных трубах и расширяет возможности геофизических методов каротажа; исключение вращения бурового снаряда снижает расход энергии, износ бурильных труб и аварийность, а также дает принципиальную возможность обойтись вообще без бурильных труб на основе применения грузонесущего кабеля, что снижает затраты времени на спускоподъемные операции и облегчает автоматизацию процесса бурения.

За базовый объект для сравнения взят электробур для бурения скважин во льду (авт. св. N 399600, кл. Е 21 С 37/18, 1973), в практике называемый ТЭЛГА-14М. В настоящее время данным снарядом пробурено более 7500 м скважин во льдах с температурой до -57^оС.

В этом устройстве на торце колонкового нагревательного элемента закреплен калибрующий стенки скважины фланец, патрубки для отвода воды расположены снаружи колонковой трубы и их открытые концы закреплены в этом фланце и обращены к забою скважины. Скорость бурения базовым снарядом составляет 1,12 м/ч, а средняя скорость заявляемого устройства 9 м/ч (получена при бурении горных пород в лабораторных условиях).

Производительность бурения определяется по формуле H_см= V_ср·K_и·T 1- , где Н_см - производительность бурения, м/ст˙ см; V_cp - средняя механическая скорость бурения; К_и - коэффициент использования машинного времени (К_и= 0,9); Т - производительность смены (7);
Т_всп - время на спускоподъемные и вспомогательные операции (1 ч);
С - средняя длина рейса (2,3 м) известным устройством;
С₁ - средняя длина рейса (50 м) предлагаемым устройством;
H_см= 1.12·09·7 1- = 4.72,
.

Производительность бурения при использовании предлагаемого изобретения выше в 10,2 раза по сравнению с известным.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКОГО БУРЕНИЯ СКВАЖИН, включающее высокотемпературный пенетратор с нагревателем и с кристаллизатором для охлаждения и кристаллизации расплава горной породы и формирования ствола скважины, подъемный механизм с кинематически связанной с высокотемпературным пенетратором лебедкой, компрессор, источник электрической энергии и основание с отверстием для прохода высокотемпературного пенетратора, отличающееся тем, что основание выполнено в виде соосно установленных и соединенных между собой обсадной трубы для крепления устья скважины, металлической плиты, кольцевой герметизирующей прокладки, бетонной плиты, расположенной на нижнем торце металлической плиты герметизирующей прокладки из битума и размещенного в отверстии для прохода высокотемпературного пенетратора приспособления для герметизации полости скважины, а кинематическая связь лебедки с высокотемпературным пенетратором выполнена в виде электрического кабеля из жаропрочного материала, при этом один конец электрического кабеля размещен на барабане лебедки и электрически соединен посредством токосъемника с источником электрической энергии, а другой конец электрического кабеля посредством кабельного замка закреплен на корпусе высокотемпературного пенетратора и электрически соединен с нагревателем, причем кольцевая герметизирующая прокладка расположена между металлической и бетонной плитами и образует с последними сообщенную с полостью скважины промежуточную полость, которая посредством выполненного в бетонной плите канала сообщена с компрессором, а приспособление для герметизации полости скважины имеет осевой канал для прохода электрического кабеля.

РИСУНКИ

Рисунок 1