Термомеханическое бурение, страница 4

Собирается устройство 21, в состав которого входит колонковая труба 19 с бурильной штангой 12, на которой установлены токосъемник 13 для подачи электроэнергии к электродам 20 плазмотронов 18 и вертлюг 15 для подачи сжатого воздуха к коронке 2, оснащенной термостойкими резцами 17, система подачи водовоздушной смеси 1 и система подачи плазмообразующей смеси газа и воды 4 в плазмотрон 18 из емкости 6, вращающейся с колонковой трубой 19, и невращающейся емкости 7 посредством герметичных подшипников 11, штуцера 8, 9 для подвода газа и воды, буровой станок 22 с электродвигателем постоянного тока 23, установленные на платформе самоходной буровой установке 26 с источником электроэнергии 25. После постановки устройства на забой скважины буровым станком 22 к плазмотронам 18 и электродам 20 подается горючая газообразующая смесь из емкостей 6 и 7 по  4. После подачи плазмообразующей смеси к электродам 20 плазмотронов 18 подается электроэнергия, плазмообразующая смесь воспламеняется, одновременно на торцевую часть забоя подается водовоздушная смесь из емкостей 6 и 7 по системе подачи водовоздушной смеси 1. При вращении устройства 21 буровым станком 22 с заданным числом оборотов и интенсивном воздействии плазменного факела на горную породу происходит нагрев ее до разупрочнения. Разупрочнение горной породы происходит за счет нагрева и термических напряжений, возникающих при быстром нагреве поверхности и возникающих на границах зерен полиминеральных пород за счет различий в модулях упругости и коэффициентах объемного расширения, при этом разупрочненный приповерхностный слой породы свободно снимается термостойкими резцами 17, а продукты разрушения удаляются с забоя скважины сжатым воздухом, транспортируемым по вертлюгу 15, бурильной штанге 12 и колонковой трубе 19 на забой скважины, одновременно охлаждая плазмотроны  

Рисунок 3.Устройство термомеханического бурения твердых горных пород

§2. Термофрикционная коронка

На рисунке (4) изображен общий вид породоразрушающего инструмента в виде буровой коронки для бурения геологоразведочных скважин. Она была представлена учеными института горного дела СО РАН в 2003году.

Коронка состоит из корпуса 1, фрикционных элементов 2, резцов 3, теплоизоляторов 4 и кольцевых, ответных полости, выступов 5. Внутренние и внешние промывочные каналы 6 и 7 служат для протока воды, охлаждающей резцы и очищающей забой от продуктов разрушения. Для транспортировки бурового шлама по затрубному пространству вода дополнительно подается через отверстия 8. Коронка работает следующим образом.

При вращении буровой коронки под действием осевого усилия и момента вращения резцы 3 внедряются в породу и фрикционные элементы 2 входят в контакт с породой и начинают разогревать поверхностный слой пород забоя скважины. От фрикционного нагревания поверхностный слой разупрочняется, срезается резцом 3, подхватывается и уносится вместе с теплом забоя промывочной водой через канал 7. Так как теплопроводность породы составляет порядка 2-6 Вт/м·с, материала стенок полости в корпусе коронки 40 Вт/м·с, а теплоизолятор 4 имеет теплопроводность 0,13 3-0.23 Вт/м·с, то основной теплопоток будет проходить через стенки полости. При этом значительное количество теплоты со стенок полости будет уноситься промывочной жидкостью. Так как в данной коронке часть механической нагрузки воспринимается теплоизолятором 4, то сечение стенок меньше, чем у прототипа, при тех же равных условиях, т.е.теплопотери будут значительно меньше. рисунок 4. Термофрикционная коронка

Работоспособность буровой коронки обеспечивается тем, что в качестве материала теплоизоляторов могут быть применены кремнеземистые, базальтовые и углеродные волокна с применением неорганических связующих. Волокнистые материалы сочетают в себе низкий коэффициент теплопроводности (0,13-0,23 Вт/м·с), высокотемпературные, огнеупорные и изоляционные свойства. Благодаря этим качествам их применяют вместо традиционных материалов для эксплуатации практически любого термооборудования. При теплоизолировании труб в заводских условиях теплоизоляторы имеют достаточную прочность и не повреждаются при погрузочно-разгрузочных работах и при эксплуатации.