Электроимпульсный способ разрушения горных пород и бурение взрывных скважин

В 50-60-е годы прошлого столетия начались исследования и разработка целого ряда новых физических методов разрушения пород. Одним из самых перспективных оказался электроимпульсный (ЭИ) метод. Суть – разрушающее действие электроимпульсных разрядов в твердых непроводящих и полупроводящих телах.

Основа способа – установленное в Томском ПТИ явление превышения электрической прочности жидких диэлектриков над электрической прочностью твердых диэлектриков при малом времени воздействия импульсных напряжений (10^-6 с и менее).

Если электроды, находящиеся в жидкости, наложить на поверхность горной породы, то при подаче импульсного напряжения в породу внедряется разряд, образуя канал(рис.3.2). Если при этом в канале будет достаточно быстро выделено необходимое количество энергии, то произойдет микроэлектровзрыв твердого тела в промежутке между электродами с образованием откольной воронки.

Рис.3.2 – Схема электроимпульсного разрушения пород

1 – жидкость

2 – порода

3 - высоковольтный эл

4 – заземленный электрод

5 – канал пробоя

Откольная воронка образуется за счет суммарного действия напряжений, создаваемых вокруг канала пробоя вследствие высокого Р =1-100МПа, высоких Т =4∙10³-30∙10³К и напряжений, возникающих в среде при распространении образованных ударных волн (распространяются перпендикулярно каналу пробоя).

Технологическая схема бурения скважин ЭИ-способом с прямой циркуляцией промывочной жидкости (вода) показана на рис.3.3.

Рис. 3.3 – Схема установки для бурения взрывных скважин с циркуляцией промывочной жидкости (воды)

1 – высоковольтный трансформатор

2 – выпрямитель

3 - дроссель

4 – генератор импульсных напряжений

5 – высоковольтный токоподвод

6 – буровой снаряд

7 – лебедка

8 – буровой насос 9 – бак с промывочной жидкостью 10 – вышка

11 – направляющая обсадная труба

Главные элементы бурового снаряда:

- долото или коронка;

- расширитель для формирования котла в призабойной зоне;

- колонна БТ;

- высоковольтный ввод.

БТ выполняет также функцию передачи импульсов напряжения от генератора импульсов к забою.

Долото представляет собой систему объединенных в единую конструкцию высоковольтных и заземленных электродов, распределенных по определенной схеме (рис.3.4).

Рис.3.4 - Схемы расположения электродов:

а – радиальная

б, в, г, д – радиально-тангенциальные

е – пластинчато-тангенциальные

Имеется специальный механизм автоматического распределения зарядов по промежуткам между электродами (рис.3.5).

Рис.3.5 – Схема распределения зарядов

При пробое в одном из промежутков (1) образовавшаяся воронка от разрушенной разрядом породы заполняется жидкой средой, что приводит к ее электрическому упрочнению. Последующие разряды (2, 3 и т.д.) происходят поочередно в соседних промежутках, до тех пор пока не произойдет полного разрушения породы во всех промежутках по всей площади забоя.

Затем снаряд углубится в новое положение. Все электроды окажутся в сравнительно равных условиях и цикл разрушения повторится.

Конструкции буровых наконечников (долот) приведены на рис.3.6.

Рис. 3.6 – Конструкции буровых наконечников (долот) для бурения взрывных скважин

а - радиально-тангециальный;

б, в - пластинчато-тангенциальные

Для формирования котлов в призабойной зоне разработано устройство (рис.3.7).

Рис.3.7 – Схема формирования котла

Кроме того, прошли испытания коронки для бурения скважин с отбором керна, получены хорошие результаты.

Преимущества электроимпульсного способа бурения:

- технико-экономические показатели ЭИ способа бурения определяются электрофизическими и упругими свойствами горных пород и не зависят от ее твердости и абразивности. Это открывает перспективы для использования способа при бурения крепких и весьма крепких пород, где другие способы менее эффективны. Производительность ЭИ способа значительно выше других способов бурения, а себестоимость и энергоемкость ниже;

- способ передачи электроэнергии на забой – один из самых экономичных. Преобразование электроэнергии накопителя в механическую энергию разрушения происходит непосредственно в породе без промежуточных преобразований;

- отсутствует необходимость вращение снаряда – нет потерь энергии на трение;

- разрушение горных пород происходит под действием динамических усилий растяжения, возникающих при выделении энергии в канале пробоя – снижается энергоемкость процесса, так как прочность горных пород при растяжении в 10-30 раз ниже, чем при сжатии;

- рабочим инструментом, разрушающим породу, является электрическая искра. Поэтому практически отсутствует износ ПРИ, на который в существующих способах бурения приходится до половины затрат.

Дата добавления: 2014-11-29