ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКАЯ БУРОВАЯ ГОЛОВКА

Полезная модель относится к области разрушения горных пород электрическими импульсными разрядами и может найти применение в горном деле при проходке горных выработок, а также в строительстве при бурении скважин для создания различных подземных сооружений.
Известен способ разрушения горных пород, предназначенный для бурения скважин электрическими импульсными разрядами (Большая советская энциклопедия. М.: Советская энциклопедия, 1978, т. 30, с. 58). При этом способе на горную породу в скважину устанавливают бур, выполненный в виде заземленной трубы, внутри которой размещен вращающийся высоковольтный электрод, затем осуществляют промывку жидкостью (дизельным топливом, трансформаторным маслом и др.), электрическая прочность которой превышает электрическую прочность горной породы, а после на внутренний токовод подают импульсы высокого напряжения, что приводит к разрушению горной породы.
Известна электрогидравлическая буровая головка, RU 2026990 С1 опубл. 20. 01. 1995, состоящая из полого цилиндрического корпуса с коническим окончанием, внутри которого размещен с возможностью вращения диэлектрический держатель с электродами и формирователем разрядов, соединенными с источником электропитания посредством электрического бронированного гибкого кабеля.
Известен электроимпульсный бур, RU 2283937 С2 опубл. 20.09.2006, состоящий из корпуса бура и буровой коронки, в продольных прорезях которой с помощью изолятора укреплены высоковольтные токопровода и электроды, причем корпус бура соединен с узлом вращения, имеющим блок его включения и выключения, а так же, буровая коронка снабжена подвижным электродом, выступающим из торца этой коронки ниже другого электрода, первого по ходу вращения, и ограничителем перемещения подвижного электрода, выполненным сменным для ограничения перемещения различной длины.
Недостатками известных буровых головок является их низкая эффективность, обусловленная тем, что конструкция головок не гарантирует прохождения канала высоковольтного разряда по поверхности породы, что снижает воздействие разряда на породу.
Исследования разрушения горных пород показали, что дробление и отрыв горной породы происходит под каналом электрического пробоя проходящего по поверхности породы (Бажов В.Ф., Семкин Б.В., Адам А.М. Оптимизация электроимпульсного разрушения горных пород и искусственных материалов//Известия высших учебных заведений "Физика". - 1996. - №4. - С. 106-109). Для вытеснения канала пробоя высоковольтного разряда к поверхности породы в зону бурения подают промывочную жидкость. При этом «применяемая жидкость должна отвечать особым требованиям к своему составу. Для обеспечения возможности воздействия забой скважины должен быть заполнен диэлектриком, который может представлять собой, например, масло или дизельное топливо» (Электроимпульсное бурение скважин. http://rosprombur.ru/elektroimpulsnoe-burenie-skvazhin.html). Неравномерность профиля обрабатываемой поверхности породы, наличие в зоне пробоя дисперсных осколков породы и грунтовых вод, не качественная промывочная жидкость создают условия прохождения части разряда по промывочной жидкости, что снижает эффективность воздействия электрического разряда на породу.
Наиболее близким техническим решением к заявляемой полезной модели и выбранного за прототип принята электрогидравлическая буровая головка, описанная в патенте изобретения «Способ бурения, бурильная машина, буровая головка и оборудование низа бурильной колонны для бурения с помощью импульсов электрического разряда» RU 2 393 319 С2 опубл. 16.06.2005, которая содержит кольцеобразный корпус с каналами для протекания промывочной жидкости и резцами, равномерно расположенные по окружности нижнего торца корпуса, два электрода, при этом, каждый электрод выполнен в виде круглого металлического стержня и крепится к изоляционной перегородке при помощи механического устройства, обеспечивающего контакт торца электрода с поверхностью забоя скважины, причем, электроды подключены к выходам противоположной полярности генератора электрических импульсов.
Недостатком прототипа является возможность прохождения части электрического разряда по промывочной жидкости не разрушая породу, что приводит к замедлению процесса бурения, а так же сложное крепление электродов и износ торцов электродов при бурении.
Целью полезной модели является увеличение скорости бурения.
Поставленная цель достигается тем, что электрогидравлическая буровая головка содержит кольцеобразный корпус с каналами для протекания промывочной жидкости и резцами, равномерно расположенные по окружности нижнего торца корпуса, два электрода, при этом, каждый электрод выполнен в виде круглого металлического стержня с креплением на изоляционной перегородке, причем, электроды подключены к выходам противоположной полярности генератора электрических импульсов, при этом торцы электродов отстоят от поверхности забоя скважины на 5 - 30 мм, при этом, электроды закреплены к изоляционной перегородке неподвижно при помощи гаек, так же буровая головка внутри снабжена двумя неодимовыми магнитами, закрепленными на ее внутренней поверхности так, что плоскости противоположных полюсов магнитов направлены навстречу друг другу, лежат на уровне электродов и параллельны плоскости сечения через оси электродов, при этом электроды соединены с выводами генератора электрических импульсов так, что при взаимодействии с магнитным полем магнитов сила отклонения канала разряда импульса тока направлена в сторону поверхности забоя скважины.
Полезная модель поясняется чертежами. На фиг. 1 представлен разрез электрогидравлической буровой головки, на фиг. 2 - вид А на буровую головку.
Электрогидравлическая буровая головка содержит кольцеобразный корпус 1 с каналами 2 для протекания промывочной жидкости и закрепленными на нижнем торце корпуса 1 и равномерно распределенными по окружности корпуса 1 резцами 3. Внутри корпуса 1 установлены два электрода 4, торцы которых отстоят от поверхности забоя скважины на расстояние d=5 - 30 мм и закрепленные неподвижно при помощи гаек 5 на изоляционной перегородке 6. Электроды 4 подключены к выходам противоположной полярности генератора электрических импульсов (генератор на чертеже не показан). Внутри буровой головки 1, на внутренней ее поверхности, закреплены неодимовые магниты 7 (сверхсильные магниты, см. Неодимовые магниты. http://supermagnit174.info/neodimovye-magnity). Плоскости противоположных полюсов магнитов направлены навстречу друг другу на уровне электродов 4 и параллельны плоскости сечения через оси электродов 4.
Подготовка электрогидравлической буровой головки к работе.
При установке неодимовых магнитов 7 в буровую головку определяют разноименные полюса двух неодимовых магнитов, например при помощи компаса или другого магнита, и закрепляют их в корпусе 1 головки навстречу друг другу разноименными полюса согласно предлагаемой полезной модели.
Определение полярности подключения электродов 4 к генератору электрических импульсов производят на полностью собранной головке в следующей последовательности:
- к электродам 4, через ограничительное сопротивление, подключают выходы низковольтного источника постоянного тока;
- электроды 4 соединяют между собой гибким проводом;
- включают источник постоянного тока, и если провод втягивается в корпус 1 головки, то на источнике постоянного тока меняют полярность подключения и провод должен выдавливаться из головки;
- полярность подключения электродов 4 к генератору электрических импульсов должна соответствовать полярности источника постоянного тока.
Электрогидравлическая буровая головка работает следующим образом.
Буровую штангу с буровой головкой опускают вниз до касания резцов буровой головки грунта. Включают вращение штанги. По каналам 2 корпуса 1 на обрабатываемый участок породы подают промывочную жидкость. Одновременно включают генератор электрических импульсов. Между электродами 4 происходит электрический разряд. Магнитное поле, создаваемое магнитами 7, взаимодействует с током импульсного разряда и заставляет прижиматься канал разряда к профилю поверхности, что определяет максимальное разрушающее воздействие импульса тока на грунт. Резцы 3 подрезают породу с периферии. Образованный буровой шлам удаляется из зоны бурения. Производят непрерывную подачу буровой головки вниз.
Сущность полезной модели. «Магнитное поле - это особый вид материи, специфической особенностью которой является действие на движущийся электрический заряд» (Электрический ток и магнитное поле, https:///https://studwood.ru/1638796/matematika_himiya_fizika/elektricheskiy_magnitnoe_pole).
«При наложении поперечного магнитного поля на положительный столб электродинамические силы, возникающие в нем, прижимают разряд к стенке» (Разряд в магнитном поле. http://www.metods-rgrtu.ru/index.php/mets3400-3499/264-3407?start=1).
По предлагаемой полезной модели установка неодимовых магнитов (магнитная индукция до 1,25 Тс) в буровую головку создает сильное магнитное поле, которое воздействуя на импульс тока, прижимает канал его распространения по профилю поверхности породы, что приводит к максимальному воздействию токового импульса на породу и увеличивает скорость бурения.
Применение предлагаемой конструкция электрогидравлической буровой головки дает возможность производить процесс дробления породы высоковольтным разрядом без касания электродами поверхности породы, значительно упрощает конструкцию буровой головки, дает возможность заменить дорогостоящую промывочную жидкость большого электрического сопротивления на жидкость с малой электрической прочностью, например воду, и увеличивает воздействие высоковольтного разряда на породу, что ускоряет скорость бурения.