Водяной термобур для бурения скважин в ледяных образованиях
WATER THERMODRILL FOR DRILLING WELLS IN ICE BODIES

Изобретение относится к устройствам для теплового бурения скважин во льду и может быть использовано для исследования ледников и нагромождений морского льда - торосов и стамух. Известен способ определения структуры торосов и стамух, свойств льда и границы льда и грунта путем теплового бурения скважин [4].
Известно керновое и бескерновое бурение электротермобурами, разработанными в Арктическом и Антарктическом НИИ [1, 2], которые используются для исследования ледников и морского льда с 1970 г. Достоинством электротермобуров являются сравнительно небольшой вес, возможность бурения скважин на всю глубину торосов, возможность определения величины и расположения пустот во льду с высокой точностью. Недостатком является низкая скорость бурения льда.
Известно устройство для водяного бурения скважин во льду [3], представляющее собой теплоизолированную трубу, через которую с помощью насоса по резиновым шлангам подается горячая вода на забой. Вода растапливает лед, и труба под действием своей тяжести опускается. По мере углубления в лед труба, имеющая резьбовое соединение, наращивается. Недостатком устройства является большой расход воды и невысокая производительность, т.к. за счет свободного вытекания горячей воды образуется широкая скважина.
Наиболее близким, принятым прототипом является водяной бур [5], в котором горячая вода по шлангу подается в корпус бура и выпускается через отверстие в носке буровой коронки, полый корпус которой выполнен в форме параболоида. Такие устройства широко использовались в исследованиях ледников для бурения скважин различного назначения. На фигуре 1 изображена схема водяного бура. Устройство состоит из полого корпуса 1, к верхнему концу которого подключен буровой шланг 2, на нижнем конце корпуса находится буровая коронка 3. Достоинство этого водяного термобура заключается в высокой скорости бурения. Недостатком является то, что при использовании его для исследования внутреннего строения крупных ледяных образований, когда наличие или отсутствие пустот определяется по скорости погружения бура, невозможно зафиксировать пустоты, размер которых менее 10-15 см, из-за большой длины параболической коронки термобура, на которой происходит зависание снаряда при выходе бура в пустоту. Плавление стенок скважины продолжается горячей параболической частью бура, и движение бура замедляется до последующего повала в пустоту или упора в расположенный ниже блок льда. При малых размерах пустоты провала бура не происходит, и наличие пустоты не фиксируется. К тому же, во время зависания бура вода, струящаяся из коронки, расплавляет расположенный под полостью блок льда, образуя в нем каверны.
Цель изобретения - повышение чувствительности при использовании устройства для определения положения границ и размеров пустот в ледяных нагромождениях при сохранении высокой скорости бурения.
Технический результат достигается уменьшением параболической части коронки термобура до длины около одного сантиметра, дающей оптимальное соотношение скорости бурения и разрешающей способности термобура при фиксировании пустот во льду, дополнительном выпуске ряда расходящихся закрученных струй воды и возможности увеличения зазора и, соответственно, расхода воды для очистки каналов от загрязнений.
На фигуре 2 изображена схема буровой коронки термобура. Буровая коронка состоит из наконечника 4, вкладыша 5, втулки 6, гайки 7, жиклера 8, колец 9 и 10 и пружины 11. Втулка 6 содержит резьбу на верхнем конце для крепления к корпусу бура. На нижнем конце наконечника 4 сделана параболическая заточка снаружи, формирующая забой, и коническая проточка внутри для установки в нее и фиксирования вкладыша 5. Вкладыш 5 имеет в нижней части конусную форму снаружи и конусную форму внутри с осевым отверстием в верхней части, диаметр которого определяется жиклером 8. На наружной конусной поверхности вкладыша 5 нарезаны прямоугольные пазы в виде резьбы с большим шагом. Вкладыш 5 устанавливается в наконечник 4 соосно. В верхней части втулки 6 сделана резьба для установки гайки 7, которая фиксирует пружину 11, прижимающую вкладыш 5 к внутренней конусной поверхности наконечника 4 так, чтобы торцы наконечника 4 и вкладыша 5 находились на одном уровне заподлицо. При этом пазы на конической поверхности вкладыша 5 образуют каналы для выпуска воды из коронки в виде расходящихся закрученных струй. Фигура 3 иллюстрирует внешний вид резьбовой части вкладыша 5.
Работа устройства осуществляется следующим образом. Центральная струя горячей воды и расходящиеся закрученные струи образуют во льду кольцевидный забой, при этом центральная часть нерасплавленного льда на забое в виде острого выступа попадает в коническую полость вкладыша 5, где расплавляется струей воды из центрального отверстия жиклера 8. Диаметр забоя получается чуть больше диаметра бура, что устраняет зависание бура при выходе его из плотного льда в полость. При этом не происходит разрушения струями воды льда, расположенного за полостью, и скорость бурения соответствует наличию или отсутствию льда.
Для оперативной очистки пазов от случайных загрязнений предусмотрена возможность увеличения зазора между наконечником 4 и вкладышем 5. Под внешним усилием вкладыш 5 утапливается внутрь наконечника 4, зазор увеличивается, и, соответственно, через коронку увеличивается расход воды, которая производит промывку пазов вкладыша 5. После снятия усилия пружина 11 возвращает вкладыш 5 на место.
Такое устройство прошло испытания при бурении торосов, где была подтверждена его высокая эффективность и надежная работа.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. А.С. №350945, БИ №27, опубл. 13.11.72 г.
2. А.С. №439601, БИ №30, опубл. 15.08.74 г.
3. Астафьев В Н., Сурков Г.А., Трусков П А. Торосы и стамухи Охотского моря. - Санкт-Петербург: Пресс-Погода, 1997. - 208 с.
4. Патент России №2153070 от 20.07.2000. Бюллетень №20.
5. Taylor Ph. L. A Hot Water Drill for Temperate Ice. CRREL Special Report 84-34, 1984. p. 105-117.