устройство для взрывореактивного бурения

Формула изобретения

1. Устройство для взрывореактивного бурения, включающее корпус, кассету с выполненной в ней незамкнутой полостью-отражателем с зарядом ВВ и инициирующий блок, отличающееся тем, что оно снабжено дополнительными кассетами, установленными вдоль продольной оси устройства и скрепленными между собой и основной кассетой, при этом полости-отражатели выполнены в виде глухих отверстий или кольцевых проточек, размещенных в нижней части каждой из кассет и открытых в направлении забоя скважины и в верхней части каждой из кассет и открытых в направлении устья или стенок скважины, продольные оси полостей-отражателей направлены под углом к продольной оси устройства, а инициирующий блок выполнен многоканальным с возможностью поочередного инициирования заряда ВВ в каждой кассете.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что вдоль продольной оси устройства в кассетах выполнено сквозное отверстие.

3. Устройство по пп. 1 и 2, отличающееся тем, что полости-отражатели каждой из кассет выполнены различного по величине сечения.

4. Устройство по пп. 1-3, отличающееся тем, что количество полостей-отражателей в нижней и верхней частях кассеты выполнено различным.

5. Устройство по пп. 1-4, отличающееся тем, что количество полостей-отражателей на кассетах выполнено различным.

6. Устройство по пп. 1-5, отличающееся тем, что проекции на горизонтальную плоскость продольных осей полостей-отражателей в виде глухих отверстий выполнены не пересекающимися с продольной осью устройства.

7. Устройство по пп. 1-6, отличающееся тем, что заряды ВВ выполнены кумулятивными.

8. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что полости-отражатели, размещенные в верхней и нижней частях кассеты, сообщены между собой сквозными отверстиями для размещения в них средств инициирования.

9. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что инициирующий блок выполнен электрическим с программным управлением.

Описание изобретения к патенту

Изобретение отноcится к средствам бурения колодцев и скважин, образования отверстий в породах и материалах различной прочности и может быть использовано в горной промышленности, геологоразведке, для прибрежного и шельфового строительства, транспортного строительства, в частности для прокладки коммуникаций и средств связи, а также для ведения аварийно-спасательных и восстановительных работ в экологически неблагоприятных и труднодоступных районах.

Известные устройства для взрывного бурения разрушают породу в результате подрыва зарядов ВВ с последовательной их подачей на забой при одновременном удалении продуктов разрушения 1

Использование подобных устройств малоэффективно из-за использования накладных зарядов, обладающих низким КПД, большая часть энергии взрыва истекает в воздух, а не разрушает породу, низкая эффективность объясняется и невысокой частотой подачи и подрыва зарядов, не превышающей 25 Гц.

Недостатком данного устройства является: невысокая производительность из-за низкого КПД 1-2% и недостаточной частоты инициирования ВВ не более 25 Гц (с увеличением частоты массы единичного ВВ уменьшается обратно пропорционально); недостаточная надежность работы: в запыленных и обводненных зонах из-за нарушения стехиометрии и концентрации жидких компонентов, при отклонении угла оси рабочего органа от вертикальной оси из-за растекания компонентов; высокая токсичность ВВ окислителем является четырехокись азота (N₂О₄).

Основным недостатком аналога является необходимость в сложном оборудовании больших габаритов и массы.

Наиболее близким к заявленному является устройство для бурения, включающее корпус, кассету, выполненную в кассете незамкнутую полость-отражатель с зарядом ВВ и инициатором 2.

Недостатком наиболее близкого технического решения является низкая производительность: из-за невозможности организации данным устройством более одного взрыва и недостаточно высокого КПД в результате отката устройства при взрыве.

Целью изобретения является повышение эффективности бурения колодцев и скважин, образования отверстий в породах и материалах различной прочности путем увеличения частоты импульсов и повышения КПД.

Поставленная цель достигается тем, что устройство для бурения колодцев и скважин, образования отверстий в породах и материалах различной прочности снабжено дополнительными кассетами, скрепленными между собой и основной кассетой, установленными вдоль продольной оси устройства, в нижней и верхней части каждой кассеты выполнены полости-отражатели в виде кольцевых проточек или незамкнутых полостей, в которых расположены заряды ВВ, причем продольные оси проточек и незамкнутых полостей направлены под углом к продольной оси устройства, между проточками и полостями имеются сквозные отверстия для размещения средств инициирования.

Кроме того, вдоль продольной оси устройства кассеты имеют сквозное осевое отверстие; полости-отражатели на каждой из кассет выполнены различного по величине сечения; количество отверстий-отражателей указанных сторон не совпадает; проекции на горизонтальную плоскость продольных осей незамкнутых полостей-отражателей ориентированы по касательной к окружности; заряды ВВ выполнены кумулятивными; инициирующее средство выполнено электрическим с программным многоканальным блоком управления.

Наличие указанных отличий позволяет значительно повысить эффективность бурения колодцев и скважин, образования отверстий в породах и материалах различной прочности за счет:

увеличения частоты импульсов от О до 100000 Гц, что обеспечивается: а) безоткатной работой устройства, благодаря инициированию зарядов ВВ. находящихся на верхней части кассеты (реактивных зарядов), прижимающих устройство к забою; б) высокой концентрацией продуктов детонации, воздействующих на породу, эффект достигается за счет полостей-отражателей и кумулятивной формы зарядов, аккумулирующих энергию с высокой удельной плотностью в рабочую зону, обеспечивающей быстрое разрушение нагружаемого объекта; в) фрагментарным разрушением рабочей кассеты, наступающим после завершения разрушения породы или материала, что обеспечивает автоматическую подачу новой кассеты на забой; г) оперативным удалением из забоя на дневную поверхность фрагментов разрушенной породы и кассеты продуктами детонации, создающих непрерывную подъемную силу за счет высокой рабочей частоты инициирования ВВ программным многоканальным электрическим средством.

высоким КПД, который обеспечивается: а) безотказной работой устройства и высокой концентрацией продуктов детонации, что уменьшает рассеивание энергии; б) наличием в кассетах сквозного осевого отверстия, что обеспечивает снижение парусности (подъемной силы) устройства, а следовательно уменьшает массу реактивного заряда ВВ и устройства в целом; в) использованием в кассете полостей различного по величине сечения и числа, что позволяет в породах и материалах различной прочности создавать наиболее рациональные режимы истечения продуктов детонации, а следовательно свести до минимума рассеивание энергии; г) ориентацией проекций продольных осей незамкнутых полостей на горизонтальную плоскость по касательной к окружности, что обеспечивает раскрутку устройства и придание ему гидроскопической устойчивости, а следовательно увеличение эффективности работы. Изобретение поясняется чертежами, где: на фиг. 1 общий вид устройства, оснащенного кассетами, имеющими полости-отражатели в виде незамкнутых полостей; фиг.2 сечение по А-А на фиг.1; фиг.3 общий вид устройства, оснащенного кассетами, имеющими полости-отражатели в виде кольцевых проточек и наличие вдоль продольной оси устройства кассеты сквозного осевого отверстия; фиг.4 вид одинарной кассеты со схемами зон разрушения породы.

Устройство для взрывореактивного бурения фиг.1 содержит набор кассет 1, скрепленных между собой, инициирующий блок 2 состыкован с кассетами через переходник 3, выполненный в виде трубчатых элементов 4 для проводки внутренних электропроводов 13.

Крепление кассет может быть выполнено болтовым 6, клеевым, сваркой или различными ее видами и т.п. В каждой кассете 1 на верхней 7 и нижней 8 поверхностях выполнены соответственно полости 17 и 18, в которых размещены соответственно забойный 9 и прижимной ( реактивный) 10 заряды ВВ. установлен детонатор 11, связанный электрическим кабелем 13, сообщенный каналами 12 с каждым зарядом и с блоком инициирования и управления 2. Каналы 12 могут быть снаряжены тем же ВВ, что применяется в зарядах, кроме того могут быть использованы детонирующие шнуры или шнуры Нонеля.

Полости-отражатели кассеты 17,18 могут быть выполнены в виде одной или ряда незамкнутых полостей, расположенных по периметру соответствующей поверхности кассеты, продольная ось которых может иметь различные положения в пространстве в зависимости от конкретной решаемой задачи.

На фиг.2 показан один из возможных вариантов этого расположения, при котором продольные оси отверстий не пересекаются и не перекрещиваются с центральной осью 15 симметрии кассеты (и продольной осью устройства). Кроме того, оси указанных незамкнутых полостей наклонены относительно центральной оси 15 в одну сторону для создания вращающегося момента струями продуктов детонации, т. е. проекции на горизонтальную плоскость продольных осей незамкнутых полостей ориентированы по касательной к окружности.

Работает устройство следующим образом.

На поверхности производят сборку устройства из кассет 1, выбранных в соответствии с предполагаемыми характеристиками скважины, снаряженных зарядами ВВ 9,10 в соответствии с предполагаемой геологической обстановкой. Набор кассет 1 состыковывается с инициирующими блоком 2 при помощи крепежного кольца 5. В блок 2 закладывается программа работы (ведение подрывов с определенной частотой и последовательностью) в соответствии с геологической разведкой предполагаемого участка бурения. Через дистанционный пульт управления по электропроводам заряжают конденсаторные или аккумуляторные батареи инициирующего блока 2, подают сигнал на запуск. С инициирующего блока 2 по электропроводам 13 подаются сигналы импульсов с заранее установленной частотой на детонаторы (инициаторы) 11, начиная с нижней кассеты 1. Детонатор 11 инициирует забойный 9 и реактивный 10 заряд, инициирование возможно осуществлять через каналы 12. Нижняя полость-отражатель 18 концентрирует продукты детонации на забой 22, разрушая, уплотняя и выбрасывая фрагменты разрушенной породы и кассеты 1 на дневную поверхность. При этом детонация реактивного заряда 10 обеспечивает безоткатную работу взрывореактивного устройства с одновременным расширением боковых стенок скважины и подачи устройства на вновь образованный забой 22. После завершения разрушения породы происходит хрупкое разрушение рабочей кассеты (нижней) 1, после чего осуществляется инициирование следующей кассеты.

На фиг. 3 изображен общий вид взрывореактивного устройства с кассетами 14, имеющими полости-отражатели в виде кольцевых проточек 17,18 и сквозными осевыми отверстиями вдоль осевой линии 15. Осевые отверстия уменьшают подъемную силу от воздействия продуктов детонации и обеспечивают более эффективное удаление фрагментов разрушенной породы и кассеты на дневную поверхность. Кассеты 14 обеспечивают фокусирование продуктов детонации забойного заряда 9, расположенных в нижней их части 8, по осевой линии 15 ниже уровня забоя, за счет сходящейся кольцевой ударной волны. Это позволяет создавать в зоне забоя мощное воздействие сходящейся ударной волны и эффективное разрушение любой горной породы. Кроме того, каждый заряд, в том числе и забойный, может быть выполнен кумулятивным, что существенно повышает плотность энергии взрыва и эффективность разрушения. Крепление блока инициирования и управления 2 с набором кассет 14 целесообразно осуществлять через кольцевой амортизатор 16, что обеспечивает: удобную разводку электропроводов 13, выводимых через трубчатые элементы 4 и соединение их с электродетонаторами 11 фиг.4; неразрушаемую работу крепежного кольца 5 и трубчатых элементов 4.

На фиг.4 показана схема зон разрушения породы в забое 22 при подрыве кассеты 14, где обозначена первичная кольцевая полость 23, образуемая в начальный момент, зона разрушения породы забойным зарядом 24, зона разрушения реактивным (прижимным) зарядом 25, зона трещиноватости или уплотнения породы, незатронутая взрывом породы 27 с природными физико-механическими свойствами.

Работа взрывореактивного устройства продолжается до полного использования всех кассет 14, после чего блок инициирования 2, переходник 3 с трубчатыми элементами 4 и крепежным кольцом 5 извлекаются на дневную поверхность и оснащаются новым набором кассет 14. Взрывореактивное устройство готово к проходке скважин.

Для подтверждения работоспособности и промышленной применимости устройства были проведены экспериментальные исследования, для чего были изготовлены взрывореактивные устройства, содержащие по семь кассет с наружним диаметром 200 мм, оснащенные автономными блоками электрического инициирования с дистанционным управлением. В качестве ВВ использовался октоген.

Испытания проводились на Домодедовском карьере промстройматериалов Московской области. В известняке с помощью устройства практически мгновенно были образованы колодцы диаметром до 700 мм и глубиной более 1 м.

Кроме того, для исследования на искусственных материалах были проведены испытания на полигоне Института химической физики РАН в пос.Черноголовка.

Для испытаний использовались железобетонные плиты толщиной 160 мм с наполнителем из цемента марки М-400.

Устройства содержали по 5-10 кассет, снаряженных различными типами ВВ, в том числе аммонитом 6ЖВ, тротил-гексогеном, гексогеном, зарядами от 5 до 25 г.

В плитах были пробиты отверстия диаметром от 90 до 200 мм, отношение диаметра образуемой полости к диаметру инструмента доходило до пяти.

Описанные примеры подтверждают высокую эффективность использования заявленного устройства во многих областях техники и народного хозяйства.