Обзор колонковых электромеханических буровых снарядов на грузонесущем кабеле

Колонковые буровые снаряды на грузонесущем кабеле в составе различных электротехнических комплексов не получили широкого применения в промышленности. Наиболее часто они используются при бурении ледников в полярных областях Земли.

Разработанные электромеханические снаряды имеют различия в компоновке, но можно выделить следующие основные элементы конструкции. Снаряд состоит из вращающейся нижней и невращающейся верхней частей. Нижняя часть состоит из кольцевой коронки с резцами, кернорвательного устройства, колонковой трубы, насоса, фильтра и шламосборника, а верхняя – редуктора, погружного электродвигателя, распорного устройства и кабельного замка, в котором закреплен грузонесущий кабель.

За рубежом известны три электромеханических буровых снаряда на грузонесущем кабеле, которые использовались при бурении ледникового покрова. К ним относятся: буровой снаряд CRREL (разработанный в США), буровой снаряд ISTUK (разработанный датскими и швейцарскими специалистами) и буровой снаряд, разработанный в гляциологической и геофизической лаборатории национального центра научных исследований, расположенной в городе Гренобль (Франция) [4, 5].

Первый электромеханический колонковый снаряд был разработан в 1965 году в американской военной лаборатории научных и инженерных исследований полярных районов (USA CRREL) при поддержке Национального научного фонда. Его конструкция была основана на электробуре Арутюнова для бурения во льдах. Длина снаряда составляла 26,5 м, масса – около 1100 кг.

Главная особенность технологии бурения этим снарядом заключалась в том, что образовавшийся ледяной шлам растворялся с помощью этиленгликоля. Этот способ удаления шлама не может применяться при бурении скважин с температурой ниже -300С, поскольку в этих условиях трудно обеспечить нужную концентрацию этиленгликоля для растворения ледяного шлама, что делает работу бурового снаряд ненадёжной и малоэффективной [2].

Буровой снаряд ISTUK был спроектирован геофизической в университете Копенгагена (Дания) [4, 5]. Длина снаряда ISTUK составила 11,5 м, диаметр буровой коронки – 129,5 мм, общая масса снаряда – около 180 кг. Для подвешивания и питания снаряда применялся армированный четырёхжильный кабель диаметром 6,45 мм. Этот кабель при удельной массе в 153 кг/км выдержал разрывное усилие величиной до 24940 Н.. Изоляция кабеля была рассчитана на 200В, электрическое сопротивление четырёх питающих жил, соеди- нённых параллельно составляло 16,7 Ом/км, а стальной оплётки – 11,5 Ом/км. Бурение производилось в скважине, залитой специальной жидкостью с низкой температурой замерзания Jet A-1.

Особенность этого электромеханического снаряда заключалась в системе питания по кабелю с использованием накопителей энергии в виде электрических аккумуляторов. Они заряжались во время спускоподъемных операций, что позволило при разработке грузоне-сущего кабеля учитывать средний расход электроэнергии, а не пиковый, поскольку длительность спускоподъёмных операций составляет около 1,5 часов, а процесс бурения на забое длится в среднем 6 минут. Использование аккумуляторов позволило уменьшить сечение кабеля.

При бурении в снаряде использовалась сложная система управления процессом бурения с использованием компьютера, установленного непосредственно на буровом снаряде. Это облегчило управление процессом бурения, однако усложнило конструкцию, привело к увеличению цены изготовления и повысило сложность эксплуатацию комплекс в целом [3].

В Санкт-Петербургском горном университете под руководством профессора Кудряшова Б. Б был разработан электромеханический буровой снаряд на грузо-несущем кабеле КЭМС-132 [1]. Они используется для бурения скважины диаметром 132 мм в леднике на станции Восток в Антарктиде. При его непосредственном участии была пробурена самая глубокая в мире скважина 5Г-3 глубиной 3769,3 метров и выполнено вскрытие озера Восток.

Основными элементами конструкция колонкового электромеханического бурового снаряда КЭМС-132 являются: коронка с колонковой трубой, редуктор, приводной электродвигатель, насос, создающий обратную циркуляцию промывочной жидкости, распорное устройство, ударное устройство, электроотсек с кабельным замком для подсоединения грузонесущего кабеля.

В процессе бурения колонковая труба с закреплённой на ней коронкой вращается приводным электродвигателем через планетарный редуктор. Распорное устройство упирается своими коньками в стенки скважины и компенсирует реактивный момент, появляющийся на не вращающейся статорной части бурового снаряда в процессе бурения. Предусмотренное на снаряде ударное устройство необходимо для обеспечения срыва керна и ликвидации возможных осложнений [1].

Для бурения скважин вне ледникового покрова колонковые буровые снаряды на грузонесущем кабеле с электроприводом вращательного движения не используются, прежде всего, из-за необходимости применения надежных устройств и приспособлений, которые будут воспринимать значительную реактивную нагрузку при работе бурового снаряда на забое [2].

Одним из вариантов решения этой задачи является разработка буровых снарядов, у которых нет необходимости устройстве для компенсации реактивного момента. Примером подобного снаряда является разработанный в Горном университете динамически уравновешенный буровой снаряд с электроприводом возвратно-вращательного движения [3]. Конструктивно этот буровой снаряд представляет из себя двухмассовую колебательную систему: статорную и роторную, которые соединены друг с другом упругим элементом. При работе статорная и роторная части снаряда совершают колебания в противоположных направлениях, а сумма моментов вращения, действующая на эти части, равна нулю. Таким образом, можно сказать, что буровой снаряд является динамически уравновешенным.

Помимо бурения ледников динамически уравновешенный буровой снаряд на грузонесущем кабеле можно использовать в различных областях, таких как взятие проб со дна Мирового океана, рек и озёр или очистка призабойной зоны нефтяных и газовых скважин от пескопроявления и образования асфальтосмолистых отложений.