Устройство для термомеханического бурения скважин

 

Изобретение относится к горной промышленности, в частности к устройствам для бурения и расширения скважин в крепких породах. В основу изобретения поставлена задача снижения энергоемкости процесса бурения путем уменьшения энергозатрат на производство сжатого воздуха, потребляемого в качестве окислителя в огненной горелке бурового става и основного элемента при продувке скважин. Устройство для термомеханического бурения скважин включает буровой орган в виде бурового става, на конце которого установлены породоразрушающие элементы и огнеструйная горелка с магистралями подачи топлива, воды, воздуха, последняя через теплообменник и адсорбер сообщена с нагнетательным патрубком компрессора, и компрессор, имеющий фильтр с суживающимся соплом, которое выполнено с внутренними продольными винтообразными канавками от входного к выходному отверстию, заканчивающимися кольцевой канавкой перед выходным отверстием суживающегося сопла, при этом в кольцевой канавке диаметрально противоположно расположены отверстия, заполненные эластичным материалом с осесимметричными отверстиями, изменяющими свое сечение под действием избыточного давления потока всасываемого воздуха. 4 ил.

Изобретение относится к горной промышленности, в частности к устройствам для бурения и расширения скважин в крепких породах.

Известно устройство для совмещенного механического бурения и термического расширения скважин /Великий М.И. и др. Техника бурения скважин комбинированными способами. М., Недра, 1977 г., с. 35-41/, включающее компрессор с всасывающим фильтром, водяной бак с расположенным в нем радиатором и электродвигатель, бак с топливом, буровой став с породоразрушающими элементами и огнеструйной горелкой, соединенной с магистралями подачи воздуха, воды и топлива.

Недостатком этого устройства является высокая энергоемкость процесса бурения, обусловленная низким качеством сжатого воздуха, поступающего к огненной горелке.

Известно устройство для термомеханического бурения скважин /Устройство для термомеханического бурения скважин. МКИ E 21 B 7/14, E 21 C 37/16, 1839693, Бюл. N 47-48, 1993/, включающее буровой орган в виде бурового става, на конце которого установлены породоразрушающие элементы и огнеструйная горелка с магистралями подачи топлива, воды и воздуха, последняя через теплообменник и адсорбер сообщена с нагнетательным патрубком компрессора и компрессор с расположенным на входе его всасывающего патрубка фильтром с днищем конической формы и суживающимся соплом, конденсатоотводчиком-поплавком, разделяющим внутреннюю полость корпуса на камеры, сообщающиеся соответственно со всасывающим патрубком компрессора и суживающимся соплом.

Недостатком данного устройства является энергоемкость процесса бурения и продувки скважин в сложных погодно-климатических и эксплуатационных условиях, обусловленных наличием значительного количества загрязнений во всасываемом воздухе как технологических, так и атмосферных твердых частиц и капелеобразных частиц.

В основу изобретения поставлена задача снижения энергоемкости процесса бурения, путем уменьшения энергозатрат на производство сжатого воздуха, потребляемого в качестве окислителя в огненной горелке бурового става и основного элемента при продувке скважин.

Технический результат изобретения обеспечивает уменьшение энергозатрат при использовании сжатого воздуха в процессе термодинамического бурения и продувки скважин путем увеличения массовой производительности компрессора за счет снижения температуры всасываемого воздуха, достигаемой при термодинамическом расслоении его в воздушном фильтре на "холодный" и "горячий" потоки с последующим частичным удалением в окружающую среду части "горячего" потока через расширяющиеся отверстия, выполненные в кольцевой канавке суживающегося сопла.

На фиг. 1 изображено устройство термомеханического бурения скважин /общий вид/; на фиг. 2 - разрез воздушного фильтра компрессора; на фиг. 3 - вид А /развертка суживающегося сопла/; на фиг. 4 - сечение по В-В /разрез по кольцевой канавке суживающегося сопла/.

Устройство включает буровой орган в виде бурового става 1, на конце которого установлены породоразрушающие элементы и огнеструйная горелка 2, к которой присоединены: магистраль 3 подачи воды, магистраль 4 подачи топлива, магистраль 5 подачи воздуха через теплообменник 6, находящийся в баке 7 и адсорбер 8, по нагнетательному патрубку 9 от компрессора 10, связанного посредством всасываемого патрубка 11 с фильтром 12, размещенного на компрессоре 10, корпуса 13 с днищем конической формы и суживающимся соплом 14, отражателя 15, прикрепленного к корпусу фильтра 12, конденсатоотводчика-поплавка 16, внутренних камер 17 и 18, сообщающихся соответственно со всасывающим патрубком 11 и суживающимся соплом 14, на внутренней поверхности которого выполнены продольные от входного 19 к выходному 20 отверстиям винтообразные канавки 21, заканчивающиеся кольцевой канавкой 22, в которой расположены отверстия 23, заполненные эластичным материалом 24 с осесимметричными отверстиями 25.

Устройство работает следующим образом. При термодинамическом разрушении горных пород и в процессе удаления выбуренной массы наблюдается интенсивное загрязнение атмосферного воздуха технологическими загрязнениями в виде твердых частиц и капелеобразной влаги. В результате даже при усовершенствованной очистке от мелкодисперсных загрязнений над установкой пылепарогазоподавления на выходе из вытяжных труб постоянно находится значительная масса парогазовой смеси, насыщенная твердыми частицами, которая в процессе работы компрессора 10 при производстве сжатого воздуха смещается в сторону всасывающего фильтра 12.

Суживающееся сопло 14 /см. фиг. 2/, работая по принципу воронки для полусферы окружающего атмосферного воздуха с парогазовой смесью, насыщенной твердыми частицами, всасывает данную массу. В результате уменьшения проходного сечения суживающегося сопла 14 и возрастания скорости всасываемого потока загрязнения оттесняются к стенке и попадают в продольные, начинающиеся от входного отверстия 19, винтообразные канавки 21, где сталкиваясь с другими частицами /твердыми и капелеобразными/, укрупняются и становятся "ядрами конденсации" водяного пара. Закручивание в винтообразных канавках 21 более плотного потока пограничного слоя интенсифицирует завихрение всего потока всасываемого воздуха, обеспечивая его термодинамическое расслоение на "горячий" - периферийный с избыточным давлением и "холодный" - осевой с пониженным /относительно давления окружающей среды/ давлением /см., например, "Некоторые вопросы исследования вихревого эффекта и его промышленного использования".- Куйбышев: 1974, 276 с./.

Прирост температуры "холодного" потока за счет теплоты конденсации паров атмосферной и технологической влаги несколько снижает эффект термодинамического расслоения всасываемого воздуха в суживающемся сопле 14 /относительно идеального процесса термодинамического расслоения, когда во всасываемом воздухе отсутствуют пары атмосферной и технологической влаги/, тогда действительное значение температуры охлаждения может быть определено из соотношения; температура термодинамически расслаиваемого в суживающемся сопле атмосферного (идеализированного) воздуха без наличия атмосферной и технологической парообразной и капелеобразной влаги; T_BB - температура атмосферного воздуха на входе в суживающееся сопло воздушного фильтра; n, k - показатели политропы и адиабаты; M - число Маха, M = ω_вс/a, где a - скорость всасываемого атмосферного воздуха при движении его по суживающемуся соплу, ω_вс - местная скорость звука в суживающемся сопле, теплоемкость соответственно "холодного" потока в суживающемся сопле и атмосферного всасываемого воздуха перед входным отверстием фильтра; P_HX, P_X - давление насыщенных паров влаги соответственно в "холодном" потоке и атмосферного воздуха; ϕ_x, ϕ_вв - относительная влажность соответственно "холодного" потока и атмосферного воздуха.

"Горячий" поток термодинамически расслоенного всасываемого воздуха в суживающемся сопле 14 концентрируется с избыточным давлением в пограничном слое продольных винтообразных канавок 21 и достигает кольцевой канавки 22, в которой расположены отверстия 23, заполненные эластичным материалом 24 с осесимметричными отверстиями 25 /см. фиг. 3 и 4/.

Упругость эластичного материала 24 выбрана таким образом, что лишь под воздействием избыточного давления "горячего" потока термодинамически расслоенного всасываемого воздуха осесимметричные отверстия 25 открываются /см. фиг. 4/, соединяя отверстия 23 кольцевой канавки 22 с атмосферой. Тогда основная массы "горячего" потока, направляемая из пограничного слоя винтообразных канавок 21 в кольцевую канавку 22 с загрязнениями в виде твердых частиц и капелеобразной влаги выбрасывается через отверстия 23, открытые отверстия 25 /за счет выпуклости эластичного материала 24/ в атмосферу, а "холодный" - осевой поток и часть "горячего", неуспевшего выброситься в атмосферу, потока поступает к выходному отверстию 20 суживающегося сопла 14.

Полученная смесь "холодного " и частично "горячего" потоков имеет температуру, меньшую, чем температура атмосферного всасываемого воздуха. Чем выше плотность термодинамически расслаиваемого воздуха /атмосферный воздух насыщен технологическими загрязнениями и атмосферной капелеобразной влагой/ на входе в дозвуковое сопло /суживающееся сопло 14/, выполняющее функцию вихревой трубы, тем более низкая температура "холодного" потока. Поэтому сброс перед поступлением в компрессор 10 хотя бы части "горячего" потока обеспечивает увеличение плотности всасываемого воздуха и соответственно массовой производительности, тем самым снижая энергоемкость термомеханического бурения и продувки скважин.

Известно, что снижение температуры всасываемого в компрессор атмосферного воздуха на каждые 3^oC уменьшает удельные энергозатраты на производство сжатого воздуха на 1% /см. например, Курчавин В.М., Мезенцев А.П. "Экономия тепловой и электрической энергии поршневых компрессоров".- М.: Машиностроение, 1985 - 80 с./.

На выходе из отверстия 20 суживающегося сопла 14 вращающийся охлажденный всасываемый воздух во внутренней камере 17 внезапно расширяется, дополнительно снижая свою температуру еще на 3-5^oC, и ударяется об отражатель 15. Вследствие этого несброшенные с "горячим" потоком через отверстия 25 твердые частицы и капелеобразная влага падают в днище 13 конической формы, где накапливаются до определенного уровня, после чего выбрасываются вручную или автоматически через конденсатоотводчик-поплавок 16. При дальнейшем движении охлажденный всасываемый воздух огибает отражатель 15 и поступает в камеру 18, сообщенную со всасывающим патрубком 11, и далее в компрессор 10, откуда после сжатия по нагнетательному патрубку 9 через теплообменник 6, находящийся в баке 7, и адсорбер 8 по магистрали 5 бурового става 1 поступает к огненной горелке 2, обеспечивая, наряду с поступающими туда же топливом по магистрали 4 и водой по магистрали 3, процесс термического разрушения и удаления горных пород.

Преимущество предлагаемого изобретения заключается в том, что данное конструктивное решение обеспечивает увеличение плотности всасываемого воздуха /чем ниже температура всасываемого воздуха, тем выше его плотность и соответственно массовая производительность компрессора/, а это позволяет без дополнительных энергозатрат увеличить подачу сжатого воздуха как в процессе термомеханического бурения, так и продувки скважин и в конечном итоге снизить энергоемкость буровых работ.

Оригинальность конструктивного решения предлагаемого изобретения подтверждается несложностью технического исполнения, гарантирующего эксплуатационную и технологическую надежность процесса термодинамического расслоения всасываемого воздуха, а также увеличивает срок работы воздушного фильтра компрессора, так как часть загрязнений сбрасывается из суживающегося сопла в окружающую среду, предотвращая поступление их к отражателю и в конденсатоотводчик, откуда при перенасыщении может попасть в компрессор с последующей интенсификацией износа его клапанов, поршневой системы и в конечном итоге приведет к снижению надежности элементов термомеханического станка: компрессора и огнеструйной горелки.

Формула изобретения

Устройство для термомеханического бурения скважин, включающее буровой орган в виде бурового става, на конце которого установлены породоразрушающие элементы и огнеструйная горелка с магистралями подачи топлива, воды, воздуха, последняя через теплообменник и абсорбер сообщена с нагнетательным патрубком компрессора, и компрессор с расположенным на входе его всасывающего патрубка фильтром в виде корпуса с днищем конической формы и суживающимся соплом, конденсатоотводчиком-поплавком и отражателем, разделяющим внутреннюю полость корпуса на камеры, сообщающиеся соответственно с всасывающим патрубком компрессора и суживающимся соплом, отличающееся тем, что суживающееся сопло выполнено с внутренними продольными винтообразными канавками от входного к выходному отверстию, заканчивающимися кольцевой канавкой перед выходным отверстием суживающегося сопла, при этом в кольцевой канавке диаметрально противоположно расположены отверстия количеством не менее четырех и заполненные эластичным материалом с осесимметричными отверстиями, изменяющими свое сечение под действием избыточного давления потока всасываемого воздуха.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4