Способ бурения скважин и устройство для его осуществления
Изобретение относится к горной промышленности, в частности к устройствам для бурения скважин. Способ бурения скважин включает подачу в буровой снаряд водородно-кислородной смеси, которую в аппарате воспламеняют для получения высокой температуры. Водород и кислород вырабатывают электролизом воды на передвижной установке, непосредственно у скважины и подают по гибким трубопроводам. Нагрев корпуса бурового снаряда производят путем взрывания горючей смеси в полости корпуса с определенной частотой с образованием высокой температуры и ударной волны, которая воздействует на породоразрушающие инструменты путем ввинчивания их в горную породу. Устройство содержит корпус снаряда с камерой взрывания и систему каналов подвода рабочего агента и выхлопа отработанных газов. Буровой снаряд выполнен в форме цилиндра из молибдена или вольфрама, содержащего емкость с крышкой, соединенных между собой винтовыми соединениями. Внутри стен цилиндра расположены продольные каналы водяных рубашек. Внутри цилиндра расположены подвижные лопасти ротора, жестко закрепленные на полом валу. Лопасти ротора делят объем цилиндра на камеры. Камера питания снаряда соединена с емкостью электролизера при помощи газопроводов, емкостей накопителей, вакуум-баллонов и вакуум-насосов. На внутренней стороне цилиндра снаряда вмонтирован геркон и свечи зажигания, соединенные между собой при помощи электрической цепи и выполненные с возможностью воспламенения гремучего газа в камере. Обеспечивается повышение производительности и эффективности работы буровой установки. 2 н.п. ф-лы, 15 ил.
Устройство относится к горной промышленности, в частности к устройствам для бурения скважин.
Известен способ бурения, который осуществляют путем расплавления горных пород посредством подачи в буровой снаряд водородно-кислородной смеси, которую в аппарате воспламеняют для получения высокой температуры. Кислород и водород вырабатывают электролизом воды на передвижной установке у самой скважины и подают в аппарат по соответствующим гибким трубопроводам (авт. свид. СССР 73175, 1946).
Известно устройство для бурения скважин, содержащее корпус с камерой взрывания, в передней части которого установлен рабочий орган с расположенным в его полости поршнем, и систему каналов для подвода рабочего агента и выхлопа отработанных газов. В полости рабочего органа установлены дополнительные поршни, а в ее стенках выполнены ограничители движения поршней, которые совместно с последним делят полость рабочего органа на камеры поочередного взрывания, при этом каналы подвода рабочего агента и выхлопа отработанных газов выполнены в стенках каждой камеры (а.с. СССР 597782, 1978).
Недостатками известных способов и устройств являются низкая производительность и недостаточная эффективность работы устройств.
Целью изобретения является повышение эффективности работы устройств и повышение производительности.
Поставленная цель достигается способом, включающим подачу в буровой снаряд водородно-кислородной смеси (гремучего газа), которую в аппарате воспламеняют для получения высокой температуры, водород и кислород вырабатывают электролизом воды на передвижной установке, непосредственно у скважины и подают по гибким трубопроводам. Нагрев корпуса снаряда производится путем взрывания в полости горючей смеси с определенной частотой с образованием ударной волны, которая воздействует на породоразрушающие инструменты путем ввинчивания их в горную породу.
Поставленная цель достигается устройством для осуществления способа, включающим корпус снаряда с камерой взрывания и систему каналов для подвода рабочего агента и выхлопа отработанных газов, буровой снаряд выполнен из молибдена или вольфрама цилиндрической формы. Емкость с крышкой соединены между собой винтовыми соединениями, внутри стен цилиндра расположены продольные каналы водяной рубашки, расположены параллельно на равном расстоянии друг от друга, посредством соединений друг с другом. Внутри цилиндра расположены вращательные лопасти ротора, жестко соединенные на полом валу. Лопасти ротора делят объем цилиндра на камеры. Камера питания снаряда соединена с емкостями электролизера при помощи газопроводов, емкостей накопителей, вакуум-баллонов, вакуум-насосов. На внутренней стороне цилиндра снаряда вмонтирован геркон и свеча зажигания, соединенные между собой. При помощи электрической цепи выполнены с возможностью воспламенения гремучей смеси
Новизна заявленного технического решения по сравнению с известными обусловлена тем, что за счет комбинированного термомеханического способа бурения обеспечивается увеличение скорости бурения, повышение производительности и повышение эффективности работы буровой установки для бурения скважин на большие глубины, бурения скважин разных диаметров.
За счет использования спаренных труб обеспечивается получение возобновляемой тепловой энергии с нижних слоев земной коры. Эта энергия может быть использована для тепловых электрических станций и обогрева жилых домов и теплиц.
За счет бурового снаряда, снабженного лопастями ротора, обеспечивается возможность работ в четырехтактном режиме: всасывании, сжатии, расширении выхлопных газов. Обеспечивается работа двигателя на гремучем газе, где он преобразуется в теплоту рабочего тела для плавления горных пород, преобразования теплоты рабочего тела в механическую энергию для вращения головки винта бурового снаряда и подачи отработанных газов (водяного пара) под буровой снаряд, смешивая их с расплавленной горной породой, обеспечивая удаления горных расплавленных горных пород со дна скважины.
За счет периодических взрывов гремучего газа в камерах обеспечивается освобождение большого количества энергии в ограниченном объеме за короткий промежуток времени.
За счет камер обеспечивается преобразование поточных взрывов в механическую энергию, в поступательное вращательное движение лопастей ротора и вращение винтовой головки бурового снаряда.
За счет герконов и свечей зажигания обеспечиваются воспламенения и взрывы гремучего газа в камере.
При исследовании заявленного технического решения по сравнению с известными по патентам, научным и научно техническим материалам не обнаружена такая совокупность существенных признаков, что позволяет судить о новизне существенных признаков.
Сущность изобретения поясняются чертежами, где:
на фиг.1 изображено устройство буровой установки;
на фиг.2 изображено устройство для воспламенения газов;
на фиг.3 изображена схема работы буровой установки;
на фиг.4 изображен буровой снаряд, продольный разрез;
на фиг.5 - то же, поперечный разрез по первому варианту;
на фиг.6 - то же, второй вариант;
на фиг.7 - то же, третий вариант;
на фиг.8 - то же, четвертый вариант;
на фиг.9 - то же, пятый вариант;
на фиг.10 изображен шестой вариант;
на фиг.11 изображена схема работы электролизера;
на фиг.12 изображен поперечный разрез буровой трубы;
на фиг.13 - то же, многогранной формы буровая труба;
на фиг.14 и 15 - то же, трубы с перегородками.
Устройство состоит из буровой трубы 1, бурового снаряда 2, неподвижных опор буровой вышки 3, вибратора 4, переходника 5, соединяющего буровую трубу 1 с буровым снарядом 2. Буровая труба 1 в поперечном сечении может быть выполнена в форме окружности 6, или в форме многогранника 7, или в форме овала 8, содержать в середине перегородки 9, разделяющие трубу 1 на две секции: входная 10 и выходная 11. Внизу трубы 1 имеется отверстие 12, снабженное задвижкой 13. Переходник 5 снабжен болтами 14 и гайками 15, жестко соединяющими трубу 1 и буровой снаряд 2. Внизу трубы 1 имеется кристаллизатор 16 и теплоизолятор 17.
Буровой снаряд 1 состоит из цилиндра 18, ротора 19, снабженного винтом 20 и подшипниками 21. Цилиндр 18 снабжен верхней 22 и нижней 23 крышками. Цилиндр 18, ротор 19, винт 20, подшипники 21, болты 14 и гайки 15 выполнены из молибдена или вольфрама в жаропрочном исполнении. Ротор 19 выполнен из четырех лопастей 24, разделяющих объем цилиндра на четыре камеры. Лопасти 24 жестко закреплены на валу 25, вал 25 полый предназначен для подачи технического масла для смазки концов лопастей 24 ротора 19 в цилиндре 18. Центральная полая часть 26 снабжена сальником 27, герметизирующим зазор между подвижной частью вала 25 и неподвижной трубкой маслопровода, предназначена для подачи технического масла для смазки концов лопастей 24 ротора 19 в цилиндре 18. Лопасти 24 разделяют емкость цилиндра 18 на четыре равные камеры 28, 29, 30,31. Камера 28 предназначена для всасывания и питания камеры 28 надлежащей порцией газа водорода и кислорода. Камера 29 предназначена для сжигания газа. Камера 30 предназначена для расширения, сжигания и создания поточных взрывов. Камера 31 предназначена для выхлопа отработанных газов (водяного пара). За счет конфигурации камер обеспечиваются поточные взрывы гремучего газа, преобразование их в механическую энергию, в поступательное вращение лопастей ротора и вращение головки винтового бурового снаряда. Где две стороны камеры имеют прочные, надежные опоры, противостоящие взрывным волнам. Угол, образованный между ними, будет иметь минимальное давление взрывной волны. Третья сторона подвижная, на ней будет сконцентрирована вся мощность взрывной волны, где происходит преобразование водорода и кислорода (гремучего газа) в теплоту рабочего тела, водяной пар путем периодических взрывов малой мощности, сопровождающихся освобождением большого количества энергии в ограниченном объеме за короткий промежуток времени с высоким давлением и высокой температурой. Теплота рабочего тела будет нагревать буровой снаряд 2 до температуры, обеспечивающей плавление горных пород и преобразование теплоты рабочего тела в механическую энергию. Высокая температура раскаленных газов плавит горные породы, превращая их в жидкую массу, механическая энергия приводит вращение головки бурового винта 20 во вращательное движение, ввинчиваясь раскаленными лопастями винта в горную породу, плавя ее на дне скважины. В стенах цилиндра 20 имеются водяные рубашки 32, состоящие из продольных каналов 33, расположенных параллельно друг другу на равном расстоянии друг от друга по периметру цилиндра 18 при помощи П-образных каналов 33, расположенных в литых торцевых крышках 22 и 23 через прокладки 34 при помощи винтовых механизмов.
Всасывающая питательная камера 28 соединена с емкостью 35 электролизера или устройства для расщепления воды через газопроводы 36 и 37, вакуум-баллоны 38, вакуум-насосы 39. Вакуум-баллон 38 снабжен вакуум-регулятором 40. Газопровод 36 предназначен для подачи водорода. Газопровод 37 предназначен для подачи кислорода. В стенах камеры 28 всасывания и питания вмонтирован геркон 41, он соединен со свечей зажигания через катушку зажигания 43 при помощи электрической цепи, питающейся от аккумуляторной батареи или генератора. Подачу масла из бака 45 на концы лопастей 24 производится самотеком по мере стирания. Подача масла производится по маслопроводу 46 через сальники 27, масляные каналы 47. В стенке на газопроводе 37 и 38 имеются впускные обратные клапаны 48. Центральная полая часть вала 26 разделена перегородкой 49, разделяющей маслопровод 46 от выхлопного патрубка 50, предназначенного для удаления отработанных газов. На патрубке 50 расположен выпускной обратный клапан 51.
Каждая камера 28-31 может быть выполнена во втором варианте. Второй вариант такой же, как первый вариант, отличается от него тем, что одна сторона лопасти 24 ротора 19 прямолинейна, другая сторона изогнута в форме дуги.
Каждая камера 28-31 может быть выполнена в третьем варианте. Третий вариант такой же, как первый вариант, отличается от него тем, что все стороны лопасти 24 ротора 19 изогнуты в форме дуг.
Каждая камера 28-31 может быть выполнена в четвертом варианте. Четвертый вариант такой же, как первый вариант, отличается от него тем, что концы лопастей ротора19 снабжены башмаками 52, которые плотно прижимаются к стенам цилиндра 18 при помощи пластинчатых пружин 53. Выполнены с возможностью создания препятствия проникновению газов из одной камеры в другую.
На каждой лопасти 24 ротора 19 расположен постоянный магнит 54, взаимодействующий при помощи магнитного поля с герконом 41. Геркон 41, свечи зажигания 42 и электрическая цепь выполнены в жаропрочном исполнении с возможностью замыкания и размыкания электрической цепи, питающей свечи зажигания 42 через катушку зажигания 43. Бак 55 наполнен слабощелочной дистиллированной водой. Бак 55 соединен с емкостью 35 электролизера при помощи регулятора уровня жидкости 56, водопровода 57 и вентиля 58. В верхнем основании вакуум-баллоны 38 соединены с емкостью накопителем 59 водорода при помощи газопровода 36 и вакуум-насоса 39. Нижнее основание вакуум-баллонов 38 соединено с емкостью накопителя кислорода 60 при помощи газопровода 37, вакуум-насоса 39. Камера 28 соединена с емкостью накопителем 59 и 60 при помощи компрессора 61 и 62 и газопроводов 36 и 37 через обратные клапаны 49. Каналы 33 водяных рубашек 32 соединены с баком 63 для воды при помощи электрического насоса 64 и водопровода 65. В емкости электролизера 35 установлена батарея 66, снабженная электродами анодом 67 и катодом 68. Уровень жидкости в емкостях 35 автоматически поддерживается при помощи регулятора 36, расположенного на концах трубок 57, обратные клапаны 51 и 48, герконы 41 и свечи зажигания 42 выполнены в жаропрочном исполнении. Электроды батареи 66 соединены с источником переменного тока 44 через выпрямитель 69, выполнены с возможностью преобразования переменного тока в постоянный ток. Задвижка 13 соединена с лебедкой при помощи троса (на чертеже не показано).
Устройство работает следующим образом. В заданный район перемещают все оборудование. Буровой снаряд устанавливают на основу базальтовых скал. Производят монтаж всего оборудования, при помощи подъемных устройств, оборудования для механизации трудоемких процессов и буровой установки (на чертеже не показано). Открываем все вентили 58 во всех трубках водопровода 57 и газопроводах 36 и 37. Слабощелочная дистиллированная вода перемещается из емкости 55 в емкости 35 электролизера или устройства для расщепления воды по водопроводу 57 самотеком до надлежащего уровня. Поддержание заданного уровня жидкости осуществляется автоматически при помощи регулятора 56 уровня жидкости, выполненного в форме обратного клапана, установленного на концах трубок. Замыкаем электрическую цепь, питающую электроды, расположенные в емкости электролизера 35. При прохождении электрического переменного тока от источника 44, от генератора или аккумуляторной батареи через выпрямитель 69 происходит преобразование электрического переменного тока в постоянный ток. При прохождении постоянного тока через электролит слабый щелочной раствор едкого натрия или едкого калия происходит процесс движения ионов в электролите к электронам, катионы движутся к катоду, а анодные ионы - к аноду. Электрический ток по внешней цепи представляет процесс движения от анода к катоду. На аноде и катоде происходит нейтрализация ионов, которая приводит к образованию атомов и молекул водорода и кислорода. В дистиллированной воде отсутствуют соли и другие примеси, поэтому на электродах не остается осадок или налет солей и содержатся неустойчивые молекулярные и ионные связи, поэтому происходит ускорение расщепления воды на водород и кислород. Вакуум-регулятор 40 поддерживает заданные параметры пониженного давления в вакуум-баллоне 38 и емкости 35 электролизера и управляет работой вакуум-насосами в автоматическом режиме. Вакуум-насосы 39 создают пониженное давление в вакуум-баллоне 38 и емкости 35 электролизера в процессе электролиза и перемещение газов. При помощи вакуума в емкости 35 электролизера происходит извлечение водорода и кислорода в процессе электролиза и перемещение газов в вакуум-баллон 38. Из всех вакуум-баллонов 38 водород отделяется от кислорода за счет разности удельного веса газов. Затем водород из всех вакуум-баллонов перемещается в емкость 59 накопитель водорода по газопроводу 36 при помощи вакуум-насоса 39, кислород из всех вакуум-баллонов 38 перемещается в емкость 60 по газопроводу 37, при помощи компрессоров 61 и 62 водород и кислород перемещаются в камеру 28, заполняя ее, и создает давление. Лопасть ротора 24 от давления газов вращается вокруг своей оси и перемещает гремучий газ (водород и кислород) в камеру 29, там газ сжимается, затем перемещается в камеру 30. Лопасть 24 ротора19 при помощи постоянного магнита 54 взаимодействует с герконом 41. В герконе 41 замыкается электрическая цепь, питающая катушку 43 свечей 42. Свечи 42 зажигания создают искру, где происходит воспламенение и взрыв гремучего газа. В результате взрыва освобождается большое количество энергии в ограниченном объеме за короткий промежуток времени. Сильно нагретый газ заполняет весь объем камеры и создает ударную волну. Давление газов ударной волны концентрируется на подвижную сторону камеры и преобразует поточные взрывы в камере в механическую энергию, во вращение лопастей головки винтового бурового снаряда 22. При взрывах создается температура, обеспечивающая плавление горных пород стенами цилиндра 18 снаряда 2 и винта 20. В камерах 28-31 снаряда 2 наружная и внутренняя сторона надежно противостоит взрывной волне. Острый угол между этими стенами принимает минимальное давление взрывной волны, а радиальная сторона камеры подвижная, принимает на себя всю энергию взрывной волны и способствует преобразованию энергии поточных взрывов в механическую энергию, во вращение лопастей винтового механизма головки бурового винта с температурой, превышающей плавление горных пород с высокой скоростью вращения. За счет комбинации термического способа бурения и механического вращательного воздействия на разрушающую породу в одном цикле и давления массы колонн буровых труб, обеспечивается высокая производительность бурения скважин, сокращаются сроки бурения скважин при работе устройства, все положительные эффекты способов в одном цикле дополняют, развивая друг друга. Происходит четырехтактный цикл работы: всасывание, сжатие, расширение и выхлоп отработанных газов. Отработанные газы - пары воды, образовавшиеся после взрыва водорода и кислорода, удаляются на дно скважины при помощи патрубка 50 по межстенному пространству, удаляя шлам на поверхность земли. Кроме этого, на дно скважины подаются пары воды, полученные после охлаждения стен цилиндра 18 бурового снаряда, которые подавались в каналы 33 водяной рубашки 32 для охлаждения. После охлаждения стен бурового снаряда вода нагревалась, превращаясь в водяной пар. Охлаждение бурового снаряда производится при помощи терморегулятора для предотвращения плавления бурового снаряда. Пары воды подаются на дно скважины, они, смешиваясь с жидкой расплавленной массой горных пород, изменяют удельный вес их и выталкивают расплавленную массу снизу вверх. За счет работы вибратора 4 обеспечиваются механические колебания буровых труб, улучшается производительность и скорость бурения скважин. При погружении буровых труб на заданную глубину периодически открывают задвижки 13, опускают электрический пистолет (на чертеже не показан), в нескольких местах в разные стороны производят выстрелы бронированными пулями через окна. Если есть нефть или газ, то он устремляется в пробитые пулями отверстия. Если газа нет, продолжают бурение скважин до их появления. Затем приступают к эксплуатации скважин. Для получения возобновляемой тепловой энергии с нижних слоев земной коры используют трубы 6, имеющие поперечное сечение в форме окружности, или трубы 7, выполненные в форме многоугольника, или трубы 8, выполненные в форме овала с перегородками 9 в трубе, делают скважины в земной коре в местах разлома земной коры там, где расходятся плиты земной коры, или на участках, где имеются гейзеры. С помощью дистанционного термометра определяют готовность буровой установки к эксплуатации. После окончания бурения удаляют задвижку 13. Под давлением в одну трубу подают холодную воду при помощи насоса. При перемещении воды она нагревается внутренней энергией земли, на другом конце другой трубы выходит пар, его можно использовать для электрических станций, обогрева жилых домов и производственных помещений и теплиц.
Поставленная цель достигается способом, включающим подачу в буровой снаряд водородно-кислородной смеси (гремучего газа), которую в аппарате воспламеняют для получения высокой температуры, кислород и водород вырабатывают электролизом воды на передвижной установке, непосредственно у скважины и подают по гибким трубопроводам, нагрев корпуса снаряда производится путем взрывания в полости снаряда горючей смеси с определенной частотой с образованием ударной волны, которая воздействует на породоразрушающие инструменты путем ввинчивания в горную породу.
1. Способ бурения скважин, включающий подачу в буровой снаряд водородно-кислородной смеси, которую в аппарате воспламеняют для получения высокой температуры, водород и кислород вырабатывают электролизом воды на передвижной установке непосредственно у скважины и подают по гибким трубопроводам, отличающийся тем, что нагрев корпуса бурового снаряда производят путем взрывания горючей смеси в полости корпуса с определенной частотой с образованием высокой температуры и ударной волны, которая воздействует на породоразрушающие инструменты путем ввинчивания их в горную породу.
2. Устройство для осуществления способа, содержащее корпус снаряда с камерой взрывания и систему каналов подвода рабочего агента и выхлопа отработанных газов, отличающееся тем, что буровой снаряд выполнен в форме цилиндра из молибдена или вольфрама, содержащего емкость с крышкой, соединенные между собой винтовыми соединениями, внутри стен цилиндра расположены продольные каналы водяных рубашек, расположенные параллельно на равном расстоянии друг от друга и соединенные друг с другом, внутри цилиндра расположены подвижные лопасти ротора, жестко закрепленные на полом валу, лопасти ротора делят объем цилиндра на камеры, камера питания снаряда соединена с емкостью электролизера при помощи газопроводов, емкостей-накопителей, вакуум-балоннов и вакуум-насосов, на внутренней стороне цилиндра снаряда вмонтированы геркон и свечи зажигания, соединенные между собой при помощи электрической цепи, выполненные с возможностью воспламенения гремучего газа в камере.
