УСТРОЙСТВО ДЛЯ СОВМЕЩЕННОГО МЕХАНИЧЕСКОГО И ТЕРМИЧЕСКОГО РАСШИРЕНИЯ СКВАЖИН
DEVICE FOR COMBINED MECHANICAL AND THERMAL HOLE REAMING

Изобретение относится к горной промышленности, в частности к бурению скважин.
Известно устройство для совмещенного механического и термического расширения скважин (см. патент РФ №2168597, МПК Е21В 7/14,. 2001), включающее буровой став с породоразрушающими элементами, размещенную в конце става горелку с магистралями подвода горючего и воздуха, установку пылеподавления с встроенной трубой для отвода горячего парогазового потока в окружающую среду, пульт управления, электронагреватели с адсорбером, которые последовательно установлены в магистрали подвода воздуха, при этом адсорбер выполнен в виде двух вставленных один в другой и ограниченных поверхностями цилиндров разного диаметра, причем адсорбер внутренней стенкой меньшего цилиндра плотно насажен на внешнюю поверхность трубы для отвода парогазовой смеси в атмосферу, адсорбер размещен в подпружиненной кассете, свободно перемещающейся в вертикальном направлении между внутренней поверхностью большего цилиндра и внешней поверхностью меньшего цилиндра, при этом в верхней части на внутренней поверхности большего цилиндра укреплен золотник, а в нижней ее части выполнено золотниковое отверстие.
Недостатком данного устройства является невозможность увеличения температурного градиента в условиях бурения при изменяющейся твердости пород взрывных скважин, что обусловлено прямоточностью движения огневого потока и соответственно постоянством теплового напряжения в зоне действия факела.
Известно устройство для совмещенного механического и термического расширения скважин (см. патент РФ №2401379, МПК Е21В 7/14, Е21В 7/28 опубл. 10.10.1010, Бюл. №28), включающее буровой став спородоразрушающими элементами, размещенную в торце става горелку с магистралями подвода горючего и воздуха, установку пылегазоподавления с встроенной трубой для отвода горячего парогазового потока в окружающую среду, пульт управления, электронагреватели с адсорбером, которые последовательно установлены в магистрали подвода воздуха, при этом адсорбер выполнен в виде двух вставленных один в другой и ограниченных поверхностями цилиндров разного диаметра, причем адсорбер внутренней стенкой меньшего цилиндра плотно насажен на внешнюю поверхность трубы для отвода парогазовой смеси в атмосферу, адсорбент размещен в подпружиненной кассете, свободно перемещающейся в вертикальном направлении между внутренней поверхностью большего цилиндра и внешней поверхностью меньшего цилиндра, при этом в верхней части на внутренней поверхности большего цилиндра укреплен золотник, а в нижней ее части выполнено золотниковое отверстие, причем горелка выполнена как минимум из двух противоположно расположенных суживающихся сопл, на внутренних поверхностях которых выполнены криволинейные канавки, при этом на внутренней поверхности одного суживающегося сопла кривизна направляющей криволинейной канавки имеет направление движения по ходу часовой стрелки, а на внутренней поверхности противоположно расположенного сопла кривизна направляющей криволинейной канавки имеет направление движения против хода часовой стрелки.
Недостатком данного устройства является снижение производительности при термическом расширении скважин из-за уменьшения глубины осушки сжатого воздуха, являющегося окислителем, при длительной эксплуатации, вследствие температурного разрушения путем растрескивания зерен адсорбента, находящихся в непосредственном контакте с внешней поверхностью меньшего цилиндра адсорбера, из-за поступления посредством теплопроводности значительного теплового потока со стороны трубы для отвода парогазовой смеси в атмосферу.
Технической задачей является повышение эффективности термического расширения скважин при длительной эксплуатации путем снижения вероятности температурного разрушения зерен адсорбента, приводящего к последующему уменьшению необходимой глубины осушки сжатого воздуха и, как следствие, снижение качества воздушного окисления путем выполнения цилиндров адсорбера разных диаметров из биметалла, причем материал внутренней поверхности большего цилиндра имеет коэффициент теплопроводности в 2,0-2.,5 раза больше, чем коэффициент теплопроводности материала внешней поверхности большего цилиндра, а материал внешней поверхности меньшего цилиндра имеет коэффициент
теплопроводности в 2,0-2.,5 раза меньше, чем коэффициент теплопроводности меньшего цилиндра со стороны трубы для отвода горячего парогазового потока в окружающую среду.
Технический результат предложенного изобретения достигается тем, что устройство для совмещенного механического и термического расширения скважин, включающее буровой став с породоразрушающими элементами, размещенную в торце става горелку с магистралями подвода горючего и воздуха, установку пылегазоподавления со встроенной трубой для отвода горячего парогазового потока в окружающую среду, пульт управления, электронагреватели с адсорбером, которые последовательно установлены в магистрали подвода воздуха, при этом адсорбер выполнен в виде двух вставленных один в другой и ограниченных поверхностями цилиндров разного диаметра, причем адсорбер внутренней стенкой меньшего цилиндра плотно насажен на внешнюю поверхность трубы для отвода парогазовой смеси в атмосферу, адсорбент размещен в подпружиненной кассете, свободно перемещающейся в вертикальном направлении между внутренней поверхностью большего цилиндра и внешней поверхностью меньшего цилиндра, при этом в верхней части на внутренней поверхности большего цилиндра укреплен золотник, а в нижней ее части выполнено золотниковое отверстие, причем горелка выполнена как минимум из двух противоположно расположенных суживающихся сопел, на внутренних поверхностях которых выполнены криволинейные канавки, при этом на внутренней поверхности одного суживающегося сопла кривизна направляющей криволинейной канавки имеет направление движения по ходу часовой стрелки, а на внутренней поверхности противоположно расположенного сопла кривизна направляющей криволинейной канавки имеет направление движения против хода часовой стрелки, причем цилиндры разных диаметров адсорбера выполнены из биметаллов при этом материал внутренней поверхности большого цилиндра имеет коэффициент теплопроводности в 2-2,5 раза больше, чем коэффициент теплопроводности материала внешней поверхности большего цилиндра, а материал внешней поверхности меньшего цилиндра имеет коэффициент теплопроводности в 2,0-2,5 раза меньше, чем коэффициент теплопроводности меньшего цилиндра со стороны трубы для отвода горячего парогазового потока в окружающую среду.
На фиг.1 изображено устройство, общий вид; на фиг 2 - узел А фиг.1;
на фиг.3 - внутренняя поверхность суживающегося сопла с криволинейными канавками, кривизна которых имеет направление против хода часовой стрелки; фиг.4 внутренняя поверхность суживающегося сопла с криволинейными канавками, кривизна которых имеет направление по ходу часовой стрелки.
Устройство для совмещенного механического и термического расширения скважин содержит горелку с породоразрушающими элементами 1, магистраль для подвода воздушного окислителя (воздуха) 2, магистраль для подвода горючего 3, установку пылегазоподавления 4, трубу для отвода горячего парогазового потока 5, пульт управления 6, электронагреватели 7, адсорбер 8, представляющий собой два вставленных один в другой и ограниченных поверхностями цилиндров разного диаметра, при этом адсорбент размещен в подпружиненной кассете 9, опирающейся на пружину 10 и свободно перемещающейся в вертикальном направлении между внутренней поверхностью 11 большего цилиндра и внешней поверхностью 12 меньшего цилиндра, кроме того, в верхней части на внутренней поверхности 11 большего цилиндра укреплен золотник 13, а в нижней ее части выполнено золотниковое отверстие 14. Горелка 15 выполнена как минимум из двух противоположно расположенных суживающихся сопел 16 и 17. На внутренней поверхности 18 суживающегося сопла 16 расположены криволинейные канавки 19, кривизна направляющей которых имеет направление по ходу часовой стрелки, а на внутренней поверхности 20 суживающегося сопла 17 расположены криволинейные канавки 21, кривизна направляющей которых имеет направление против хода часовой стрелки.
Цилиндр 22 большего диаметра адсорбера выполнен из биметалла таким образом, что материал 23 внутренней поверхности 11 имеет коэффициент теплопроводности (например, алюминий с коэффициентом теплопроводности 204 Вт/(м·°С), см. Нащокин В.В. Техническая термодинамика и теплопроводность. М.: 1980. 469 с.) в 2,0-2,5 раза выше, чем коэффициент теплопроводности материала 24 со стороны окружающей среды (например, латунь с коэффициентом теплопроводности 85 Вт/(м·°С) см. там же). Цилиндр 25 меньшего диаметра адсорбера выполнен из биметалла таким образом, что материал 26 внешней поверхности 12 имеет коэффициент теплопроводности (например, латунь) в 2,0-2,5 раза меньше чем коэффициент теплопроводности материала 27 (например, алюминий) со стороны трубы для отвода горячего парогазового потока в окружающую среду.
Устройство для совмещенного механического и термического расширения скважин работает следующим образом.
Выполнение цилиндра 22 большего диаметра из биметалла при расположении адсорбера в кузове устройства уже совмещенного механического и термического расширения скважин с преимущественно положительными температурами вне зависимости от времени года приводит к тому, что при выполнении материала 24 с коэффициентом теплопроводности в 2,0-2,5 меньше, чем коэффициент теплопроводности материала 23, снижают в той же пропорции теплопотери в окружающую среду за счет образования в месте касания биметаллов термической зоны сопротивления (см., например, Дмитриев В.П. Биметаллы. Пермь: 1991. 387 с.). В результате во внутренней полости адсорбера, т.е. в месте нахождения адсорбента поддерживается постоянный температурный (близкий к нормированному,+20°С) режим адсорбции, способствующий наиболее эффективному процессу осушки сжатого воздуха (см., например, Серпионова Е.Н. Промышленная адсорбция газов и паров. М.: 1969. 388 с.)
При включении переключателя на пульте 6 управления процессом бурения в режим термического разрушения горных пород воздушный окислитель (воздух) от компрессора (не показан) по магистрали 2 подвода воздушного окислителя через выключенный электронагреватель 7 поступает к адсорберу 8 и далее на подпружиненную кассету 9, где и контактирует с адсорбентом. Очищенный от влаги воздух поступает в горелку 15 с породоразрушающими элементами 1, куда одновременно подается горючее по магистрали 3. В результате происходит сгорание горючего и выделенная теплота расходуется на термическое разрушение горных пород без затрат на превращение влаги окислителя в перегретый пар, соответствующий температуре газовой струи, и образуется факел.
Факел в горелке 15 разделяется на два потока и выбрасывается через противоположно расположенные сопла 16 и 17. Перемещаясь по криволинейным канавкам 19, выполненным на внутренней поверхности 18 суживающегося сопла 16, поток газов закручивается по ходу часовой стрелки, а поток газов, перемещаясь по криволинейным канавкам 21, выполненным на внутренней поверхности 20 суживающегося сопла 17, закручивается против хода часовой стрелки. В результате взаимодействия двух противоположно закрученных потоков горячих газов, выбрасываемых из сужающихся сопел 16 и 17, образуются микровзрывы в зоне контакта с разрушаемой породой, что приводит к резкому возрастанию «точечных» давлений (см., например, Меркулов В.П. Вихревой эффект и его применение в промышленности, Куйбышев: 1969. 356 с), что повышает эффективность термического разрушения и особенно при расширении взрывных скважин.
При контакте воздуха с адсорбентом и насыщении его влагой увеличивается масса подпружиненной кассеты 9, и она свободно начинает перемещается вниз по внутренней поверхности 11 большего цилиндра и внешней поверхности 12 меньшего цилиндра, перекрывая золотниковое отверстие 14. Пружина 10 осуществляет гашение вибрационного воздействия процесса термомеханического разрушения горных пород на подпружиненную кассету 9, уменьшая тем самым истирание зерен адсорбента. По мере скольжения подпружиненной кассеты 9 по поверхности золотника 13 в полость нахождения пружины 10 поступает часть осушаемого воздуха для компенсации действия дополнительной массы, получаемой при насыщении влагой адсорбента. В результате совместного воздействия пружины 10 и давления сжатого воздуха, поступающего в полость нахождения пружины 10 через золотник 1, осуществляется процесс осушки с обеспечением эффективного гашения вибрационного воздействия горелки с породоразрушающими элементами 1 на установку пылегазоподавления 4 и, соответственно, через подпружиненную кассету 9 на адсорбент.
При включении переключателя на пульте 6 управления процессом бурения в режиме продувки скважин смесь парогазового потока с выбуренной массой твердых частиц из скважины поступает в установку 4 пылегазоподавления, где отделяется от твердых частиц, а очищенный горячий парогазовый поток по трубе 5 для отвода горячего парогазового потока выбрасывается в атмосферу.
Процесс регенерации адсорбента осуществляется при температуре, обеспечивающей удаление адсорбционно-связанной влаги, которая сначала испаряется в адсорбенте, а затем перемещается в виде пара к его поверхности. Нарушение этой временной последовательности при быстром нагреве зерен адсорбента (например, как в прототипе), особенно непосредственно контактирующих с внешней поверхностью 12 цилиндра 25 меньшего диаметра, приводит к растрескиванию зерен адсорбента, и как следствие, последующему ухудшению качеству осушки воздушного окислителя, что и наблюдается при длительной эксплуатации.
Для устранения этого явления стенка цилиндра 25 меньшего диаметра выполнена из биметалла. В этом случае тепловой поток от поверхности трубы для отвода горячего парогазового потока 5 теплопроводностью передается материалу 27 (алюминию) с высоким коэффициентом теплопроводности, нагревает его и далее также теплопроводностью передается материалу 26 с более низким коэффициентом теплопроводности (латунь), осуществляя при этом постепенное нагревание зерен адсорбента с обеспечением удаления адсорбационно связанной влаги.
Наличие границы между материалом 26 и материалом 27 биметалла стенки цилиндра 25 меньшего диаметра адсорбера приводит к образованию в этой области зоны термодинамического сопротивления (различные температурные градиенты в материалах 27 и 26), которая позволяет в материале 27 аккумулировать избыток тепла, а в материале 26 с пониженным температурным градиентом осуществлять постепенную отдачу накапливаемого тепла зернам адсорбента, непосредственно контактирующим с внешней поверхностью 12, тем самым практически устраняя условия их растрескивания, т.е. механического разрушения.
Одновременно сжатый воздух от компрессора (не показан) через выключенные электронагреватели 7, находящиеся в магистрали для подвода воздуха 2, направляется на зерна адсорбента в подпружиненной кассете 9. В результате осуществляется процесс регенерации и воздух, насыщенный влагой десорбции, поступает в горелку 2, увеличивая массу парогазового потока в скважине. В случае недостаточного количества тепла для регенерации зерен адсорбента в подпружиненной кассете 9 адсорбера 8 пульт 6 управления подает команду на включение электронагревателей 7, которые дополнительно подогревают регенерирующий воздух, обеспечивающий процесс десорбции в заданном режиме.
По мере контакта горячего воздуха с зернами адсорбента, а также прогрева их теплотой, передаваемой теплопроводностью от трубы 5 через внутреннюю поверхность 12 цилиндра 25 меньшего диаметра, осуществляется процесс регенерации с последующим удалением влаги, и масса подпружиненной кассеты 9 (ранее состоящая из суммы масс адсорбента и влаги, отделенной от осушаемого воздуха) уменьшается, что приводит к перемещению ее вверх под суммарным воздействием сжатого воздуха и действием пружины 10. Дальнейший процесс регенерации зерен адсорбента приводит к переходу подпружиненной кассеты 9 в крайнее верхнее положение. В результате перекрывается золотник 13 и открывается золотниковое отверстие 14, выпуская сжатый воздух из полости нахождения пружины 10 в атмосферу, и адсорбер 8 вновь готов к осуществлению осушки сжатого воздуха (воздушного окислителя), при этом пружина 10 обеспечивает гашение вибрационного воздействия на зерна от регенерированного адсорбента.
Оригинальность предпринимаемого технического решения заключается в том, что повышение эффективности термического расширения скважин достигается при длительной эксплуатации адсорбера получением необходимого количества воздушного окислителя за счет устранения растрескивания, т.е. механического разрушения зерен адсорбента под воздействием повышенной температуры, возникающей при передаче тепла теплопроводностью от внешней поверхности цилиндра меньшего диаметра к контактирующим с ней зернам адсорбента, и обеспечивается выполнением этого цилиндра из биметалла. При этом материал биметалла со стороны трубы для отвода горячего парогазового потока имеет коэффициент теплопроводности в 2,0-2,5 раза выше, чем коэффициент теплопроводности материала со стороны адсорбента. А выполнение цилиндра большего диаметра из биметалла таким образом, что материал со стороны окружающей среды имеет коэффициент теплопроводности в 2,0-2,5 раза меньше, чем коэффициент теплопроводности материала со стороны адсорбента, не только обеспечивает близкий к нормированному (около +20°С) процесс осушки воздушного окислителя, но и снижает тепловые потери в окружающую среду и в конечном итоге уменьшает энергоемкость термического расширения скважин.