УСТРОЙСТВО ДЛЯ СОВМЕЩЕННОГО МЕХАНИЧЕСКОГО И ТЕРМИЧЕСКОГО РАСШИРЕНИЯ СКВАЖИН
DEVICE FOR COMBINED MECHANICAL AND THERMAL EXPANSION OF WELLS

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 с породоразрушающими 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 энергоемкость при термомеханическом расширении скважин из-за удаленности источников электрической энергии от буровых станков, когда электрическая энергия затрачивается не только на питание электрооборудования, но и на дежурное освещение, особенно в темное время суток, что в целом удорожает производство буровых работ.
Технической задачей является снижение энергоемкости термомеханического расширения скважин при длительной эксплуатации за счет использования теплового потенциала горячего потока газа, выбрасываемого из трубы для отвода горячего парогазового потока в окружающую среду путем соединения полости трубы с корпусом термодинамического генератора, в котором для контакта с «горячими» концами комплекта дифференциальных термопар выполнен проходной канал для горячего парогазового потока.
Технический результат предложенного изобретения достигается тем, что в устройстве для совмещенного механического и термического расширения скважин, включающем 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, согласно изобретению труба для отвода горячего парогазового потока в окружающую среду соединена с термоэлектрическим генератором, выполненным в виде корпуса с проходным каналом для горячего парогазового потока и комплекта дифференциальных термопар, «горячие» концы которых укреплены внутри проходного канала для горячего парогазового потока, а «холодные» концы расположены на внешней поверхности корпуса вдали от проходного канала для горячего парогазового потока, при этом вход проходного канала для горячего парогазового потока соединен с полостью трубы для отвода горячего парогазового потока в окружающую среду, а его выход - с атмосферой.
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.
Труба для отвода горячего парогазового потока 5 в окружающую среду соединена трубопроводом 22 с термоэлектрическим генератором 23, выполненным в виде корпуса 24 с проходным каналом 25 для горячего парогазового потока и комплекта дифференциальных термопар 26, «горячие» концы 27 которых укреплены внутри проходного канала 25 для горячего парогазового потока, а «холодные» концы 28 расположены на внешней поверхности 29 корпуса 24 вдали от проходного канала 25 для горячего парогазового потока. При этом вход 30 проходного канала 25 для горячего парогазового потока соединен с полостью 31 трубы для отвода горячего парогазового потока 5 в окружающую среду, а его выход 32 - с атмосферой (AT).
Устройство для совмещенного механического и термического расширения скважин работает следующим образом.
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.
Горячий газ процесса термического разрушения горных пород в полости 31 трубы для отвода горячего парогазового потока 5 в окружающую среду разветвляется на два потока: один поток выбрасывается в окружающую среду, т.е. в атмосферу, а второй поток по трубопроводу 22 попадает на вход 30 проходного канала 25 для горячего парогазового потока, где контактирует с укрепленными «горячими» концами 27 комплекта дифференциальных термопар 26 и через выход 32 также выбрасывается в атмосферу. В связи с тем, что температура горячего парогазового потока в полости 31 превышает 100°С, а «холодные» концы 28 комплекта дифференциальных термопар 26 находятся на внешней поверхности 29 корпуса 24 вдали от проходного канала 25 и контактируют с воздухом окружающей среды, т.е. с атмосферным воздухом, то в термоэлектрическом генераторе 23 возникает термо-ЭДС. При выполнении комплекта дифференциальных термопар 26, например, из хромель-копеля при разности температур между «холодными» и «горячими» концами около 100°С термо-ЭДС может достигать 6,96 мВ (см., например, Иванова, Т.М. Теплотехнические измерения и приборы. - М.: Энергоатомиздат, 1984. 230 с.)
и обеспечивает постоянную величину напряжения на выходе термоэлектрического генератора 23, достаточную для дежурного освещения, особенно в темное время суток установки пылегазоподавления (см., например, Теплотехнические основы теплотехники. Теплотехнический эксперимент.Справочник. Под общ. ред. Зорина В.М. - М.: Энергоатомиздат, 1988. 510 с.) или в целом устройства для совместного механического и термического расширения скважин.
При контакте воздуха с адсорбентом и насыщении его влагой увеличивается масса подпружиненной кассеты 9, и она свободно начинает перемещаться 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 13, 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.
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 снижение энергоемкости устройства для совмещенного механического и термического расширения скважин достигается за счет использования теплового потенциала как газов, выбрасываемых из скважины при термическом воздействии на горную массу, так и парогазового потока при продувке скважины, что сокращает потребление электрической энергии, например, на дежурное освещение в темное время суток установки пылегазоподавления. Энергия вырабатывается непосредственно устройством для совмещенного механического и термического расширения скважин посредством термоэлектрического генератора, соединенного с полостью трубы для отвода горячего парогазового потока в окружающую среду, что наряду с экономией электрической энергии, которую по прототипам необходимо подводить от электроисточников, а это трудоемко для условий буровых станков на карьерах, частично устраняет тепловые выбросы в окружающую среду, т.е. улучшает экологию в промзоне горных предприятий.