УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОГО БУРЕНИЯ СКВАЖИН

Полезная модель относится к горной промышленности, в частности к устройствам для бурения и расширения скважин в крепких породах.
Известно устройство для термомеханического бурения скважин /см. Устройство для термомеханического бурения скважин, а.с. №1839693, кл. Е 21 7/14, Е 21 С 37/16, Бюл. №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 в виде корпуса с суживающимся соплом, конденсатоотводчиком и отражателем, разделяющим внутреннюю полость корпуса на камеру, сообщающуюся с всасывающим патрубком компрессора, и камеру для забора воздуха из атмосферы через суживающееся сопло.
Недостатком этого устройства является высокая энергоемкость процесса бурения в сложных эксплуатационных условиях, обусловленная влиянием вибрации бурового става и соответственно компрессора с всасывающим фильтром на процесс экономичного производства сжатого воздуха.
Известно устройство для термомеханического бурения скважин (см. патент РФ №2108438, МПК Е 21 В 7/14, Е 21 С 37/16, 1998. Бюл. №10), включающее буровой орган в виде бурового става на конце которого установлены породоразрушающие элементы и огнеструйная горелка с магистралями для подачи топлива, воды, воздуха, последняя через теплообменник и адсорбер, соединена с нагнетательным патрубком компрессора, и компрессор с расположенным на входе его всасывающего патрубка
фильтром в виде резонатора, состоящего из корпуса с днищем конической формы и всасывающим соплом, конденсатоотводчиком-поплавком и отражателем, связанными между собой рычагом и жестко соединенной тягой.
Недостатком этого устройства является энергоемкость процесса бурения в изменяющихся погодно-климатических условиях эксплуатации, определяемых различными концентрациями загрязнений во всасываемом атмосферном воздухе, что приводит к дисбалансировке резонатора, в качестве которого используется корпус воздушного фильтра компрессора, а это соответственно вызывает дополнительные энергозатраты на производство сжатого воздуха.
В основу изобретения поставлена задача снижения энергоемкости процесса бурения путем поддержания в нормированных параметрах энергозатрат на производство сжатого воздуха, потребляемого в качестве окислителя в огнеструйной горелке бурового става и основного элемента при продувке скважин, что достигается за счет компенсации взаимодействия изменяющейся концентрации загрязнений во всасываемом воздухе и вибрации корпуса бурового става.
Технический результат по снижению энергоемкости процесса бурения достигается сохранением воздушного фильтра компрессора в качестве резонатора при изменяющихся погодно-климатических условиях эксплуатации на устройстве для термомеханического бурения скважин, включающего буровой орган, в виде бурового става на конце которого установлены породоразрушающие элементы и огнеструйная горелка с магистралями для подачи топлива, воды, воздуха, последняя через теплообменник и адсорбер соединена с нагнетательным патрубком компрессора, и компрессор с расположенным на входе его всасывающего патрубка фильтром в виде резонатора, состоящего из корпуса с днищем конической формы и всасывающим соплом, конденсатоотводчиком-поплавком и отражателем, связанными между собой рычагом и жестко соединенной тягой, при этом тяга выполнена из биметалла и размещена таким образом, что первая по ходу
движения всасываемого воздуха пластина имеет коэффициент теплопроводности более высокого значения, чем коэффициент теплопроводности второй пластины жестко с ней соединенной.
На фиг.1 изображено устройство для термомеханического бурения скважин, общий вид; на фиг.2 - разрез тяги из биметалла, состоящей из двух жестко соединенных пластин с различными значениями коэффициентов теплопроводности.
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 всасывающего патрубка 11 с фильтром 12, выполненным в виде резонанса и размещенным на компрессоре 10, корпуса 13 с днищем конической формы и суживающимся соплом 14, отражателя 15, подвижно укрепленного посредством шарнира 16 к корпусу фильтра 12, конденсатоотводчика 17. отражатель 15 делит корпус 13 на полость 18 и полость 19, объем которой является резонатором в корпусе 13 фильтра 12. Тяга 20 выполненная из биметалла, жестко соединена с рычагом 21 и создает подвижную связь между конденсатоотводчиком-поплавком 17 и отражателем 15. Тяга 20 выполнена из двух жестко соединенных пластин, при этом первая по ходу движения всасываемого атмосферного воздуха пластина 22 имеет значение коэффициента теплопроводности больше, чем вторая пластина 23, жестко соединенная с первой.
Устройство работает следующим образом.
При термомеханическом разрушении горных пород наблюдается интенсивное загрязнение атмосферного воздуха, как твердыми частицами, так и каплеобразной влагой, выбрасываемой из скважины в результате ее продувки. Данные загрязнения в процессе работы компрессора 10 поступают во всасывающий фильтр 12. Известно, что погодно-климатические
условия работы устройства для термомеханического бурения скважин определяются также и концентрацией загрязнений в виде твердых частиц, как технологической (процесс бурения и продувки скважин), так и атмосферной пыли, а также наличием каплеобразной атмосферной и технологической (продувка скважин со значительным объемом воды) влаги. Поэтому ударное воздействие потока атмосферного всасываемого воздуха с изменяющейся концентрацией твердых и каплеобразных частиц при работе компрессора 10 во всасывающем фильтре 12 об отражатель 15, выполненный из биметалла, будет различно. Известно, что при движении всасываемого атмосферного воздуха по суживающемуся соплу 14 со скоростью 10-15 м/с возникает его вихреобразное движение, приводящее к термодинамическому расслоению на периферийный более «горячий» относительно окружающей среды и осевой более «холодный» потоки (см., например, Меркулов П.Н. и др. Вихревой эффект и его применение в технике. Куйбышев, 1969-318 с., ил.).
В процессе термомеханического бурения и продувки скважин наблюдаются продольные и поперечные вибрации корпуса бурового става и соответственно элементов пневмосети в диапазоне от 1 до 30 Гц (см., например, Кутузов Б.И. Теория, техника и технология буровых работ. - М.: Недра, 1972. - 312 с.).
Скорость движения воздуха в воздушном фильтре компрессора не превышает 10-15 м/с. При наличии продольных и поперечных колебаний бурового става и данной скорости всасываемого атмосферного воздуха, движущегося по элементам воздушного фильтра, в его объеме может возникнуть резонанс и вследствие этого повышение давления всасываемого воздуха, т.е. увеличение массовой производительности компрессора. Следовательно, снижение энергоемкости бурения скважин может быть достигнуто увеличением производительности компрессора за счет резонансного наддува - использования резонансных колебаний столба воздуха во всасываемом воздушном фильтре компрессора. Применяя воздушный
фильтр в качестве резонатора, аналогично тому, как в качестве резонатора используют всасывающий воздуховод компрессора, он соответственно повышает производительность компрессора на 20-25% (см., например, Курчавин В.М., Мезенцев А.П. Экономия тепловой и электрической энергии поршневых компрессоров. М.: Машиностроение, 1985. - 80 с.).
В результате пульсации движения воздуха во всасывающем патрубке 11 компрессора 10 наблюдается вибрационное перемещение отражателя 15, подвижно укрепленного на шарнире 16. Кроме этого, твердые частицы загрязнений и каплеобразная влага, находящаяся во всасываемом воздухе в полости 18 ударяются об отражатель 15, отклоняя ее в сторону полости 19, объем которой является резонатором в корпусе 13 фильтра 12. В результате работы термомеханического станка и процесса поступления всасываемого воздуха в компрессор 10 создаются резонансные колебания столба всасываемого воздуха в полости 19 фильтра 12 под действием возбудителей: уровня жидкости с конденсатоотводчиком-поплавком 17 и отражателя 15, взаимосвязанных между собой посредством тяги 20 и рычага 21, обеспечивающих суммарное действие как поперечных, так и продольных перемещений.
Наиболее часто встречающееся в условиях эксплуатации незначительное отклонение концентрации твердых и каплеобразных частиц от граничных параметров (по условиям работы бурового става: отсутствие дождя, снега, действия ветра в сторону от воздушного фильтра компрессора) может привести к «звонковому» перемещению отражателя 15, т.е. пульсирующему изменению объема полости 19, в результате чего она выводится из состояния резонаторов в корпусе 13 фильтра 12, что приводит к резкому возрастанию энергозатрат на производство сжатого воздуха и, как следствие, увеличению энергоемкости процесса бурения и продувки скважин.
Для устранения данного явления тяга 20 выполнена из биметалла, причем первая по ходу движения всасываемого атмосферного воздуха
пластина 22 имеет значение коэффициента теплопроводности больше, чем пластина 23 жестко с ней соединенная. Даже незначительное изменение концентрации твердых и каплеобразных частиц в потоке термодинамически расслоенного в суживающемся сопле 14 всасываемого атмосферного воздуха, приводит к возрастанию разности температур периферийного «горячего» и осевого «холодного» потоков. Данная смесь («горячего» и «холодного») всасываемого атмосферного воздуха ударяется об пластину 22. «Холодный» осевой поток практически контактирует по центру пластины 22, а «горячий» периферийный практически огибает ее и контактирует с пластиной 23. В связи с тем, что малое количество тепла «холодного» осевого потока проходит через пластину 22 с большим коэффициентом теплопроводности, а большее количество тепла «горячего» периферийного потока проходит через пластину 23 с меньшим коэффициентом теплопроводности, наблюдается равенство тепловых потоков, воздействующих на отражатель 15 из биметалла, что приводит к максимальной амплитуде термовибраций, соответствующих заданному перепаду температур (т.е. соответствуют концентрации загрязнений в виде твердых и каплеобразных частиц во всасываемом атмосферном воздухе, бомбардирующих отражатель 15). В результате возникшей термовибрации (см., например, Дмитров Л.Н. Биметаллы. Пермь.: 1991 - 415 с. - ил.) по длине тяги 20 из биметалла компенсирует вибрационное воздействие конденсата в коническом днище 13, т.е. появление волнового воздействия на конденсатор-поплавок 17 в результате продольных и поперечных вибраций корпуса бурового става и соответственно элементов пневмосети, а именно корпуса 13 воздушного фильтра 12 компрессора 10. В этом случае величина вертикального перемещения тяги 20 из биметалла вследствие возрастания высоты волны жидкости на зеркале днища конической формы корпуса 13, т.е. процесс поднятия конденсатора-поплавка компенсируется величиной снижения места соединения тяги 20 из биметалла с рычагом 21 за счет изгиба (амплитуда колебания биметалла под температурным воздействием тяги 20 из
биметалла). В результате обеспечивается надежность поддержания воздушного фильтра компрессора как резонатора с соответствующим снижением энергоемкости процесса термомеханического бурения.
Уменьшение массы твердых и каплеобразных частиц в полости 18 (по условиям работы бурового става: отсутствие дождя, снега, действие ветра в сторону от фильтра и т.д.) снижает силу удара их об отражатель 15 и соответственно его отклонение в полость 19 уменьшается, в то же время количество выпавших частиц в коническое днище 13 также уменьшается, в результате возрастают вибрации в поперечном направлении конденсатоотводчика-поплавка 17 (чем меньше масса конденсата в днище 13, тем интенсивнее колебания конденсатоотводчика-поплавка 17, и соответственно, чем больше масса конденсата в днище 13 фильтра 12, тем с меньшей амплитудой колеблется конденсатоотводчик-поплавок 17), который через тягу 20 и рычаг 21 воздействует на отражатель 15, поддерживая столб всасываемого атмосферного воздуха в полости 19 в режиме резонанса с воздухом, поступающим в компрессор 10 по всасывающему патрубку 11.
При увеличении массы твердых и жидких частиц в полости 18 по сравнению с отрегулированным значением резонансного явления, возрастает сила их удара об отражатель 15 и соответственно его отклонение в направлении полости 19 увеличивается, одновременно возрастает количество выпавших твердых и каплеобразных жидких частиц в коническом днище 13, конденсатоотводчик-поплавок 17 поднимается и через тягу 20 и рычаг 21 воздействует на отражатель 15, возвращая его в исходное положение (положение, обеспечивающее резонансные колебания столба всасываемого воздуха в полости 10 воздушного фильтра 12).
Оригинальность предлагаемого технического решения по снижению энергоемкости термомеханического бурения скважин за счет снижения энергозатрат на производство сжатого воздуха путем осуществления резонансного наддува при использовании воздушного фильтра в качестве резонатора достигается тем, что в условиях работы бурового става
вследствие вибрационного воздействия осуществляется стабилизация пространственного размещения элементов пневмосети, которая обеспечивает взаимокомпенсации как продольных и поперечных колебаний зеркала конденсата в коническом днище, так и термовибраций тяги из биметалла воздушного фильтра компрессора.