УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОГО БУРЕНИЯ СКВАЖИН

Изобретение относится к горной промышленности, в частности к устройствам для бурения и расширения скважин в крепких породах.
Известно устройство для термомеханического бурения скважин (см. патент РФ 2131014 МПК Е21В7/14 Бюл. 15, 1999), 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 адсорбер сообщена с нагнетательным патрубком компрессора, и компрессор с расположенным на входе его всасывающего патрубка фильтром в виде резонатора, состоящим из корпуса с днищем конической формы, конденсатоотводчика-поплавка и отражателя, разделяющего внутреннюю полость корпуса на камеры, сообщающиеся соответственно со всасывающим патрубком компрессора и суживающимся соплом, на внутренней поверхности которого выполнены винтообразные канавки, продольно расположенные от входного к выходному отверстию, заканчивающемуся кольцевой канавкой с диаметрально противоположно расположенными отверстиями, заполненными пластинчатым материалом с ассиметричными отверстиями, изменяющими свое сечение под действием избыточного давления потока всасываемого воздуха.
Недостатком данного устройства является энергоемкость процесса бурения и продувки скважин, особенно в изменяющихся погодно-климатических условиях эксплуатации, обусловленная необходимостью сверхнормативного производства сжатого воздуха из-за поступления в компрессор всасываемого воздуха, загруженного твердыми частицами и каплеобразной влагой, что приводит к необходимости последующей дополнительной продувки пневмосистемы, а также возможности вывода системы всасывания атмосферного воздуха из резонансного состояния.
Известно устройство для термомеханического бурения скважин (см. патент РФ 2190077 МПК Е21В 7/14, Е21С 37/16, 2002), 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 адсорбер сообщена с нагнетательным патрубком компрессора и компрессор с расположенным на входе его всасывающего патрубка фильтром в виде резонатора, состоящим из корпуса с днищем конической формы, конденсатоотводчика-поплавка и отражателя в виде биметаллического материала, разделяющего внутреннюю полость корпуса на камеры, сообщающиеся соответственно с всасывающим патрубком компрессора и суживающимся соплом, на внутренней поверхности которого выполнены винтообразные канавки, в поперечном сечении имеющие вид «ласточкиного хвоста» и продольно расположенные от входного к выходному отверстию, заканчивающемуся кольцевой канавкой с диаметрально противоположно расположенными отверстиями, заполненными эластичным материалом с ассиметричными отверстиями, изменяющими свое сечение под действием избыточного давления потока всасываемого воздуха.
Недостатком данного устройства является энергоемкость процесса бурения и продувки скважин, обусловленная необходимостью с высокой периодичностью осуществлять сброс каплеобразной влаги через конденсатоотводчик-поплавок из конического днища фильтра, что увеличивает время работы компрессора и, соответственно, энергозатраты для обеспечения нормированного расхода сжатого воздуха, поступающего к огнеструйной горелке.
В основу изобретения поставлена задача уменьшения энергоемкости процесса бурения за счет снижения затрат на производство сжатого воздуха путем осуществления испарительного охлаждения на отражателе атмосферной влаги за счет выполнения биметаллического отражателя из двух пластин таким образом, что материал первой пластины со стороны выходного отверстия суживающегося сопла выполнен пористым, а вторая пластина, жестко соединенная с первой пластиной, выполнена сплошной.
Технический результат по снижению энергоемкости процесса бурения достигается тем, что 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 соединена с нагнетательным патрубком компрессора и компрессор с расположенным на входе его всасывающего патрубка фильтром в виде резонатора, состоящим из корпуса с днищем конической формы, конденсатоотводчика-поплавка и отражателя в виде биметаллического материала, разделяющего внутреннюю полость корпуса на камеры, сообщающиеся соответственно с всасывающим патрубком компрессора и суживающимся соплом, на внутренней поверхности которого выполнены винтообразные канавки, в поперечном сечении имеющие вид «ласточкиного хвоста» и продольно расположенные от входного к выходному отверстию, заканчивающемуся кольцевой канавкой с диаметрально противоположно расположенными отверстиями, заполненными эластичным материалом с ассиметричными отверстиями, изменяющими свое сечение под действием избыточного давления потока всасываемого воздуха, при этом отражатель выполнен из биметалла в виде двух жестко соединенных пластин, причем материал первой пластины со стороны выходного отверстия суживающегося сопла выполнен пористым, а материал второй пластины выполнен сплошным.
На фиг.1 изображено устройство для термомеханического бурения скважин (общий вид), на фиг.2 - разрез воздушного фильтра компрессора, на фиг.3 - сечение А-А (разрез по кольцевой канавке суживающегося сопла), на фиг.4 - поперечное сечение в виде «ласточкиного хвоста» винтообразной канавки.
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, размещенным на компрессоре 10, корпуса с днищем конической формы 13 и суживающимся соплом 14, отражателя 15, выполненного из биметаллического материала и подвижно укрепленного посредством шарнира 16 к корпусу фильтра 12 конденсатоотводчика-поплавка 17, соединенного посредством тяги 18 и рычага 19 с отражателем 15 внутренних камер 20 и 21, сообщающихся соответственно со всасывающим патрубком 11 и суживающимся соплом 14, на внутренней поверхности которого выполнены продольные от входного 22 к выходному 23 отверстиям винтообразные канавки 24, в поперечном сечении выполненные в виде «ласточкиного хвоста» и заканчивающиеся кольцевой канавкой 25, в которой расположены отверстия 26, заполненные эластичным материалом 27 с ассиметричными отверстиями 28. Отражатель 15 выполнен из биметалла в виде двух жестко соединенных пластин 29 и 30, при этом материал первой пластины 29 со стороны выходного 23 отверстия суживающегося сопла 14 выполнен пористым, а материал второй пластины 30 выполнен сплошным.
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 каплеобразной влаги. В результате даже при усовершенствованной очистке от мелкодисперсных загрязнений под установкой пылепарогазоподавления на выходе из вытяжных труб постоянно находится значительная масса парогазовой смеси, насыщенная твердыми частицами и технологически каплеобразной влагой, которая в процессе работы компрессора 10 при производстве сжатого воздуха смещается в сторону всасывающего фильтра 12.
Суживающееся сопло 14, работая по принципу воронки для полусреды 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 22, винтообразные канавки 24, выполненные в поперечном сечении в виде «ласточкиного хвоста», где сталкиваются с другими частицами (твердыми и каплеобразными), укрупняются и становятся «ядрами конденсации» водяного пара.
Необходимость применения винтообразных канавок 24, выполненных в поперечном сечении в виде «ласточкиного хвоста», практически устраняют возможность выпадения твердых и каплеобразных частиц из винтообразных канавок 24 при вибрационном воздействии по мере движения их от входного 22 к выходному 23 отверстиям. Закручивание в винтообразных канавках 24 более плотного 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.
«Горячий» поток термодинамически расслоенного всасываемого воздуха в суживающемся сопле 14 концентрируется с избыточным давлением в пограничном слое продольных винтообразных канавок 24 и достигает кольцевой канавки 25, в которой расположены отверстия 26, заполненные эластичным материалом 27 с ассиметричными отверстиями 28. Упругость эластичного материала 27 выбрана таким образом, что лишь под воздействием избыточного давления «горячего» термодинамически расслоенного всасываемого воздуха ассиметричные отверстия 28 открываются, соединяя отверстия 26 кольцевой канавки 25 с атмосферой. Тогда основная масса «горячего» потока, направляемая из пограничного слоя винтообразных канавок 24, выполненных в поперечном сечении в виде «ласточкиного хвоста», в кольцевую канавку 25 с загрязнениями в виде твердых частиц и каплеобразной влаги выбрасываются через отверстия 26, открытые отверстия 28 (за счет выпуклости эластичного материала 27) в атмосферу, а «холодный» - осевой поток и часть «горячего», не успевшего выброситься в атмосферу, потока поступает к выходному отверстию 23 суживающегося сопла 14.
Полученная смесь «холодного» и частично «горячего» потоков имеет температуру меньшую, чем температура атмосферного всасываемого воздуха. Чем выше плотность термодинамически расслоенного воздуха (атмосферный воздух насыщен технологическими загрязнениями и каплеобразной влагой) на входе в дозвуковое сопло (суживающееся сопло 14), выполняющее функцию вихревой трубы, тем ниже температура «холодного» потока. Поэтому сброс перед поступлением в компрессор 10 наряду с загрязнениями хотя бы части «горячего» потока обеспечивает увеличение плотности всасываемого воздуха и, соответственно, массовой производительности, тем самым снижая энергоемкость термомеханического бурения и продувки скважин.
На выходе из отверстия 23 суживающегося сопла 14 вращающийся охлажденный всасываемый воздух во внутренней камере 20 внезапно расширяется, дополнительно снижая свою температуру еще на 3-5 градусов. В результате мелкодисперсная влага, находящаяся во всасываемом атмосферном воздухе дополнительно коагулирует и, ударяясь об отражатель 15, образует пятно жидкости, имеющей температуру «холодного» воздуха. Последующий контакт «пятна» жидкости с всасываемым воздухом, имеющим усредненную температуру (происходит смешивание во внутренней камере 20 «горячего» и «холодного» потоков, а также выделение теплоты удара при контакте воздуха с отражателем 15), превышающую температуру жидкости, приводит к ее испарению. При наличии продольных и поперечных колебаний бурового става, сопутствующих термодинамическому бурению и расширению скважин (см., например, Кутузов Б.И. Теория, техника и технология буровых работ.- М.: Недра, 1972. - 312 с, ил.), а также пульсирующему воздействию вращающегося потока, наблюдается вибрационное перемещение отражателя 15 и, как следствие, стряхивание «пятна» жидкости в днище конической формы 13 с малой степенью его испарения, т.е. с низкой степенью испарительного охлаждения.
Выполнение первой пластины 29 со стороны выходного 23 отверстия суживающегося сопла 14 пористой приводит к тому, что «пятно» жидкости распределяется по капиллярам пористой пластины 29 и практически не наблюдается его стряхивания. В результате осуществляется дополнительный отбор некоторого количества тепла от всасываемого атмосферного воздуха на процесс испарения жидкости в капиллярах первой пластины 29, жестко соединенной с пластиной 30. А, как известно (см., например, Курчавин А.Г. и др. Экономия тепловой и электрической энергии. - М.: 1980. - 214 с, ил.), чем ниже температура всасываемого атмосферного воздуха, тем выше его плотность и, соответственно, большее количество всасываемого воздуха поступает в компрессор, т.е. наблюдается снижение энергозатрат на производство сжатого воздуха.
Ударное воздействие твердых частиц каплеобразной влаги, находящихся во всасываемом воздухе внутренней камеры 20 об отражатель 15 отклоняет его в сторону внутренней камеры 21, объем которой является резонатором в корпусе фильтра 12. В результате работы устройства для термомеханического бурения скважины и процесса поступления всасываемого воздуха в компрессор 10 создаются резонансные колебания столба всасываемого воздуха внутренней камеры 21 фильтра 12 под действием возбудителей: уровня жидкости с конденсатоотводчиком-поплавком 17 и отражателем 15, взаимосвязанных между собой посредством тяги 18 и рычага 19, обеспечивающих суммарное действие как поперечных, так и продольных вибрационных перемещений.
Поддержание режима резонанса в изменяющихся технологических и погодно-климатических условиях эксплуатации устройства для термомеханического бурения скважины обеспечивается тем, что, например, изменение массы твердых и каплеобразных частиц во внутренней камере 20 (по условиям работы заключающихся в отсутствии дождя, снега, воздействия ветра в сторону от фильтра и т.д.) снижает силу удара их об отражатель 15 и, соответственно, его отклонение во внутреннюю камеру 21 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), который через тягу 18 и рычаг 19 воздействует на отражатель 15, поддерживая столб всасываемого атмосферного воздуха во внутренней камере 21 в режиме резонанса с воздухом, поступающим в компрессор 10 по всасывающему патрубку 11.
При увеличении массы твердых и каплеобразных частиц во внутренней камере 20 по сравнению с отрегулированным значением резонансного явления возрастает сила их удара об отражатель 15 и, соответственно, его отклонение в направлении внутренней камеры 21 увеличивается, одновременно возрастает количество выпавших твердых частиц в коническом днище 13, конденсатоотводчик-поплавок 17 поднимается и через тягу 18 и рычаг 19 воздействует на отражатель 15, возвращая его в исходное положение (положение, обеспечивающее резонансные колебания столба всасываемого воздухав компрессор 10 воздушного фильтра 12).
Ввиду того, что термодинамически расслоенный на «горячий» и «холодный» вращающийся поток, выходящий из отверстия 23 суживающегося сопла 14, имеет различную температуру, распределяемую в виде концентричесикх окружностей по его сечению, то и на отражателе 15 при контакте с вращающимся потоком наблюдается распределение температур от более «холодной» в центре к более «горячей» по периферии. В результате различного температурного воздействия по поверхности отражателя 15 образуется волновое колебательное движение, выводящее систему из резонансного состояния. Для устранения данного явления выполняем отражатель 15 из биметаллического материала, наличие которого устраняет вибрационное образование волнообразных колебательных волн (см., например, Дмитриев А.Н. и др. Биметаллы. - Пермь: 1991. - 416 с, ил.). В этом случае отражатель 15 вне зависимости от температурного воздействия работает как элемент, препятствующий образованию волнообразных колебательных волн, нарушающих резонансный наддув, в результате обеспечивается надежность максимального массового поступления всасываемого воздуха в компрессор.
Преимущество предлагаемого изобретения заключается в том, что оно позволяет без дополнительных энергозатрат увеличить подачу сжатого воздуха путем возрастания массовой производительности компрессора при охлаждении атмосферного всасываемого воздуха за счет испарительного охлаждения в порах отражателя, а это, в конечном итоге, снижает энергоемкость буровых работ.
Оригинальность конструктивного решения предлагаемого изобретения подтверждается простотой технического исполнения, заключающегося в выполнении отражателя из биметалла в виде двух жестко соединенных пластин, причем материал первой пластины со стороны выходного отверстия суживающегося сопла выполнен пористым, а материал второй пластины выполнен сплошным, что устраняет стекание «пятна» жидкости с поверхности отражателя, путем заполнения пор жидкостью с последующим ее испарением и, как следствие, дополнительным снижением температуры всасываемого атмосферного воздуха перед поступлением в компрессор, т.е. увеличением его массовой производительности, приводящей, в конечном итоге, к снижению энергоемкости буровых работ.