УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОГО БУРЕНИЯ СКВАЖИН
DEVICE FOR THERMAL-MECHANICAL DRILLING OF WELLS

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 Е21В 7/14, 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, состоящим из корпуса с днищем конической формы, конденсатоотводчика-поплавка и отражателя, разделяющего внутреннюю полость корпуса на камеры, сообщающиеся соответственно с 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 пластичным материалом с осесимметричными отверстиями, изменяющими свое сечение под действием избыточного давления потока всасываемого воздуха.
Известно устройство для термомеханического бурения скважин (см. патент РФ №2190077 МПК Е21В 7/14, Е21С 37/6. Опубликовано 27.09.2002), включающее устройство для термомеханического бурения скважин, 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, состоящим из корпуса с днищем конической формы, конденсатоотводчика-поплавка и отражателя, разделяющего внутреннюю полость корпуса на камеры, сообщающиеся соответственно с 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 пластичным материалом с осесимметричными отверстиями, изменяющими свое сечение под действием избыточного давления потока всасываемого воздуха, винтообразные канавки на внутренней поверхности сопла в поперечном сечении имеют вид ласточкина хвоста, при этом фильтр выполнен в виде резонатора, а отражатель выполнен в виде биметаллического материала.
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, загрязненного твердыми частицами пыли и каплеобразованной влаги, что приводит к необходимости последующей дополнительной продувки пневмосистемы. При этом закручивание воздуха во всасывающем патрубке фильтра компрессора сопутствует наличию температурного перехода, воздействующего на отражательную перегородку фильтра, и приводит к возникновению местного колебания и, соответственно, невозможности образования и поддержания во время эксплуатации эффективного резонансного наддува компрессора, когда воздействие переменной массы загрязнений, находящихся во всасываемом воздухе, и его температурных перепадов на отражательную перегородку приводит к возникновению местного ее колебания в виде волнообразных изгибов, как в поперечном, так и в продольном направлении, что в конечном итоге выводит систему всасывания атмосферного воздуха из резонансного состояния.
Технической задачей предлагаемого изобретения является поддержание нормированных энергозатрат при термомеханическом бурении скважин в течение изменяющихся годовых температур окружающего наружного воздуха путем устранения необходимости введения дополнительной энергии на нагревание воды в баке для недопущения ее замерзания. За счет нанесения на наружную поверхность бака тонковолокнистого базальтового материала, продольно расположенного в виде пучков по высоте корпуса бака.
Технический результат 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, сообщена с нагнетательным патрубком компрессора, и компрессор с расположенным на входе его всасывающего патрубка фильтром в виде резонатора, состоящего из корпуса с днищем конической формы, конденсатоотводчика-поплавка и отражателя, выполненного из биметалла и разделяющего внутреннюю полость корпуса на камеры, сообщающиеся соответственно с всасывающим патрубком компрессора и суживающимся соплом, на внутренней поверхности которого выполнены винтообразные канавки, в своем поперечном сечении имеющие вид "ласточкина хвоста" и продольно расположенные от входного к выходному отверстию, заканчивающемуся кольцевой канавкой с заполненным эластичным материалом с осесимметричными отверстиями, винтообразные канавки на внутренней поверхности сопла в поперечном сечении имеют вид ласточкина хвоста, при этом фильтр выполнен в виде резонатора, а отражатель выполнен в виде биметаллического материала, при этом магистраль подачи воды соединена с баком, корпус которого установлен вертикально и на наружную поверхность корпуса бака нанесен тонковолокнистый базальтовый материал, продольно расположенный в виде пучков по его высоте.
На фиг. 1 изображено устройство для термомеханического бурения скважин (общий вид), на фиг. 2 - разрез воздушного фильтра компрессора, на фиг. 3 - сечение по А-А (разрез по кольцевой канавке суживающегося сопла), на фиг. 4 - поперечное сечение в виде "ласточкина 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, состоящим из 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 "ласточкина хвоста" и заканчивающиеся кольцевой канавкой 25, в которой расположены отверстия 26, заполненные эластичным материалом 27 с осесимметричными отверстиями 28. Магистраль 3 подачи воды соединена с баком 7, корпус 29 которого установлен вертикально, и на наружной поверхности 30 корпуса 29 бака 7 нанесен тонковолокнистый базальтовый материал 31, продольно расположенный в виде пучков 32 по его высоте.
Устройство работает следующим образом:
Наличие отрицательных температур наружного воздуха замерзания воды создает условия замерзания воды в баке 7, что препятствует поступлению ее в магистрали 3 подачи воды в буровой столб и далее к огнеструйной горелке 2, что усложняет удаление выбуренной массы из скважины вплоть до забивания искомом, и соответственно создание аварийной ситуации. Использование теплообменника 6 с источником энергии в виде теплоты сжатого в компрессоре 10 воздуха с расходом, необходимым для осуществления термомеханического бурения скважины, и количеством воды, находящимся в баке 7 при тепловых потерях через наружную поверхность 30 корпуса 29, недостаточно из-за существенной разности теплоемкостей воздуха (Ср=1,01кДж/кг°С) и воды (Ср=4,19 кДж/кг°С).
Поэтому в теплообменнике 6 наряду с теплотой сжатого воздуха применяют нагреватели, преимущественно электронагреватели, с дополнительным потреблением энергии, что увеличивает энергоемкость термомеханического бурения скважин. Снижение непроизводственных энергозатрат, обусловленных потерями теплоты остывающей воды 7, обеспечивается покрытием наружной поверхности 30 тонковолокнистым базальтовым материалом 31, продольно расположенным по высоте корпуса 29 в виде пучков 32. По мере прохождения сжатого воздуха с температурой свыше 100°С по теплообменнику 6 вода, находящаяся в баке 7, нагревается и конвективным теплообменником конвекцией в нагревательном слое с внутренней поверхностью корпуса 30 и теплопроводностью по его толщине передает тепловую энергию от наружной поверхности 30 к тонковолокнистому базальтовому материалу 31. Выполнение тонковолокнистого базальтового материала 31 в виде пучков 32 приводит не только к устранению потери теплоты к воздуху окружающей среды от наружной поверхности вследствие теплозащитных свойств, но и к аккумулированию тепловой энергии, а предлагаемое продольное расположение пучков 32 по высоте корпуса 29 на наружной поверхности 30, способствующей образованию перемещающегося снизу вверх температурного поля, и соответственно процесс выравнивания температуры по объему воды в баке 7 происходит существенно интенсивнее, чем отвод теплоты с наружной поверхности 30.
В результате для устранения процесса замерзания воды в баке 7 при отрицательных температурах окружающей среды достаточно теплоты сжатого воздуха и/или значительно меньше количество энергии для дополнительного нагревателя, что в целом снижает энергоемкость устройства для термомеханического бурения скважин.
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 над установкой пылепарогазоподавления на выходе из вытяжных труб постоянно находится значительная масса парогазовой смеси, насыщенная твердыми частицами, которая в процессе работы компрессора 10 при производстве сжатого воздуха смещается в сторону всасывающего фильтра 12. Суживающееся сопло 14, работая по принципу воронки для полусферы 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 "ласточкина 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 "ласточкина хвоста", обусловлена тем, что 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. Это приводит к постоянному витанию твердых и каплеобразных частиц в пограничном слое винтообразных канавок 24 с высокой вероятностью последующего поступления их во внутреннюю камеру 20. Наличие же полости в виде "ласточкина хвоста" практически устраняет возможность выпадения твердых и каплеобразных частиц из винтообразных канавок 24 при вибрационном воздействии по мере движения их от входного 22 к выходному 23 отверстиям. В результате вся масса загрязнений направляется к кольцевой канавке 25. 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 осесимметричными отверстиями 28. Упругость эластичного материала 27 выбрана таким образом, что лишь под воздействием избыточного давления "горячего" потока термодинамически расслоенного всасываемого воздуха осесимметричные 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 "ласточкина хвоста", в кольцевую канавку 25 с загрязнениями в виде твердых частиц и каплеобразной влаги выбрасывается 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 расслаиваемого воздуха (атмосферный воздух насыщен технологическими загрязнениями и атмосферной 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 и ударяется об отражатель 15. При наличии продольных и поперечных колебаний бурового става, сопутствующих термомеханическому бурению и расширению скважин, а также пульсирующему воздействию вращающегося потока, наблюдается вибрационное перемещение отражателя 15, подвижно укрепленного на шарнире 16. Кроме этого, твердые частицы загрязнений и каплеобразная влага, не попавшие в полости винтообразных канавок 24 и находящиеся во всасываемом воздухе внутренней камеры 20, ударяются об отражатель 15, отклоняя его в сторону внутренней камеры 21, объем которой является резонатором в корпусе фильтра 12. В результате работы устройства для термомеханического бурения скважин и процесса поступления всасываемого воздуха в компрессор 10 создаются резонансные колебания столба всасываемого воздуха внутренней камеры 21 фильтра 12 под действием возбудителей: уровни жидкости с конденсатоотводчиком-поплавком 17 и отражателя 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 скважин обеспечивается тем, что, например, уменьшение 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, и соответственно чем больше масса конденсата в днище 13 фильтра 12, тем с меньшей амплитудой колеблется конденсатоотводчик-поплавок 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 жидких 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 воздуха в компрессоре 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 концентрических 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. 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.
Оригинальность предлагаемого технического решения заключается в том, что снижение энергоемкости процесса термомеханического бурения скважин при отрицательных температурах окружающей среды достигается покрытием наружной поверхности вертикально расположенного бака с водой теплоаккумулирующим тонковолокнистым базальтовым материалом таким образом, что продольно расположенный в виде пучков тонковолокнистый базальтовый материал обеспечивает выравнивание температуры по объему воды в баке более интенсивно, чем отвод теплоты в виде тепловых потерь с наружной его поверхности, т.е. устраняется замерзание без ввода дополнительных нагревателей.