Устройство для термомеханического бурения скважин

 

Изобретение относится к горной промышленности, в частности к устройствам для бурения и расширения скважин в крепких породах. В основу изобретения поставлена задача снижения энергоемкости процесса бурения путем уменьшения энергозатрат на производство сжатого воздуха, потребляемого в качестве окислителя в огнеструйной горелке бурового става, и одного из основных элементов при продувке скважин. Устройство для термомеханического бурения скважин включает буровой орган в виде бурового става, на конце которого установлены породоразрушающие элементы и огнеструйная горелка, к которой присоединены: магистраль подачи воды, магистраль подачи топлива, магистраль подачи воздуха через теплообменник, находящийся в баке, и адсорбер, по нагнетательному патрубку от компрессора, связанного посредством всасывающего патрубка с фильтром, выполненным в виде резонатора и размещенным на компрессоре, корпуса с днищем конической формы и суживающимся соплом, отражателя, подвижно укрепленного посредством шарнира к корпусу фильтра, конденсатоотводчика-поплавка, внутренних камер, сообщающихся соответственно со всасывающим патрубком и суживающимся соплом, тяги, соединяющей посредством рычага конденсатоотводчик и отражатель. 2 ил.

Изобретение относится к горной промышленности, в частности к устройствам для бурения и расширения скважин в крепких породах.

Известно устройство для совмещенного механического бурения и термического расширения скважин /Великий М.И. и др. Техника бурения скважин комбинированными способами. М. : Недра, 1977, с. 35-41/, включающее компрессор с всасывающим фильтром, водяной бак с расположенным в нем радиатором и электродвигателем, бак с топливом, буровой став с породоразрушающими элементами и огнеструйной горелкой, соединенной с магистралями подачи воздуха, воды и топлива.

Недостатком этого устройства является высокая энергоемкость процесса бурения, обусловленная низким качеством сжатого воздуха, поступающего к огнеструйной горелке.

Известно устройство для термомеханического бурения скважин /см. Устройство для термомеханического бурения скважин, а.с. N 1839693, кл. E 21 7/14, E 21 C 37/16, Бюл. N 48-47, 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.

В основу изобретения поставлена задача снижения энергоемкости процесса бурения путем уменьшения энергозатрат на производство сжатого воздуха, потребляемого в качестве окислителя в огнеструйной горелке бурового става и основного элемента при продувке скважин.

Технический результат изобретения обеспечивает уменьшение энергозатрат при использовании сжатого воздуха в процессе термомеханического бурения и продувки скважин путем увеличения массовой производительности компрессора за счет выполнения его воздушного фильтра в виде резонатора, поддерживающего резонансные колебания воздушного столба в корпусе фильтра и во всасывающем патрубке компрессора.

На фиг. 1 изображено устройство термомеханического бурения скважин, общий вид; на фиг. 2 разрез воздушного фильтра компрессора.

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 но со всасывающим патрубком 11 и суживающимся соплом 14, тяги 20, соединяющей посредством рычага 21 конденсатоотводчик-поплавок 17 и отражатель 15.

Устройство работает следующим образом.

При термомеханическом разрушении горных пород наблюдается интенсивное загрязнение атмосферного воздуха как твердыми частицами, так и капелеобразной влагой, выбрасываемой из скважины в результате ее продувки. Данные загрязнения в процессе работы компрессора 10 поступают во всасывающий фильтр 12. Известно, 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, 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 станка и данной скорости всасываемого атмосферного воздуха, движущегося по элементам воздушного фильтра, в объеме воздушного фильтра 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, повышают 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 капелеобразная влага, находящиеся 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 вибрационных перемещений.

Надежность автоматизированного поддержания режима резонанса обеспечивается тем, что, например, уменьшение массы твердых и капелеобразных частиц в полости 18 /по условиям работы бурового станка; 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 конические днище 13 также уменьшается, в результате возрастают вибрации в поперечном направлении конденсатоотводчика-поплавка 17/ чем меньше масса конденсатора 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/.

Следовательно, данное конструктивное решение обеспечивает автоматизацию процесса поддержания резонанса, и соответственно максимального массового поступления всасываемого воздуха в компрессор.

Соотношение между параметрами резонанса /размерами полости 19 воздушного фильтра компрессора/ находится, например, из выражения , где F - площадь поверхности отражателя, м²; h - расстояние от уровня жидкости в коническом днище фильтра до входного отверстия всасывающего патрубка, м; V - производительность компрессора по всасывающему воздуху/объемный расход воздуха через резонатор/, м³/с; K - постоянная величина данной колебательной системы бурового станка /определяется по условиям эксплуатации/.

Преимущество предлагаемого изобретения заключается в том, что оно позволяет без дополнительных энергозатрат увеличить подачу сжатого воздуха как в процессе термомеханического бурения, так и продувки скважин, а это в конечном итоге снижает энергоемкость буровых работ.

Оригинальность конструктивного решения предлагаемого изобретения подтверждается простотой технического исполнения, гарантирующего эксплуатационную и технологическую надежность процесса обеспечения резонансного наддува всасываемого воздуха компрессора и автоматизированного поддержания данного режима в изменяющихся эксплуатационных и погодно-климатических условиях работы термомеханического бурового станка.

Формула изобретения

Устройство для термомеханического бурения скважин, 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 корпуса с днищем конической формы и суживающимся соплом, конденсатоотводчиком-поплавком и отражателем, разделяющим внутреннюю полость корпуса на камеры, сообщающиеся соответственно со всасывающим патрубком компрессора и суживающимся соплом, отличающееся тем, что фильтр выполнен в виде резонатора, при этом отражатель посредством шарнира подвижно укреплен в верхней части корпуса фильтра, причем конденсатоотводчик-поплавок через рычаг связан с отражателем посредством жестко соединенной тяги.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2