устройство для совмещенного механического и термического расширения скважин

Формула изобретения

Устройство для совмещенного механического и термического расширения скважин, 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, отличающееся тем, что 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.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к горной промышленности, в частности к бурению скважин.

Известно устройство для совмещенного механического и термического расширения скважин (см. патент РФ № 2115793, МПК Е21В 7/14, Е21С 37/13. Бюл. № 20, 1998), включающее буровой став с породоразрушающими элементами, размещенную в торце става горелку с магистралями подвода горючего и воздуха, установку пылепароподавления 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.

Недостатком данной конструкции является энергоемкость процесса бурения за счет снижения качества осушки сжатого воздуха, что обусловлено истиранием адсорбента в результате вибрационного воздействия, передаваемого от бурового става с породоразрушающими элементами на адсорбер.

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 торце 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 перемещается в вертикальном направлении между внутренней поверхностью большого 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.

Технической задачей является повышение эффективности термического расширения скважин путем увеличения теплового напряжения в зоне горения факела при постоянстве параметров огневой смеси (сжатого воздуха и горючего) за счет возрастания температурного градиента при закручивании части факела, выбрасываемого из одного сопла, например по ходу движения часовой стрелки, а второй части факела из противоположно расположенного второго сопла против хода движения часовой стрелки, в результате возрастает температурный градиент на стенке скважины и снижается энергоемкость ее расширения.

Технический результат предлагаемого изобретения достигается тем, что устройство для совмещенного механического и термического расширения скважин включает 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 во внешней ее части выполнено золотниковое отверстие, горелка выполнена как минимум их 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 часовой стрелке, а на внутренней поверхности противоположно расположенного сопла кривизна направляющей криволинейной канавки имеет направление движения против хода часовой стрелки.

На фиг.1 изображено устройство, общий вид; на фиг.2 - узел 1 фиг.1 (положение элементов адсорбера в начале процесса осушки сжатого воздуха); на фиг.3 - узел 1 на фиг.1 (положение элементов адсорбера в конце процесса осушки сжатого воздуха); на фиг.5 - внутренняя поверхность суживающегося сопла с криволинейными канавками, кривизна которых имеет направление движения против хода часовой стрелки; фиг.4 внутренняя поверхность суживающегося сопла с криволинейными канавками, кривизна которых имеет направление движения по ходу часовой стрелки.

Устройство для совмещенного механического и термического расширения скважины 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 цилиндра 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 сопл 16 и 17. На внутренней поверхности 18 суживающегося сопла 16 расположены криволинейные канавки 19, кривизна направляющей которых имеет направление движения по ходу часовой стрелки, а на внутренней поверхности 20 суживающегося сопла 17 расположены криволинейные канавки 21, кривизна направляющей которых имеет направление движения против хода часовой стрелки.

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, выделенная теплота расходуется на термическое разрушение горных пород без затрат на превращение влаги окислителя в перекрытый 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 направлению движения часовой стрелки, а поток газов, перемещаясь по криволинейным канавкам 21, выполненным на внутренней поверхности 20 суживающегося сопла 17, закручивается по направлению движения против хода часовой стрелки. В результате взаимодействия двух противоположно закрученных потоков горячих газов, выбрасываемых из суживающихся сопл 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 г., 356 с., ил.), что повышает эффективность термического разрушения и, особенно, при расширении взрывных 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, и в результате совместного воздействия пружины 10 и давления сжатого воздуха в полость нахождения пружины 10 через золотник 13 осуществляется до полного процесса его 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 режим 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.

При движении парогазового потока по трубе 5 его теплота через внутреннюю поверхность 12 меньшего цилиндра путем теплопроводности передается зернам адсорбента, нагревая их до температуры регенерации. 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 не обеспечения режима 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 меньшего цилиндра, 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 предлагаемого технического решения заключается в том, что повышение эффективности термического расширения достигается увеличением теплового напряжения на стенках скважины при нормированных параметрах воздушного окислителя и горючего за счет разделения окислительной струи на два потока и закручивания каждого из них в противоположные стороны, что приводит к возникновению микровзрывов на поверхности контакта факела и породы и, как следствие, возрастанию температурного градиента, и это без изменения тепловых и расходных характеристик энергоносителей.