устройство для термомеханического бурения скважин

Формула изобретения

Устройство для термомеханического бурения скважин, включающее буровой орган в виде бурового става, на конце которого установлены породоразрушающие элементы и огнеструйная горелка, магистрали для подачи к огнеструйной горелке топлива, воды и воздуха от нагнетательного патрубка компрессора, компрессор с расположенным на входе его всасывающего патрубка фильтром, состоящим из корпуса с конденсатоотводчиком, суживающимся соплом и отражателем, отличающееся тем, что огнеструйная горелка включает количество не менее двух попарно расположенных сопел, на внутренней поверхности каждого из которых выполнены криволинейные канавки, продольно расположенные от входного к выходному отверстиям, при этом кривизна канавок одного сопла из пары имеет направление движения по часовой стрелке, а кривизна канавок другого сопла этой же пары имеет направление движения против часовой стрелки.

Описание изобретения к патенту

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 (см. Великий 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 электронагревателем, бак с топливом, буровой став с породоразрушающими элементами и огнеструйной горелкой, соединенной с магистралью подачи воздуха, топлива и воды.

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

Известно устройство для термомеханического бурения скважин (см. Патент РФ № 1839693, МПК Е 21 В 7/14, Е 21 С 37/16, 1991. Бюл. № 47-48), включающее буровой орган в виде бурового става, на конце которого установлены породоразрушающие элементы и огнеструйная горелка, магистрали для подачи к огнеструйной горелке топлива, воды и воздуха от нагнетательного патрубка компрессора и компрессор с расположенным на входе его всасывающего патрубка фильтром, состоящим из корпуса с конденсатоотводчиком, суживающимся соплом и отражателем.

Недостатком этого устройства является энергоемкрсть процесса бурения, обусловленная снижением удельных тепловых потоков по мере прямоточного истечения продуктов сгорания огневой струи при взаимодействии с горными породами сложного состава и строения.

Технической задачей предлагаемого изобретения является снижение энергоемкости процесса бурения и расширения скважин путем улучшения параметров температурных полей и полей напряжений, действующих в массиве расширяемой скважины, где происходит взаимодействие высокотемпературных процессов сгорания топлива с горными породами сложного состава и строения.

Технический результат по снижению энергоемкости бурения и расширения скважин достигается тем, что устройство для термомеханического бурения скважин, включающее буровой орган в виде бурового става, на конце которого установлены породоразрущающие элементы и огнеструйная горелка, магистрали для подачи к огнеструйной горелке топлива, воды и воздуха от нагнетательного патрубка компрессора и компрессор с расположенным на входе его всасывающего патрубка фильтром, состоящего из корпуса с конденсатоотводчиком, суживающимся соплом и отражателем; при этом огнеструйная горелка выполнена в виде сопел, количество которых должно быть кратно двум, на внутренней поверхности каждого из которых расположены криволинейные канавки, продольно расположенные от входного к выходному отверстиям, причем кривизна образующей канавок одного сопла имеет направление движения по часовой стрелке, а кривизна образующей канавок другого парного сопла имеет направление движения против часовой стрелки.

На фиг.1. изображена принципиальная схема устройства для термомеханического бурения скважин, на фиг.2а,б - внутренняя поверхность двух попарно расположенных сопел огнеструйной горелки.

Устройство включает буровой орган в виде бурового става 1, на конце которого установлены породоразрушающие элементы и огнеструйная горелка 2, к которой присоединены магистраль 3 для подачи топлива и магистраль 4 для подачи воды, магистраль 5 для подачи воздуха через теплообменник 6 и адсорбер 7 по магистральному патрубку 8 от компрессора 9, связанного посредством всасывающего патрубка 10 с фильтром 11, выполненным в виде размещенного на компрессоре 9 корпуса с днищем 12 конической формы и суживающимся соплом 13, отражателем 14, конденсатоотводчиком 15, внутренних камер 16 и 17, сообщенных соответственно с всасывающим патрубком 10 и суживающимся соплом 13, установку пылепарогазоподавления. При этом на внутренней поверхности попарно расположенных сопел огнеструйной горелки 2 выполнены криволинейные канавки 18 и 19, продольно расположенные от входного 20 к выходному 21 отверстиям, причем кривизна образующей канавок 18 одного сопла имеет направление по часовой стрелке, а кривизна образующей канавок 19 другого парного сопла имеет направление движения против часовой стрелки.

Устройство работает следующим образом.

Специфика эксплуатации устройств для термомеханического бурения обусловлена наличием в окружающем атмосферном воздухе значительного количества капле- и пароструйной влаги, которая при работе компрессора 9 поступает через суживающееся сопло 13 в корпус с днищем 12 конической формы фильтра 11. На выходе из суживающегося сопла 12 поток всасываемого воздуха с технологической и атмосферной влагой внезапно расширяется в камере 16 и ударяется об отражатель 14. В результате часть влаги падает в днище 12 конической формы для последующего удаления через конденсатоотводчик 15, а движущийся поток огибает отражатель 14 и поступает во внутреннюю камеру 17, далее по всасывающему патрубку 10 очищенный от каплеструйной влаги всасываемый воздух поступает в компрессор 9, откуда после сжатия через бак-теплообменник 6 и адсорбер 7 по нагнетательному патрубку 8 магистрали 5 направляется по буровому ставу 1 к соплам огнеструйной горелки 2, обеспечивая наряду с поступлением туда же топлива по магистрали 3 процесс термического разрушения горных пород.

При движении продуктов сгорания топлива по криволинейным канавкам 18 одного сопла огнеструйной горелки 2 от входного его отверстия 20 к входному отверстию 21 поток закручивается в направлении по часовой стрелке, а при движении продуктов сгорания топлива по криволинейным канавкам 19 второго парно связанного сопла от входного его отверстия 20 к выходному отверстию 21 поток закручивается в направлении против часовой стрелки (см., например, стр.509. Выгодский Н.Я. Справочник по высшей математике. М. 1966 - 872 с., ил). Соприкосновение двух вращающихся в противоположных направлениях потоков приводит к образованию пограничного слоя, в котором наблюдается непрерывное возникновение микровзрывов с резким возрастанием микродавления в точках контакта огненных струй. В результате увеличивается абсолютное значение теплового потока и, соответственно, увеличивается скорость истечения огненной струи при нормированных параметрах величин температурного поля и поля напряжений, а это в конечном итоге приводит к повышению эффективности процесса бурения и расширения взрывных скважин.

Оригинальность конструктивного решения предлагаемого изобретения по снижению энергоемкости процесса бурения и расширения скважин подтверждается достижением возрастания дальнобойности огненной струи, которая пропорциональна ее мощности, а увеличение последней осуществляется в результате создания множества микровзрывов со всплеском микродавлений в точках контакта двух огненных потоков, закрученных в противоположных направлениях за счет движения одного потока по криволинейным канавкам с образующей, перемещающейся по часовой стрелке и при движении второго потока в попарно связанных соплах по криволинейным канавкам с образующей, перемещающейся против часовой стрелки.