RU2108438C1 - Device for thermomechanical drilling of bore-holes - Google Patents

Abstract

FIELD: mining industry. SUBSTANCE: this relates to devices intended for drilling and reaming bore-holes in hard rock. Reduced power consumption for producing compressed air used as oxidizing agent in flame-jet burner of drilling string and being one of main components in purging of bore-holes is achieved by device for thermomechanical drilling having drilling member in the form of drilling string. Mounted on end of drilling string are rock-crushing members and flame-jet burner. Connected to burner are water supply line, fuel supply line, line for air delivery through heat exchanger located in tank and adsorber via delivery pipe connection from compressor which is connected by means of suction pipe union with filter made in the form of resonator and located on compressor. Also provided are body with bottom of cone shape and narrowing nozzle, deflector movably attached to filter body by means of hinge, float-type condensate remover, inner chambers which communicate respectively with suction pipe connection and narrowing nozzle, link which by means of lever connects condensate remover and deflector. EFFECT: higher efficiency. 2 dwg

Description

Изобретение относится к горной промышленности, в частности к устройствам для бурения и расширения скважин в крепких породах. The invention relates to the mining industry, in particular to devices for drilling and expansion of wells in hard rocks.

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. A device for combined mechanical drilling and thermal expansion of wells / Great M.I. et al. Well drilling techniques using combined methods. M.: Nedra, 1977, p. 35-41 /, including a compressor with a suction filter, a water tank with a radiator and an electric motor located in it, a tank with fuel, a drill rig with rock cutting elements and a fire-jet burner connected to air, water and fuel supply lines.

Недостатком этого устройства является высокая энергоемкость процесса бурения, обусловленная низким качеством сжатого воздуха, поступающего к огнеструйной горелке. The disadvantage of this device is the high energy intensity of the drilling process, due to the low quality of the compressed air entering the flame jet burner.

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. A device for thermomechanical well drilling / see Device for thermomechanical well drilling, and.with. N 1839693, cl. E 21 7/14, E 21 C 37/16, Bull. N 48-47, 1993 /, including a drilling body, in the form of a drill stand, at the end of which rock-cutting elements and a fire-jet burner with fuel, water and air supply lines are installed, the latter is connected through the heat exchanger and adsorber to the compressor discharge pipe, and the compressor with at the inlet of its suction pipe, a filter in the form of a housing with a tapering nozzle, a steam trap and a reflector dividing the internal cavity of the housing into a chamber in communication with the compressor suction pipe, and a chamber for pa air from the atmosphere through the convergent nozzle.

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. The disadvantage of this device is the high energy consumption of the drilling process in difficult operating conditions, due to the influence of vibration of the drill stand and, accordingly, of the compressor with an intake filter on the process of economical production of compressed air.

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. The basis of the invention is the task of reducing the energy consumption of the drilling process by reducing the energy consumption for the production of compressed air consumed as an oxidizing agent in a fire-jet burner of the drill stand and the main element when blowing wells.

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. The technical result of the invention provides a reduction in energy consumption when using compressed air during thermomechanical drilling and purging of wells by increasing the mass productivity of the compressor by performing its air filter in the form of a resonator supporting resonant vibrations of the air column in the filter housing and in the compressor suction pipe.

На фиг. 1 изображено устройство термомеханического бурения скважин, общий вид; на фиг. 2 разрез воздушного фильтра компрессора. In FIG. 1 shows a device for thermomechanical well drilling, general view; in FIG. 2 section of the compressor air filter.

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. The device includes a drilling body in the form of a drill stand 1, at the end of which rock-cutting elements and a fire-jet burner 2 are installed, to which are connected: a water supply line 3, a fuel supply line 4, an air supply line 5 through a heat exchanger 6 located in the tank 7, and an adsorber 8, along the discharge pipe 9 from the compressor 10, connected by means of the suction pipe 11 with a filter 12 made in the form of a resonance and placed on the compressor 10, the housing 13 with a conical bottom and a tapering nozzle 14, a reflector 15, movably fastened by means of a hinge 16 to the filter housing 12, of the steam trap but with a suction pipe 11 and a tapering nozzle 14, of a rod 20 connecting the steam trap-float 17 and the reflector 15 by means of the lever 21.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

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). During thermomechanical destruction of rocks, there is an intense pollution of atmospheric air with both solid particles and droplet-like moisture ejected from the well as a result of its purging. These pollution during operation of the compressor 10 enters the suction filter 12. It is known that in the process of thermomechanical drilling and purging wells, longitudinal and transverse vibrations of the body of the drill string and, accordingly, of the pneumatic network elements are observed in the range from 1 to 30 Hz / cm, for example, Kutuzov B. AND. Theory, technique and technology of drilling operations. -M .: Nedra 1972.- 312 s).

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/. The air velocity in the compressor air filter does not exceed 10-15 m / s. In the presence of longitudinal and transverse vibrations of the drilling rig and a given rate of intake air flowing through the elements of the air filter, resonance may occur in the volume of the air filter and, as a result, an increase in pressure of the intake air increase in mass productivity of the compressor. Therefore, a decrease in the energy intensity of well drilling can be achieved by increasing the compressor productivity due to resonant pressurization — the use of resonant vibrations of the air column in the compressor's intake air filter. Using an air filter as a resonator, in the same way as the compressor suction duct is used as a resonator, the compressor productivity is increased by 20-25% / cm. for example, Kurchavin V.M., Mezentsev A.P. Saving thermal and electric energy of reciprocating compressors. M .: Mechanical Engineering, 1985.- 80 s /.

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. As a result of the pulsation of air movement in the suction pipe 11 of the compressor 10, a vibrational movement of the reflector 15, movably mounted on the hinge 16, is observed. In addition, solid particles of dirt and droplet-like moisture in the intake air in the cavity 18 hit the reflector 15, deflecting it towards the cavity 19, the volume of which is a resonator in the housing 13 of the filter 12. As a result of the operation of the thermomechanical machine and the process of intake of intake air into the compressor 10, resonant vibrations of the column are created and the intake air in the cavity 19 of the filter 12 under the action of pathogens: liquid level with a steam trap-float 17 and a reflector 15, interconnected by a rod 20 and a lever 21, providing a total effect of both transverse and longitudinal vibrational movements.

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. The reliability of the automated maintenance of the resonance mode is ensured by the fact that, for example, a decrease in the mass of solid and droplet-like particles in the cavity 18 / according to the operating conditions of the drilling rig; the absence of rain, snow, the effect of wind away from the filter, etc. / reduces the force of impact on the reflector 15 and, accordingly, its deviation into the cavity 19 decreases, at the same time, the number of particles deposited in the conical bottom 13 also decreases, as a result increase vibration in the transverse direction of the steam trap-float 17 / the smaller the mass of the condenser in the bottom 13, the more intense the vibrations of the steam trap-float 17, and accordingly, the more the mass of condensate in the bottom 13 of the filter 12, the smaller the amplitude of the condensation the float collector 17 /, which through the rod 20 and the lever 21 acts on the reflector 15, supporting the column of intake atmospheric air in the cavity 19 in resonance mode with the air entering the compressor 10 through the suction pipe 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/. With an increase in the mass of solid and liquid particles in the cavity 18, in comparison with the adjusted value of the resonance phenomenon, the force of their impact on the reflector 15 increases and, accordingly, its deviation in the direction of the cavity 19 increases, while the number of solid and droplet-like / liquid / particles deposited in the conical bottom increases 13, the steam trap-float 17 rises and through the rod 20 and the lever 21 acts on the reflector 15, returning it to its original position / position, which provides resonant vibrations of the intake column air in the cavity 10 of the air filter 12 /.

Следовательно, данное конструктивное решение обеспечивает автоматизацию процесса поддержания резонанса, и соответственно максимального массового поступления всасываемого воздуха в компрессор. Therefore, this design solution provides automation of the process of maintaining resonance, and, accordingly, the maximum mass flow of intake air into the compressor.

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/.The relationship between the resonance parameters / the size of the cavity 19 of the compressor air filter / is, for example, from the expression

,
Where
F is the surface area of the reflector, m ² ;
h is the distance from the liquid level in the conical bottom of the filter to the inlet of the suction pipe, m;
V - compressor capacity for intake air / volumetric air flow through the resonator /, m ³ / s;
K is the constant value of this oscillatory system of the drilling rig / is determined by the operating conditions /.

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. An advantage of the present invention lies in the fact that it allows increasing the supply of compressed air both during thermomechanical drilling and well purging without additional energy consumption, and this ultimately reduces the energy consumption of drilling operations.

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. The originality of the design solution of the present invention is confirmed by the simplicity of the technical design, which guarantees the operational and technological reliability of the process of providing resonant pressurization of the compressor intake air and the automated maintenance of this mode in the changing operating and weather and climate conditions of the thermomechanical drilling rig.

Claims (1)

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. A device for thermomechanical drilling of wells, including a drilling body in the form of a drill stand, at the end of which rock-cutting elements and a fire-jet burner with lines for supplying fuel, water, air are installed, the latter is connected to the compressor discharge pipe through a heat exchanger and adsorber, and a compressor located at the inlet its suction pipe with a filter in the form of a body with a conical bottom and a tapering nozzle, a steam trap-float and a reflector separating the internal cavity of pus on the camera, respectively communicating with the suction pipe of the compressor and the tapering nozzle, characterized in that the filter is made in the form of a resonator, while the reflector is hinged movably mounted in the upper part of the filter housing, and the steam trap-float through a lever connected to the reflector by means of a rigidly connected rod .

Images