RU2256764C1 - Thermal-mechanical drilling device - Google Patents

Abstract

FIELD: mining industry, particularly devices for drilling and reaming wells in hard rock.

SUBSTANCE: drilling device has drilling tool made as boring rod with rock-cutting members and flame-jet burner installed at end thereof. Device also comprises pipelines for supplying fuel, water and air from discharge compressor outlet to flame-jet burner, as well as compressor with filter arranged at suction pipe inlet. Filter comprises body with condensate-tapper, converging nozzle and deflector. Flame-jet burner is made as a plurality of nozzles. Number of burner nozzles is divisible by 2. Each nozzle has curvilinear grooves extending from inlet orifice to outlet one in longitudinal direction. Curvature of groove generatrix of one nozzle advances in clockwise direction. Curvature of groove generatrix of another nozzle advances in counterclockwise direction.

EFFECT: reduced power inputs due to improved parameters of temperature fields and fields of stresses in well body where high-temperature fuel combustion processes cooperate with rock of complex structure and texture.

3 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 (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.A device is known for combined mechanical drilling and thermal expansion of wells (see Velikiy et al. Drilling Techniques by Combined Methods. M .: Nedra, 1977, p. 35-41), including a compressor with an intake filter, a water tank with a radiator located in it and an electric heater, a fuel tank, a drill stand with rock cutting elements and a fire-jet burner connected to an air, fuel and water supply line.

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. 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.A device for thermomechanical drilling of wells is known (see RF Patent No. 1839693, IPC E 21 B 7/14, E 21 C 37/16, 1991. Bull. No. 47-48), including a drilling body in the form of a drill stand, at the end of which rock-destroying elements and a fire-jet burner, lines for supplying fuel, water and air to the fire-burner from the compressor discharge pipe and a compressor with a filter located at the inlet of its intake pipe, consisting of a housing with a condensate drain, a tapering nozzle and a reflector were installed.

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.The disadvantage of this device is the energy intensity of the drilling process, due to the decrease in specific heat flux as the flow of combustion products of the jet stream during interaction with rocks of complex composition and structure.

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.The technical task of the invention is to reduce the energy consumption of the drilling and expansion of wells by improving the parameters of temperature fields and stress fields acting in the array of expandable wells, where high-temperature processes of fuel combustion with rocks of complex composition and structure interact.

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.The technical result of reducing the energy consumption of drilling and expansion of wells is achieved by the fact that a device for thermomechanical drilling of wells, including a drilling body in the form of a drill stand, at the end of which there are rock cutting elements and a fire-jet burner, lines for supplying fuel, water and air to the fire-burner burner compressor nozzle and compressor with a filter located at the inlet of its suction nozzle, consisting of a housing with a steam trap, a tapering nozzle and reflect oil; wherein the fire-jet burner is made in the form of nozzles, the number of which must be a multiple of two, on the inner surface of each of which there are curved grooves longitudinally located from the inlet to the outlet, and the curvature of the generatrix of the grooves of one nozzle has a clockwise direction, and the curvature of the generatrix the grooves of the other twin nozzle has a counterclockwise direction of movement.

На фиг.1. изображена принципиальная схема устройства для термомеханического бурения скважин, на фиг.2а,б - внутренняя поверхность двух попарно расположенных сопел огнеструйной горелки.In figure 1. depicts a schematic diagram of a device for thermomechanical drilling of wells, on figa, b - the inner surface of two pairwise located nozzles of a fire-jet burner.

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.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 a highway 3 for supplying fuel and a highway 4 for supplying water, a highway 5 for supplying air through a heat exchanger 6 and an adsorber 7 through a main pipe are connected 8 from the compressor 9, connected by means of a suction pipe 10 with a filter 11, made in the form of a housing placed on the compressor 9 with a conical bottom 12 and a tapering nozzle 13, a reflector 14, a steam trap 15 m, inner chambers 16 and 17 respectively communicated with the suction pipe 10 and a tapered nozzle 13 pyleparogazopodavleniya installation. At the same time, curved grooves 18 and 19 are made longitudinally from the input 20 to the output 21 holes on the inner surface of the nozzles of the fire-jet burner 2, the curvature of the generatrix of the grooves 18 of one nozzle has a clockwise direction, and the curvature of the generatrix of the grooves 19 of the other pair of nozzles direction of movement counterclockwise.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

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.The specifics of the operation of devices for thermomechanical drilling is due to the presence of a significant amount of drop- and steam-jet moisture in the ambient air, which, when the compressor 9 is in operation, enters through the tapering nozzle 13 into the housing with the conical bottom 12 of the filter 11. At the outlet of the tapering nozzle 12, the intake air stream with process and atmospheric moisture suddenly expands in the chamber 16 and hits the reflector 14. As a result, part of the moisture falls in the conical bottom 12 for subsequent removal of without a condensate drain 15, and the moving stream bends around the reflector 14 and enters the inner chamber 17, then through the suction pipe 10, the suction air cleaned of droplet moisture enters the compressor 9, from where, after compression, through the heat exchanger tank 6 and the adsorber 7 through the discharge pipe 8 of line 5 sent along the drill set 1 to the nozzles of the fire-jet burner 2, providing, along with the supply of the same fuel there along the line 3, the process of thermal destruction of rocks.

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.When the fuel combustion products move along the curved grooves 18 of one nozzle of the fire-blast burner 2 from its inlet 20 to the inlet 21, the flow swirls in a clockwise direction, and when the fuel combustion products move along the curved grooves 19 of the second pair-connected nozzle from its inlet 20 to the outlet 21, the flow swirls in a counterclockwise direction (see, for example, p. 509. Vygodsky N. Ya. Handbook of Higher Mathematics. M. 1966 - 872 pp., ill). The contact of two streams rotating in opposite directions leads to the formation of a boundary layer in which there is a continuous occurrence of microexplosions with a sharp increase in micropressure at the points of contact of fire jets. As a result, the absolute value of the heat flux increases and, accordingly, the rate of expiration of the fire stream increases with normalized parameters of the temperature field and the stress field, and this ultimately leads to an increase in the efficiency of the drilling process and expansion of blast holes.

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.The originality of the constructive solution of the present invention to reduce the energy consumption of the drilling process and expansion of wells is confirmed by the achievement of an increase in the range of the fire stream, which is proportional to its power, and the increase in the latter is carried out as a result of the creation of many microexplosions with a burst of micropressures at the contact points of two fire streams swirling in opposite directions due to the movement of one stream along curved grooves with a generatrix moving clockwise and during the movement of the second stream in pairwise coupled nozzles along curved grooves with a generatrix moving counterclockwise.

Claims (1)

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.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 are installed, lines for supplying fuel, water and air to the fire-jet burner from the compressor discharge pipe, a compressor with a filter located at the inlet of its intake pipe, consisting of a housing with a steam trap, a tapering nozzle and a reflector, characterized in that the fire-jet burner includes an amount of at least two pairs nozzles, on the inner surface of each of which there are curved grooves longitudinally located from the inlet to the outlet, the curvature of the grooves of one nozzle in a pair has a clockwise direction, and the curvature of the grooves of another nozzle of the same pair has a counterclockwise direction .

Images