CN2188647Y - 等离子火焰钻机 - Google Patents

Abstract

一种用于采矿打炮眼、打桩、钻水井、石油钻井的 等离子火焰钻机，火焰钻头是由等离子枪和设有负压 装置的管连接而成，设有负压装置的管连于井口转盘 输送机构。用等离子枪、负压抽吸管焊连成火焰钻 头。高温高冲刷力的等离子焰流熔化岩层，负压抽吸 管抽吸熔岩至井口从而形成井孔。它钻井效率高、避 免机械钻井作业繁琐、劳动艰苦并构造简单、造价低 廉、且易于搬动。

Description

本实用新型涉及一种采矿打炮眼、打桩、钻水井、石油钻井等作业的钻机，尤其是一种利用等离子焰流熔化岩层并抽吸熔岩从而形成井孔的火焰钻机。

目前国内外普遍采用机械钻井，由于岩层坚硬，机械钻井作业艰苦，设备部件消耗严重，工效低。特别是石油钻机庞大笨重、造价昂贵、钻井工艺复杂、劳动强度大、钻井成本高。尤其是石油钻机的钻头，每使用20小时就因磨损需更换。更换钻头时需反复提升、锁紧、拆卸、下放6米长一根的钻杆。中深井作业，钻杆有数百根。此作业极繁琐，急待改进。国外多年前就把目光投向火焰熔化岩层钻井。六十年代我国马鞍山矿从加拿大引进喷射煤油的火焰钻机，由于煤油燃烧不完全形成表面黑碳，不能很好地熔化岩层而未得推广。国内曾于七十年代初试制成用喷气发动机尾焰熔化岩石的火焰钻机，它能够熔化某些岩石，但在结构上没有解决输送熔岩的问题，不能深钻，也未成功。在国内外火焰钻机的研究至今未取得实质性的进展。

本实用新型的目的是提供一种火焰钻机，它能迅速熔化任何岩层，并输送熔岩至井口地面。它克服目前国内外现有火焰钻机没有找到更适当的热源和结构方面不能输送熔岩至地面的缺陷，能够可靠稳定地进行火焰钻井作业，而且它钻井工效高，构造简单、造价低廉，减轻工人劳动强度，简化钻井工艺，可以替代机械钻机。经试验等离子火焰流熔化泥土，混凝土花岗岩等石块用抽吸管试吸成2～5mm的小颗粒熔渣是成功的。

本实用新型的目的是这样实现的：一种用于钻井的火焰钻机，由火焰钻头、转盘输送机构、直流电源、空气压缩机、循环水箱、与火焰钻头连接的气管路和水管路、控制箱构成，其特征是：火焰钻头是由等离子枪和设有负压装置的管连接而成，设有负压装置的管连于井口转盘输送机构。所说的设有负压装置的管是紫铜管和软管连通的管，它与形成等离子枪喷嘴孔的紫铜块焊接并且与喷嘴孔同走向，所说的负压装置是导引压缩空气从管路侧进入管路、只流经管路一端的装置。本实用新型的火焰钻机，等离子枪喷出20000℃～50000℃高温的具有强大冲刷力的等离子焰流能很快地熔化任何岩层。根据在管的一端造成正压则在该管的另一端能形成负压的原理，将设有负压装置的管与等离子枪焊接。负压装置导引压缩空气从管路侧进入管路只流经该管路的一端，在该管路的另一端形成负压，负压端的端口具有抽吸力。将此具有抽吸力的管的端口焊于等离子枪的喷嘴孔旁，等离子焰流熔化岩层为岩浆，管抽吸熔岩进管腔。被抽吸进管腔的熔岩迅速冷却成火柴头般的小颗粒溶渣随吸力沿管上升。上升至与压缩空气汇合后，还会受到压缩空气向上的推力。管与等离子枪焊接，管口中心距等离子枪喷嘴孔中心不超过40mm，便于抽吸熔岩。管的另一端连于转盘输送机构，由于转盘输送机构置于地面井口处，管中小颗粒熔渣沿管上升可以到达地面。本实用新型这种设置了负压装置的具有抽吸力的管称作抽吸管。抽吸管可由金属材料与软管连接而成，也可以全是软管。本实用新型中抽吸管是用紫铜管与软管连接而成，把紫铜管称紫铜抽吸管，软管称抽吸软管。显而易见，紫铜抽吸管与抽吸软管连为一条通管。抽吸软管可用紫铜蛇皮软管外包软橡塑材料，也可以仅用橡胶材料，还可以是橡线材料的等等。本实用新型中抽吸软管用紫铜蛇皮软管外包软橡塑材料制成。本实用新型抽吸管与等离子枪的连接也有几种方式，可以焊接，也可以用紧固件连接；可以一只管与一只等离子枪连接，也可以几只管与几只等离子枪连接。在管上设置负压装置的结构有多种，可用压缩空气形成负压，也可以用水或其它液体形成负压。

等离子枪的工作原理是：等离子枪的钨棒和水冷的铜喷嘴分别接直流电源两极，高频引弧、电弧燃烧于钨棒和喷嘴之间，连续送入的工作气体穿过电弧空间后成为从喷嘴喷出的具有20000℃～50000℃高温和大冲刷力的等离子焰流，这个等离子焰流常用于各种加热。等离子枪的结构包括：钨棒、喷嘴、压缩室、高频和气室。钨棒的一端悬置于气室中，气室与压缩室，喷嘴孔连通、喷嘴孔狭长。工作气体切向进入气室，经压缩室旋转冲出喷嘴孔。喷嘴的冷却至关重要。等离子枪的各参数取决于钨棒，钨棒选定后，等离子枪各部尺寸、电压、工作电流、气压、水压都随之确定。本实用新型钨棒的规格可在直径6～13mm，再参考规范确定等离子枪的各参数。

本实用新型中，形成喷嘴孔的紫铜块同时用于焊接紫铜抽吸管、还作为火焰钻头的紫铜底盘。在紫铜块外套钢套管（也可外套紫铜套管），将等离子枪与紫铜抽吸管封装内成为火焰钻头部件，与紫铜抽吸管连接的软管伸出钢套管。在钢套管内壁焊4根4分的钢丝绳，在4根钢丝绳外套压缩弹簧，再外包软橡塑成为外层软管，与紫铜抽吸管连接的抽吸软管含在此外层软管内。将气路软管、水路软管、电源线通入此外层软管内，此外层软管连同其内的各软管称为综合软管。综合软管内各软管间用软橡胶分隔并彼此固定。综合软管一端连接火焰钻头，另一端从井内伸到井口盘绕于转盘输送机构的转盘。抽吸软管因被含在综合软管内而随之亦盘绕于转盘。综合软管的末端口，包括抽吸软管在内的各软管伸出，抽吸软管的排出溶渣口通收接溶渣的容器；气、水软管和电源线分别接控制箱的空压机，循环水箱和直流电源相应的接头。

含有一个等离子枪的火焰钻头的功率是30～100KW，用5个等离子枪与一支抽吸管构成的火焰钻头，当钨棒直径为6～13mm时，功率为150～500KW，可钻直径200mm左右的井。用这样的火焰钻头可钻几千米的深井，也可钻几十米的浅井，钻深井无需加大火焰钻头的功率，只需延长综合软管及适当增大负压装置压缩空气的加强抽吸力。如果钻头等物脱落掉在井里，无需打捞，可换一只新的火焰钻头将井底物烧化抽吸，继续钻井。

本实用新型的火焰钻机，与现有技术的火焰钻机相比，热源选择更适当，抽吸熔渣的结构简便易行，能可靠稳定的进行火焰钻井作业。与机械钻机相比，显然避免了作业艰苦，减轻劳动强度，工效大大提高，与石油钻机相比，无需重复拆装钻杆更换钻头，并且设备简单轻便，易于迁移，而且造价低廉，钻井成本大幅度下降。一台3000米石油钻机功率至少4500KW，而本火焰钻机，5只钨棒即5个等离子枪的钻头功率不过150～500KW。本实用新型的目的得以实现。

下面结合附图对本实用新型作进一步说明。

图1是本实用新型总体结构示意图；

图2是本实用新型火焰钻头结构示意图；

图3是各种负压装置的结构示意图；

图4是等离子枪和金属抽吸管的不同连接构成火焰钻头结构示意图。

图中，1－紫铜块、2－隔板、3－水槽、4－气室、5－垫圈、6－螺丝、7－石棉板、8－绝缘套、9－石棉绳、10－可换导电圈、11－弹簧螺丝、12－固定导电圈、13－盖板、14－进水管、15－出水管16－接线板、17－接线板、18－进气管、19－钨棒、20－下套管、21－步进机构、22－抽吸管、23－活接头、24－负压装置壳体、25－斜管、26－空气进气管、27－上套管、28－喷嘴孔、29－压缩室30－火焰钻头、31－等离子枪、32－垂直管架、33－综合软管、34－支撑轮、35－转盘、36－输送机构、37－转盘托架、38－轮、39－控制箱、40－空气压缩机、41－直流电源、42－循环水箱、43－熔渣容器、44－抽吸软管与紫铜抽吸管接头卡箍。

参见图1，转盘输送机构（36），上连接垂直管架（32），垂直管架（32）与井口位置相对。支撑轮（34）用于悬吊火焰钻头（36）和综合软管（33）。火焰钻头（30）穿过垂直管架（32）伸入井中。综合软管（33）搭在支撑轮（34）上再盘绕在转盘（35）上，只盘3圈，其余大部分整齐排放在地面上。气路软管、水路软管、电源线从综合软管末端口伸出，分别接控制箱的空压机、循环水箱、直流电源相应的接头。抽吸软管也从综合软管末端口伸出接于收溶渣的容器。转动转盘，火焰钻头可下降、上升；排放于地面的综合软管随转盘转动而送进或退回不牵动其末端的上述各固定的接头。工作完毕，综合软管随转盘转动提起火焰钻头如图（1）示悬于转盘。火焰钻机需移位，支撑轮（38）转动，火焰钻机由拖车拖走。空压机、循环水箱、直流电源和控制箱由汽车装运，非常便捷，与石油钻机比，移位非常容易。

参见图2，钨棒（19）、气室（4）、压缩室（29）、喷嘴孔（28）、进气管（18）、进水管（14）、出水管（15）、水槽（3）、接线板（16）（17）、步进机构（21）、它们共同构成了等离子枪（31）。直流电源通过接线板（16）和（17）加于钨棒（19）和紫铜块（1）间。工作时先接通冷却水防止喷嘴烧坏，同时启动等离子枪。当钨棒燃烧变短，通过步进机构（21）使钨棒进给。

参见图3，它显示了数种从管路侧向管路通压缩空气并使只流经管路一端，在管路另一端产生负压的负压装置的结构。压缩空气经进气管（26）进入负压装置壳体（24）内，沿斜管（25）进入管路流向地面，在紫铜抽吸管（22）的抽吸端口形成负压抽吸熔岩。图3所示所有的结构通压缩空气都可以形成负压，并且用水或其它液体通过这些结构也可以形成负压，负压装置的结构并不限于图3所示的几种。本实用新型负压装置置于紫铜抽吸管侧。

参见图4，本图中每一图都表示一个含有等离子枪的抽吸管的火焰钻头。本实用新型把等离子枪和抽吸管连接构成火焰钻头这一构思下，它们有多种连接方法，视井的直径而定。

图2是本实用新型的一个实施例。参见图2，在本例中用一只抽吸管和5只等离子枪焊接成火焰钻头，5只等离子枪分布于抽吸管外围，中心线两两相距40mm。紫铜块（1）的直径为160mm，可钻直径200mm的井。等离子枪的工作气体用空气。气室（4）直径20mm，气室（4）总高24mm，压缩室（29）的高度21mm，压缩角是30°，压缩孔道（28）直径7mm，长12mm，气室进气孔高度18mm，直径5mm。钨棒（19）是锆钨棒，直径6mm，长1m。工作电压165V，工作电流550A，工作气体流量157升／分。图示气室（4）的进气管路（17）稍下倾，工作气体切向通入气室（4），形成旋转向下，产生冲击力的气流。气室（4）用陶瓷垫卷（5）石棉盖板（7）和石棉绳（9）密封，用盖板（13）固定导电圈（12）和可换导电圈（10）压紧。弹簧螺丝（11）顶紧可换导电圈（10）。可换导电圈（10）是对称的两块，它们抱紧钨棒（19）。进给时步进机构（21）将钨棒从上向下顶进。钨棒（19）与可换导电圈（10）摩损时，更换可换导电圈（10）。盖板（13）是紫铜材料，与紫铜块（1）用石棉板（7）绝缘。直流电流加于接线板（16）和（17）之间，即加在了钨棒（19）和紫铜块（1）之间形成等离子枪的电工作回路。

紫铜抽吸管（22）内径20mm，长3m，壁厚2mm。它与紫铜块（1）的连接是在紫铜块（1）上开

24的通孔，紫铜抽吸管（22）进入通孔在端面焊接。

在紫铜块（1）上设置冷却水槽（3），冷却水槽（3）的断面尺寸是12×8mm。

负压装置壳体（24）内径40mm，壁厚3.5mm，总高200mm。壳体底壁距紫铜管抽吸口1500mm。压缩空气进气管（26）直径12mm，壁厚1.5mm。斜管（25）长160mm，直径10mm，壁厚1.5mm。斜管（25）与紫铜抽吸管（22）的夹角是3°，斜管（25）与进气端口距负压装置壳体底壁30mm，沿紫铜抽吸管（22）圆周均匀分布3根斜管（25）。压缩空气压力3.4兆帕。

火焰钻头（30）的套管由上、下两部分组成，上套管（27）是钢管，直径160mm，壁厚10mm，长2m；下套管（20）是紫铜管，直径160mm，壁厚3.5mm，长1m。上、下套管用螺纹连接。在等离子枪（31）的钨棒（19）上加绝缘套和步进机构（21）。

在火焰钻头（30）的上套管（27）内壁焊4根4分的钢丝绳，在4根钢丝绳外套压缩弹簧，再外包软橡塑成为外层软管，与紫铜抽吸管（22）连通的抽吸软管含于此外层软管内。将气路软管（18）（26）、水路软管（14）（15）和电源线（16）（17）通入此外层软管构成综合软管（33）。综合软管（33）内各软管间用软橡胶分隔并彼此固定。气路软管（18）（26）和水路软管（14）（15）都是多层线的橡胶管。它们与电源线（16）（17）一同从综合软管（33）进入火焰钻头（30）的套管（27）（20）内接于相应接头。综合软管（33）一端＝连接火焰钻头（30），另一端从井内伸到井口盘绕于转盘输送机构的转盘（35）。综合软管（33）的末端口，包括抽吸软管（22）在内的各软管伸出，抽吸软管（22）的排出熔渣口通收接溶渣的容器（43）；气、水软管（18）、（26）、（14）、（15）和电源线（16）、（17）分别接控制箱（39）的相应接头。综合软管（33）如图1所示搭在支撑轮（34）上，然后盘绕于转盘（35），只盘3圈，其余大部分整齐排放于地面。转盘输送机构（35）、（36）由链条驱动，转盘直径3.2m。直流电机功率3KW，1000米／分，1：10调速，减速器1：200。步进机构距紫铜块（1）上端1100mm的上套管内侧。步进速度3～7mm／时。

本例中与紫铜抽吸管（22）连通的抽吸软管（44）是有紫铜蛇皮管外套橡塑制成，也可用多层线橡胶管代替。紫铜蛇皮管内径20mm，它与紫铜抽吸管（22）的连接为卡箍。火焰钻头的上套管（27）与综合软管（33）的连接是靠在上套管（27）内壁焊4根4分的钢丝绳连接，然后在上套管（27）与综合软管（33）的接口处用橡胶封严。

Claims (4)

1、一种用于钻井的等离子火焰钻机，由火焰钻头、转盘输送机构、直流电源、空气压缩机、循环水箱、接于火焰钻头的气管路和水管路、控制箱构成，其特征是：火焰钻头是由等离子枪和设有负压装置的管连接而成，设有负压装置的管连于井口转盘输送机构。

2、根据权利要求1的等离子火焰钻机，其特征是：所说的设有负压装置的管是紫铜管和软管连通的管。

3、根据权利要求1或2的等离子火焰钻机，其特征是：设有负压装置的管与形成等离子枪喷嘴孔的紫铜块焊接且与喷嘴孔同走向。

4、根据权利要求1的等离子火焰钻机：其特征是：所说的负压装置是导引压缩空气从管路侧进入管路，只流经管路的一端的装置。

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