RU2131014C1

RU2131014C1 - Device for thermomechanical drilling of holes

Info

Publication number: RU2131014C1
Application number: RU97116629A
Authority: RU
Inventors: Н.С. Кобелев; Г.В. Викторов; А.Н. Кобелев; А.В. Моржавин; Н.М. Сукаленко
Original assignee: Курский государственный технический университет
Priority date: 1997-10-07
Filing date: 1997-10-07
Publication date: 1999-05-27

Abstract

FIELD: mining industry, in particular, devices for hole drilling and reaming in hard rocks. SUBSTANCE: device includes drilling tool in the form of drilling string. Installed on end of drilling string are rock cutting members and jet-piercing burner with main lines supplying fuel, water and air. Air supply line is connected through heat exchanger and adsorber with pressure branch pipe of compressor which has filter with narrowing nozzle. The latter is made with internal longitudinal helical grooves from inlet to outlet holes which end in annular groove in front of outlet hole of narrowing nozzle. Annular groove has diametrically opposite holes filled with flexible material with axisymmetric holes whose cross-section varies under the action of excessive pressure of flow of sucked-in air. EFFECT: reduced power consumption in drilling process due to reduced power consumption in production of compressed air used as oxidizer in jet-percing burner and as main factor in hole blowing. 4 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 г., с. 35-41/, включающее компрессор с всасывающим фильтром, водяной бак с расположенным в нем радиатором и электродвигатель, 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 located in it and an electric motor, a fuel tank, 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 огненной 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 fire burner.

Известно устройство для термомеханического бурения скважин /Устройство для термомеханического бурения скважин. МКИ E 21 B 7/14, E 21 C 37/16, 1839693, Бюл. N 47-48, 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 с днищем конической формы и суживающимся соплом, конденсатоотводчиком-поплавком, разделяющим внутреннюю полость корпуса на камеры, сообщающиеся соответственно со всасывающим патрубком компрессора и суживающимся соплом. A device for thermomechanical drilling of wells / Device for thermomechanical drilling of wells. MKI E 21 B 7/14, E 21 C 37/16, 1839693, Bull. N 47-48, 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 a compressor with an inlet its suction pipe with a filter with a conical bottom and a tapering nozzle, a steam trap that separates the internal cavity of the housing into chambers communicating respectively with the suction pipe of the compressor quarrel and a tapered nozzle.

Недостатком данного устройства является энергоемкость процесса бурения и продувки скважин в сложных погодно-климатических и эксплуатационных условиях, обусловленных наличием значительного количества загрязнений во всасываемом воздухе как технологических, так и атмосферных твердых частиц и капелеобразных частиц. The disadvantage of this device is the energy consumption of the process of drilling and blowing wells in difficult weather, climate and operating conditions due to the presence of a significant amount of contamination in the intake air of both technological and atmospheric solid particles and droplet-like particles.

В основу изобретения поставлена задача снижения энергоемкости процесса бурения, путем уменьшения энергозатрат на производство сжатого воздуха, потребляемого в качестве окислителя в огненной горелке бурового става и основного элемента при продувке скважин. The basis of the invention is the task of reducing the energy intensity of the drilling process, by reducing the energy consumption for the production of compressed air consumed as an oxidizing agent in a fire torch of the drill stand and the main element when blowing wells.

Технический результат изобретения обеспечивает уменьшение энергозатрат при использовании сжатого воздуха в процессе термодинамического бурения и продувки скважин путем увеличения массовой производительности компрессора за счет снижения температуры всасываемого воздуха, достигаемой при термодинамическом расслоении его в воздушном фильтре на "холодный" и "горячий" потоки с последующим частичным удалением в окружающую среду части "горячего" потока через расширяющиеся отверстия, выполненные в кольцевой канавке суживающегося сопла. The technical result of the invention provides a reduction in energy consumption when using compressed air during thermodynamic drilling and purging wells by increasing the mass productivity of the compressor by lowering the temperature of the intake air, achieved by thermodynamically separating it in the air filter into “cold” and “hot” streams, followed by partial removal into the environment, parts of the "hot" flow through expanding openings made in the annular groove of the tapering nozzle.

На фиг. 1 изображено устройство термомеханического бурения скважин /общий вид/; на фиг. 2 - разрез воздушного фильтра компрессора; на фиг. 3 - вид А /развертка суживающегося сопла/; на фиг. 4 - сечение по В-В /разрез по кольцевой канавке суживающегося сопла/. In FIG. 1 shows a device for thermomechanical well drilling / general view /; in FIG. 2 - section of the compressor air filter; in FIG. 3 is a view A / scan of a tapering nozzle /; in FIG. 4 - section bb / section along the annular groove of the tapering nozzle /.

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 всасываемого патрубка 11 с фильтром 12, размещенного на компрессоре 10, корпуса 13 с днищем конической формы и суживающимся соплом 14, отражателя 15, прикрепленного к корпусу фильтра 12, конденсатоотводчика-поплавка 16, внутренних камер 17 и 18, сообщающихся соответственно со всасывающим патрубком 11 и суживающимся соплом 14, на внутренней поверхности которого выполнены продольные от входного 19 к выходному 20 отверстиям винтообразные канавки 21, заканчивающиеся кольцевой канавкой 22, в которой расположены отверстия 23, заполненные эластичным материалом 24 с осесимметричными отверстиями 25. 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 , on the discharge pipe 9 from the compressor 10, connected by means of an intake pipe 11 with a filter 12, located on the compressor 10, the housing 13 with a conical bottom and a tapering nozzle 14, a reflector 15 attached to the housing fi тра 12, a steam trap-float 16, inner chambers 17 and 18, respectively communicating with a suction nozzle 11 and a tapering nozzle 14, on the inner surface of which there are screw-like grooves 21, longitudinal from the inlet 19 to the outlet 20, ending in an annular groove 22 in which are located holes 23 filled with elastic material 24 with axisymmetric holes 25.

Устройство работает следующим образом. При термодинамическом разрушении горных пород и в процессе удаления выбуренной массы наблюдается интенсивное загрязнение атмосферного воздуха технологическими загрязнениями в виде твердых частиц и капелеобразной влаги. В результате даже при усовершенствованной очистке от мелкодисперсных загрязнений над установкой пылепарогазоподавления на выходе из вытяжных труб постоянно находится значительная масса парогазовой смеси, насыщенная твердыми частицами, которая в процессе работы компрессора 10 при производстве сжатого воздуха смещается в сторону всасывающего фильтра 12. The device operates as follows. During the thermodynamic destruction of rocks and in the process of removing the cuttings, intense atmospheric air pollution with technological pollution in the form of solid particles and droplet-like moisture is observed. As a result, even with improved cleaning of fine contaminants above the dust and gas suppression unit, a significant mass of vapor-gas mixture saturated with solid particles is constantly located at the outlet of the exhaust pipes, which during the operation of the compressor 10 during the production of compressed air shifts towards the suction filter 12.

Суживающееся сопло 14 /см. фиг. 2/, работая по принципу воронки для полусферы окружающего атмосферного воздуха с парогазовой смесью, насыщенной твердыми частицами, всасывает данную массу. В результате уменьшения проходного сечения суживающегося сопла 14 и возрастания скорости всасываемого потока загрязнения оттесняются к стенке и попадают в продольные, начинающиеся от входного отверстия 19, винтообразные канавки 21, где сталкиваясь с другими частицами /твердыми и капелеобразными/, укрупняются и становятся "ядрами конденсации" водяного пара. Закручивание в винтообразных канавках 21 более плотного потока пограничного слоя интенсифицирует завихрение всего потока всасываемого воздуха, обеспечивая его термодинамическое расслоение на "горячий" - периферийный с избыточным давлением и "холодный" - осевой с пониженным /относительно давления окружающей среды/ давлением /см., например, "Некоторые вопросы исследования вихревого эффекта и его промышленного использования".- Куйбышев: 1974, 276 с./. Tapering nozzle 14 / cm. FIG. 2 /, working on the principle of a funnel for the hemisphere of ambient air with a vapor-gas mixture saturated with solid particles, absorbs this mass. As a result of a decrease in the orifice of the tapering nozzle 14 and an increase in the velocity of the suction stream, the contaminants are pushed to the wall and fall into the longitudinal helical grooves 21, starting from the inlet 19, where they collide with other particles (solid and droplet-like) and become “condensation nuclei” water vapor. Twisting in a screw-shaped grooves 21 of a denser flow of the boundary layer intensifies the swirl of the entire flow of intake air, ensuring its thermodynamic separation into “hot” - peripheral with excess pressure and “cold” - axial with reduced / relative to ambient pressure / pressure / cm, for example , "Some questions of the study of the vortex effect and its industrial use." - Kuibyshev: 1974, 276 pp. /.

Прирост температуры "холодного" потока за счет теплоты конденсации паров атмосферной и технологической влаги несколько снижает эффект термодинамического расслоения всасываемого воздуха в суживающемся сопле 14 /относительно идеального процесса термодинамического расслоения, когда во всасываемом воздухе отсутствуют пары атмосферной и технологической влаги/, тогда действительное значение температуры охлаждения может быть определено из соотношения;

температура термодинамически расслаиваемого в суживающемся сопле атмосферного (идеализированного) воздуха без наличия атмосферной и технологической парообразной и капелеобразной влаги;
T_BB - температура атмосферного воздуха на входе в суживающееся сопло воздушного фильтра;
n, k - показатели политропы и адиабаты;
M - число Маха, M = ω_вс/a, где a - скорость всасываемого атмосферного воздуха при движении его по суживающемуся соплу, ω_вс - местная скорость звука в суживающемся сопле,

теплоемкость соответственно "холодного" потока в суживающемся сопле и атмосферного всасываемого воздуха перед входным отверстием фильтра;
P_HX, P_X - давление насыщенных паров влаги соответственно в "холодном" потоке и атмосферного воздуха;
φ_x, φ_вв - относительная влажность соответственно "холодного" потока и атмосферного воздуха.The increase in the temperature of the “cold” flow due to the heat of condensation of atmospheric and process moisture vapor somewhat reduces the effect of thermodynamic separation of the intake air in the tapering nozzle 14 / relative to the ideal process of thermodynamic separation, when there is no atmospheric and process moisture vapor in the intake air /, then the actual value of the cooling temperature can be determined from the relation;

temperature of thermodynamically stratified atmospheric (idealized) air in a tapering nozzle without the presence of atmospheric and technological vapor and droplet-like moisture;
T _BB is the temperature of the atmospheric air at the entrance to the tapering nozzle of the air filter;
n, k - polytropic and adiabatic exponents;
M is the Mach number, M = ω _sun / a, where a is the velocity of the intake air when it moves along the tapering nozzle, ω _sun is the local speed of sound in the tapering nozzle,

the heat capacity of the correspondingly “cold” stream in the tapering nozzle and atmospheric intake air in front of the filter inlet;
P _HX , P _X - pressure of saturated moisture vapor, respectively, in the "cold" stream and atmospheric air;
φ _x , φ _cc - relative humidity, respectively, of the "cold" stream and atmospheric air.

"Горячий" поток термодинамически расслоенного всасываемого воздуха в суживающемся сопле 14 концентрируется с избыточным давлением в пограничном слое продольных винтообразных канавок 21 и достигает кольцевой канавки 22, в которой расположены отверстия 23, заполненные эластичным материалом 24 с осесимметричными отверстиями 25 /см. фиг. 3 и 4/. The “hot” flow of thermodynamically stratified intake air in the tapering nozzle 14 is concentrated with excess pressure in the boundary layer of the longitudinal helical grooves 21 and reaches the annular groove 22, in which are openings 23 filled with elastic material 24 with axisymmetric openings 25 / cm. FIG. 3 and 4 /.

Упругость эластичного материала 24 выбрана таким образом, что лишь под воздействием избыточного давления "горячего" потока термодинамически расслоенного всасываемого воздуха осесимметричные отверстия 25 открываются /см. фиг. 4/, соединяя отверстия 23 кольцевой канавки 22 с атмосферой. Тогда основная массы "горячего" потока, направляемая из пограничного слоя винтообразных канавок 21 в кольцевую канавку 22 с загрязнениями в виде твердых частиц и капелеобразной влаги выбрасывается через отверстия 23, открытые отверстия 25 /за счет выпуклости эластичного материала 24/ в атмосферу, а "холодный" - осевой поток и часть "горячего", неуспевшего выброситься в атмосферу, потока поступает к выходному отверстию 20 суживающегося сопла 14. The elasticity of the elastic material 24 is selected in such a way that only under the influence of the excess pressure of the "hot" flow of thermodynamically separated intake air the axisymmetric openings 25 open / cm. FIG. 4 /, connecting the holes 23 of the annular groove 22 with the atmosphere. Then the bulk of the "hot" flow directed from the boundary layer of the helical grooves 21 into the annular groove 22 with contaminants in the form of solid particles and droplet-like moisture is ejected through the openings 23, open holes 25 / due to the convexity of the elastic material 24 / into the atmosphere, and "cold "- the axial flow and part of the" hot ", failed to be discharged into the atmosphere, the flow enters the outlet 20 of the tapering nozzle 14.

Полученная смесь "холодного " и частично "горячего" потоков имеет температуру, меньшую, чем температура атмосферного всасываемого воздуха. Чем выше плотность термодинамически расслаиваемого воздуха /атмосферный воздух насыщен технологическими загрязнениями и атмосферной капелеобразной влагой/ на входе в дозвуковое сопло /суживающееся сопло 14/, выполняющее функцию вихревой трубы, тем более низкая температура "холодного" потока. Поэтому сброс перед поступлением в компрессор 10 хотя бы части "горячего" потока обеспечивает увеличение плотности всасываемого воздуха и соответственно массовой производительности, тем самым снижая энергоемкость термомеханического бурения и продувки скважин. The resulting mixture of “cold” and partially “hot” flows has a temperature lower than the temperature of the atmospheric intake air. The higher the density of thermodynamically exfoliating air / atmospheric air is saturated with technological contaminants and atmospheric droplet-like moisture / at the entrance to the subsonic nozzle / narrowing nozzle 14 /, which acts as a vortex tube, the lower the temperature of the "cold" stream. Therefore, the discharge before entering into the compressor 10 at least part of the "hot" stream provides an increase in the density of intake air and, accordingly, mass productivity, thereby reducing the energy consumption of thermomechanical drilling and blowing wells.

Известно, что снижение температуры всасываемого в компрессор атмосферного воздуха на каждые 3^oC уменьшает удельные энергозатраты на производство сжатого воздуха на 1% /см. например, Курчавин В.М., Мезенцев А.П. "Экономия тепловой и электрической энергии поршневых компрессоров".- М.: Машиностроение, 1985 - 80 с./.It is known that lowering the temperature of atmospheric air drawn into the compressor for every 3 ^o C reduces the specific energy consumption for the production of compressed air by 1% / cm. for example, Kurchavin V.M., Mezentsev A.P. "Saving thermal and electric energy of reciprocating compressors." - M.: Mechanical Engineering, 1985 - 80 pp. /.

На выходе из отверстия 20 суживающегося сопла 14 вращающийся охлажденный всасываемый воздух во внутренней камере 17 внезапно расширяется, дополнительно снижая свою температуру еще на 3-5^oC, и ударяется об отражатель 15. Вследствие этого несброшенные с "горячим" потоком через отверстия 25 твердые частицы и капелеобразная влага падают в днище 13 конической формы, где накапливаются до определенного уровня, после чего выбрасываются вручную или автоматически через конденсатоотводчик-поплавок 16. При дальнейшем движении охлажденный всасываемый воздух огибает отражатель 15 и поступает в камеру 18, сообщенную со всасывающим патрубком 11, и далее в компрессор 10, откуда после сжатия по нагнетательному патрубку 9 через теплообменник 6, находящийся в баке 7, и адсорбер 8 по магистрали 5 бурового става 1 поступает к огненной горелке 2, обеспечивая, наряду с поступающими туда же топливом по магистрали 4 и водой по магистрали 3, процесс термического разрушения и удаления горных пород.At the exit from the opening 20 of the tapering nozzle 14, the rotating cooled suction air in the inner chamber 17 suddenly expands, further reducing its temperature by another 3-5 ^° C, and hits the reflector 15. As a result, the solid particles unloaded with the "hot" flow through the holes 25 and droplet-like moisture fall in the bottom 13 of the conical shape, where they accumulate to a certain level, and then are thrown out manually or automatically through the steam trap-float 16. During further movement, the cooled suction air the ear bends around the reflector 15 and enters the chamber 18, in communication with the suction pipe 11, and then to the compressor 10, from where after compression through the discharge pipe 9 through the heat exchanger 6 located in the tank 7, and the adsorber 8 through the pipe 5 of the drill stand 1 goes to the fire burner 2, providing, along with the incoming fuel on the highway 4 and water on the highway 3, the process of thermal destruction and removal of rocks.

Преимущество предлагаемого изобретения заключается в том, что данное конструктивное решение обеспечивает увеличение плотности всасываемого воздуха /чем ниже температура всасываемого воздуха, тем выше его плотность и соответственно массовая производительность компрессора/, а это позволяет без дополнительных энергозатрат увеличить подачу сжатого воздуха как в процессе термомеханического бурения, так и продувки скважин и в конечном итоге снизить энергоемкость буровых работ. The advantage of the present invention is that this design solution provides an increase in the density of the intake air / the lower the temperature of the intake air, the higher its density and, accordingly, the mass productivity of the compressor /, and this allows to increase the supply of compressed air without additional energy consumption as during thermomechanical drilling, well purging and ultimately reducing the energy intensity of drilling operations.

Оригинальность конструктивного решения предлагаемого изобретения подтверждается несложностью технического исполнения, гарантирующего эксплуатационную и технологическую надежность процесса термодинамического расслоения всасываемого воздуха, а также увеличивает срок работы воздушного фильтра компрессора, так как часть загрязнений сбрасывается из суживающегося сопла в окружающую среду, предотвращая поступление их к отражателю и в конденсатоотводчик, откуда при перенасыщении может попасть в компрессор с последующей интенсификацией износа его клапанов, поршневой системы и в конечном итоге приведет к снижению надежности элементов термомеханического станка: компрессора и огнеструйной горелки. 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 thermodynamic separation of the intake air, and also increases the life of the compressor air filter, since some of the contaminants are discharged from the narrowing nozzle into the environment, preventing them from entering the reflector and into the steam trap , where, during oversaturation, it can get into the compressor with subsequent intensification wear and tear of its valves, piston system and ultimately lead to a decrease in the reliability of the elements of the thermomechanical machine: compressor and fire-jet burner.

Claims

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 fuel, water, air supply lines are installed, the latter is connected to the compressor discharge pipe through a heat exchanger and absorber, and a compressor located at its inlet a suction nozzle 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 the body on chambers communicating respectively with the compressor suction pipe and the tapering nozzle, characterized in that the tapering nozzle is made with internal longitudinal helical grooves from the inlet to the outlet ending in an annular groove in front of the outlet of the tapering nozzle, while the number of openings in the annular groove are diametrically opposed at least four and filled with elastic material with axisymmetric holes that change their cross section under the action of excess pressure of the intake air flow.