RU2178504C1

RU2178504C1 - Self-contained apparatus for making holes and workings

Info

Publication number: RU2178504C1
Application number: RU2000123661/03A
Authority: RU
Inventors: А.М. Азизов; И.М. Асланов; А.Г. Курицын; А.И. Плугин
Original assignee: Азизов Азиз Мустафаевич; Асланов Исфендияр Мехтиевич; Курицын Андрей Григорьевич; Плугин Александр Илларионович
Priority date: 2000-09-18
Filing date: 2000-09-18
Publication date: 2002-01-20

Abstract

FIELD: mining and construction industries, particularly, making holes and workings of various applications such as prospecting, producing wells, holes for power transmission supports, etc. SUBSTANCE: self-contained apparatus contains lengthened body with working member; working medium generator accommodated in body cavity, and unit for conversion of compressed gas energy into two gaseous flows. Working medium generator has two working additional chambers. One working additional chamber has piston groups engageable from one control appliance and operating has harmonic and stable system of generation and consumption of working medium. Chamber engageable with the first chamber is made in the form of converter of gas flow energy into two flows different in temperature characteristics (degrees centigrade). Converter is made in the form of hollow cone with wave helical wall having variable screw lead and increasing towards large base of cone. Surface of wavy walls are made to profile preset by lemniscale curve that makes it possible to separate single gas flow into flow of negative and flow with positive temperatures, and to direct them for their direct use: to working medium generator, cooling jacket and to bottom hole, and also to process of hole wall stabilization. EFFECT: higher productivity of apparatus in breaking of rocks with continuously varying strength and direction of working. 2 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к технологии проходки скважин и выработок различного назначения и касается конструкций автономных бурильных аппаратов для осуществления этой технологии. The invention relates to a technology for sinking wells and workings for various purposes and relates to the construction of autonomous drilling apparatus for implementing this technology.

В настоящее время известны принципиальные направления развития этих технических средств, наиболее представительным из которых и наиболее близким к изобретению является автономный бурильный аппарат для проходки скважин и выработок, содержащий корпус в виде удлиненного полого цилиндра, на одном торце которого закреплен породоразрушающий рабочий орган, расположенную в корпусе газообразующую камеру, размещенные на корпусе и ориентированные в противоположную от рабочего органа сторону сопла (а. с. СССР 522759, 03.06.1977). Currently known are the principal directions for the development of these technical means, the most representative of which is the closest to the invention is an autonomous drilling apparatus for drilling holes and workings, containing a body in the form of an elongated hollow cylinder, at one end of which a rock cutting tool located in the body is fixed a gas-generating chamber placed on the casing and oriented to the side of the nozzle opposite to the working body (a. USSR 522759, 06/03/1977).

Этот бурильный аппарат имеет существенные и очевидные недостатки, заключающиеся в его принципиальной конструктивной неразвитой схеме; в однотипности генератора рабочего агента с его неизменяемыми параметрами по физико-механическим и физико-химическим характеристикам рабочего агента и процесса воздействия на забой, что не позволяет оперативно менять приемы проходки в зависимости от условий в скважине. Это ведет к снижению производительности аппарата и существенно снижает эффективность процесса проходки скважины. This drilling apparatus has significant and obvious drawbacks, consisting in its basic constructive undeveloped scheme; in the uniformity of the working agent generator with its unchanged parameters according to the physicomechanical and physico-chemical characteristics of the working agent and the impact on the face, which does not allow you to quickly change the methods of penetration depending on the conditions in the well. This leads to a decrease in the productivity of the device and significantly reduces the efficiency of the well sinking process.

Технической задачей и результатом данного изобретения является повышение мобильности автономного бурильного аппарата и его универсальности за счет оснащения его узлами для возможности оперативного выбора приемов и параметров операций при проходке скважин с учетом постоянно меняющихся условий на забое и в полости проходимой скважины, что повышает общую технологическую культуру процесса. The technical task and the result of this invention is to increase the mobility of a stand-alone drilling machine and its versatility by equipping it with nodes for the possibility of prompt selection of methods and parameters of operations when drilling wells, taking into account constantly changing conditions at the bottom and in the cavity of a drilled well, which increases the overall technological culture of the process .

Указанная техническая задача и результат достигаются в изобретении за счет того, что автономный аппарат для проходки скважин и выработок, содержащий корпус в виде удлиненного полого цилиндра, на одном торце которого закреплен породоразрушающий рабочий орган, расположенную в корпусе газообразующую камеру, размещенные на корпусе и ориентированные в противоположную от рабочего органа сопла, снабжен силовой установкой, выполненной из двух силовых узлов, один из которых является узлом преобразования энергии сжатого газа в два газовых потока с высокой и низкой по Цельсию температурой, а второй силовой узел предназначен для получения рабочего агента, направляемого в полость рабочего органа, и выполнен в виде нескольких заполненных топливными компонентами цилиндров с входящими в них поршнями, штоки которых связаны с дополнительным поршнем, над которым образована надпоршневая камера давления, которая в свою очередь сообщена с дополнительной камерой давления, заполненной сжатым газом под высоким давлением, при этом газообразующая камера связана соответственно с силовым узлом преобразования энергии сжатого газа в два газовых потока, с силовым узлом для получения рабочего агента и с дополнительной камерой давления, а силовой узел преобразования энергии сжатого газа в два газовых потока связан соответствующими магистралями для подачи потока газа, имеющего высокую по Цельсию температуру, с полостью рабочего органа и магистралями для подачи потока газа, имеющего низкую по Цельсию температуру, с системой охлаждения бурильного аппарата и с соплами, ориентированными в противоположную от рабочего органа сторону, которые закреплены на торце корпуса автономного аппарата. The specified technical problem and the result are achieved in the invention due to the fact that an autonomous apparatus for driving wells and workings, comprising a housing in the form of an elongated hollow cylinder, at one end of which a rock cutting tool is located, a gas-generating chamber located in the housing, located on the housing and oriented in opposite to the nozzle’s working body, it is equipped with a power unit made of two power units, one of which is a unit for converting the energy of compressed gas into two gas flows high and low Celsius temperature, and the second power unit is designed to receive a working agent directed into the cavity of the working body, and is made in the form of several cylinders filled with fuel components with pistons included in them, the rods of which are connected to an additional piston over which is formed supra-piston pressure chamber, which in turn communicates with an additional pressure chamber filled with compressed gas under high pressure, while the gas-generating chamber is connected respectively to the power connection Ohm, the energy conversion of compressed gas into two gas streams, with a power unit for receiving a working agent and with an additional pressure chamber, and the power unit for converting energy of compressed gas into two gas streams is connected by appropriate lines for supplying a gas stream having a high Celsius temperature, with a cavity the working body and highways for supplying a gas stream having a low Celsius temperature, with a cooling system of the drilling apparatus and with nozzles oriented opposite to the working body of the parties Which are fixed to the housing end of an autonomous vehicle.

При этом в автономном аппарате узел преобразования энергии сжатого газа в два газовых потока выполнен в виде полого конуса, имеющего волнистую винтообразную стенку с переменным шагом винта, у вершины полого конуса в его стенку по касательной врезана труба, соединенная с камерой давления газообразующей камеры, а основание и вершина конуса выполнены с отверстиями, связанными с соответствующими магистралями для отвода потоков газа с низкой и высокой температурой. At the same time, in the autonomous apparatus, the unit for converting the energy of compressed gas into two gas flows is made in the form of a hollow cone having a wavy screw-shaped wall with a variable pitch of a screw, a pipe connected to the pressure chamber of the gas-generating chamber is cut tangentially at the top of the hollow cone, and the base and the apex of the cone is made with holes associated with the respective highways for the removal of gas flows with low and high temperature.

Описываемый автономный бурильный аппарат для проходки скважин и выработок раскрывается далее конструктивно на прилагаемых чертежах, где на фиг. 1 показан его общий вид с сечением по продольной оси; на фиг. 2 и фиг. 5 показаны узлы сечения по I-I на фиг. 1; на фиг. 4 - сечение по II-II на фиг. 1; на фиг. 5 приведена принципиальная блок-схема взаимодействия основных узлов автономного бурильного аппарата. The described autonomous drilling apparatus for driving wells and workings is further disclosed structurally in the accompanying drawings, where in FIG. 1 shows its general view with a cross section along the longitudinal axis; in FIG. 2 and FIG. 5 shows section nodes along I-I in FIG. 1; in FIG. 4 is a section along II-II in FIG. 1; in FIG. 5 is a schematic block diagram of the interaction of the main components of an autonomous drilling apparatus.

Автономный аппарат для проходки скважин и выработок содержит корпус 1 в виде удлиненного полого цилиндра, в котором размещена силовая установка, выполненная, согласно изобретению, из двух силовых узлов: узла 2 и узла 3. На одном торце корпуса аппарата закреплен породоразрушающий рабочий орган 4, а в противоположной тупиковой части корпуса размещена камера 5 с газообразующей смесью, вырабатывающей газ под высоким давлением. Рабочий орган 4 содержит сопла 6, ориентированные по нормали к забою, сопла 7, ориентированные под углами к поверхности забоя, и сопла 8, ориентированные в сторону, противоположную от забоя и предназначенные для создания восходящего потока бурового шлама, а также создания усилия подачи аппарата к забою при проходке скважины. An autonomous apparatus for driving wells and workings comprises a housing 1 in the form of an elongated hollow cylinder, in which a power unit, made, according to the invention, is made of two power units: node 2 and node 3. A rock cutting tool 4 is fixed at one end of the device’s body, and in the opposite dead end of the housing there is a chamber 5 with a gas-forming mixture generating gas under high pressure. The working body 4 contains a nozzle 6 oriented normal to the bottom, a nozzle 7 oriented at an angle to the face, and a nozzle 8 oriented to the side opposite from the bottom and designed to create an upward flow of drill cuttings, as well as create an effort to feed the apparatus to slaughter during the drilling of the well.

Силовой узел 2 является узлом преобразования энергии сжатого газа в два газовых потока, один из которых имеет высокую температуру (по Цельсию), а другой - низкую (по Цельсию). Для этого силовой узел выполнен в виде полого конуса 9, имеющего волнистую винтообразную стенку с переменным шагом винта стенки, увеличивающемся к его большему основанию. Вершина конуса имеет отверстие 10, а основание - отверстие 11, из которых отверстие 10 соединено с полостью конуса 9 перфорированной трубкой 12, по которой отводят поток газа с низкой температурой и подают его по магистрали 13-14 в систему охлаждения - в рубашку охлаждения 15; после выполнения функции охлаждения низкотемпературный газ, перегретый при омывании рабочего органа, подают на забой для совершения вторичной полезной работы - разрушения породы и создания восходящего потока бурового шлама. В варианте выполнения система охлаждения может быть выполнена из нескольких магистралей 14, проходящих вдоль стенок корпуса (фиг. 1, 2), верхней 16 и нижней частей рабочего органа 4. Power unit 2 is a unit for converting the energy of compressed gas into two gas streams, one of which has a high temperature (Celsius), and the other is low (Celsius). For this, the power unit is made in the form of a hollow cone 9 having a wavy helical wall with a variable pitch of the wall screw, increasing to its larger base. The top of the cone has a hole 10, and the base has a hole 11, of which the hole 10 is connected to the cavity of the cone 9 with a perforated tube 12, through which a low-temperature gas stream is diverted and fed through line 13-14 to the cooling system — into the cooling jacket 15; after performing the cooling function, low-temperature gas, superheated when washing the working body, is fed to the face to perform secondary useful work - rock destruction and creating an upward flow of drill cuttings. In an embodiment, the cooling system can be made of several highways 14 passing along the walls of the housing (Fig. 1, 2), the upper 16 and lower parts of the working body 4.

Отверстие 11 переходит в магистраль 17-18 для отвода высокотемпературного газа из полости 9 в полость рабочего органа 4 для его первоначального разогрева, далее этот поток газа или самостоятельно участвует в процессе проходки скважины, или соединяется с объемом рабочего агента, вырабатываемого силовым узлом 3. В варианте выполнения магистрали 18 могут быть проложены непосредственно в корпусе аппарата (фиг. 2). The hole 11 goes to the highway 17-18 for the removal of high-temperature gas from the cavity 9 into the cavity of the working body 4 for its initial heating, then this gas stream either independently participates in the process of drilling the well, or connects with the volume of the working agent generated by the power unit 3. B an embodiment of the line 18 can be laid directly in the apparatus (Fig. 2).

Часть потока газа с низкой температурой отводят из отверстия 10 по магистрали 19 для питания сопел 20, размещенных на верхнем, противоположном рабочему органу 4, торце корпуса аппарата (фиг. 1); потоки газа из этих сопел могут выполнять несколько полезных функций: создавать дополнительное усилие подачи аппарата к забою; производить расширение стенок скважины при малонасыщенных водой породах; осуществлять замораживание стенок при водонасыщенных породах; создавать дополнительное усилие восходящего потока бурового шлама. Part of the gas stream with a low temperature is diverted from the hole 10 along the line 19 to power the nozzles 20 located on the upper end of the apparatus body opposite to the working body 4 (Fig. 1); gas flows from these nozzles can perform several useful functions: create an additional force supplying the apparatus to the bottom; to expand the walls of the borehole with poorly saturated rocks; to freeze the walls with water-saturated rocks; create additional upward force of drill cuttings.

Питание полости конуса 9 осуществляют сжатым газом по трубе 21, врезанной по касательной 22 в стенку в его верхней части и через регулируемый клапан 23, из которого часть газа поступает по патрубку 24 в полость 25 над поршнем 26, который с помощью штоков 27 соединен одновременно с несколькими поршнями 28 и 29, входящими в цилиндры 30 и 31 (фиг. 1, 2, 3), в полостях которых содержатся топливные компоненты: в полости цилиндра 30 - горючее, в полости цилиндра 31 - окислитель. Причем цилиндр 31 может быть выполнен или в виде кольцевого (фиг. 3), или из нескольких отдельных цилиндров (фиг. 2). The cavity of the cone 9 is supplied with compressed gas through a pipe 21 cut along a tangent 22 into the wall in its upper part and through an adjustable valve 23, from which part of the gas enters through the pipe 24 into the cavity 25 above the piston 26, which is connected simultaneously with the rods 27 several pistons 28 and 29 included in the cylinders 30 and 31 (Fig. 1, 2, 3), in the cavities of which the fuel components are contained: in the cavity of the cylinder 30 - fuel, in the cavity of the cylinder 31 - oxidizer. Moreover, the cylinder 31 can be made either in the form of an annular (Fig. 3), or from several separate cylinders (Fig. 2).

Подача топливных компонентов в полость рабочего органа 4 осуществляется через клапаны 32 и 33 (фиг. 1) и по трубке 34, по полости 35 в перфорированную трубку 36 и в полость рабочего органа 4. The supply of fuel components into the cavity of the working body 4 is carried out through the valves 32 and 33 (Fig. 1) and through the tube 34, through the cavity 35 into the perforated tube 36 and into the cavity of the working body 4.

Камера 5 имеет инициатор 37 для провоцирования начала газообразования с помощью блока 38, соединенного с ним электросвязью 39. Из этой камеры газ поступает в камеру давления 40 и через клапан 23 в камеру давления 41, из которой газ поступает в надпоршневую камеру давления 25 для передачи усилия на единый поршень 26. The chamber 5 has an initiator 37 for provoking the onset of gas formation using a block 38 connected to it by telecommunication 39. From this chamber, the gas enters the pressure chamber 40 and through the valve 23 into the pressure chamber 41, from which the gas enters the over-piston pressure chamber 25 to transmit force on a single piston 26.

Управление рабочими узлами аппарата осуществляется с помощью программированного блока 42 управления (фиг. 5), который размещают или в конструкции превентора, или в конструкции аппарата, в его верхней части (по фиг. 1); от блока 42 управляющий сигнал: или электросигнал, или акустический сигнал, подают только на клапан 23 и на блок 38, что при простоте управления обеспечивает автономную работу аппарата, причем при управлении акустическим сигналом акустические волны подают по полости проходимой скважины на блок 42, размещенный в верхней части корпуса аппарата. Management of the operating units of the apparatus is carried out using a programmed control unit 42 (Fig. 5), which is placed either in the design of the preventer, or in the design of the apparatus, in its upper part (in Fig. 1); from the block 42, the control signal: either an electric signal or an acoustic signal, is supplied only to the valve 23 and to the block 38, which, when the control is simple, provides autonomous operation of the apparatus, and when controlling the acoustic signal, acoustic waves are fed through the cavity of the well to block 42, located in top of the unit.

Работа автономного бурильного аппарата, частично изложенная по ходу описания его конструкций, осуществляется следующим образом. The work of an autonomous drilling apparatus, partially set forth in the course of the description of its structures, is carried out as follows.

Аппарат размещают на забое, включают в работу камеру 5 за счет подачи управляющего сигнала от блока 42 на блок 38, приводящий в действие инициатор 37. Вырабатываемый газ из полости камеры давления 40 поступает через клапан 23 по трубе 21 в полость конуса 9, где, как выше указано, преобразуется в два потока газа: с высокой температурой и низкой температурой; оба потока газа используют для рабочего процесса и для охлаждения корпуса рабочего органа и аппарата; другая часть газа поступает в камеру 41 и надпоршневую камеру давления 25, организуя равномерную подачу всех поршней: 28 и 29 от единого поршня 26, что гарантирует строго дозированную подачу топливных компонентов в полость рабочего органа 4 для выработки рабочего агента и направления его через сопла 6, 7, 8 для процесса разрушения породы на забое, организации подачи аппарата к забою и выноса бурового шлама из полости скважины к ее устью. При этом сопла 20, как отмечено ранее, также выполняют работу в общем процессе проходки скважины. Причем автономность работы аппарата и высокий технический результат достигаются за счет сбалансированной работы всех узлов аппарата и четкого из взаимодействия в едином техническом процессе, определяющем высокий уровень технологической культуры при работе автономного бурильного аппарата. The apparatus is placed at the bottom, the chamber 5 is turned on by supplying a control signal from block 42 to block 38, which drives initiator 37. The gas produced from the cavity of pressure chamber 40 enters through the valve 23 through the pipe 21 into the cavity of the cone 9, where, as above indicated, is converted into two gas streams: high temperature and low temperature; both gas flows are used for the working process and for cooling the body of the working body and apparatus; the other part of the gas enters the chamber 41 and the over-piston pressure chamber 25, organizing a uniform supply of all pistons: 28 and 29 from a single piston 26, which guarantees a strictly metered supply of fuel components into the cavity of the working body 4 to generate the working agent and direct it through the nozzle 6, 7, 8 for the process of rock destruction at the bottom, the organization of the device to the bottom and the removal of drill cuttings from the well cavity to its mouth. In this case, the nozzle 20, as noted earlier, also perform work in the overall process of drilling the well. Moreover, the autonomy of the apparatus and a high technical result are achieved due to the balanced operation of all nodes of the apparatus and clear interaction in a single technical process that determines the high level of technological culture during the operation of an autonomous drilling apparatus.

Claims

1. An autonomous apparatus for driving wells and workings, comprising a housing in the form of an elongated hollow cylinder, at one end of which a rock cutting tool is mounted, a gas-generating chamber located in the housing, placed on the housing and oriented to the nozzle side opposite to the working body, characterized in that the autonomous apparatus is equipped with a power plant made of two power units, one of which is a unit for converting the energy of compressed gas into two gas flows with high and low Celsius temperature, and the second power unit is designed to receive a working agent directed into the cavity of the working body, and is made in the form of several cylinders filled with fuel components, pistons included in them, the rods of which are connected to an additional piston, over which a supra-piston pressure chamber is formed, which , in turn, is connected with an additional pressure chamber filled with compressed gas under high pressure, while the gas-generating chamber is connected respectively to the power unit for energy conversion gas into two gas streams, with a power unit for producing a working agent and with an additional pressure chamber, and a power unit for converting the energy of compressed gas into two gas streams is connected by appropriate lines for supplying a gas stream having a high Celsius temperature to the working agent cavity and highways for supplying a gas flow having a low Celsius temperature - with the apparatus cooling system and with nozzles oriented in the direction opposite to the working body, which are fixed to the end of the car body ohm system.

2. The stand-alone apparatus according to claim 1, characterized in that the unit for converting the energy of the compressed gas into two gas streams is made in the form of a hollow cone having a wavy helical wall with a variable pitch of a screw, a pipe connected at the tangent of the hollow cone into its wall is connected tangentially with a pressure chamber of the gas-generating chamber, and the base and the top of the cone are made with holes connected to the corresponding highways for the removal of gas flows with low and high temperature.