RU2401379C2

RU2401379C2 - Device for combined mechanical and thermal well enlargement

Info

Publication number: RU2401379C2
Application number: RU2008132574/03A
Authority: RU
Inventors: Сергей Геннадьевич Емельянов (RU); Сергей Геннадьевич Емельянов; Олег Петрович Зюбан (RU); Олег Петрович Зюбан; Николай Сергеевич Кобелев (RU); Николай Сергеевич Кобелев; Алексей Николаевич Ряполов (RU); Алексей Николаевич Ряполов; Анатолий Платонович Дубяга (RU); Анатолий Платонович Дубяга; Александр Сергеевич Якушев (RU); Александр Сергеевич Якушев
Priority date: 2008-08-06
Filing date: 2008-08-06
Publication date: 2010-10-10
Also published as: RU2008132574A

Abstract

FIELD: mining.

SUBSTANCE: proposed device comprises drilling rod with rock crushing elements, burner with fuel and air feed lines fitted at the rod end face, dust-and-gas killing unit with built-in tube for discharging hot vapor-gas flow into ambient air, control board, electric heaters with adsorber accommodated inside air feed line. Adsorber represents two different-diametre cylinders fitted one into another. Note that smaller cylinder inner wall is tightly fitted on outer surface of aforesaid discharge tube and accommodated in spring-loaded cartridge that moves free vertically between larger cylinder inner surface and smaller cylinder outer surface. Larger cylinder inner surface top part accommodated slide valve secured thereto, while outer part has valve orifice. Burner incorporates at least two opposed taper nozzles with their inner surfaces provided with curved grooves. Inner surface of one taper channel has curvature of lead groove is directed clockwise, while that on inner surface of opposed nozzle is directed counter clockwise.

EFFECT: higher efficiency of well enlargement.

5 dwg

Description

Изобретение относится к горной промышленности, в частности к бурению скважин.The invention relates to the mining industry, in particular to drilling wells.

Известно устройство для совмещенного механического и термического расширения скважин (см. патент РФ №2115793, МПК Е21В 7/14, Е21С 37/13. Бюл. №20, 1998), включающее буровой став с породоразрушающими элементами, размещенную в торце става горелку с магистралями подвода горючего и воздуха, установку пылепароподавления с встроенной трубой для отвода горячего парогазового потока в окружающую среду, пульт управления, электронагреватели с адсорбером, которые последовательно установлены в магистрали подвода воздуха, при этом адсорбер выполнен в виде двух вставленных один в другой и ограниченных поверхностями цилиндров разного диаметра, причем адсорбер внутренней стенкой меньшего цилиндра плотно насажен на внешнюю поверхность трубы для отвода парогазовой смеси в атмосферу.A device is known for combined mechanical and thermal expansion of wells (see RF patent No. 2115793, IPC ЕВВ 7/14, Е21С 37/13. Bull. No. 20, 1998), including a drill stand with rock cutting elements, a burner with highways located at the end of the stand fuel and air supply, dust suppression unit with a built-in pipe to divert hot steam and gas flow into the environment, a control panel, electric heaters with an adsorber, which are sequentially installed in the air supply line, while the adsorber is made in the form of two tavlennyh one another and bounded by surfaces of cylinders with different diameters, wherein the adsorber inner wall of the smaller cylinder firmly planted on the outer surface of the pipe for discharging the gas-vapor mixture to the atmosphere.

Недостатком данной конструкции является энергоемкость процесса бурения за счет снижения качества осушки сжатого воздуха, что обусловлено истиранием адсорбента в результате вибрационного воздействия, передаваемого от бурового става с породоразрушающими элементами на адсорбер.The disadvantage of this design is the energy intensity of the drilling process due to a decrease in the quality of drying of compressed air, which is due to abrasion of the adsorbent as a result of vibration exposure transmitted from the drill stand with rock cutting elements to the adsorber.

Известно устройство для совмещенного механического и термического расширения скважин (см. патент РФ №2168597, МПК Е21В 7/14. 2001), включающее буровой став с породоразрушающими элементами, размещенную в торце става горелку с магистралями подвода горючего и воздуха, установку пылеподавления с встроенной трубой для отвода горячего парогазового потока в окружающую среду, пульт управления, электронагреватели с адсорбером, которые последовательно установлены в магистрали подвода воздуха, при этом адсорбер выполнен в виде двух вставленных один в другой и ограниченных поверхностями цилиндров разного диаметра, причем адсорбер внутренней стенкой меньшего цилиндра плотно насажен на внешнюю поверхность трубы для отвода парогазовой смеси в атмосферу, адсорбер размещен в подпружиненной кассете, свободно перемещается в вертикальном направлении между внутренней поверхностью большого цилиндра и внешней поверхностью меньшего цилиндра, при этом в верхней части на внутренней поверхности большего цилиндра укреплен золотник, а в нижней ее части выполнено золотниковое отверстие.A device is known for combined mechanical and thermal expansion of wells (see RF patent No. 2168597, IPC ЕВВ 7/14. 2001), including a drill stand with rock cutting elements, a burner at the butt end of the stand with fuel and air supply lines, a dust suppression unit with an integrated pipe for the removal of hot combined-cycle gas flow into the environment, a control panel, electric heaters with an adsorber, which are sequentially installed in the air supply line, while the adsorber is made in the form of two inserted one into another and limited by the surfaces of cylinders of different diameters, the adsorber being tightly mounted on the outer wall of the smaller cylinder to divert the vapor-gas mixture into the atmosphere, the adsorber is placed in a spring-loaded cartridge, moves freely in the vertical direction between the inner surface of the large cylinder and the outer surface of the smaller cylinder, this in the upper part on the inner surface of the larger cylinder reinforced spool, and in its lower part made a spool hole.

Недостатком данного устройства является невозможность увеличения температурного градиента в условиях бурения при изменяющейся твердости пород взрывных скважин, что обусловлено прямоточностью движения огневого потока и соответственно постоянством теплового напряжения в зоне действия факела.The disadvantage of this device is the impossibility of increasing the temperature gradient during drilling with varying hardness of blast hole rocks, which is due to the direct flow of the fire flow and, accordingly, the constancy of thermal stress in the zone of the torch.

Технической задачей является повышение эффективности термического расширения скважин путем увеличения теплового напряжения в зоне горения факела при постоянстве параметров огневой смеси (сжатого воздуха и горючего) за счет возрастания температурного градиента при закручивании части факела, выбрасываемого из одного сопла, например по ходу движения часовой стрелки, а второй части факела из противоположно расположенного второго сопла против хода движения часовой стрелки, в результате возрастает температурный градиент на стенке скважины и снижается энергоемкость ее расширения.The technical task is to increase the efficiency of thermal expansion of wells by increasing thermal stress in the flare combustion zone with constant parameters of the fire mixture (compressed air and fuel) due to an increase in the temperature gradient when twisting a part of the flare ejected from one nozzle, for example, clockwise, and the second part of the torch from the opposite second nozzle against the clockwise movement, as a result, the temperature gradient on the well wall increases us and reduced power consumption of its expansion.

Технический результат предлагаемого изобретения достигается тем, что устройство для совмещенного механического и термического расширения скважин включает буровой став с породоразрушающими элементами, размещенную в торце става горелку с магистралями подвода горючего и воздуха, установку пылегазоподавления с встроенной трубой для отвода горячего парогазового потока в окружающую среду, пульт управления, электронагреватели с адсорбером, которые последовательно установлены в магистрали подвода воздуха, при этом адсорбер выполнен в виде двух вставленных один в другой и ограниченных поверхностями цилиндров разного диаметра, причем адсорбер внутренней стенкой меньшего цилиндра плотно насажен на внешнюю поверхность трубы для отвода парогазовой смеси в атмосферу, адсорбент размещен в подпружиненной кассете, свободно перемещающейся в вертикальном направлении между внутренней поверхностью большего цилиндра и внешней поверхностью меньшего цилиндра, при этом в верхней части на внутренней поверхности большего цилиндра укреплен золотник, а во внешней ее части выполнено золотниковое отверстие, горелка выполнена как минимум их двух противоположно расположенных суживающихся сопел, на внутренних поверхностях которых выполнены криволинейные канавки, при этом на внутренней поверхности одного суживающегося сопла кривизна направляющей криволинейной канавки имеет направление движения по часовой стрелке, а на внутренней поверхности противоположно расположенного сопла кривизна направляющей криволинейной канавки имеет направление движения против хода часовой стрелки.The technical result of the invention is achieved by the fact that the device for combined mechanical and thermal expansion of the wells includes a drill stand with rock cutting elements, a burner with fuel and air supply lines located at the end of the stand, a dust and gas suppression unit with an integrated pipe to divert the hot gas stream into the environment, a remote control controls, electric heaters with an adsorber, which are sequentially installed in the air supply line, while the adsorber is made in e two cylinders of different diameters inserted one into the other and bounded by surfaces, moreover, the adsorber is densely mounted on the outer wall of the smaller cylinder to divert the vapor-gas mixture into the atmosphere, the adsorbent is placed in a spring-loaded cartridge that moves freely in the vertical direction between the inner surface of the larger cylinder and the outer the surface of the smaller cylinder, while in the upper part on the inner surface of the larger cylinder the spool is fixed, and in its outer part the o-hole, the burner is made of at least two oppositely located tapering nozzles, on the inner surfaces of which curved grooves are made, while on the inner surface of one tapering nozzle the curvature of the guide curved groove has a clockwise direction, and on the inner surface of the opposite nozzle the curvature of the guide the curved groove has a counterclockwise direction of movement.

На фиг.1 изображено устройство, общий вид; на фиг.2 - узел 1 фиг.1 (положение элементов адсорбера в начале процесса осушки сжатого воздуха); на фиг.3 - узел 1 на фиг.1 (положение элементов адсорбера в конце процесса осушки сжатого воздуха); на фиг.5 - внутренняя поверхность суживающегося сопла с криволинейными канавками, кривизна которых имеет направление движения против хода часовой стрелки; фиг.4 внутренняя поверхность суживающегося сопла с криволинейными канавками, кривизна которых имеет направление движения по ходу часовой стрелки.Figure 1 shows the device, a General view; figure 2 - node 1 of figure 1 (the position of the elements of the adsorber at the beginning of the process of drying compressed air); figure 3 - node 1 in figure 1 (the position of the elements of the adsorber at the end of the process of drying compressed air); figure 5 - the inner surface of the tapering nozzle with curved grooves, the curvature of which has a direction of movement counterclockwise; figure 4 the inner surface of the tapering nozzle with curved grooves, the curvature of which has a direction of movement clockwise.

Устройство для совмещенного механического и термического расширения скважины содержит горелку с породоразрушающими элементами 1, магистраль для подвода воздушного окислителя (воздуха) 2, магистраль для подвода горючего 3, установку пылегазоподавления 4, трубу для отвода горячего парогазового потока 5, пульт управления 6, электронагреватели 7, адсорбер 8, представляющий собой два вставленных один в другой и ограниченных поверхностями цилиндра разного диаметра, при этом адсорбент размещен в подпружиненной кассете 9, опирающейся на пружину 10 и свободно перемещающейся в вертикальном направлении между внутренней поверхностью 11 большего цилиндра и внешней поверхностью 12 меньшего цилиндра, кроме того, в верхней части на внутренней поверхности 11 большего цилиндра укреплен золотник 13, а в нижней ее части выполнено золотниковое отверстие 14. Горелка 15 выполнена как минимум из двух противоположно расположенных суживающихся сопл 16 и 17. На внутренней поверхности 18 суживающегося сопла 16 расположены криволинейные канавки 19, кривизна направляющей которых имеет направление движения по ходу часовой стрелки, а на внутренней поверхности 20 суживающегося сопла 17 расположены криволинейные канавки 21, кривизна направляющей которых имеет направление движения против хода часовой стрелки.A device for combined mechanical and thermal expansion of a well includes a burner with rock cutting elements 1, a line for supplying an air oxidizer (air) 2, a line for supplying fuel 3, a dust and gas suppression unit 4, a pipe for removing hot steam and gas stream 5, a control panel 6, electric heaters 7, the adsorber 8, which is two inserted one into the other and bounded by the surfaces of the cylinder of different diameters, while the adsorbent is placed in a spring-loaded cassette 9, supported by a spring 10 and freely moving in the vertical direction between the inner surface 11 of the larger cylinder and the outer surface 12 of the smaller cylinder, in addition, in the upper part on the inner surface 11 of the larger cylinder, a spool 13 is fixed, and in its lower part a spool hole 14 is made. Burner 15 is made at least of two oppositely located tapering nozzles 16 and 17. On the inner surface 18 of the tapering nozzle 16 are curved grooves 19, the curvature of the guide which has a direction of movement along clockwise, and on the inner surface 20 of the tapering nozzle 17 are curved grooves 21, the curvature of the guide which has a direction of movement counterclockwise.

Устройство для совмещенного механического и термического расширения скважин работает следующим образом.A device for combined mechanical and thermal expansion of wells works as follows.

При включении переключателя на пульте 6 управления процессом бурения в режим термического разрушения горных пород воздушный окислитель (воздух) от компрессора (не показан) по магистрали 2 подвода воздушного окислителя через выключенный электронагреватель 7 поступает к адсорберу 8 и далее на подпружиненную кассету 9, где и контактирует с адсорбентом. Очищенный от влаги воздух поступает в горелку 15 с породоразрушающими элементами 1, куда одновременно подается горючее по магистрали 3. В результате происходит сгорание горючего, выделенная теплота расходуется на термическое разрушение горных пород без затрат на превращение влаги окислителя в перекрытый пар, соответствующий температуре газовой струи, и образуется факел.When you turn on the switch on the remote control 6 of the drilling process in the regime of thermal destruction of rocks, the air oxidizer (air) from the compressor (not shown) through line 2 for supplying the air oxidizer through the switched off electric heater 7 goes to the adsorber 8 and then to the spring-loaded cassette 9, where it contacts with adsorbent. Moisture-free air enters the burner 15 with rock cutting elements 1, to which fuel is simultaneously supplied via line 3. As a result, the fuel is burned, the heat released is spent on thermal destruction of rocks without the expense of converting oxidizer moisture into blocked vapor corresponding to the temperature of the gas stream, and a torch is formed.

Факел в горелке 15 разделяется на два потока и выбрасывается через противоположно расположенные сопла 16 и 17. Перемещаясь по криволинейным канавкам 19, выполненным на внутренней поверхности 18 суживающегося сопла 16, поток газов закручивается по направлению движения часовой стрелки, а поток газов, перемещаясь по криволинейным канавкам 21, выполненным на внутренней поверхности 20 суживающегося сопла 17, закручивается по направлению движения против хода часовой стрелки. В результате взаимодействия двух противоположно закрученных потоков горячих газов, выбрасываемых из суживающихся сопл 16 и 17, образуются микровзрывы в зоне контакта с разрушаемой породой, что приводит к резкому возрастанию «точечных» давлений (см., например, Меркулов В.П. Вихревой эффект и его применение в промышленности, Куйбышев, 1969 г., 356 с., ил.), что повышает эффективность термического разрушения и, особенно, при расширении взрывных скважин.The torch in the burner 15 is divided into two streams and ejected through oppositely located nozzles 16 and 17. Moving along curved grooves 19 made on the inner surface 18 of the narrowing nozzle 16, the gas stream swirls in the clockwise direction, and the gas stream moving along the curved grooves 21, made on the inner surface 20 of the tapering nozzle 17, is twisted in the direction of travel counterclockwise. As a result of the interaction of two oppositely swirling flows of hot gases ejected from the narrowing nozzles 16 and 17, microexplosions are formed in the contact zone with the rock being destroyed, which leads to a sharp increase in “point” pressures (see, for example, Merkulov V.P. Vortex effect and its use in industry, Kuibyshev, 1969, 356 pp., ill.), which increases the efficiency of thermal destruction and, especially, when expanding blast holes.

При контакте воздуха с адсорбентом и насыщении его влагой увеличивается масса подпружиненной кассеты 9, и она свободно начинает перемещаться вниз по внутренней поверхности 11 большего цилиндра и внешней поверхности 12 меньшего цилиндра, перекрывая золотниковое отверстие 14. Пружина 10 осуществляет гашение вибрационного воздействия процесса термомеханического разрушения горных пород на подпружиненную кассету 9, уменьшая тем самым истирание зерен адсорбента. По мере скольжения подпружиненной кассеты 9 по поверхности золотника 13 в полость нахождения пружины 10 поступает часть осушаемого воздуха для компенсации действия дополнительной массы, получаемой при насыщении влагой адсорбента, и в результате совместного воздействия пружины 10 и давления сжатого воздуха в полость нахождения пружины 10 через золотник 13 осуществляется до полного процесса его осушки с обеспечением эффективного гашения вибрационного воздействия горелки с породоразрушающими элементами 1 на установку пылегазоподавления 4 и соответственно через подпружиненную кассету 9 на адсорбент.Upon contact of the air with the adsorbent and its saturation with moisture, the mass of the spring loaded cassette 9 increases, and it freely begins to move down the inner surface 11 of the larger cylinder and the outer surface 12 of the smaller cylinder, blocking the spool hole 14. The spring 10 dampens the vibration effect of the thermomechanical destruction of rocks on a spring-loaded cartridge 9, thereby reducing the abrasion of the grains of the adsorbent. As the spring-loaded cartridge 9 slides along the surface of the spool 13, a portion of the drained air enters the cavity of the spring 10 to compensate for the action of the additional mass obtained when the adsorbent is saturated with moisture, and as a result of the combined action of the spring 10 and the pressure of the compressed air in the cavity of the spring 10 through the spool 13 It is carried out until the complete drying process with effective damping of the vibration effect of the burner with rock cutting elements 1 on the dust and gas suppression unit 4 and respectively, through a spring-loaded cartridge 9 to the adsorbent.

При включении переключателя на пульте 6 управления процессом бурения в режим продувки скважин смесь парогазового потока с выбуренной массой твердых частиц из скважины поступает в установку 4 пылегазоподавления, где отделяется от твердых частиц, а очищенный горячий парогазовый поток по трубе 5 для отвода горячего парогазового потока выбрасывается в атмосферу.When the switch on the drilling process control panel 6 is turned on in the well purge mode, the gas-vapor mixture with the drilled mass of solid particles from the well enters the dust and gas suppression unit 4, where it is separated from the solid particles, and the cleaned hot gas-vapor stream through pipe 5 is discharged to exhaust the hot gas-vapor stream the atmosphere.

При движении парогазового потока по трубе 5 его теплота через внутреннюю поверхность 12 меньшего цилиндра путем теплопроводности передается зернам адсорбента, нагревая их до температуры регенерации. Одновременно сжатый воздух от компрессора (не показан) через выключенные электронагреватели 7, находящиеся в магистрали для подвода воздуха 2, направляется на зерна адсорбента в подпружиненной кассете 9. В результате осуществляется процесс регенерации и воздух, насыщенный влагой десорбции, поступает в горелку 2, увеличивая массу парогазового потока в скважине. В случае не обеспечения режима регенерации зерен адсорбента в подпружиненной кассете 9 адсорбера 8 пульт 6 управления подает команду на включение электронагревателей 7, которые дополнительно подогревают регенерирующий воздух, обеспечивающий процесс десорбции в заданном режиме.When the vapor-gas stream moves through the pipe 5, its heat through the inner surface 12 of the smaller cylinder is transmitted through heat conduction to the adsorbent grains, heating them to the regeneration temperature. At the same time, compressed air from the compressor (not shown) through the switched off heaters 7 located in the air supply line 2 is directed to the adsorbent grains in the spring-loaded cassette 9. As a result, the regeneration process is carried out and air saturated with desorption moisture enters the burner 2, increasing the mass gas and steam flow in the well. If the regeneration of adsorbent grains in the spring-loaded cassette 9 of the adsorber 8 is not ensured, the control panel 6 gives a command to turn on electric heaters 7, which additionally heat the regenerating air, which ensures the desorption process in a given mode.

По мере контакта горячего воздуха с зернами адсорбента, а также прогрева их теплотой, передаваемой теплопроводностью от трубы 5 через внутреннюю поверхность 12 меньшего цилиндра, осуществляется процесс регенерации с последующим удалением влаги и масса подпружиненной кассеты 9 (ранее состоящая из суммы масс адсорбента и влаги, отделенной от осушаемого воздуха) уменьшается, что приводит к перемещению ее вверх под суммарным воздействием сжатого воздуха и действием пружины 10. Дальнейший процесс регенерации зерен адсорбента приводит к переходу подпружиненной кассеты 9 в крайнее верхнее положение. В результате перекрывается золотник 13 и открывается золотниковое отверстие 14, выпуская сжатый воздух из полости нахождения пружины 10 в атмосферу, и адсорбер 8 вновь готов к осуществлению осушки сжатого воздуха (воздушного окислителя), при этом пружина 10 обеспечивает гашение вибрационного воздействия на зерна от регенерированного адсорбента.As hot air contacts the adsorbent grains, as well as their warmth transferred by heat conduction from the pipe 5 through the inner surface 12 of the smaller cylinder, a regeneration process is carried out with the subsequent removal of moisture and the mass of the spring-loaded cartridge 9 (previously consisting of the sum of the masses of adsorbent and moisture separated from drained air) decreases, which leads to its movement upward under the combined action of compressed air and the action of the spring 10. The further process of regeneration of adsorbent grains leads to row spring loaded cartridge 9 to the uppermost position. As a result, the spool 13 is closed and the spool hole 14 opens, releasing compressed air from the cavity where the spring 10 is located into the atmosphere, and the adsorber 8 is again ready to dry the compressed air (air oxidizer), while the spring 10 dampens the vibration effect on the grains from the regenerated adsorbent .

Оригинальность предлагаемого технического решения заключается в том, что повышение эффективности термического расширения достигается увеличением теплового напряжения на стенках скважины при нормированных параметрах воздушного окислителя и горючего за счет разделения окислительной струи на два потока и закручивания каждого из них в противоположные стороны, что приводит к возникновению микровзрывов на поверхности контакта факела и породы и, как следствие, возрастанию температурного градиента, и это без изменения тепловых и расходных характеристик энергоносителей.The originality of the proposed technical solution lies in the fact that the increase in thermal expansion efficiency is achieved by increasing the thermal stress on the well walls at normalized parameters of the air oxidizer and fuel due to the separation of the oxidizing stream into two streams and twisting of each of them in opposite directions, which leads to microexplosions the contact surface of the torch and rock and, as a consequence, an increase in the temperature gradient, and this without changing the heat and x characteristics of energy carriers.

Claims

A device for combined mechanical and thermal expansion of wells, including a drill stand with rock cutting elements, a burner with fuel and air supply lines located at the end of the stand, a dust and gas suppression unit with an integrated pipe to divert the hot gas stream into the environment, a control panel, electric heaters with an adsorber, which sequentially installed in the air supply line, while the adsorber is made in the form of two inserted one into the other and bounded by qil surfaces firewood of different diameters, moreover, the adsorber is densely mounted on the outer wall of the smaller cylinder to the pipe to exhaust the gas mixture into the atmosphere, the adsorbent is placed in a spring-loaded cartridge that moves freely in the vertical direction between the inner surface of the larger cylinder and the outer surface of the smaller cylinder, while in the upper part a spool is fixed on the inner surface of the larger cylinder, and a spool hole is made in its lower part, characterized in that the burner is made as mi the sum of two oppositely located tapering nozzles, on the inner surfaces of which curved grooves are made, while on the inner surface of one tapering nozzle the curvature of the guide curved groove has a clockwise direction, and on the inner surface of the opposite nozzle, the curvature of the guide curved groove has a direction of movement counterclockwise.