RU2681135C1

RU2681135C1 - Device for thermal-mechanical drilling of wells

Info

Publication number: RU2681135C1
Application number: RU2018105714A
Authority: RU
Inventors: Николай Сергеевич Кобелев; Алексей Сергеевич Емельянов; Владимир Николаевич Кобелев; Никита Юрьевич Басинов
Priority date: 2018-04-03
Filing date: 2018-04-03
Publication date: 2019-03-04

Abstract

FIELD: mining.SUBSTANCE: invention relates to the mining industry, in particular, to devices for drilling and expanding wells in hard rock. Device for thermomechanical drilling of wells includes a drilling body in the form of a drill rod, at the end of which rock-breaking elements and a firing jet burner with highways for fuel, water, air, are installed, the latter, through a heat exchanger and an adsorber, communicates with the compressor discharge pipe, and a compressor with a filter at the input of its suction pipe consisting of a housing with a conical bottom, a condensate trap-float and a reflector dividing the internal cavity of the housing into chambers communicating respectively with the compressor suction nozzle and the tapering nozzle, on the inner surface of which there are helical grooves, in their cross section, having the appearance of a "dovetail" and longitudinally located from the inlet to the outlet, ending in an annular groove with axisymmetric holes filled with elastic material. Filter is made in the form of a resonator. Reflector is made in the form of bimetallic material. Water supply line is connected to the tank, the casing of which is installed vertically, and a thin fibrous basalt material longitudinally arranged in the form of beams along its height is applied to the outer surface of the tank. Curvature of the helical grooves located on the inner surface of the tapering filter nozzle is made along the line of the cycloid as brachistochrons, moreover, the starting point of the line of cycloid as brachistochrone is located at the input, and the underlying point of the line is located at the outlet of the converging nozzle.EFFECT: maintenance of normalized energy consumption during thermomechanical drilling of wells during long operation is provided by ensuring the constancy of the aerodynamic resistance of the tapering nozzle of the compressor filter due to the elimination of clogging of the cavities in the form of a "dovetail" and helical grooves.1 cl, 5 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 термомеханического бурения скважин (см. патент РФ №2190077 МПК E21B 7/14, E21C 37/6. Опубликовано 27.09.2002), включающее устройство для термомеханического бурения скважин, включающее буровой орган в виде бурового става, на конце которого установлены породоразрушающие элементы и огнеструйная горелка с магистралями подачи топлива, воды, воздуха, последняя через теплообменник и адсорбер сообщена с нагнетательным патрубком компрессора, и компрессор с расположенным на входе его всасывающего патрубка фильтром, состоящим из корпуса с днищем конической формы, конденсатоотводчика-поплавка и отражателя, разделяющего внутреннюю полость корпуса на камеры, сообщающиеся соответственно с всасывающим патрубком компрессора и суживающимся соплом, на внутренней поверхности которого выполнены винтообразные канавки, продольно расположенные от входного к выходному отверстию, заканчивающемуся кольцевой канавкой с диаметрально противоположно расположенными отверстиями заполненными пластичным материалом с осесимметричными отверстиями, изменяющими свое сечение под действием избыточного давления потока всасываемого воздуха, винтообразные канавки на внутренней поверхности сопла в поперечном сечении имеют вид ласточкина хвоста, при этом фильтр выполнен в виде резонатора, а отражатель выполнен в виде биметаллического материала.A device for thermomechanical drilling of wells is known (see RF patent No. 2190077 IPC E21B 7/14, E21C 37/6. Published on September 27, 2002), including 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 flame jet burner with fuel, water, air supply lines, the latter through the heat exchanger and adsorber in communication with the compressor discharge pipe, and the compressor with a filter located at the inlet of its intake pipe, consisting of a housing the bottom of a conical shape, a steam trap-float and a reflector separating the internal cavity of the housing into chambers communicating respectively with the compressor suction pipe and a tapering nozzle, on the inner surface of which there are helical grooves located longitudinally from the inlet to the outlet ending in an annular groove with diametrically opposite opposed holes filled with plastic material with axisymmetric holes that change their cross section under the action of m excessive intake air flow pressure, the helical grooves on the inner surface of the nozzle have a cross-sectional view of a dovetail, wherein the filter is formed as a resonator and the reflector is configured as a bimetallic material.

Недостатком данного устройства является энергоемкость процесса бурения и продувки скважин, особенно в изменяющихся погодно-климатических условиях эксплуатации, обусловленная необходимостью сверхнормативного производства сжатого воздуха из-за поступления в компрессор всасываемого воздуха, загрязненного твердыми частицами пыли и каплеобразованной влаги, что приводит к необходимости последующей дополнительной продувки пневмосистемы. При этом закручивание воздуха во всасывающем патрубке фильтра компрессора сопутствует наличию температурного перехода, воздействующего на отражательную перегородку фильтра, и приводит к возникновению местного колебания и, соответственно, невозможности образования и поддержания во время эксплуатации эффективного резонансного наддува компрессора, когда воздействие переменной массы загрязнений, находящихся во всасываемом воздухе, и его температурных перепадов на отражательную перегородку приводит к возникновению местного ее колебания в виде волнообразных изгибов, как в поперечном, так и в продольном направлении, что в конечном итоге выводит систему всасывания атмосферного воздуха из резонансного состояния.The disadvantage of this device is the energy consumption of the process of drilling and purging wells, especially in changing weather and climatic conditions of operation, due to the need for excessive production of compressed air due to intake of compressor air contaminated with particulate dust and droplet moisture, which leads to the need for subsequent additional purging pneumatic systems. In this case, air swirling in the suction port of the compressor filter accompanies the presence of a temperature transition acting on the reflective baffle of the filter, and leads to local oscillations and, consequently, the formation and maintenance of an effective resonant compressor boost during operation, when the impact of a variable mass of contaminants in the intake air, and its temperature differences on the reflective partition, leads to its local fluctuations Nia as undulations, both in transverse and in longitudinal direction, which ultimately brings air intake system of the resonance state.

Известно устройство для термомеханического бурения скважин (см. патент РФ №2577559, опубл. 27.0.2016), включающее буровой орган в виде бурового става, на конце которого установлены породоразрушающие элементы и огнеструйная горелка с магистралями подачи топлива, воды, воздуха, последняя через теплообменник и адсорбер сообщена с нагнетательном патрубком компрессора, и компрессор с расположенным на входе его всасывающего патрубка фильтром, состоящим из корпуса с днищем конической формы, конденсатоотводчика-поплавка и отражателя, разделяющего внутреннюю полость корпуса на камеры, сообщающиеся соответственна с всасывающимся патрубком компрессора и суживающимся соплом, на внутренней поверхности которого выполнены винтообразные канавки, в своем поперечном сечении имеющие вид "ласточкин хвост" и продольно расположенные от входного к выходному отверстию, заканчивающемуся кольцевой канавкой с заполненными эластичным материалом с осесимметричными отверстиями, при этом фильтр выполнен в виде резонатора, а отражатель выполнен в виде биметаллического материала, кроме того магистраль подачи воды соединена с баком, корпус которого установлен вертикально и на наружную поверхность бака нанесен тонковолокнистый базальтовый материал, продольно расположенный в виде пучков по его высоте.A device for thermomechanical drilling of wells is known (see RF patent No. 2577559, publ. 27.0.2016), 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 through a heat exchanger and the adsorber is in communication with the discharge pipe of the compressor, and the compressor with a filter located at the inlet of its suction pipe, consisting of a housing with a conical bottom, a steam trap and a reflector separating the cavity of the housing into chambers communicating respectively with the suction pipe of the compressor and the tapering nozzle, on the inner surface of which there are helical grooves, in their cross section having the shape of a “dovetail” and longitudinally located from the inlet to the outlet ending in an annular groove filled with elastic material with axisymmetric holes, the filter is made in the form of a resonator, and the reflector is made in the form of a bimetallic material, in addition to the master s water supply is connected to the tank body of which is mounted vertically on the outer surface of the tank is applied basalt fine fiber material in the form of longitudinally extending beams along its height.

Недостатком является энергоемкость, возрастающая при длительной эксплуатации из-за забивания полостей в виде "ласточкина хвоста" винтообразных канавок, следствии медленно перемещающихся под действием центробежных сил закрученного потока мелкодисперсных, твердых и каплеобразных частиц, имеющих высокую концентрацию во всасываемом атмосферном воздухе. Это обусловлено спецификой термомеханического бурения скважин, загрязняющих пылегазовыми выбросами окружающую среду и приводящих к увеличению аэродинамического. сопротивления суживающегося сопла фильтра компрессора.The disadvantage is the energy intensity, which increases during long-term operation due to clogging of dovetail cavities in the form of helical grooves, due to the slowly moving centrifugal forces of a swirling stream of fine, solid and droplet-like particles having a high concentration in the intake air. This is due to the specifics of thermomechanical drilling of wells that pollute dust and gas emissions and lead to an increase in aerodynamic. resistance of the tapering nozzle of the compressor filter.

Технической задачей предлагаемого изобретения является поддержание нормированных энергозатрат при термомеханическом бурении скважин в течение длительной эксплуатации, путем обеспечения постоянства аэродинамического сопротивления суживающегося сопла фильтра компрессора, за счет устранения забивания полостей в виде ласточкиного хвоста винтообразных канавок при выполнении их кривизны по линии циклоида как брахистохрона, при этом начальная точка линии циклоида расположена у входного отверстия, а ниже лежащая точка расположена у выходного отверстия суживающегося сопла.The technical task of the invention is to maintain normalized energy consumption during thermomechanical drilling of wells during long-term operation, by ensuring the aerodynamic resistance of the narrowing nozzle of the compressor filter, by eliminating the clogging of cavities in the form of a dovetail of helical grooves while performing their curvature along the line of the cycloid like a brachistochron, while the starting point of the line of the cycloid is located at the inlet, and below the lying point is located at a tapered nozzle hole.

Технический, результат достигается тем, что устройство термомеханического бурения, скважин включает буровой орган в виде бурового става, на конце которого установлены породоразрушающие элементы и огнеструйная горелка с магистралями подачи топлива, воды, воздуха, последняя через теплообменник и адсорбер сообщена с нагнетательным патрубком компрессора, и компрессор с расположенным на входе его всасывающего патрубка фильтром, состоящим из корпуса с днищем конической формы, конденсатоотводчика-поплавка и отражателя, разделяющего внутреннюю полость корпуса на камеры, сообщающиеся соответственно с всасывающимся патрубком компрессора и суживающимся соплом, на внутренней поверхности которого выполнены винтообразные канавки, в своем поперечном сечении имеющие вид "ласточкин хвост" и продольно расположенные от входного к выходному отверстию, заканчивающемуся кольцевой канавкой с заполненными эластичным материалом с осесимметричными отверстиями, при этом фильтр выполнен в виде резонатора, а отражатель выполнен в виде биметаллического материала, кроме того магистраль подачи воды соединена с баком, корпус которого установлен вертикально и на наружную поверхность бака нанесен тонковолокнистый базальтовый материал, продольно расположенный в виде пучков по его высоте, при этом кривизна винтообразных канавок, расположенных на внутренней поверхности суживающегося сопла фильтра, выполнена по линии циклоида как брахистохрона, причем начальная точка линии циклоида, как брахистохрона расположена у входного отверстия, а ниже лежащая точка расположена у выходного отверстия суживающегося сопла.The technical result is achieved by the fact that the device for thermomechanical drilling of wells includes 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 being connected to the compressor discharge pipe through a heat exchanger and adsorber, and compressor with a filter located at the inlet of its suction pipe, consisting of a housing with a conical bottom, a steam trap and a reflector separating the inside the lower cavity of the housing to the chambers, respectively communicating with the suction pipe of the compressor and the tapering nozzle, on the inner surface of which there are screw-shaped grooves, in their cross section looking like a dovetail and longitudinally located from the inlet to the outlet ending in an annular groove filled with elastic material with axisymmetric holes, the filter is made in the form of a resonator, and the reflector is made in the form of a bimetallic material, in addition, the line the water supply is connected to the tank, the case of which is mounted vertically and on the outer surface of the tank is applied a thin-fiber basalt material longitudinally arranged in the form of beams along its height, while the curvature of the helical grooves located on the inner surface of the narrowing filter nozzle is made along the line of the cycloid as a brachistochron, moreover, the starting point of the line of the cycloid, like a brachistochron, is located at the inlet, and below it lies at the outlet of the tapering nozzle.

На фиг. 1 изображено устройство для термомеханического бурения скважин (общий вид), на фиг. 2 - разрез воздушного фильтра компрессора, на фиг. 3 - сечение по А-А (разрез по кольцевой канавке суживающегося сопла), на фиг. 4 - поперечное сечение в виде "ласточкина хвоста" винтообразной канавки, на фиг. 5 - винтообразная канавка, кривизна которой выполнена по линии циклоида как брахистохрона.In FIG. 1 shows a device for thermomechanical drilling of wells (general view), FIG. 2 is a sectional view of the compressor air filter; FIG. 3 is a section along AA (section along the annular groove of the tapering nozzle), in FIG. 4 is a dovetail cross-section of a helical groove; FIG. 5 - helical groove, the curvature of which is made along the line of the cycloid as a brachistochron.

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 всасывающего патрубка 11 с фильтром 12, размещенным на компрессоре 10, состоящим из корпуса с днищем конической формы 13 и суживающимся соплом 14, отражателя 15, выполненного из биметаллического материала и подвижно укрепленного посредством шарнира 16 к корпусу фильтра 12, конденсатоотводчика-поплавка 17, соединенного посредством тяги 18 и рычага 19 с отражателем 15, внутренних камер 20 и 21, сообщающихся соответственно со всасывающим патрубком 11 и суживающимся соплом 14, на внутренней поверхности которого выполнены продольные от входного 22 к выходному 23 отверстиям винтообразные канавки 24, в поперечном сечении выполненные в виде "ласточкина хвоста" и заканчивающиеся кольцевой канавкой 25, в которой расположены отверстия 26, заполненные эластичным материалом 27 с осесимметричными отверстиями 28. Магистраль 3 подачи воды соединена с баком 7, корпус 29 которого установлен вертикально, и на наружной поверхности 30 корпуса 29 бака 7 нанесен тонковолокнистый базальтовый материал 31, продольно расположенный в виде пучков 32 по его высоте.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. The air supply line 5 through the heat exchanger 6, located in the tank 7, and the adsorber 8, through the discharge pipe 9 from the compressor 10, connected by means of a suction pipe 11 with a filter 12 placed on the compressor 10, consisting of a housing with a conical bottom 13 and a tapering nozzle 14, a reflector 15 made of bimetallic material and movably fastened by means of a hinge 16 to the filter housing 12, a steam trap-float 17 connected by a rod 18 and a lever 19 to the reflector 15, inner chambers 20 and 21, communicating correspondingly with a suction pipe 11 and a tapering nozzle 14, on the inner surface of which there are screw-shaped grooves 24 longitudinal from the inlet 22 to the outlet 23, made in the form of a “dovetail” in cross section and ending with an annular groove 25 in which the openings 26 are located, filled with elastic material 27 with axisymmetric holes 28. The water supply line 3 is connected to the tank 7, the housing 29 of which is mounted vertically, and thinly applied on the outer surface 30 of the housing 29 of the tank 7 oloknisty basalt material 31 in the form of longitudinally extending beams 32 at its height.

Кривизна винтообразных канавок 24, расположенных на внутренней поверхности суживающегося сопла 14 фильтра 12, выполнена по линии 33 циклоида как брахистохрона. Начальная точка (А) линии 33 циклоида как брахистохрона расположена у входного 22, а ниже лежащая точка (В) линии 33, расположена у выходного 23 отверстия суживающегося сопла 14.The curvature of the helical grooves 24 located on the inner surface of the tapering nozzle 14 of the filter 12 is made along the line 33 of the cycloid as a brachistochron. The starting point (A) of line 33 of the cycloid as a brachistochron is located at the inlet 22, and lower lying point (B) of line 33 is located at the outlet 23 of the opening of the tapering nozzle 14.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

Специфика эксплуатации устройства для термомеханического бурения скважин заключается в том, что воздушная среда при производстве скважин интенсивно насыщается твердыми частицами технологических загрязнений, как в процессе бурения, так и последующей продувки скважин с высокой температурой транспортирующей парообразной массой. В результате этого, во всасывающий фильтр компрессора поступает смесь атмосферного воздуха с мелкодисперсными твердыми частицами и каплеобразной, а так же парообразной влагой. Мелкодисперсные твердые частицы технологических загрязнений процесса термомеханического бурения, и атмосферная пыль с каплеобразной влагой перемещаются по винтообразным канавкам 24 суживающегося сопла 14 фильтра 12 в процессе работы компрессора 10, коагулируют, укрупняются в полостях в виде "ласточкин хвост". В связи с тем, что перемещение загрязнений в винтообразных канавках 24 происходит под действием лишь центробежных сил закрученного потока, т.е. без ускорения силы тяжести, то при длительной эксплуатации наблюдается забивания с последующим закупориванием полостей в виде "ласточкин хвост". Это приводит не только снижению степени закрутки потока, т.к. внутренняя поверхность сужающегося сопла 12 становится практически "гладкой" т.е. без винтообразных направляющих для поступающего атмосферного всасываемого воздуха, но и способствует возрастанию аэродинамического сопротивления воздушного фильтра 12 из-за выпадающих из полостей в виде "ласточкин хвост" частиц загрязнений во внутреннем объеме. Как известно, это приводит к возрастанию мощности привода компрессора 10 на 20-25% (см., например, Кургавин В.М., Мезенцев А.П. Экономия тепловой и электрической энергии в поршневых компрессорах. - Л.: 1985 - 80 с), что способствует увеличению энергозатрат на процесс термомеханического бурения скважин.The specifics of the operation of the device for thermomechanical drilling of wells is that the air during the production of wells is intensively saturated with solid particles of technological contaminants, both during drilling and subsequent purging of wells with a high temperature transporting vaporous mass. As a result of this, a mixture of atmospheric air with fine particulate matter and droplet-like, as well as vaporous moisture enters the compressor suction filter. Fine particulate particles of technological contaminants of the thermomechanical drilling process, and atmospheric dust with droplet-like moisture move along the helical grooves 24 of the tapering nozzle 14 of the filter 12 during operation of the compressor 10, coagulate, coarsen in the form of a dovetail in cavities. Due to the fact that the movement of contaminants in the helical grooves 24 occurs under the action of only centrifugal forces of the swirling flow, i.e. without acceleration of gravity, clogging is observed with prolonged use, followed by clogging of the cavities in the form of a "dovetail". This leads not only to a decrease in the degree of swirling of the flow, because the inner surface of the tapering nozzle 12 becomes almost "smooth" i.e. without helical guides for the incoming atmospheric intake air, but also contributes to an increase in the aerodynamic resistance of the air filter 12 due to the particles of contaminants falling from the cavities in the form of a “dovetail” in the internal volume. As you know, this leads to an increase in the drive power of the compressor 10 by 20-25% (see, for example, Kurgavin V.M., Mezentsev A.P. Saving thermal and electric energy in reciprocating compressors. - L .: 1985 - 80 s ), which contributes to an increase in energy consumption for the thermomechanical well drilling process.

При выполнении винтообразных канавок 24, расположенных на внутренней поверхности суживающегося сопла 14 фильтра 12 с кривизной по линии циклоида как брахистохрона, твердые и каплеобразные частицы загрязнений перемещаются не только под действием центробежных сил закругленного потока но и со скорейшим спуском из начальной точки А входного 22 к ниже лежащей точке В у выходного 23 отверстия относительно центра кривизны (точка К) линии циклоида как брахистохрона (см., например, Некоторые замечательные кривые, стр. 802. М.Я. Выгодский Справочник по высшей математике. М.: Недра. 1965-872 с., ил.). В результате твердые частицы перемещаются от входного отверстия 22 (точка А) с ускорением в полостях в виде ласточкина хвоста, ударяется об укрупненные, за счет увлажнения твердые частицы, скапливающиеся перед выходным отверстием 23 (точка В) суживающегося сопла 14 и под действием энергии удара (см. например, Седов А.И. Механика сплошных сред. М.: Наука. 1990 - 303 с.; ил.), разрушаются образующиеся накопления. Все это способствует устранению закупоривания полостей в виде ласточкина хвоста винтообразных каналов 24 и как следствие устраняется возрастание аэродинамического сопротивления. Кроме того суммарная тепловая энергия удара и тепловая энергия скольжения способствует повышению температуры атмосферного воздуха перед выходным отверстием 23 на величину превышающего теплоту конденсации парообразной влаги, возникающей в соответствии с эффектом Джоуля-Томпсона, при внезапном расширении потока, выходящего из суживающегося сопла 14 (см., например, Нащокин В.В. Техническая термодинамика и теплопередача. М.: Высшая школа. 1980-469 с., ил.). Следовательно, не наблюдается дополнительного увлажнения твердых частиц с их последующим укрупнением, предотвращается образование закупоривания полостей в виде "ласточкин хвост" с последующим возрастанием аэродинамического сопротивления фильтра 12 и, как следствие, устраняются дополнительные энергозатраты на привод компрессора 10 и, соответственно, в целом на термомеханическое бурение скважин.When making helical grooves 24 located on the inner surface of the narrowing nozzle 14 of the filter 12 with a curvature along the line of the cycloid as a brachistochron, solid and droplet-like particles of contaminants move not only under the action of centrifugal forces of the rounded flow, but also with the fastest descent from the initial point A of the input 22 to lower lying point B at the outlet 23 of the hole relative to the center of curvature (point K) of the line of the cycloid as a brachistochron (see, for example, Some remarkable curves, p. 802. M.Ya. Vygodsky sew mathematics. M .: Nedra. 1965-872 s., il.). As a result, solid particles move from the inlet 22 (point A) with acceleration in the cavities in the form of a dovetail, hit large, due to moistening, solid particles that accumulate in front of the outlet 23 (point B) of the narrowing nozzle 14 and under the influence of impact energy ( see, for example, Sedov, A.I., Continuum Mechanics, Moscow: Nauka, 1990–303 p .; ill.), the accumulations accumulated are destroyed. All this helps to eliminate clogging of the cavities in the form of a dovetail of the spiral channels 24 and as a result, the increase in aerodynamic drag is eliminated. In addition, the total thermal energy of the impact and thermal energy of sliding contributes to an increase in the temperature of the atmospheric air in front of the outlet 23 by an amount exceeding the condensation heat of vaporous moisture, which occurs in accordance with the Joule-Thompson effect, with a sudden expansion of the flow exiting from the narrowing nozzle 14 (see, for example, Nashchokin V.V. Technical Thermodynamics and Heat Transfer. M.: Higher School. 1980-469 p., ill.). Therefore, there is no additional wetting of solid particles with their subsequent enlargement, the formation of clogging cavities in the form of a dovetail is prevented, followed by an increase in the aerodynamic resistance of the filter 12 and, as a result, additional energy consumption for the drive of the compressor 10 and, accordingly, for the whole thermomechanical drilling of the wells.

Наличие отрицательных температур наружного воздуха замерзания воды создает условия замерзания воды в баке 7, что препятствует поступлению ее в магистрали 3 подачи воды в буровой столб и далее к огнеструйной горелке 2, что усложняет удаление выбуренной массы из скважины: вплоть до забивания искомом, и соответственно создание аварийной Ситуации. Использование теплообменника 6 с источником энергии в виде теплоты сжатого в компрессоре 10 воздуха с расходом, необходимым для осуществления термомеханического бурения скважины, и количеством воды, находящимся в баке 7 при тепловых потерях через наружную поверхность 30 корпуса 29, недостаточно из-за существенной разности теплоемкостей воздуха (Ср=1,01кДж/кг°С) и воды (Ср=4,19 кДж/кг°С).The presence of negative outside temperatures of freezing water creates conditions for freezing water in the tank 7, which prevents it from entering the water supply line 3 into the drill string and then to the fire-jet burner 2, which complicates the removal of the drilled mass from the well: up to clogging, and, accordingly, creating emergency situations. The use of a heat exchanger 6 with an energy source in the form of the heat of compressed air in the compressor 10 with the flow rate necessary for thermomechanical drilling of the well and the amount of water in the tank 7 due to heat losses through the outer surface 30 of the housing 29 is insufficient due to the significant difference in the heat capacities of the air (Cp = 1.01 kJ / kg ° C) and water (Cp = 4.19 kJ / kg ° C).

Поэтому в теплообменнике 6 наряду с теплотой сжатого воздуха применяют нагреватели, преимущественно электронагреватели, с дополнительным потреблением энергии, что увеличивает энергоемкость термомеханического бурения скважин. Снижение непроизводственных энергозатрат, обусловленных потерями теплоты остывающей воды 7, обеспечивается покрытием наружной поверхности 30 тонковолокнистым базальтовым материалом 31, продольно расположенным по высоте корпуса 29 в виде пучков 32. По мере прохождения сжатого воздуха с температурой свыше 100°С по теплообменнику 6 вода, находящаяся в баке 7, нагревается в конвективном теплообменнике конвекцией в нагревательном слое с внутренней поверхностью корпуса 30 и теплопроводностью по его толщине и передает тепловую энергию от наружной поверхности 30 к тонковолокнистому базальтовому материалу 31. Выполнение тонковолокнистого базальтового материала 31 в виде пучков 32 приводит не только к устранению потери теплоты к воздуху окружающей среды от наружной поверхности вследствие теплозащитных свойств, но и к аккумулированию тепловой энергии, а предлагаемое продольное расположений пучков 32 по высоте корпуса 29 на наружной поверхности 30, способствует образованию перемещающегося снизу вверх температурного поля, и соответственно, процессу выравнивания температуры по объему воды в баке 7, который происходит существенно интенсивнее, чем отвод теплоты с наружной поверхности 30.Therefore, in the heat exchanger 6, along with the heat of compressed air, heaters are used, mainly electric heaters, with additional energy consumption, which increases the energy consumption of thermomechanical drilling. The reduction of non-production energy costs due to the heat loss of the cooling water 7 is ensured by coating the outer surface 30 with thin-fiber basalt material 31, longitudinally located along the height of the housing 29 in the form of bundles 32. As compressed air with a temperature of over 100 ° C passes through the heat exchanger 6, the water in the tank 7, is heated by convection in a convective heat exchanger in the heating layer with the inner surface of the housing 30 and thermal conductivity through its thickness and transfers thermal energy from the outer surface 30 to the fine fibrous basalt material 31. The implementation of the fine fibrous basalt material 31 in the form of beams 32 leads not only to eliminate the loss of heat to the ambient air from the outer surface due to heat-shielding properties, but also to the accumulation of thermal energy, and the proposed longitudinal arrangement of the beams 32 in height case 29 on the outer surface 30, contributes to the formation of a moving upward temperature field, and, accordingly, the process of equalizing the temperature in volume in water in the tank 7, which is much more intense than the removal of heat from the outer surface 30.

В результате для устранения процесса замерзания воды в баке 7 при отрицательных температурах окружающей среды достаточно теплоты сжатого воздуха и/или значительно меньше количество энергии для дополнительного нагревателя, что в целом снижает энергоемкость устройства для термомеханического бурения скважин.As a result, to eliminate the process of freezing water in the tank 7 at negative ambient temperatures, the heat of compressed air is sufficient and / or the amount of energy for the additional heater is much less, which generally reduces the energy consumption of the device for thermomechanical drilling of wells.

При термодинамическом разрушении горных пород и в процессе удаления выбуренной массы наблюдается интенсивное загрязнение атмосферного воздуха технологическими загрязнениями в виде твердых частиц и каплеобразной 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. Суживающееся сопло 14, 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 22, винтообразные канавки 24, выполненные в поперечном сечении в виде "ласточкина хвоста", где сталкиваются с другими частицами (твердыми и каплеобразными), укрупняются и становятся "ядрами конденсации " водяного пара.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 the 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 toward the suction filter 12. The converging nozzle 14, working by the principle of a funnel for a hemisphere of ambient air with a vapor-gas mixture saturated with solid particles, it absorbs this mass. As a result of a decrease in the orifice of the tapering nozzle 14 and an increase in the suction flow rate, the contaminants are pushed to the wall and fall into the longitudinal, starting from the inlet 22, helical grooves 24 made in the cross section in the form of a “dovetail”, where they collide with other particles (solid and drop-like), coarsen and become the "nuclei of condensation" of water vapor.

Необходимость применения винтообразных канавок 24, выполненных в поперечном сечении в виде "ласточкина хвоста", обусловлена тем, что в процессе термомеханического бурения и продувки скважин наблюдаются продольные и поперечные вибрации корпуса бурового става и соответственно элементов пневмосети в диапазоне от 1 до 30 Гц/см. Это приводит к постоянному витанию твердых и каплеобразных частиц в пограничном слое винтообразных канавок 24 с высокой вероятностью последующего, поступления их во внутреннюю камеру 20. Наличие же полости в виде "ласточкина хвоста" практически устраняет возможность выпадения твердых и каплеобразных частиц из винтообразных канавок 24 дополнительного нагревателя, что в целом снижает энергоемкость устройства для термомеханического бурения скважин.The need for the use of helical grooves 24, made in the cross section in the form of a dovetail, is due to the fact that in the process of thermomechanical drilling and purging of the wells, longitudinal and transverse vibrations of the body of the drill string and, accordingly, of the pneumatic network elements in the range from 1 to 30 Hz / cm are observed. This leads to a constant flow of solid and droplet-like particles in the boundary layer of the helical grooves 24 with a high probability of their subsequent entry into the inner chamber 20. The presence of a dovetail cavity practically eliminates the possibility of solid and droplet-like particles falling out of the helical grooves 24 of the additional heater , which generally reduces the energy intensity of the device for thermomechanical drilling.

Необходимость применения винтообразных канавок 24, выполненных в поперечном сечении в виде "ласточкина хвоста", обусловлена тем, что в процессе термомеханического бурения и продувки скважин наблюдаются продольные и поперечные вибрации корпуса бурового става и соответственно элементов пневмосети в диапазоне от 1 до 30 Гц/см. Это приводит к постоянному витанию твердых и каплеобразных частиц в пограничном слое винтообразных канавок 24 с высокой вероятностью последующего поступления их во внутреннюю камеру 20. Наличие же полости в виде "ласточкина хвоста" практически устраняет возможность выпадения твердых и каплеобразных частиц из винтообразных канавок 24 при вибрационном воздействии по мере движения их от входного 22 к выходному 23 отверстиям. В результате вся масса загрязнений направляется к кольцевой канавке 25. Закручивание в винтообразных канавках 24 более плотного 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.The need for the use of helical grooves 24, made in the cross section in the form of a dovetail, is due to the fact that in the process of thermomechanical drilling and purging of the wells, longitudinal and transverse vibrations of the body of the drill string and, accordingly, of the pneumatic network elements in the range from 1 to 30 Hz / cm are observed. This leads to a constant flow of solid and droplet-like particles in the boundary layer of the helical grooves 24 with a high probability of their subsequent entry into the inner chamber 20. The presence of a dovetail cavity practically eliminates the possibility of solid and droplet-like particles falling out of the helical grooves 24 under vibration exposure as they move from input 22 to output 23 holes. As a result, the entire mass of contaminants is directed to the annular groove 25. Twisting in a screw-shaped grooves 24 of a denser boundary layer intensifies the swirl of the entire intake air flow, ensuring its thermodynamic separation into “hot” - peripheral with excess pressure and “cold” - axial with reduced (relatively environmental pressure) pressure.

"Горячий" поток термодинамически расслоенного всасываемого воздуха в суживающемся сопле 14 концентрируется с избыточным давлением в пограничном слое продольных винтообразных канавок 24 и достигает кольцевой канавки 25, в которой расположены отверстия 26, заполненные эластичным материалом 27 с осесимметричными отверстиями 28. Упругость эластичного материала 27 выбрана таким образом, что "лишь под воздействием избыточного давления "горячего" потока термодинамически расслоенного всасываемого воздуха осесимметричные отверстия 28 открываются, соединяя отверстия 26 кольцевой канавки 25 с атмосферой. Тогда основная масса "горячего" потока, направляемая из пограничного слоя винтообразных канавок 24, выполненных в поперечном сечении в виде "ласточкина хвоста", в кольцевую канавку 25 с загрязнениями в виде твердых частиц и каплеобразной влаги выбрасывается через отверстия 26, открытые отверстия 28 (за счет выпуклости эластичного материала 27) в атмосферу, а "холодный" - осевой поток и часть "горячего" не успевшего выброситься в атмосферу потока поступает к выходному отверстию 23 суживающегося сопла 14.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 24 and reaches an annular groove 25, in which there are holes 26 filled with elastic material 27 with axisymmetric holes 28. The elasticity of the elastic material 27 is chosen the way that "only under the influence of the excess pressure of the" hot "flow of thermodynamically separated intake air, the axisymmetric openings 28 open, connecting the holes 26 of the annular groove 25 with the atmosphere. Then the bulk of the "hot" flow directed from the boundary layer of the helical grooves 24, made in cross section in the form of a dovetail, is ejected into the annular groove 25 with contaminants in the form of solid particles and droplet-like moisture through openings 26, open openings 28 (due to the convexity of elastic material 27) into the atmosphere, and “cold” - axial flow and part of the “hot” stream that has not had time to discharge into the atmosphere enters the outlet 23 of the tapering I 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 каплеобразной влагой) на входе в дозвуковое сопло (суживающееся сопло 14), выполняющее функцию вихревой трубы, тем ниже температура "холодного" потока. Поэтому сброс перед поступлением в компрессор 10 наряду с загрязнениями 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 impurities and atmospheric droplet-like moisture) at the inlet of a subsonic nozzle (narrowing nozzle 14), which acts as a vortex tube, the lower the temperature of the “cold” stream. Therefore, discharge before entering into the compressor 10 along with contaminants 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 purging wells.

На выходе из отверстия 23 суживающегося сопла 14 вращающийся охлажденный всасываемый воздух во внутренней камере 20 внезапно расширяется, дополнительно снижая свою температуру еще на 3-5 градусов и ударяется об отражатель 15. При наличии продольных и поперечных колебаний бурового става, сопутствующих термомеханическому бурению и расширению скважин, а также пульсирующему воздействию вращающегося потока, наблюдается вибрационное перемещение отражателя 15, подвижно укрепленного на шарнире 16. Кроме этого, твердые частицы загрязнений и каплеобразная влага, не попавшие в полости винтообразных канавок 24 и находящиеся во всасываемом воздухе внутренней камеры 20, ударяются об отражатель 15, отклоняя его в сторону внутренней камеры 21, объем которой является резонатором в корпусе фильтра 12. В результате работы устройства для термомеханического бурения скважин и процесса поступления всасываемого воздуха в компрессор 10 создаются резонансные колебания столба всасываемого воздуха внутренней камеры 21 фильтра 12 под действием возбудителей: уровни жидкости с конденсатоотводчиком-поплавком 17 и отражателя 15, взаимосвязанных между собой посредством тяги 18 и рычага 19, обеспечивающих суммарное действие как поперечных, так и продольных вибрационных перемещений.At the exit from the opening 23 of the tapering nozzle 14, the rotating cooled intake air in the inner chamber 20 suddenly expands, further reducing its temperature by another 3-5 degrees and hits the reflector 15. In the presence of longitudinal and transverse vibrations of the drill string, associated with thermomechanical drilling and expansion of wells as well as the pulsating effect of a rotating stream, there is a vibrational movement of the reflector 15, movably mounted on the hinge 16. In addition, solid particles of contaminants and droplets different moisture that did not get into the cavity of the helical grooves 24 and located in the intake air of the inner chamber 20, hit the reflector 15, deflecting it towards the inner chamber 21, the volume of which is the resonator in the filter housing 12. As a result of the operation of the device for thermomechanical drilling of wells and The process of intake air intake into the compressor 10 creates resonant oscillations of the intake air column of the inner chamber 21 of the filter 12 under the action of pathogens: liquid levels with a steam trap-float ohm 17 and reflector 15, interconnected by means of a rod 18 and a lever 19, providing a total effect of both transverse and longitudinal vibrational movements.

Поддержание режима резонанса в изменяющихся технологических и погодно-климатических условиях эксплуатации устройства для термомеханического бурения скважин обеспечивается тем, что, например, уменьшение массы твердых и каплеобразных частиц во внутренней камере 20 (по условиям работы заключающихся в отсутствии дождя, снега, воздействия ветра в сторону от фильтра и т.д.) снижает силу удара их об отражатель 15, и, соответственно, его отклонение во внутреннюю камеру 21 уменьшается, в то же время количество выпавших частиц в коническое днище 13 также уменьшается, в результате возрастают вибрации в поперечном направлении конденсатоотводчика-поплавка 17 (чем меньше масса конденсата в днище 13, тем интенсивнее колебания конденсатоотводчика-поплавка 17, и соответственно чем больше масса конденсата в днище 13 фильтра 12, тем с меньшей амплитудой колеблется конденсатоотводчик-поплавок 17), который через тягу 18 и рычаг 19 воздействует на отражатель 15, поддерживая столб всасываемого атмосферного воздуха во внутренней камере 21 в режиме резонанса с воздухом, поступающим в компрессор 10 по всасывающему патрубку 11.Maintaining the resonance mode in the changing technological and weather-climatic conditions of operation of the device for thermomechanical drilling of wells is ensured by the fact that, for example, a decrease in the mass of solid and droplet-like particles in the inner chamber 20 (according to the working conditions in the absence of rain, snow, wind from filter, etc.) reduces the force of their impact on the reflector 15, and, accordingly, its deviation into the inner chamber 21 decreases, at the same time, the number of particles deposited in the conical bottom 13 even decreases, as a result, vibrations in the transverse direction of the steam trap-float 17 increase (the smaller the mass of condensate in the bottom 13, the more intense the vibrations of the steam trap-float 17, and accordingly, the larger the mass of condensate in the bottom 13 of the filter 12, the lower the amplitude of the steam trap a float 17), which through the rod 18 and the lever 19 acts on the reflector 15, supporting the column of intake atmospheric air in the inner chamber 21 in resonance mode with the air entering the compressor 10 through the suction yuschemu conduit 11.

При увеличении массы твердых и жидких частиц во внутренней камере 20 по сравнению с отрегулированным значением резонансного явления возрастает сила их удара об отражатель 15 и соответственно его отклонение в направлении внутренней камеры 21 увеличивается, одновременно возрастает количество выпавших твердых частиц в коническом днище 13, конденсатоотводчик-поплавок 17 поднимается и через тягу 18 и рычаг 19 воздействует на отражатель 15, возвращая его в исходное положение (положение, обеспечивающее резонансные колебания столба всасываемого воздуха в компрессоре 10 воздушного фильтра 12). Ввиду того что термодинамически расслоенный на "горячий" и "холодный" вращающийся поток, выходящий из отверстия 23 суживающегося сопла 14, имеет различную температуру, распределяемую в виде концентрических окружностей по его сечению, то и на отражателе 15 при контакте с вращающимся потоком наблюдается распределение температур от более "холодной" в центре к более "горячей" по периферии. В результате различного температурного воздействия по поверхности отражателя 15 образуется волновое колебательное движение, выводящее систему из резонансного состояния. Для устранения данного явления выполняем отражатель 15 из биметаллического материала, наличие которого устраняет вибрационное образование волнообразных колебательных волн. В этом случае отражатель 15 вне зависимости от температурного воздействия работает как элемент, препятствующий образованию волнообразных колебательных волн, нарушающих резонансный наддув, в результате обеспечивается надежность максимального массового поступления всасываемого воздуха в компрессор.With an increase in the mass of solid and liquid particles in the inner chamber 20 compared to the adjusted value of the resonance phenomenon, the force of their impact on the reflector 15 increases and, accordingly, its deviation in the direction of the inner chamber 21 increases, while the number of precipitated solid particles in the conical bottom 13 increases, the steam trap 17 rises and through the rod 18 and the lever 19 acts on the reflector 15, returning it to its original position (a position that provides resonant vibrations of the column of the intake air spirit in the compressor 10 of the air filter 12). Due to the fact that the thermodynamically separated into a “hot” and “cold” rotating stream exiting from the opening 23 of the tapering nozzle 14 has a different temperature distributed in the form of concentric circles over its cross section, a temperature distribution is also observed on the reflector 15 in contact with the rotating stream from colder in the center to colder on the periphery. As a result of various temperature effects on the surface of the reflector 15, a wave oscillatory motion is generated, which removes the system from the resonant state. To eliminate this phenomenon, we carry out the reflector 15 from bimetallic material, the presence of which eliminates the vibrational formation of undulating vibrational waves. In this case, the reflector 15, regardless of the temperature effect, works as an element that prevents the formation of wave-like vibrational waves that violate the resonant pressurization, as a result, the reliability of the maximum mass intake of intake air to the compressor is ensured.

Оригинальность предлагаемого технического решения заключается в том, что поддержание нормированных энергозатрат при длительной эксплуатации устройства для термомеханического бурения скважин достигается выполнением кривизны винтообразных канавок по линии циклоида как брахистохрона на внутренней поверхности суживающегося сопла фильтра компрессора, причем начальная точка линии циклоида как брахистохрона размещена у входного отверстия, а ниже лежащая ее точка размещена у выходного отверстия суживающегося сопла из-за закупоривания полостей в виде ласточкина хвоста. Это устраняет возрастание аэродинамического сопротивления воздушного фильтра компрессора счет обеспечения скорейшего спуска загрязнений атмосферного всасываемого воздуха в полостях в виде ласточкина хвоста, следовательно не требуются дополнительные энергозатраты на привод компрессора, что и обеспечивает энергосберегающее термомеханическое бурение скважин.The originality of the proposed technical solution lies in the fact that the maintenance of normalized energy consumption during the long-term operation of the device for thermomechanical drilling is achieved by curving the helical grooves along the line of the cycloid as a brachistochron on the inner surface of the narrowing nozzle of the compressor filter, and the starting point of the line of the cycloid as a brachistochron is located at the inlet, and below its point is located at the outlet of the tapering nozzle due to clogging cavities in the form of a dovetail. This eliminates the increase in aerodynamic drag of the compressor air filter by ensuring the fastest possible descent of atmospheric intake air pollution in the dovetail cavities, therefore, additional energy consumption for the compressor drive is not required, which ensures energy-saving thermomechanical drilling.

Claims

The thermomechanical well drilling device includes 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 adsorber, and a compressor with a suction pipe located at the inlet a filter consisting of a body with a conical bottom, a steam trap-float and a reflector dividing the internal cavity of the body into cameras communicating respectively, with a compressor suction pipe and a tapering nozzle, on the inner surface of which there are screw-shaped grooves, in their cross section looking like a dovetail and longitudinally located from the inlet to the outlet ending in an annular groove with axisymmetric holes filled with elastic material, the filter is made in the form of a resonator, and the reflector is made in the form of a bimetallic material, in addition, the water supply line is connected to the tank, the housing of which is mounted vertically, and on the outer surface of the tank deposited fine fibrous basalt material, longitudinally arranged in the form of beams along its height, characterized in that the curvature of the helical grooves located on the inner surface of the narrowing nozzle of the filter is made along the line of the cycloid like brachistochrons, and the starting point of the line of cycloid as brachistochron placed at the inlet, and the underlying point of the line placed at the outlet of the tapering nozzle.