Устройство для термомеханического бурения скважин

Устройство для термомеханического бурения скважин

Реферат

Изобретение относится к горной промышленности и, в частности, к устройствам для бурения и расширения скважин в крепких породах.

Известно устройство для совмещенного механического бурения и термического расширения скважин (см. Великий М.И. и др. Техника бурения скважин комбинированными способами. М.: Недра, 1977, с.35-41), включающее: компрессор с всасывающим фильтром, водяной бак с расположенным в нем радиатором и электронагревателем, бак с топливом, буровой став с породоразрушающими элементами и огнеструйной горелкой, соединенной с магистралями подачи воздуха, топлива и воды.

Недостатком этого устройства является энергоемкость процесса бурения, обусловленная низким качеством сжатого воздуха, поступающего к огнеструйной горелке.

Известно устройство для термомеханического бурения скважин (см. а.с. СССР №1620579, МКИ Е 21 В 7/14, 1989), включающее буровой орган в виде бурового става с породоразрушающими элементами и огнеструйной горелкой, соединенной с магистралями подачи топлива, воды и воздуха, которая через теплообменник и адсорбер сообщена с нагнетательным патрубком компрессора, и компрессор с приводом и расположенным на входе его всасывающего патрубка фильтром.

Недостатком является энергоемкость процесса бурения, обусловленная повышенным расходом сжатого воздуха при генерации адсорбента и интенсивным его истиранием из-за пропускания через адсорбер всей массы воздуха, поступающего на продувку скважины, а также нерациональным расходом энергии в этот период на привод компрессора.

Технической задачей предлагаемого изобретения является снижение энергоемкости процесса бурения и продувки скважин за счет автоматизации получения сжатого воздуха заданных параметров и повышение эксплутационной надежности адсорбционной осушки путем регулирования скорости привода компрессора в условиях продувки скважин с контролем режима давления процесса регенерации адсорбента.

Технический результат по снижению энергоемкости процесса бурения скважин и повышению эксплутационной надежности адсорбционной осушки сжатого воздуха достигается тем, что устройство для термомеханического бурения скважин, включающее буровой орган в виде бурового става с породоразрушающими элементами и огнеструйной горелкой, соединенной с магистралями подачи топлива, воды и воздуха, которая через теплообменник и адсорбер сообщена с магистральным патрубком компрессора, и компрессор с приводом и расположенным на входе его всасывающего патрубка фильтром, привод компрессора снабжен регулятором скорости вращения в виде блока порошковых электромагнитных муфт и связан регулятором с выходным патрубком датчика давления воздуха, включающего блок сравнения с подключенным датчиком давления, установленным внутри адсорбера, блок задания и блок нелинейной обратной связи, при этом блок сравнения соединен с входом магнитного усилителя, кроме этого между магистралью подачи воздуха и нагнетательным патрубком компрессора параллельно адсорберу и теплообменнику установлен трубопровод с двумя регулирующими клапанами.

На чертеже дана принципиальная схема устройства для термомеханического бурения скважин.

Устройство включает буровой орган в виде бурового става 1, на конце которого установлены породоразрушающие элементы и огнеструйная горелка 2, к которой присоеденены магистраль 3 для подачи топлива, магистраль 4 для подачи воды, магистраль 5 для подачи воздуха через теплообменник 6 и адсорбер 7 по магистральному патрубку 8 от компрессора 9, связанного посредством всасывающего патрубка 10 с фильтром 11. Привод 12 компрессора 9 снабжен регулятором скорости вращения, например, в виде блока порошковых электромагнитных муфт 13. Внутри адсорбера 7 установлены датчик 14 давления, подключенный к регулятору давления 15, который содержит блок сравнения 16, к которому подключен блок задания 17. Выход блока сравнения 16 соединен с входом электронного усилителя 18, оборудованным блоком 19 нелинейной обратной связи, а выход электронного усилителя 18 соединен с входом магнитного усилителя 20 с выпрямителем на выходе, который подключен к порошковой электромагнитной муфте 13 привода 12 компрессора 9. Кроме этого параллельно теплообменнику 6 и адсорберу 7 между магистралью 5 для подачи сжатого воздуха и магистральным патрубком 8 установлен трубопровод 21 с регулирующими клапанами 22 и 23.

Устройство работает следующим образом.

При работе в режиме термомеханического бурения скважин атмосферный воздух с загрязнениями в виде технологических и атмосферных твердых и каплеобразных частиц, а также парообразной влаги, поступает в фильтр 11, где отражается и по всасывающему патрубку 10 направляется в компрессор 9 для получения сжатого воздуха заданного нормированного значения, при этом привод 12 компрессора 9 находится в режиме максимальной скорости вращения. Сжатый воздух по магистральному патрубку 8 поступает через открытый регулирующий клапан 23, выключенный теплообменник 6, адсорбер 7 (регулирующий клапан 22 закрыт и в трубопроводе 21 не наблюдается движения сжатого воздуха), где осушается, т.е. очищается от парообразной влаги и далее по магистрали 5 подачи воздуха направляется к огнеструйной горелке 2, куда также по магистрали 3 подается топливо, в результате осуществляется термодинамическое бурение скважин.

Процесс регенерации адсорбера 7 осуществляются при удалении выбуренной массы из скважин, когда не требуется осушка воздуха, являющегося окислителем при сгорании топлива в огнеструйной горелке 2. Для увеличения срока эксплуатации адсорбера путем снижения интенсивности истирания его зерен, что наблюдается при равнообъемном пропускании через адсорбер 7 как осушаемого, так и регенерируемого объема воздуха, процесс десорбции осуществляется 15-20% объемам регенерируемого воздуха от объема осушаемого воздуха. Это достигается снижением давления регенерации и повышением температуры воздуха, поступающего на регенерацию адсорбера по сравнению с температурой воздуха, поступающего на осушку (см., например, Серпионова В.И. Промышленная адсорбция газов и паров. М.: Высшая школа, 1969, 388 с. ил.). В этом случае с пульта управления автоматически или вручную осуществляют частичное открытие регулирующего клапана 22 и частичное закрытие регулирующего клапана 23, таким образом, чтобы через включенный теплообменник 6 и адсорбер 7 проходило около 17% воздуха, вырабатываемого компрессором 9 с давлением регенерации, которое значительно ниже давления сжатого воздуха, поступающего на осушку, а остаточная (около 83%) масса воздуха через частично открытый регулирующий клапан 22 по трубопроводу 21 поступает непосредственно в магистраль 5 подачи воздуха. Воздух после адсорбера 7, насыщенный влагой десорбции, также направляется в магистраль 5 подачи воздуха, откуда после смешивания с основным потоком воздуха, поступающим по трубопроводу 21, направляется в скважину для удаления выбуренной массы.

При термодинамическом разрушении горных пород процесс удаления выбуренной массы осуществляется парогазовым потоком, получаемым в результате совместной подачи к огнеструйной горелке 2 воды по магистрали 4 и воздуха по магистрали 5, при этом основной характеристикой парогазового потока является количественный параметр, получаемый суммированием количества воздуха, поступающего в скважину, и пара, получаемого при интенсивном испарении воды. В результате отсутствия необходимости одновременного поддержания нормированного высокого давления сжатого воздуха, обеспечивающего как эффективный процесс термомеханического бурения, так и процесс продувки скважин, а также достаточности более низкого давления для поддержания необходимого парогазовому потоку уровня давления для эффективного удаления выбуренной массы из скважины в процессе регенерации адсорбера 7, работа компрессора 9 не требует режима максимально допустимой скорости вращения его привода 12 (см., например, Дмитриев А.П., Гончаров С.А. Термическое и комбинированное разрушение горных пород. М.: Недра, 1978, 303 с. ил.). Это является основой для оптимизации скорости вращения привода 12 компрессора 9 с поддержанием нормированных параметров сжатого воздуха, подаваемого в режиме термомеханического бурения, и количества его в режиме удаления выбуренной массы из скважин.

В результате снижения давления в адсорбере 7 (осуществляется процесс продувки скважины), регистрируемого датчиком 14 давления, находящимся внутри адсорбера 7, сигнал его становится больше сигнала блока задания 17, и на выходе блока сравнения 16 появляется сигнал отрицательной полярности, который поступает на выход электронного усилителя 18. Сюда поступает и сигнал отрицательной обратной связи с блока 19 нелинейной обратной связи, который вычитается из сигнала блока сравнения 16. За счет этого в электронном усилителе 18 компенсируется нелинейность характеристики винтового компрессора ВК-11 (преимущественно используемого на станках термомеханического бурения, например СБТМ-20). Сигнал с выхода электронного усилителя 18 поступает на вход магнитного усилителя 20, где он усиливается по мощности, выпрямляется и поступает на обмотку порошковой электромагнитной муфты 13 компрессора 9. Отрицательная поверхность сигнала электронного усилителя 18 вызывает уменьшение тока возбудителя на выходе магнитного усилителя 20, тем самым уменьшается и передаваемый порошковой электромагнитной муфтой 13 момент от привода 12. При этом уменьшается частота вращения компрессора 9, пока не станет равной заданной, соответствующей необходимому количеству воздуха меньшего давления, соответствующего как проведению процесса регенерации адсорбера 7, так и удалению, совместно с парообразной влагой, выбуренной массы из скважины. Таким образом достигается как экономия энергии на привод компрессора при производстве сжатого воздуха для различных технологических процессов (термомеханическое бурение скважин и удаление внутренней массы), так и увеличивается эксплутационная надежность устройства осушки воздушного окислителя - адсорбера путем снижения интенсивности истирания зерен адсорбента при одинаковых объемах прохождения осушаемого и регенерируемого воздуха, а это в конечном итоге снижает энергоемкость термодинамического бурения скважин.

Оригинальность предлагаемого технологического решения по снижению энергоемкости термомеханического бурения скважин заключается в том, что осуществлен процесс контроля изменения давления в устройстве подготовки воздушного окислителя - адсорбере с последующей автоматизацией вращения привода компрессора в различных технологических режимах, при этом оптимизация условий производства сжатого воздуха как по нормированному давлению при бурении, так и по нормированному его количеству при удалении выбуренной массы поддерживается регулятором давления, имеющим схемно-конструктивное решение, включающее блоки сравнения, задания, нелинейной обратной связи, электронные и магнитные усилители.

Устройство для термомеханического бурения, включающее буровой орган в виде бурового става с породоразрушающими элементами и огнеструйной горелкой, соединенной с магистралями подачи топлива, воды и воздуха, которая через теплообменник и адсорбер сообщена с магистральным патрубком компрессора, и компрессор с приводом и расположенным на входе его всасывающего патрубка фильтром, отличающееся тем, что привод компрессора снабжен регулятором скорости вращения в виде блока порошковых электромагнитных муфт и связан с входом регулятора давления воздуха, включающего блок сравнения с подключенным датчиком давления, установленным внутри адсорбера, блок задания и блок нелинейной обратной связи, при этом блок сравнения соединен с входом электронного усилителя, а вход его соединен с входом магнитного усилителя, кроме того, между магистралью подачи воздуха и магистральным патрубком компрессора параллельно адсорберу и теплообменнику установлен трубопровод с двумя регулирующими клапанами.