АВТОНОМНЫЙ АППАРАТ ДЛЯ ПРОХОДКИ СКВАЖИН И ВЫРАБОТОК Российский патент 2002 года по МПК E21B7/14 

Изобретение относится к технологии проходки скважин и выработок различного назначения и касается конструкций автономных бурильных аппаратов для осуществления этой технологии.

В настоящее время известны принципиальные направления развития этих технических средств, наиболее представительным из которых и наиболее близким к изобретению является автономный бурильный аппарат для проходки скважин и выработок, содержащий корпус в виде удлиненного полого цилиндра, на одном торце которого закреплен породоразрушающий рабочий орган, расположенную в корпусе газообразующую камеру, размещенные на корпусе и ориентированные в противоположную от рабочего органа сторону сопла (а. с. СССР 522759, 03.06.1977).

Этот бурильный аппарат имеет существенные и очевидные недостатки, заключающиеся в его принципиальной конструктивной неразвитой схеме; в однотипности генератора рабочего агента с его неизменяемыми параметрами по физико-механическим и физико-химическим характеристикам рабочего агента и процесса воздействия на забой, что не позволяет оперативно менять приемы проходки в зависимости от условий в скважине. Это ведет к снижению производительности аппарата и существенно снижает эффективность процесса проходки скважины.

Технической задачей и результатом данного изобретения является повышение мобильности автономного бурильного аппарата и его универсальности за счет оснащения его узлами для возможности оперативного выбора приемов и параметров операций при проходке скважин с учетом постоянно меняющихся условий на забое и в полости проходимой скважины, что повышает общую технологическую культуру процесса.

Указанная техническая задача и результат достигаются в изобретении за счет того, что автономный аппарат для проходки скважин и выработок, содержащий корпус в виде удлиненного полого цилиндра, на одном торце которого закреплен породоразрушающий рабочий орган, расположенную в корпусе газообразующую камеру, размещенные на корпусе и ориентированные в противоположную от рабочего органа сопла, снабжен силовой установкой, выполненной из двух силовых узлов, один из которых является узлом преобразования энергии сжатого газа в два газовых потока с высокой и низкой по Цельсию температурой, а второй силовой узел предназначен для получения рабочего агента, направляемого в полость рабочего органа, и выполнен в виде нескольких заполненных топливными компонентами цилиндров с входящими в них поршнями, штоки которых связаны с дополнительным поршнем, над которым образована надпоршневая камера давления, которая в свою очередь сообщена с дополнительной камерой давления, заполненной сжатым газом под высоким давлением, при этом газообразующая камера связана соответственно с силовым узлом преобразования энергии сжатого газа в два газовых потока, с силовым узлом для получения рабочего агента и с дополнительной камерой давления, а силовой узел преобразования энергии сжатого газа в два газовых потока связан соответствующими магистралями для подачи потока газа, имеющего высокую по Цельсию температуру, с полостью рабочего органа и магистралями для подачи потока газа, имеющего низкую по Цельсию температуру, с системой охлаждения бурильного аппарата и с соплами, ориентированными в противоположную от рабочего органа сторону, которые закреплены на торце корпуса автономного аппарата.

При этом в автономном аппарате узел преобразования энергии сжатого газа в два газовых потока выполнен в виде полого конуса, имеющего волнистую винтообразную стенку с переменным шагом винта, у вершины полого конуса в его стенку по касательной врезана труба, соединенная с камерой давления газообразующей камеры, а основание и вершина конуса выполнены с отверстиями, связанными с соответствующими магистралями для отвода потоков газа с низкой и высокой температурой.

Описываемый автономный бурильный аппарат для проходки скважин и выработок раскрывается далее конструктивно на прилагаемых чертежах, где на фиг. 1 показан его общий вид с сечением по продольной оси; на фиг. 2 и фиг. 5 показаны узлы сечения по I-I на фиг. 1; на фиг. 4 - сечение по II-II на фиг. 1; на фиг. 5 приведена принципиальная блок-схема взаимодействия основных узлов автономного бурильного аппарата.

Автономный аппарат для проходки скважин и выработок содержит корпус 1 в виде удлиненного полого цилиндра, в котором размещена силовая установка, выполненная, согласно изобретению, из двух силовых узлов: узла 2 и узла 3. На одном торце корпуса аппарата закреплен породоразрушающий рабочий орган 4, а в противоположной тупиковой части корпуса размещена камера 5 с газообразующей смесью, вырабатывающей газ под высоким давлением. Рабочий орган 4 содержит сопла 6, ориентированные по нормали к забою, сопла 7, ориентированные под углами к поверхности забоя, и сопла 8, ориентированные в сторону, противоположную от забоя и предназначенные для создания восходящего потока бурового шлама, а также создания усилия подачи аппарата к забою при проходке скважины.

Силовой узел 2 является узлом преобразования энергии сжатого газа в два газовых потока, один из которых имеет высокую температуру (по Цельсию), а другой - низкую (по Цельсию). Для этого силовой узел выполнен в виде полого конуса 9, имеющего волнистую винтообразную стенку с переменным шагом винта стенки, увеличивающемся к его большему основанию. Вершина конуса имеет отверстие 10, а основание - отверстие 11, из которых отверстие 10 соединено с полостью конуса 9 перфорированной трубкой 12, по которой отводят поток газа с низкой температурой и подают его по магистрали 13-14 в систему охлаждения - в рубашку охлаждения 15; после выполнения функции охлаждения низкотемпературный газ, перегретый при омывании рабочего органа, подают на забой для совершения вторичной полезной работы - разрушения породы и создания восходящего потока бурового шлама. В варианте выполнения система охлаждения может быть выполнена из нескольких магистралей 14, проходящих вдоль стенок корпуса (фиг. 1, 2), верхней 16 и нижней частей рабочего органа 4.

Отверстие 11 переходит в магистраль 17-18 для отвода высокотемпературного газа из полости 9 в полость рабочего органа 4 для его первоначального разогрева, далее этот поток газа или самостоятельно участвует в процессе проходки скважины, или соединяется с объемом рабочего агента, вырабатываемого силовым узлом 3. В варианте выполнения магистрали 18 могут быть проложены непосредственно в корпусе аппарата (фиг. 2).

Часть потока газа с низкой температурой отводят из отверстия 10 по магистрали 19 для питания сопел 20, размещенных на верхнем, противоположном рабочему органу 4, торце корпуса аппарата (фиг. 1); потоки газа из этих сопел могут выполнять несколько полезных функций: создавать дополнительное усилие подачи аппарата к забою; производить расширение стенок скважины при малонасыщенных водой породах; осуществлять замораживание стенок при водонасыщенных породах; создавать дополнительное усилие восходящего потока бурового шлама.

Питание полости конуса 9 осуществляют сжатым газом по трубе 21, врезанной по касательной 22 в стенку в его верхней части и через регулируемый клапан 23, из которого часть газа поступает по патрубку 24 в полость 25 над поршнем 26, который с помощью штоков 27 соединен одновременно с несколькими поршнями 28 и 29, входящими в цилиндры 30 и 31 (фиг. 1, 2, 3), в полостях которых содержатся топливные компоненты: в полости цилиндра 30 - горючее, в полости цилиндра 31 - окислитель. Причем цилиндр 31 может быть выполнен или в виде кольцевого (фиг. 3), или из нескольких отдельных цилиндров (фиг. 2).

Подача топливных компонентов в полость рабочего органа 4 осуществляется через клапаны 32 и 33 (фиг. 1) и по трубке 34, по полости 35 в перфорированную трубку 36 и в полость рабочего органа 4.

Камера 5 имеет инициатор 37 для провоцирования начала газообразования с помощью блока 38, соединенного с ним электросвязью 39. Из этой камеры газ поступает в камеру давления 40 и через клапан 23 в камеру давления 41, из которой газ поступает в надпоршневую камеру давления 25 для передачи усилия на единый поршень 26.

Управление рабочими узлами аппарата осуществляется с помощью программированного блока 42 управления (фиг. 5), который размещают или в конструкции превентора, или в конструкции аппарата, в его верхней части (по фиг. 1); от блока 42 управляющий сигнал: или электросигнал, или акустический сигнал, подают только на клапан 23 и на блок 38, что при простоте управления обеспечивает автономную работу аппарата, причем при управлении акустическим сигналом акустические волны подают по полости проходимой скважины на блок 42, размещенный в верхней части корпуса аппарата.

Работа автономного бурильного аппарата, частично изложенная по ходу описания его конструкций, осуществляется следующим образом.

Аппарат размещают на забое, включают в работу камеру 5 за счет подачи управляющего сигнала от блока 42 на блок 38, приводящий в действие инициатор 37. Вырабатываемый газ из полости камеры давления 40 поступает через клапан 23 по трубе 21 в полость конуса 9, где, как выше указано, преобразуется в два потока газа: с высокой температурой и низкой температурой; оба потока газа используют для рабочего процесса и для охлаждения корпуса рабочего органа и аппарата; другая часть газа поступает в камеру 41 и надпоршневую камеру давления 25, организуя равномерную подачу всех поршней: 28 и 29 от единого поршня 26, что гарантирует строго дозированную подачу топливных компонентов в полость рабочего органа 4 для выработки рабочего агента и направления его через сопла 6, 7, 8 для процесса разрушения породы на забое, организации подачи аппарата к забою и выноса бурового шлама из полости скважины к ее устью. При этом сопла 20, как отмечено ранее, также выполняют работу в общем процессе проходки скважины. Причем автономность работы аппарата и высокий технический результат достигаются за счет сбалансированной работы всех узлов аппарата и четкого из взаимодействия в едином техническом процессе, определяющем высокий уровень технологической культуры при работе автономного бурильного аппарата.

Область использования изобретения: горная промышленность и строительная индустрия, в частности проходка скважин и выработок различного назначения: разведочных, промысловых, под опоры и т. п. Аппарат содержит удлиненный корпус с рабочим органом, размещенный в полости корпуса генератор рабочего агента и узел преобразования энергии сжатого газа в два газовых потока. Генератор рабочего агента снабжен двумя рабочими дополнительными камерами, одна из которых имеет взаимодействующие от одного управляющего приспособления поршневые группы, работающие на гармоничную и стабильную систему выработки и расхода рабочего агента, а камера, взаимодействующая с первой, выполнена в виде преобразователя энергии потока газа в два потока, различных по показателям температуры (по Цельсию). Преобразователь выполнен в виде полого конуса с волнистой винтообразной стенкой, имеющей переменный шаг винта, увеличивающийся к большему основанию конуса. Поверхность волнистых стенок выполнена по профилю, заданному кривой-лемнискатой, это позволяет разделять единый поток газа на поток с отрицательной и поток с положительной температурами и направлять их по прямому использованию: в генератор рабочего агента, в рубашку охлаждения и на забой, а также на процесс закрепления стенок скважины. Такое конструктивное выполнение аппарата позволяет существенно повысить его производительность и эффективность при проходке постоянно меняющихся по прочности пород, направлений проходки. 1 з. п. ф-лы, 5 ил.

1. Автономный аппарат для проходки скважин и выработок, содержащий корпус в виде удлиненного полого цилиндра, на одном торце которого закреплен породоразрушающий рабочий орган, расположенную в корпусе газообразующую камеру, размещенные на корпусе и ориентированные в противоположную от рабочего органа сторону сопла, отличающийся тем, что автономный аппарат снабжен силовой установкой, выполненной из двух силовых узлов, один из которых является узлом преобразования энергии сжатого газа в два газовых потока с высокой и низкой по Цельсию температурой, а второй силовой узел предназначен для получения рабочего агента, направляемого в полость рабочего органа, и выполнен в виде нескольких, заполненных топливными компонентами, цилиндров с входящими в них поршнями, штоки которых связаны с дополнительным поршнем, над которым образована надпоршневая камера давления, которая, в свою очередь, сообщена с дополнительной камерой давления, заполненной сжатым газом под высоким давлением, при этом газообразующая камера связана соответственно с силовым узлом преобразования энергии сжатого газа в два газовых потока, с силовым узлом для получения рабочего агента и с дополнительной камерой давления, а силовой узел преобразования энергии сжатого газа в два газовых потока связан соответствующими магистралями для подачи потока газа, имеющего высокую по Цельсию температуру, с полостью рабочего агента и магистралями для подачи потока газа, имеющего низкую по Цельсию температуру - с системой охлаждения аппарата и с соплами, ориентированными в противоположную от рабочего органа сторону, которые закреплены на торце корпуса автономного аппарата. 2. Автономный аппарат по п. 1, отличающийся тем, что узел преобразования энергии сжатого газа в два газовых потока выполнен в виде полого конуса, имеющего волнистую винтообразную стенку с переменным шагом винта, у вершины полого конуса в его стенку по касательной врезана труба, соединенная с камерой давления газообразующей камеры, а основание и вершина конуса выполнены с отверстиями, связанными с соответствующими магистралями для отвода потоков газа с низкой и высокой температурой.