Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

Анализ более отдаленных перспектив развития технологий буре­ния, связанных с переходом от механического к другим методам раз­рушения горных пород, которые могли бы способствовать существен­ному снижению стоимости бурения с увеличением глубины, показал, что с использованием стандартного оборудования и механических способов разрушения пород стоимость бурения скважин возрастет с 2,5 млн дол. США при глубине 3 км до 12,5 млн дол. при глубине 6 км. Это вызвано снижением механической скорости бурения на больших глубинах вследствие увеличения твердости пород, ускорени­ем износа бурового инструмента и увеличением затрат времени на спуско-подъемные операции. Необходимо перейти к другим способам разрушения, которые могли бы обеспечить более высокие механиче­ские скорости проходки при минимальном износе бурового инстру­мента. Предполагается, что для снижения стоимости бурения глубоких скважин наиболее перспективными могут быть следующие нетради­ционные способы разрушения горных пород: термические (термоди­намический — огневой, термостатический — плавлением горных по­род, термогазолазерный, термоэлектронно-лучевой, термоплазменный), гидромониторно-эрозионный, гидровакуумный — кавитационный и др. Научно-исследовательской лабораторией в Лос-Аламосе велись рабо­ты по исследованию технологии бурения геотермальных скважин более чем 80 новыми способами и инструментами, разрушающими породу за счет плавления и испарения, термического разрушения, химиче­ской реакции, гидродинамического воздействия и др. Работы по ис­следованию нетрадиционных методов разрушения горных пород для бурения скважин проводились в 60—70-х годах также в различных НИИ и производственных организациях бывшего СССР.

Термодинамическое разрушение пород происходит в результате дей­ствия мощного теплового потока на забой, вызывающего термические напряжения в породе, приводящие к образованию и развитию тре­щин с последующим отделением частиц породы от массива. Извест­ны два возможных варианта реализации этого способа:

— использование пламенно-реактивных горелок и газожидкост­ных рабочих агентов низкой плотности;

— применение забойных гидрореактивных горелок, работающих на газожидкостных горючих смесях высокой плотности.

Первый из способов уже более 35 лет применяют при бурении взрывных скважин на карьерах. В бывшем СССР этим способом прохо­дилось более 300 тыс. м скважин в год. Разрушение пород при этом способе бурения происходит в результате их нагрева посредством сжи­гания химического топлива (керосин, спирт, бензин, мазут, соляровое масло, природный газ) в среде окислителя (кислород, воздух) в реак­тивной горелке и воздействия на породу усилия газовой струи, выхо­дящей из сопла горелки со сверхзвуковой скоростью (800—2500 м/с),

что обеспечивает мгновенную передачу тепла породе. Термодинами­ческое разрушение пород осуществляется при помощи газовых горе­лок — термобуров, представляющих собой реактивную горелку с ка­мерой для сжигания горючего материала и с устройством для подвода горючего, окислителя и воды. Вода, подающаяся с целью охлаждения горелки, служит также и для выноса продуктов разрушения на повер­хность. Температура газов, получаемых в камере сгорания, может достигать 3200 °С при давлении до 2,0—4,0 МПа. В результате нагре­вания порода растрескивается, и происходит отслоение ее элементов: чешуек, пластинок и кусочков, размером до 1,5—2,2 см. Динамиче­ское воздействие струи газов способствует отделению частиц поро­ды, подхватываемых потоком газов и паров, движущихся вверх по стволу скважины. Разрушение пород в зависимости от их минерало­гического состава может происходить без плавления с незначительным изменением свойств и с плавлением и существенными видоизменени­ями состава.

Однако, чтобы этот способ стал пригодным для бурения глубоких скважин, предстоит еще немало работы. В ходе исследований пред­лагают:

— осуществлять подачу рабочих агентов (сжатый воздух, жидкое топливо и охлаждающую воду) в виде трехкомпонентной, трехфазной смеси с относительно низкой плотностью через двойную бурильную колонну;

— использовать забойный накопитель топлива для его периоди­ческой инъекции (в течение 5—10 % общего времени работы), с целью обеспечения более эффективного отделения топлива от воды;

— применять для обеспечения связи с забойным инструментом бронированный кабель, прикрепленный с помощью магнитов к не — вращающейся бурильной колонне;

— осуществлять систему контроля скорости подачи топлива и воз­духа, скорости проходки скважины, выносной способности водо-воз — душной смеси и расстояния между забоем скважины и буровым ин­струментом;

— обеспечить возможность диагностических измерений таких параметров, как температура пламени, давление в камере сгорания, давление в зоне разрушения породы, температура и скорость движе­ния газов, диаметр скважины и ее направление.

Термостатический способ разрушения пород. В основе технологии бурения скважин способом плавления лежат чисто физические процес­сы разрушения горных пород, связанные с изменением агрегатного состояния последних в результате интенсивного теплового воздейст­вия в зоне забоя скважины. Процесс бурения плавлением определя­ется в основном температурой и теплофизическими свойствами прохо­димых пород и мало зависит от их механических свойств. Последнее обстоятельство обусловливает универсальность рассматриваемого спо­соба бурения для большинства горных пород, представляющих собой обычно полиминеральные многокомпонентные системы, преимуществен­
но силикатного состава (75 % земной коры, по данным А. Е. Ферс­мана), температурный интервал плавления которых находится в пре­делах 1200—1700 °К при атмосферном давлении. Рассматриваемый спо­соб в отличие от механического бурения с увеличением глубины сква­жины и соответствующим ростом естественной температуры породы повышает свою эффективность. Этот способ бурения позволяет ре­шать задачу поддержания устойчивости и закрепления стенок сква­жины и керна непосредственно в процессе бурения путем создания за счет застывающего расплава прочного водонепроницаемого стекло­видного слоя. Так как при бурении плавлением отпадает необходи­мость во вращательном или колебательном движениях бурового ин­струмента, то существенно снижаются потери энергии при передаче ее к забою и появляется возможность точнее выдерживать заданное направление скважины. Благодаря специфическим особенностям тех­ника и технология бурения скважин плавлением дает принципиаль­ную возможность реализовать следующие потенциальные преимуще­ства.

1.

г

Беструбное бурение скважин с помощью полуавтономных буро­вых снарядов на грузонесущем кабеле или шлангокабеле позволяет исключить трудоемкие и длительные спуско-подъемные операции, устра­нить потребность в громоздких и тяжелых буровых вышках и мачтах, повысить до 90 % КПД передачи энергии с поверхности к забою сква­жины, улучшить важные экономические показатели бурения: трудо­затраты, металлоемкость, энергоемкость и др.,—а также успешно ре­шать задачи оптимизации и комплексной автоматизации как основных, так и вспомогательных процессов и операций, связанных с бурением скважины.

2. Одновременное с бурением закрепление стенок скважины в сла­босвязных и неустойчивых горных породах за счет создания прочного и непроницаемого остеклованного слоя позволяет упростить конструк­цию скважины, уменьшить расход обсадных труб и тампонажных ма­териалов, затраты времени и средств на трудоемкие и дорогостоящие работы.

3. Сохранение в процессе бурения (за остеклованным слоем) естественных фильтрационных свойств коллекторов позволяет по­высить качество опробования скважин и эффективность эксплуата­ции продуктивных горизонтов в сложных горно-геологических ус­ловиях.

4. Отсутствие в скважинах колонн обсадных труб позволяет по­высить результативность методов каротажа и скважинной геофи­зики.

Экспериментальные исследования по изучению и разработке тех­ники и технологии теплового способа бурения скважин плавлением горных пород с использованием расплавляющих забой электрических нагревательных устройств — пенетраторов впервые были начаты в Лос — Аламосской научной лаборатории Калифорнийского университета (США) в 1960—1962 гг. После перерыва работы в этом направлении вновь

возобновились в 1970 г. с целью изучения возможности бурения сква­жин плавлением горных пород с образованием керна. В 1975 г. ана­логичные исследования по созданию технических средств и техноло­гии бурения скважин плавлением в высокотемпературных скальных породах были начаты в Японии в Научно-исследовательском инсти­туте развития природных ресурсов и борьбы с загрязнениями окру­жающей среды.

В середине 70-х годов исследования и разработка технических средств и технологии бурения скважин плавлением горных пород на­чаты в лаборатории кафедры технологии и техники бурения скважин Ленинградского горного института. Первоначально экспериментальные исследования проводились применительно бурению скважин в мерз­лых осадочных породах, а в середине 80-х годов на специально разра­ботанном экспериментальном стенде проведены испытания первых макетов отечественных высокотемпературных пенетраторов на блоках разнообразных скальных и осадочных горных пород.

Все разрабатываемые в настоящее время электрические буровые снаряды — тепловые пенетраторы для бурения скважин плавлением как в крепких скальных породах, так и в рыхлых отложениях разде­ляют по способу удаления расплава из зоны забоя на два типа: уп­лотняющие пенетраторы и пенетраторы с удалением (полным или частичным) расплава из зоны забоя. Кроме того, пенетраторы подраз­деляют на устройства для бурения скважины сплошным забоем (бес — керновые) и кольцевые, для бурения скважин колонковым способом с образованием керна.

Были разработаны и испытаны три типа пенетраторов для буре­ния плавлением горных пород: уплотняющие пенетраторы, пенетра­торы с выдавливанием (выносом) расплава и кольцевые пенетраторы для получения керна горных пород (рис. 2.37).

Рис. 2.37. Типы пенетраторов для бурения скважин плавлением: а, б—для бурения сплошным и кольцевым забоем; в-— для бурения с отбором керна; / — высокотемпературный нагреватель; 2 —бурильные трубы; 5—керн; 4—остывшая порода, остеклованный слой; 5—расплав; 6 ~ остеклованные гранулы; 7—нерасплавленная порода

Рис. 2.38. Схема и общий вид уплотняющего пенетратора нагреватель

На рис. 2.38 показана схема действующего уплотняющего пенетра­тора. Конструктивные особенности и принципы работы его отдельных элементов заключаются в следующем. Снаряд опускается в скважину на колонне металлических труб 7, с помощью которых осуществля­ется подвод с поверхности электрической энергии, охлаждающей среды, а также передача осевого усилия для уплотнения расплава. В месте соединения металлической трубы с пенетратором имеются специаль­ные каналы 2 для охлаждения токоподводящего электрода 4 и выхода охлаждающей среды в кольцевой зазор скважины непосредственно над тепловым пенетратором. Цилиндрический элемент 3 является изо­лятором токоподводящего электрода, контактирующего с цилиндри­ческим нагревателем-излучателем 8, расположенным в канале 9. Корпус пенетратора 10 служит для контактной передачи нагревателем высо­котемпературной тепловой энергии непосредственно горной породе или ее расплаву с минимальным температурным градиентом вдоль вертикальной оси. Кроме того, через корпус передается усилие, уп­
лотняющее расплав на стенке скважины. В верхней части пенетратора расположен цилиндрический кристаллизатор-формователь 5, предна­значенный для охлаждения расплава и формирования из него при застывании на стенках скважины остеклованного слоя. Высокотемпе­ратурный корпус пенетратора изолируется от цилиндрического кри — сталлизатора-формователя с помощью прокладки 6, обеспечивающей резкое снижение температуры в осевом направлении при эффектив­ном отводе тепла в радиальном направлении. Нагревательное устрой­ство закрепляется в корпусе пенетратора с помощью специального экстрактора 7, позволяющего извлекать нагреватель в случае прихвата или прилипания пенетратора к расплавленным стенкам скважины (например, вследствие нарушения подачи электроэнергии). Получае­мый в процессе термокрекинга при высокой температуре в атмосфере пропана пиролитический графит обладает ярко выраженными анизо­тропными свойствами: на порядок и более различаются коэффициен­ты удельной электропроводности, теплопроводности в направлениях, параллельных и перпендикулярных ориентации кристаллов графита. В процессе предварительных испытаний нагревательного излучающе­го устройства было установлено, что оптимальным током его питания является постоянный, причем потенциал самого нагревателя по отно­шению к более холодному корпусу пенетратора должен быть положи­тельным. Питание осуществляется при низком напряжении (до 100 В), ток при этом составляет 100 А и более.

Анализ результатов обширных исследований по изучению процес­сов коррозии, растворения и химического взаимодействия между раз­личными жаропрочными материалами и расплавами разнообразных пород при высоких температурах позволил рекомендовать для изго­товления корпуса пенетратора молибден и некоторые его сплавы, а также специальные покрытия, увеличивающие сроки работы этих материалов в агрессивных средах.

Для бурения скважин в плотных породах разрабатываются экс­трузивные и комбинированные пенетраторы, предусматривающие не­прерывное удаление из зоны забоя расплава или его части через спе­циальное отверстие — сопло, расположенное по оси корпуса пенетра­тора в его торцевой части. Попадая после прохождения сопла в поток охлаждающей среды, расплав диспергируется и застывает в зависимо­сти от режима его охлаждения в виде остеклованных гранул, стерж­ней или минеральных волокон и выносится охлаждающим потоком. В процессе многочисленных экспериментов на образцах базальта, гранита, вулканического туфа и уплотненного аллювия были испыта­ны три типа пенетраторов с удалением расплава из зоны забоя, но­минальные диаметры которых составляли 84—89 мм. Они подтвердили свою работоспособность. При максимальной мощности 24 кВт ско­рость бурения плавлением превысила 1,0 м/ч. Для исследования воз­можности получения при бурении скважин плавлением керна, пригод­ного для изучения состава, структуры и физико-механических свойств геологических образований, были разработаны специальные пенетра-

торы кольцевой и тороидальной форм, отличаю­щиеся сравнительно большим центральным отвер­стием (рис. 2.39). Одной из таких конструкций является опытный образец уплотняющего пенетра — тора кольцевого типа с наружным диаметром 114 мм и мощностью до 13 кВт, с помощью которого при плавлении образцов туфа, аллювиальных грунтов и сланцевых пород был получен керн диаметром 64 мм. Несмотря на то что поверхностный слой выплавленного керна был расплавлен, а следую­щий за ним слой получил термическую закалку, большая часть кернового материала сохранила пер­воначальный состав и структуру. Рис- 2-39- Кольцевой

пенетратор

Экспериментальные исследования с уплотняю­щими пенетраторами на образцах туфа и пористо­го аллювия показали возможность образования при застывании рас­плава на стенках скважин плотного остеклованного слоя. Это дости­галось тем, что вслед за плавящим высокотемпературным корпусом пенетратора располагались охлаждаемые газом графитовые секции кристаллизатора-формователя. Выбор графита объяснялся его хорошей теплопроводностью, достаточной прочностью при высоких темпера­турах и минимальным прилипанием к его поверхности кристаллизи­рующегося при охлаждении расплава. Создаваемый уплотняющими пенетраторами утолщенный слой расплава включал в себя сравни­тельно большие обломки кварца и некоторых других тугоплавких ми­нералов, которые при формировании остеклованной оболочки плотно цементировались, не нарушая ее целостности. С увеличением осевого усилия и соответствующего ему давления в расплавленном слое ка­чество застывающего расплава на стенках скважины заметно улучша­лось за счет существенного уменьшения газовых включений, раковин и трещин. При использовании пенетраторов с удалением расплава из зоны забоя качество остеклованных покрытий на стенках скважины также заметно улучшилось, так как расплав в тонком слое оказывался более однородным, его охлаждение и застывание происходило более равномерно, с образованием в оболочке плотного и прочного мате­риала.

Санкт-Петербургским государственным горным институтом было предложено использовать в качестве корпуса пенетратора новый жаро­прочный композиционный материал на основе углерода и кремния, ставший доступным благодаря конверсии российской военной про­мышленности. Этот материал отличается высокой стойкостью против окисления и не требует применения инертного газа при работе вы­сокотемпературного пенетратора уплотняющего типа. Предложено, кроме того, для крепления и изоляции отдельных интервалов глубо­ких скважин использовать тампонирующие пенетраторы вытяжного типа из нового материала в сочетании со стеклообразующей шихтой (песок поташ, сода).

Преимущества нового композиционного жаропрочного материала дают возможность создания высокотемпературного генератора тепло­ты для комбинированного теплового и гидродинамического воздей­ствия на изолированную пакерами зону продуктивного пласта вплоть до его гидроразрыва для повышения дебита эксплуатационных сква­жин. При этом отпадает необходимость в применении колонны труб и мощных насосов, поскольку тепловой генератор с пакерами может опускаться в скважину на грузонесущем электрокабеле. Есть резервы упрощения конструкции и технологии изготовления высокотемпера­турных пенетраторов и теплогенераторов за счет повышения электро­сопротивления композиционного жаропрочного материала.

Рис. 2.40. Газолазер­ный бур:

Электроимпульсное бурение. Перспективным направлением исполь­зования электроимпульсного способа бурения является использова­ние его при сооружении сверхглубоких и глубинных (до 50 км) сква­жин. В подтверждение этому доказана возможность передачи импульсов напряжения на такие глубины, опробованы погружные источники импульсного на­пряжения, доказана возможность разрушения пород при высоких гидростатических давлениях (исследо­вано до 15 МПа) и температурах (исследовано до 150 °С).

/ — рубиновый кристалл; 2 — расширитель; 3 — линза; 4 — электриче­ские кабели; 5—каналы для подачи промывоч­ной жидкости; 6— от­ражающая поверхность; 7— когерентный свето­вой луч

Бурение пород с применением лучевой энергии. Из­вестен способ разрушения пород с помощью оп­тических квантовых генераторов (лазеров), кото­рые в отличие от других источников света излуча­ют электромагнитные волны определенной длины с очень слабо расходящимся пучком. С помощью лазеров можно достигнуть концентрации мощности до 1,55- 1012 Вт/см2, что дает возможность не толь­ко термически разрушать породы, но и расплавлять или испарять их. Для возбуждения лазеров на ру­биновых кристаллах используют импульсные газо­разрядные лампы. Коэффициент полезного действия таких лазеров относительно невысок. В настоящее время разрушение пород с помощью квантовых генераторов еще не вышло из стадии лаборатор­ных исследований. В лазерном буре, схема которо­го приведена на рис. 2.40, использована смесь азо­та, углекислого газа и гелия. Длина разрядной труб­ки 1118 мм, длина волны 10,6 мкм, диаметр пуч­ка 44,5 мм, концентрация энергии 3,04 • 108 Вт/см2. Испытания проведены на гранитах, гнейсах, мра­море и сланцах.

Способ разрушения пород электронно-лучевыми буровыми снарядами (рис. 2.41) следующий. Электронные лучи в этих снарядах образуются посредством ускорения движения электронов между катодом и анодом при напряжениях от 5 до 150 кВ. Электроны, эмиссированные с катода,
фокусируются на забое при помощи смещающего напряжения, а также электростатических и элект­ромагнитных линз. Электронно-лучевой способ разрушения пород является более перспективным, чем лазерный, по следующим причинам:

—

Рис. 2.41. Электронно­лучевой бур: / — электрические кабели; 2 —анод; 3 — вакуум; 4 — преломляющая катушка; 5— сальниковое уплотнение; 6 — канал для подачи про­мывочной жидкости; 7—ка­тод; фокусная решетка; 9— фокусная линза; 10— расширитель; 11 — элект­ронный луч

позволяет получить более высокую плот­ность энергии до 5 • 109—5 • 10’° Вт/см2 и, следо­вательно, температурные градиенты, необходи­мые для эффективной концентрации температур­ных полей и решающих напряжений;

— может быть осуществлен малогабаритны­ми устройствами непрерывного или импульсного действия, питаемыми от сети стандартного на­пряжения (380 В);

— электронно-лучевые устройства не требу­ют обязательного механического перемещения по забою, легко управляемы, могут быть автомати­зированы и поставлены на дистанционное про­граммное управление;

— устройства имеют весьма высокий КПД, что позволяет снизить энергоемкость разрушения (по предварительным результатам) в 12 раз по сравнению с другими термическими методами;

— нагревание пород несфокусированным лу­чом снижает их сопротивляемость в 40—500 раз;

— длина свободного пробега электронов для большинства пород составляет 7—10 мм; это оз­начает, что за доли секунды можно разрушить слой породы такой толщины;

— применение электронно-лучевых устройств связано с неболь­шими потерями энергии (10 %), в то время как при огнеструйном бу­рении с отраженными газами теряется до 90 % энергии.

Фирмой «>Уе81егп11аи8е» разработано и испытано устройство «элект­ронный луч» для резания пород и бетона. Электронный луч образу­ется в закрытом пространстве и представляет собой поток электронов в электрическом поле напряжением 150 кВ. Мощность устройства со­ставляет 9—12 кВт, однако фирма работает над созданием устройства мощностью 100 кВт. В качестве источника энергии применен гене­ратор, работающий при напряжении 220 В. Суммарная масса источ­ника энергии и самого устройства не превышает 135 кг. Поток элект­ронов проходит через серию устройств и выходит в атмосферу в виде электронного луча. Его фокусировка на породе осуществляется с по­мощью магнитной линзы, а прямолинейность обеспечивается магнит­ной отклоняющей системой. На вход луча (цилиндрическое отвер­стие диаметром 1,5 мм) подается струя газа, предохраняющая ус­тройство от попадания в него расплавленного металла и удаляющая последний из зоны плавления. Устройство способно разрушать лю­
бую породу на расстоянии до 75 мм. При разрушении гранитов, известняков, песча­ников и других пород с похожими свойст­вами скорость резания изменялась от 25 до 800 мм/мин.

Рис. 2.42. Схема генератора плазмы; 7 —кольцевой катод; 2—кор­пус; 3 — подвод охлаждающего агента; 4 — анод; 5—источник постоянного напряжения

Электронно-лучевой способ разрушения пород имеет определенные недостатки: боль­шие габариты и высокую стоимость устройств, генерирующих электронные лучи; лучевая энер­гия не передается по волноводу, что требует размещения генератора непосредственно в за­бойной зоне.

Плазменное бурение. Нагрев пород с помо­щью плазменных генераторов является более эффективным средством получения высокой концентрации энергии в единице объема поро­ды. Плазма (смесь электронов, положительных ионов и возбужденных атомов, образованных в газе под воздействием электрического поля) возникает в плазменных генераторах — плаз­мотронах (рис. 2.42) при прохождении элект­рического тока через газы: воздух, кислород, водород, аргон, гелий, неон, водяной пар, метан, пропан и др. Температура нагрева газов может достигать 5,5—7,0 тыс. град. Однако для бурения используют температуру 2—2,5 тыс. град., так как при более высокой возрастают потери энергии на излучение ультрафиолетовой части спектра, что заметно снижает КПД устройства. Известные плазменные генераторы состоят из двух коаксиально расположенных металлических цилинд­ров, являющихся электродами (рис. 2.43).

Для создания вихревого потока, стабилизирующего дугу, в плаз­мотронах предусмотрены каналы для подачи газа или завихрителя с тангенциально расположенными по окружности отверстиями. Та­кие устройства называют плазмотронами с газовихревой стабилиза­цией дуги. Существуют также плазмотроны с электромагнитной и ком­бинированной стабилизацией дуги. При газовихревой стабилизации

Рис. 2.43. Плазмотрон: / — катод; 2—изолятор с тангенциальными отверстиями; 5—анод; 4 — дуга; 5— сопло; <5—охлаж­дающие каналы

дуги поток газа при входе в камеру завихряется, увлекая за собой дугу, располагающуюся по оси зоны наименьшего давления на гео­метрической оси вихря. Это стабилизирует дугу и способствует пере­мещению опорных пятен по поверхностям электродов, что в значи­тельной мере предохраняет последние от расплавления и уменьшает их эрозию. Основной технической характеристикой плазмотрона, оп­ределяющей его работоспособность, является ресурс работы электро­дов, зависящий от величины тока, охлаждения, перемещения дуги и материала электродов. Например, у плазмотрона с параметрами пи­тания 800 В, 200—250 А, мощностью 160 кВт срок службы цирко­ниевой вставки равен 2 ч, а при силе тока 100—150 А — 30 ч, однако мощность снаряда при этом уменьшается до 90 кВт. Плазмотрон обычно получает питание от источника постоянного тока, причем внутренний электрод служит катодом, а выходной — анодом. Поджи­гается дуга высокочастотными искровыми разрядами от высоковален­тного осциллятора, после чего последний отключается. Мощность на­грева и температура газовой струи плазмотрона регулируются путем изменения величины силы тока и количества подаваемого газа.

Рис. 2.44. Плазмовый породоразрушающий инструмент:

С помощью плазмобуров (рис. 2.44) различными исследователями и организациями пробурено несколько десятков скважин и шпуров. Так, ИГТМ АН бывшей УССР была создана плазмобуровая установка на постоянном токе со следующей технической характеристикой: напряжение дуги 300—400 В, сила тока дуги 100—180 А, мощность 30—65 кВт, наружный диа­метр снаряда 37 мм, расход воздуха 5—10 г/с, расход воды — 180 л/ч.

Во ВНИИЦветметом на базе станка БУ-70А создан плазмобур диаметром 60 мм для буре­ния скважин на глубину 50 м. Электрическая мощность плазмотрона составляет 150 кВт, расход рабочего газа (воздуха) 40—50 г/с, рас­ход охлаждающей воды 3 м3/ч. Испытания плаз­мобура, проведенные на Андреевском карьере Лениногорского полиметаллического комбина­та, показали, что средняя скорость бурения мик­рокварцитов (/ = 18—20, по М. М. Протодья — конову) при мощности горелки 110—120 кВт составила 10 м/ч.

1 — газ (гелий или аргон); 2— промывочная жидкость; 3 — расширитель; 4 — плазма (10 000—30 000°); 5—электри­ческий кабель (постоянный ток); 6— электрическая дуга

Казахским политехническим институтом раз­работан плазмобур диаметром 40 мм. При наи­большей плотности теплового потока им до­стигнута скорость бурения по роговикам гема- тито-магнетитовым — 27 м/ч.

В институте Гипроникель создано устрой­ство, в котором имеется плазмобур с вращаю­щейся при использовании энергией промывоч-

ной жидкости головкой, в результате чего происходит равномерное перемещение факела на забое без вращения колонны и наблюдается равномерный износ электродов за счет вращения анода.

TOC o "1-5" h z Аналогичные работы проводились и за рубежом. В США фирмой «Gulf Research and Development» запатентован способ и устройство плазменного бурения. Спуск снаряда в скважину осуществляется с по — |

мощью полого кабеля, а вращение — посредством встроенного элект — i

родвигателя. При этом реакция момента вращения передается на стен — *

ки скважины через стабилизирующее подпружиненное устройство.

Газ, флюс и охлаждающие агенты подаются через полость кабельного шланга. Плазма направляется под углом к забою и разрушает породы путем плавления и испарения. Сжатый воздух очищает забой от за­твердевших частиц породы, вынося их на поверхность.

Достоинства плазменного бурения:

— возможно регулирование режима работы снаряда за счет изме­нения характеристики факела, что позволяет подобрать оптимальный режим разрушения для большинства пород;

— эффект плазменного бурения может быть существенно увели­чен за счет повышения давления газа в дуговой камере и изменения площади нагрева;

— отсутствует специальная система зажигания;

— управление процессом бурения легко автоматизируется;

— нет необходимости подачи горючего на забой скважины;

— выделение вредных для здоровья веществ незначительно;

— возможно беструбное бурение.

Недостатки этого метода бурения: ухудшение выноса разрушен­ных частиц породы вследствие уменьшения объема газовой струи, значительный износ электродов, необходимость подачи под давлени­ем рабочего газа или пара, а также воды для охлаждения.

2 Рис. 2.45. Распре­деление вакуумных «зарядов» на забое в соответствии с па­тентом фирмы «Chevron Research»

Кавитационный способ бурения. Достаточно интересной представ­ляется возможность использования для разрушения горных пород за­боя скважины гидродинамического давления жидкости, заполняющей скважину. Этот способ, предложенный A. JT. Островским и Е. Б. Ко­ганом, заключается в том, что в скважину посылаются специальные герметические оболочки, из которых предварительно до определенного вакуума удален воздух. При разрушении такой оболочки в результа­те удара о забой происходит интенсивное смыка­ние (захлопывание) вакуумной полости, находящей­ся в контакте с горной породой. Жидкость, окру­жающая вакуумную полость, приобретает большую скорость, и порода разрушается сообщаемыми ей им­пульсами весьма высоких давлений.

Американская фирма «Chevron Research» полу­чила патент на кавитационный способ бурения с распределением вакуумных «зарядов» на забое, показанном на рис. 2.45 (пат. США № 3231030, класс 175-65). В этой разработке разрушение оболочки

вакуумного «заряда» 1 происходит в результате действия на нее до­лота 2 при достижении зарядом забоя скважины 3.

Низкая выходная мощность сдерживает применение кавитацион­ного способа бурения. Например, при закачивании 1000 капсул в час в скважину глубиной 3050 м, заполненную водой, выходная мощ­ность составляет 4,5 кВт. Кроме того, серьезным препятствием для широкого применения этого способа бурения является высокая стои­мость капсул.

Подземный реактивный снаряд. Недра нашей планеты представля­ют в настоящее время большую загадку, чем бездонные глубины кос­моса, причем для освоения недр, так же как и для освоения космоса, потребуются специальные корабли-подземоходы сначала автоматиче­ские, а затем с человеком на борту.

Конструирование подземоходов намного сложнее, чем межпланет­ных ракет. На первое время предполагается создать небольшие аппа­раты, которые доставят информацию с глубин. Появляется множество самых разнообразных проектов освоения глубин земных недр. Один из перспективных способов проникновения в глубь нашей планеты предложен в виде реактивного бурового снаряда советским инжене­ром М. И. Циферовым. В головной части обычного реактивного сна­ряда находится рабочий орган — система сопел, через которые с ог­ромной скоростью вырывается раскаленный газ. Сопла имеют раз­личное назначение: одни, расположенные против хода снаряда, струей газа разрушают породу, другие служат для удержания снаряда в забое и продвижения его вглубь.

Испытания первых снарядов, работавших на твердом (пороховом) топливе, показали, что в рыхлых породах скорость бурения достигает

1 м/с. Очистка забоя от разрушенной породы и вынос ее на повер­хность осуществляются потоком газа со скоростью 20—50 м/с. Таким образом, для того чтобы пробурить колодец диаметром 1 м и глуби­ной 20 м, реактивному снаряду требуется всего 20—22 с.

Изобретение М. И. Циферова позволяет бурить скважины раз­личного диаметра (от 100 до 2000 мм и более). Глубина выработки в основном зависит от запаса топлива и мощности, развиваемой ре­активным двигателем. Так, например, по его расчетам при весе твер­дого топлива 5 т снаряд будет работать 250 с и пройдет в слабо сцементированных породах на глубину 150—200 м.

По сложности конструкции подземные ракетные снаряды М. И. Ци­ферова можно разделить на три группы:

1. Твердотопливные, имеющие простейшую конструкцию, где нет ни одной движущейся или трущейся детали. Ракета состоит из до­статочно прочной трубы, рабочего органа (конуса с ввинчивающими­ся в него соплами), задней крышки и топливного отсека с электро- запальным устройством (рис. 2.46).

2. Пневматические реактивные снаряды, работающие на сжатом или сжиженном газе. Кроме перечисленных в первой группе деталей, они имеют редуктор, служащий для дозировки подачи газа в рабочий

орган, клапан мгновенного открытия и баллон с запасом газа.

3.

Рис. 2.46. Буровой реактивный снаряд М. И. Циферова: / — топливный отсек; 2 — конус с системой сопел

Ракетные снаряды на жидком топливе (го­рючее с окислителем) по своей конструкции на­поминают жидкостные ракеты типа «земля — воздух», но значительно более упрощенные и удешевленные.

Для сверхглубокого бурения М. И. Циферо — вым проектируется управляемая ракета много­кратного использования, которая будет запускать­ся со специальной платформы, оборудованной направляющими стапелями, приборами слежения, топливопроводом, системой перехвата возвраща­ющейся с забоя ракеты и другим оборудованием. Принцип возвращения ракеты на поверхность предельно прост. После отработки основного за­паса топлива автоматически выключаются дюзы удерживания ракеты на забое, и она поднимает­ся на устье скважины под действием реактивной тяги буровых сопел. На поверхности ракета пе­рехватывается, а затем после очередной заправки горючим снова на­правляется в забой.

Автономность ракетного бура дает ему некоторые преимущества перед традиционным буровым оборудованием. Известно, что при со­оружении глубоких скважин вес буровой установки достигает сотен тонн (400—500 т). В ракетном способе бурения в отличие от механи­ческого (традиционного) энергия к породоразрушающему инструмен­ту подается не с поверхности, а вырабатывается на борту снаряда, что позволяет в сотни раз снизить металлоемкость и вес буровой установ­ки. Скорость сооружения скважин независимо от их глубины — одно из основных преимуществ нового метода.

Термоплавильный метод бурения скважин. Учитывая богатейший опыт Государственного конструкторского бюро «Южное» в создании ракетной техники и Национальной горной академии Украины в об­ласти бурения, был предложен принципиально новый универсальный метод бурения плавлением горных пород с применением термопла­вильных камер (ТПК) новой конструкции. ТПК основан на принци­пе работы камер сгорания жидкостных ракетных двигателей с макси­мальными энергетическими возможностями: полнота сгорания, вы­сокие давления, эффективное охлаждение, отработанные технологии изготовления, управление процессами горения, запуска и остановки.

При проведении испытаний с применением разработанных ТПК и экспериментальной стендовой энергетической установки механиче­ская скорость бурения скважин составила в блоках гранита до 16,7 м/ч, бетона до 11,6 м/ч, огнеупорного кирпича до 4,1 м/ч.

Ультразвуковое бурение. Ультразвуковые колебания (с частотой бо­лее 20 кГц) обычно получают при помощи магнитострикционного

излучателя (рис. 2.47), который состоит из плас­тинчатого никелевого сердечника 1 с электри­ческой обмоткой, питаемой током высокой час­тоты. Под влиянием переменного магнитного поля сердечник попеременно сжимается или растягивается, создавая колебания заданной ча­стоты с амплитудой в несколько микрон. Для увеличения амплитуды применяют металличе­ские концентраторы 7 специальной формы.

Рис. 2.47. Схема снаряда для ультразвукового бурения:

В воздушной среде ультразвуковое разруше­ние является неэффективным вследствие низ­кой энергопередающей способности воздуха.

В то же время в воде возможна концентрация ультразвука и получение энергии большой плот­ности. Так, при подведении к излучателю мощ­ности до 90 Вт плотность энергии в середи­не фокального пятна в воде может достичь 5000 Вт/см, что соответствует давлению 12 МПа.

1 — никелевый сердечник с об­моткой; 2—цилиндр водяной рубашки; 3 — опорная гильза; 4, 5— вход и соответственно выход охлаждающей жидкости; 6 — концентратор с инстру­ментом; 7—подвод суспензии с абразивом; 8 — разрушаемый объект

Еще большее разрушающее давление возника­ет в воде в связи с образованием под действием ультразвука кавитационных пузырьков. Обычно в суспензию добавляют абразивные частицы, способствующие более активному разрушению породы. Опытное бурение с применением уль­тразвуковых снарядов (рис. 2.48) проводилось в электромеханической лаборатории ИГД АН СССР и лаборатории бурения ВУГИ. Установ­ка работала в диапазоне частот 8000—20 000 Гц, мощность ее составляла 500 Вт; механическая скорость бурения гранита — 2—4 мм/мин. Ра­бочим инструментом являлась стальная трубка диаметром 20 мм.

Исследования показали, что существующая аппаратура не позво­ляет при ультразвуковых частотах получить большие амплитуды сме­щения с достаточной энергией единичного импульса, поэтому ис­пользование ультразвука для разрушения пород при бурении пока перспективным не является.

Комментарии запрещены.