Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

Все разрабатываемые в настоящее время электрические бу­ровые снаряды — тепловые пенетраторы для бурения сква*жин плавлением как в крепких скальных породах, так и в рыхлых от­ложениях, разделяются 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 разделяются на устройства для бурения скважины сплошным забоем (бескерновые) и кольцевые для бу­рения скважин колонковым способом с образованием керна.

Уплотняющие пенетраторы

Пенетраторы этого типа предназначены для бурения плавле­нием пористых горных пород и рыхлых отложений (грунтов). За­твердевающий на стенках скважины из остывающего расплава остеклованный слой за счет уменьшения пористости имеет плот­ность большую, чем плотность исходного материала, и, таким об­разом, занимает меньший объем. Это позволяет весь первона-
чальныи материал расплавить и уп — лотнить при застывании (в остек­лованном слое) на стенке скважины без удаления расплава из зоны за­боя, если диаметр расплавленной зоны Dnjl будет больше диаметра уплотняющего пенетратора Dyn на определенное значение. Относитель­ная величина этого превышения может быть определена из соотно­шения

Рис. 5.15. Схёма действующего уплотняю — / щего пенетратора. / — колония металлических труб; 2 — каналы для циркуляции охлаждающей среды; 3 — электрический изолятор; 4 — токоподводящий электрод; 5 — крис­та ллизатор-формователь; б —тепловой изолятор; 7 — экстрактор; 8 — высокотемпературный пирографито — вый нагреватель; 9—тонкостенный графитовый по­глотитель лучистой энергии; 10— молибденовый кор­пус пенетратора.

DnJDyn = УРп/Рс, (5.90)

где рп — плотность пористой поро­ды или грунта; рс — плотность осте­клованного слоя.

На рис. 5.15 показана схема дей­ствующего уплотняющего пенетра­тора. Конструктивные особенности и принципы работы его отдельных элементов заключаются в следую­щем. Снаряд опускается в скважи­ну на колонне металлических труб /, 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 тспловь1м пенетратором. Цилиндрический эле­мент 3 является изолятором токоподводящего электрода, контак­тирующего с цилиндрическим нагревателем-излучателем 8. Корпус пенетратора 10 служит для контактной передачи нагревателем высокотемпературной тепловой энергии непосредственно горной породе или ее расплаву с минимальным температурным градиен­том вдоль вертикальной осн. Кроме того, через корпус передается усилие, уплотняющее 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 кристаллизатора — формователя с помощью прокладки 6, обеспечивающей резкое сни­жение температуры в осевом направлении при эффективном от­воде тепла в радиальном. 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. Так как вы­сокотемпературный нагреватель большую часть тепловой энергии передает корпусу пенетратора изучением, для повышения коэф­фициента теплопередачи в корпус пенетратора запрессован тонко­стенный цилиндрический стакан 9, выполняющий функцию высо — копоглощающего приемника теплового излучения, а зазор между нагревателем-излучателем и приемником заполняется инертным газом для устранения окисления и повышения надежности работы нагревателя в высокотемпературном режиме.

После предварительного опробования различных типов элек­трических нагревательных устройств для всех опытных образцов пенетраторов были выбраны графитовые элементы, работающие в среде инертного газа гелия при температурах 2500—3000°С и излучающие тепловую энергию к выполненному также из графита цилиндрическому приемнику. Выбор графита в качестве одного из основных материалов рассматриваемой конструкции обусловлен целым рядом его уникальных свойств в области высоких темпе­ратур (до 3000 °С). Прежде всего, графит сохраняет свою форму и относительно высокие механические свойства при высоких тем­пературах. 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. При изготовлении нагревательных элементов анизотропный пиролитический графит ориентируется так, чтобы высокое электрическое сопротивление было параллельно оси пенетратора и совпадало бы с главным направлением теплопередачи. Высокая механическая прочность и низкая удельная теплопроводность пиролитического графита в радиальном направлении позволяют использовать его как тепло — изолятор между нагретым корпусом пенетратора и охлаждаемым расплавом в кристаллизаторе-формирователе. Пиролитический графит фирмы Union Carbide (США) имеет следующие харак­теристики:

Твердость по Роквеллу, Па…………………………………………………… 1,27-109

Твердость по Шору, Па………………………………………………… (1,00-5-1,05) • 10е

Температура сублимации, °С……………………………………………… 3694

Температура кипения, °С………………………………….. 4200

Газовая проницаемость гелия, ммрт. ст. . . . 10_6

Удельное сопротивление в атмосфере азота или ар­гона, Ом-см 0,35—0,95

Поликристаллическнй графит в отличие от пиролитического изотропен и имеет относительно низкое удельное электрическое сопротивление, что позволяет успешно использовать его в качестве составного элемента токоподводящего электрода в той части по­следнего, которая контактирует с нагревателем и не охлаждается циркулирующей средой. Кроме того, при изготовлении отдельных нагревательных элементов, а также цилиндрического приемника лучистой энергии используется специальный графит, получаемый из строго ориентированного пиролитического графита с требуе­мыми значениями коэффициентов удельного электросопротивле­ния, теплового расширения и пр. Коэффициент поглощения лучи­стой энергии у графита около единицы.

Нагреватели-излучатели уплотняющих пенетраторов состоят из набора ориентированных дисков и колец пиролитического гра­фита, уплотненных и прижатых к торцевой части корпуса пенетра — тора токоподводящим электродом. В случае, когда требуется различная интенсивность излучения тепловой энергии по длине на­гревателя, при его сборке можно чередовать диски из пиролити­ческого графита с дисками из поликрнсталлического в соответ­ствии с требуемым распределением мощности излучения или же использовать диски, приготовляемые из специального графита с заданными удельными электросопротивлениями. Так как для эффективного плавления пород забоя максимальный тепловой по­ток от нагревателя должен быть направлен в основном в осевом направлении к торцевой части корпуса пенетратора и в меньшей степени в радиальном направлении, то в идеальном случае мак­симальное количество тепла должно выделяться в нижней части нагревателя, состоящего из более тонких дисков или колец пиро­литического графита с максимальным удельным сопротивлением, контактирующих с рабочей частью корпуса пенетратора, а в выше — расположенной части нагревательного элемента генерируемый на единицу длины тепловой поток должен быть значительно меньше.

Герметичность нагревательного узла почти всех опытных образ­цов уплотняющих пенетраторов достигается за счет использова­ния графитового токоподводящего электрода как уплотняющего устройства, а также путем подачи в зазор между нагревателем — излучателем и тонкостенным графитовым приемником под давле­нием чистого гелия из небольшого резервуара.

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 срав­нительно низком напряжении (до 100 В), ток при этом может со­ставлять 100 А и более. Высокая стабильность созданных для экспериментальных исследований источников питания с устойчи­вой регулируемой мощностью позволяла точно измерять сопротив­ление систем нагревателя и тем самым оценивать среднюю темпе­ратуру нагревателя во время работы.

Характерные для работы пенетратора высокие температуры потребовали проведения обширных исследований по изучению процессов коррозии, растворения и химического взаимодействия между основными конструктивными жаропрочными материалами и расплавами разнообразных горных пород при температурах от 1700 до 2100 К. Анализ результатов этих исследований позволил рекомендовать для изготовления корпуса пенетратора молибден и некоторые его сплавы, так как они показали более высокую коррозийную стойкость и меньшую растворимость в указанном выше рабочем диапазоне, температур, чем вольфрам и его сплавы. Кроме того, современная технология получения молибдена отли­чается более высоким качеством и меньшей стоимостью изготов­ления стандартных заготовок, чем это имеет место при получении вольфрама и его сплавов.

Детальные расчеты и экспериментальные исследования пока­зали, что оптимальной формой уплотняющего пенетратора яв­ляется параболически заостренный торец, переходящий в цилинд­рический корпус. Параболическое острие пенетратора расплав­ляет породы забоя скважины до нормального радиуса корпуса пенетратора, обеспечивая при этом заданную скорость плавления при минимальном осевом давлении. Цилиндрическая часть пене­тратора увеличивает диаметр расплавленной зоны вокруг пенетра­тора, обеспечивая размещение и застывание в этой зоне всего выдавливаемого пенетратором расплава. Сравнительные испыта­ния пенетраторов с параболически заостроенным торцом и пене­тратора с формой корпуса в виде двойного конуса показали, что в равных условиях скорость проникновения пенетраторов первого типа в 2 раза выше, чем второго.

В процессе экспериментальных исследований создано и испы­тано несколько типоразмеров уплотняющих пенетраторов диамет­ром от 50 до 76 мм, в том числе со сменными графитовыми встав — ками-формователями остеклованного слоя на стенке скважины. Они прошли успешно лабораторные и полевые испытания при плавлении таких пористых пород, как туфы, неуплотненные оса­дочные породы, аллювиальные отложения, базальтовый щебень и влагонасыщенные грунты. Во всех случаях пенетраторы образо­вывали на стенках скважины непрерывный плотный остеклован­ный слой. Проникновение пенетратора через крупные обломки скальных пород осуществлялось путем растрескивания последних в результате быстрого нагрева (термического удара) и последую­щего поступления расплава в образующиеся трещины. Таким об­разом удалось закрепить опытный интервал скважины в искус­ственных образцах породы, состоящих из слоев аллювия, глини­стого сланца и туфа. Результаты экспериментальных испытаний пенетраторов подтвердили расчетные зависимости скорости плав­

ления от плотности пород. Было зафиксировано очень быстрое уменьшение скорости проникновения пенетратора при увеличении плотности пород и грунтов до 1700—1800 кг/м3. При дальнейшем увеличении плотности пород скорость плавления с уплотнением расплава практически падает до нуля.

Пенетраторы с удалением (выносом) расплава

Для бурения скважин в плотных горных породах разраба­тывались пенетраторы, предусматривающие непрерывное удале­ние из зоны забоя образующегося при плавлении пород расплава через специальное отверстие — сопло, расположенное по оси кор­пуса пенетратора в его торцевой части (рис. 5.16). Попадая после прохождения сопла в поток охлаждающей среды, материал рас­плава застывает в зависимости от его состава и режима охлаж­дения в виде остеклованных гранул, стержней или минеральных волокон (ваты) и выносится охлаждающим потоком.

Рис. 5.17. Конструкция кольцевого пенетратора с кольцевым нагревате­лем.

В LASL были разработаны, изготовлены и испытаны три раз­новидности молибденовых пенетраторов с удалением расплава из зоны забоя. Номинальные диаметры пенетраторов составляли 84—89 мм. Основой конструкции одной из этих разновидностей пенетраторов, общий вид которой изображен на рис. 5.17, является кольцевой нагревательный элемент из пиролитического графита относительно большого диаметра, позволяющий направить основ-

Рис. 5.16. Схема пенетратора с уда­лением расплава из зоны забоя.

/ — горная порода; 2 —молибденовый корпус

пенетратора; 3— тепловой изолятор; 4 — кри — сталлизатор-формователь; 5—циркуляцион­ный поток охлаждающей среды; б—части­цы застывшего расплава; 7—остеклован­ный слой на стенке скважины; 8—централь­ный канал пенетратора; 9—слой расплава

горной породы.

ной тепловой поток в сторону параболической торцевой части корпуса пенетратора. Кольцевой нагреватель обеспечивает равно­мерное распределение теплового потока по окружности, излучая его к корпусу пенетратора со стороны как внешней, так и вну­тренней поверхностей. Поглощающая способность стенок полости, в которой установлен нагреватель, улучшена использованием теп­лового экрана из поликристаллического графита. Сама полость заполнена гелием, который обеспечивает длительную работу на­гревательных элементов при высоких температурах и одновре­менно улучшает конвективную теплопередачу в узких зазорах полости. Молибденовый корпус пенетратора предназначен для соз­дания более толстостенного остеклованного слоя на стенках сква­жины. Для уменьшения температурного перепада толщина стенки корпуса ограничена 5 мм. Избыточный расплав породы удаляется из зоиы забоя выдавливанием его в отверстие центрального со­плового аппарата с последующим охлаждением и выносом пото­ком промывочной среды.

Опытный образец пенетратора данной конструкции, получив­ший название «высокоскоростной», имел номинальный диаметр 89 мм и работал в лабораторных условиях при максимальной мощ­ности, достигавшей 24 кВ’т, причем при нормально функционирую­щих системах формирования остеклованного слоя на стенке сква­жины и удаления избыточного расплава скорость его внедрения в базальт доходила до 1,0 м/ч. При использовании удлиненного формователя остеклованного слоя этим пенетратором были ус­пешно проплавлены отверстия в уплотненном аллювии (плотность 2100 кг/м3) с образованием на стенках равномерного плотного остеклованного слоя толщиной 12 мм.

Другой конструктивной разновидностью явился пенетратор с развитой поверхностью корпуса диаметром 84 мм (рис. 5.18). Он характеризуется наличием трех отдельных нагревательных эле-

Рис. 5.18. Пенетратор с развитой поверхностью корпуса.

ментов, нескольких каналов для движения расплава при его вы­давливании из зоны забоя и развитой наружной поверхностью корпуса. Все это обеспечивало передачу большого суммарного теплового потока, уменьшение толщины остеклованного слоя при более высоких осевых усилиях для увеличения скорости бурения плавлением по сравнению с предыдущими образцами пенетрато — ров данного типа. Конструкция трех нагревательных элементов из пиролитического графита обеспечила увеличение плотности вы­деляемой энергии по направлению к рабочему торцу пенетратора. Для электропитания нагревателей использовались три вольфрамо­вых электрода. Тепловой поток от нагревателей передается излу­чением как и в предыдущих конструкциях к молибденовому кор­пусу пенетратора через графитовый экран. Расплав поступает в сопловой аппарат по аксиальному и радиальным каналам, где быстро охлаждается выходящим из соплового аппарата пенетра — тора потоком промывочной среды и выносится по внутренней трубе. Часть циркулирующей среды поступает во внутреннюю трубу выше соплового аппарата через отверстия в ее стенке для снижения температуры последней и предупреждения прилипания частичек застывающего расплава, возможной закупорки ими цир — куляциоцного канала,, . •

Пенетратор с развитой поверхностью был испытан в нолевых условиях при бурении в базальте 30-метровой скважины. Получен­ные результаты испытаний позволили усовершенствовать кон­струкцию теплового пенетратора и отработать режимные пара­метры бурения. Так, »налипание расплава на стенки скважины было "устранено более интенсивным охлаждением зоны кристалли­зации и формирования остеклованного слоя, для эффективного удаления расплава потоком циркулирующей среды температура внутренней трубы с целью предупреждения налипания застываю­щего расплава и закупорки канала поддерживалась на уровне 650 К. Это достигалось как за счет увеличения расхода самой среды, так и путем изменения конструкции системы охлаждения. Таким методом, изменяя расход и степень охлаждения среды, уда­валось успешно справляться с выносом расплава и в тех случаях, когда его количество резко возрастало при увеличении объема расплавленной зоны и резкой подаче в нее пенетратора. Система удаления расплава удовлетворительно работала при бурении как вертикальных, так и горизонтальных скважин. ^Испытания’также показали, что возможность создания для данной конструкции пе­нетратора повышенных осевых давлений подавляла в слое рас­плава развитие пузырьков газа, обеспечивая тем самым образо­вание более плотного и ровного остеклованного слоя и не допу­ская периодических выбросов расплава.

Пенетратор с развитой поверхностью был дополнительно ис­пытан в пористых туфах. Вытесняемый расплав застывал в виде тонких стержней, которые легко выносились потоком, процесс вы­носа четко контролировался изменением расхода циркулирующей среды, а также изменением мощности нагревателя.

Рис. 5.19. Пенетратор с сопловым аппаратом и центральным аксиальным от­верстием.

в

/ — горные породы; 2 — граница плавления; 3 —слой расплава горной породы; •#—остеклованный слой застывшего расплава; 5—центральное отверстие для удаления расплава из зоны забоя; 6 — кольцевой нагреватель; 7—корпус пенетратора; 5—забой скважины.

Третьей разновидностью пенетраторов с удалением расплава явилась конструкция, предусматривающая за счет создания соот­ветствующей конфигурации наружной поверхности корпуса дви­жение потока перегретого расплава к торцевой части пенетратора, а затем выдавливание, охлаждение и вынос его остеклованных остатков через сопловой аппарат и центральное осевое отверстие. Схема такого устройства показана на рис. 5.19. Основной объем расплава при работе такого устройства формируется у внешней поверхности конического корпуса пенетратора. За счет осевого усилия и создаваемого корпусом пенетратора давления на пере­гретый и менее вязкий расплав последний движется к торцевой поверхности пенетратора, переносит с собой значительное количе­ство аккумулированной тепловой энергии и активно воздействует на процесс плавления забоя. Для того чтобы заставить поток рас­плава двигаться к забою, а потом подниматься в сопловом аппа­рате по центральному аксиальному отверстию, пенетратор снабжен удлиненным сегментированным молибденовым кристаллиза- тором-формователем. Испытания показали, что данный тип пене­тратора может реализовать при бурении большую мощность и позволяет создавать значительные осевые нагрузки, благодаря которым скорость бурения плавлением увеличивается без суще­ственного повышения температуры рабочей поверхности. При

предварительных испытаниях была достигнута скорость проникно­вения в породу 0,835 м/ч, однако, как показывают расчеты, при более высоких осевых усилиях и значительном перегреве расплава в зоне забоя максимальная скорость бурения может быть повы­шена в несколько раз.

В процессе многочисленных экспериментов на образцах ба­зальта, гранита, пористого вулканического туфа и уплотненного аллювия все три типа пенетраторов с удалением расплава из зоны забоя подтвердили свою работоспособность, во всех случаях до­стигнуты скорости бурения свыше 0,72 м/ч, что вполне отвечало первоначально поставленным целям. На рис. 5.20 показана одна из типичных экспериментальных зависимостей скорости бурения плавлением от мощности при бурении базальтов пенетратором с развитой поверхностью диаметром 84 мм.

Интересные экспериментальные исследования были проведены по изучению особенностей бурения скважин плавлением с целью использования геотермальной энергии. С помощью опытного об­разца пенетратора было проплавлено несколько отверстий в спе­циально подогретом до температуры 650 К большом блоке ба­зальта. Для сравнения такие же эксперименты были проведены на базальтовом блоке с нормальной температурой (290 К). Полу­ченные результаты подтвердили возможность эффективной работы пенетратора в горячей породе, а также показали, что достигнутое при этом дополнительное увеличение скорости проникновения со­ответствует рассчитанному аналитически.

Пенетраторы для получения керна

Для исследования возможности получения при бурении сква­жин плавлением неразрушенного керна, пригодного для изучения состава, структуры и физико-механических свойств геологических образований, в ЬАБЬ были разработаны специальные пенетраторы

Рис. 5.21. Опытный образец уплотняющего пеиетратора с наружным диаметром 114 мм.

кольцевой или торроидальной формы, отличающиеся сравни­тельно большим центральным отверстием. Одной из таких кон­струкций является опытный образец уплотняющего пенетратора кольцевого типа с наружным диаметром 114 мм (рис. 5.21). В от­личие от предыдущих конструкций кольцевой пенетратор имел водяное охлаждение, номинальная его мощность составляла 13 кВт. Корпус пенетратора выполнен в виде единого структур­ного блока из выплавленного в вакуумной дуговой печи молиб­дена. В процессе предварительных испытаний на образцах туфа, пористых аллювиальных грунтов и сланцевых пород при низких осевых нагрузках и мощности, не превышающей 9 кВт, была до­стигнута скорость проникновения от 0,18 до 0,54 м/ч, диаметр керна при этом составил 64 мм. Несмотря на то что поверхност­ный слой полученного керна подвергался расплавлению, а сле­дующий за ним слой получал термическую закалку, при правильно выбранном режиме большая внутренняя часть кернового мате­риала сохраняла свой первоначальный состав и структуру. Эта особенность сохранять естественный состав породы за счет проч­ной герметичной оболочки из застывшего расплава несомненно позволит повысить качество опробования по керну в слабосвяз­ных, раздробленных или разрушенных породах.

Результаты предварительных испытаний нескольких опытных образцов кольцевых пенетраторов позволили наметить пути даль­нейшего совершенствования их конструкции и технологии получе­ния высококачественного кернового материала, однако последую­щее изменение программ оставило эти исследования незавершен­ными.

Разработка технологии крепления стенок скважины

остеклованной оболочкой

Самые первые эксперименты с уплотняющими пенетраторами на образцах туфа и пористого аллювия продемонстрировали 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 крпсталлизатора- формователя. Выбор графита объяснялся его хорошей теплопро-

водностью, достаточной прочностью при высоких температурах и минимальным прилипанием к его поверхности кристаллизирую­щегося при охлаждении pacплaвaJ Создаваемый уплотняющими пенетраторами утолщенный слои’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 улучшилось за счет существенного уменьшения газовых включений, раковин и трещин.

< При использовании пенетраторов с удалением расплава из зоны забоя скважины качество остеклованных покрытий на стен — ) ках скважины также заметно улучшилось, так как расплав в тон — / ком слое оказывался более однородным, и его охлаждение и за — 1 стывание происходило более равномерно, с образованием в обо — лочке плотного и прочного материала.

С целью обеспечения условий получения на стенках скважины в процессе бурения плавлением остеклованного слоя заданной толщины, формирования заданных его характеристик и свойств проводилось дальнейшее совершенствование конструкции пенетра — торов.]По результатам испытаний пенетраторов с сегментирован­ной графитовой системой формирования остеклованного слоя, проведенных на образцах твердых пород, были отмечены два су­щественных недостатка.

При извлечении пенетратора из скважины сравнительно мяг­кий графит легко изнашивался шероховатой поверхностью остек­лованного слоя, а иногда происходило смещение формообразую­щих секций пенетратора. При бурении глубоких геотермальных скважин в крепких скальных породах этот недостаток может быть весьма существенным.

Второй недостаток связан с характером течения расплава в зоне забоя и наличием газовых выделений при плавлении пород, содержащих включения карбонатов, связанную воду и пр. Быстрое выделение в расплаве газа может привести к образованию каверн в остеклованном слое и к выбросам расплавленной породы через сопловой аппарат пенетратора. Поступление через сопловой аппа­рат большого объема расплавленного материала может перегру­зить работу системы удаления расплава через внутренний цирку­ляционный канал и забить отводящую трубку пенетратора засты­вающими продуктами расплава.

За счет установки в пенетраторе удлиненной выводной трубки и возросшего гидравлического сопротивления было достигнуто по­вышение давления у стеклоформирующего устройства, подавляю­щее образование газовых пузырьков в расплаве и тем самым сни­жающее эффект образования каверн и выбросов расплава в соп­ловой аппарат.

Экспериментальные исследования с пенетратором диаметром 84 мм после установки в нем удлиненной выводной трубки

показали, что при плавлении пород на стенках скважины получа­лась очень ровная высокого качества поверхность остеклованного слоя. Фотографии поверхности стенок проплавленной в базальте 30-метровой скважины показали, что участки сравнительно ровной поверхности с толщиной слоя около 1 мм чередуются с участками, где за слегка глазурованной поверхностью застывшего расплава базальта лежит слой с полосчатой структурой. Оба эти вида остеклованного слоя были предварительно получены в лабора>- торных условиях. Они соответствуют меняющимся условиям ра­боты как стеклоформирующего устройства, так и самого пенетра — тора.

Для повышения прочности и износостойкости стеклоформи­рующего устройства была разработана конструкция с двумя смен­ными кольцами: первое — молибденовое формирующее кольцо бо­лее прочное и твердое; второе — графитовое, уменьшающее прили­пание расплава к охлаждающей поверхности при критических температурах. В холодном состоянии диаметр графитового кольца меньше, чем молибденового, поэтому последнее контактирует со стенками скважины и хорошо противостоит абразивному износу.

Уплотнение между стеклоформирующим устройством и стен­ками скважины усиливается за счет появления в этом месте в про­цессе бурения кольца из затвердевшего расплава. Благодаря по­вышенному поршневому эффекту это позволяет получать более ровную и чистую поверхность стенок скважины, что облегчает по­дачу пенетратора к забою и извлечение его из скважины. Обра­зование на стеклоформирующем устройстве плотного кольца из твердеющего расплава дает возможность отказаться от использо­вания графитовых колец и перейти полностью на металлическую конструкцию, состоящую из молибденовых сегментов и колец, об­ладающих повышенной износостойкостью.

Для изучения физико-механических свойств материала остек­лованного слоя и сравнения его со свойствами исходных горных пород были проведены лабораторные исследования на образцах туфа. С этой целью были подготовлены два типа остеклованных оболочек длиной 500 мм с внутренним диаметром 51 мм толщи^ ной стенки 20 мм и с внутренним диаметром 76 мм и толщиной стенки 25 мм. Для испытаний из этих оболочек отбирались об­разцы, ориентированные по трем основным направлениям: осе­вому, радиальному и тангенциальному. Аналогичным методом для испытаний были подготовлены образцы из туфа, не содержа­щего продуктов расплава. Весь подготовленный к испытаниям остеклованный материал был прочным, плотным и только в от­дельных местах наблюдались небольшие радиальные трещины и

изломы.

[ Результаты измерений плотности и пористости материала ос 1текловаиного слоя и естественного туфа приведены в табл. 5.4 Измерения плотности продуктов расплава, удаляемых потоком промывочной среды показали, что их плотность на 50 % увеличи­вается по сравнению с первоначальной плотностью туфа при зна-

Результаты измерений плотности и пористости естественного туфа и остеклованного слоя при его переплавке Материал Плотность скелета, кг/мя Объемная плотность сухого образца, кг/м3 Пористость, % Естественный туф Остеклованный слой 2540 2400 1500 2230 41 7

чительном снижении пористости. При увеличении осевой нагрузки"! на пенетратор достигается еще большее уплотнение материала..л застывающих частиц.

Результаты испытаний образцов остеклованного материала и естественного туфа на сжатие, растяжение и проницаемость позво­лили сделать следующие основные выводы.

1. Моделью остеклованного слоя на стенке скважины может быть полый цилиндр с изотропным в поперечном; направлении ма­териалом, прочностные свойства которого уменьшаются в ради­альном направлении, оставаясь существенно меньшими, чем в осе­вом и тангенциальном.

2. Прочность на сжатие остеклованного материала из расплав­ленного туфа достигает 50 МПа, тогда как аналогичный показа­тель для природного туфа составляет 4 МПа. С увеличением дав­ления пенетратора на слой расплава прочность формируемого из него остеклованного слоя возрастает.

3. Прочность на разрыв остеклованной оболочки и природного туфа приблизительно одного и того же порядка и составляет 1 МПа.

4. Коэффициент проницаемости для остеклованного материала измеренный при малых эффективных давлениях, составил 0,01 мкм, а для природного туфа в тех же условиях — 0,3 мкм. С возраста­нием эффективного давления этот показатель как для остекло­ванного материала, так и для природного туфа быстро умень­шается.

В целом полученные результаты показывают, что прочностные свойства остеклованного материала намного превосходят свойства исходной горной породы, а поэтому могут быть успешно исполь­зованы при креплении стенок скважины для борьбы с водоприто- ками и поглощениями.

Лабораторные и полевые исследования

Лабораторные эксперименты и полевые испытания помимо практической проверки опытных образцов пенетраторов и выбора оптимальных режимных параметров бурения скважин в разнооб­разных горных породах были направлены на более детальное

, изучение механизма нагрева и плавления горных пород в зоне за­боя скважины, разработку новых нагревательных устройств на ос­нове использования композиционных материалов, элементов с вы­соким электрическим сопротивлением, высокотемпературных тепло­вых трубок с жидким металлом, а также прямого нагрева породы с выделением основной тепловой мощности в самом расплаве, меха­низма взаимодействия жаропрочных материалов пенетратора с расплавами горных пород с целью совершенствования технологии обработки конструкционных материалов для повышения срока у их службы. Б полевых условиях изучались особенности работы ; / технических средств, определялись факторы, влияющие на надеж — : Юность их работы и ожидаемый срок службы.

Оборудование для лабораторных испытаний размещалось в трехэтажном здании на площади 150 м2. В рабочем помешении были смонтированы два стенда. Контрольно-измерительная аппа­ратура и системы управления размещались в отдельном помеще­нии, а часть энергетического оборудования размещалась вне зда­ния. Экспериментальные исследования на небольших образцах горных пород проводились на малом стенде, оборудованном уст­ройством для удержания образца в неподвижном состоянии и гид­равлической системой подачи пенетратора с устройством для уда­ления продуктов расплава. Большой стенд предназначался для проплавления отверстий в блоках горной породы высотой до I м. Он был оборудован установленным на полу специальным гидрав­лическим подъемником с платформой диаметром 1 м. Пенетратор устанавливался в верхней части стенда, а образец породы закреп­лялся на платформе подъемника и поднимался вверх, надвигаясь на неподвижный пенетратор. В процессе эксперимента с помощью контрольно-измерительной аппаратуры и системы управления гид­равлическими устройствами и источниками электропитания под­держивались заданные параметры напряжения, тока, мощности, усилия подачи или скорости бурения плавлением, расхода и темпе­ратуры охлаждающей среды. Для обработки результатов экспе­риментов, оптимизации технологических режимов и составления программ испытаний использован компактный компьютер.

Выполнение программы полевых исследований было начато с разработки, конструирования и компоновки портативной модуль­ной полевой демонстрационной установки (ПДУ), позволяющей самостоятельно проводить испытание пенетраторов малого диа­метра вблизи от Лос-Аламосской лаборатории. ПДУ состояла из гидравлической системы подачи пенетрационного устройства с кон­трольно-измерительным пультом для управления подачей, элек­трической установки с пультом управления для питания пенетра­тора и других потребителей электроэнергии, воздушного компрес­сора с системой охлаждения для подачи охлажденного сжатого воздуха в буровой снаряд, вспомогательного оборудования и ко­лонны металлических труб.

Первая серия экспериментов на ПДУ была проведена с уплот­няющими пенетраторами при бурении плавлением вертикальных

и горизонтальных скважнн в пористых и рыхлых породах. С де­монстрационной целью проводилось бурение горизонтальных сква­жин в аллювии, заключенном в стальном цилиндрическом кожухе. В процессе плавления можно было наблюдать раскаленный пене — тратор. После окончания эксперимента кожух снимался, и наблю­давшие могли проверить образованную пенетратором на стенках скважины остеклованную оболочку.

Аналогичные демонстрационные эксперименты проводились на образцах грунта, состоящего из песка и гравия с размером частиц до 50 мм. Увлажненный материал помещался в фанерные ящики размером 1,2 X 1,5 X 2,0 м. После проплавления в образцах отвер­стий и охлаждения затвердевшего на стенках расплава произво­дилась оценка качества образовавшегося в слабосвязных песчано­гравийных грунтах остеклованного слоя, который всегда был мо­нолитным, прочным, с ровной внутренней поверхностью.

Совместно со службой национальных парков США был вы­полнен интересный эксперимент по защите от разрушения грун­товыми водами известного археологического памятника — Бенде — лерского национального монумента. Для снижения уровня грун­товых вод необходимо было пробурить дренажные скважины, однако подверженный выветриванию разрушающийся материал монумета не позволял использовать для этих целей обычные тех­нические средства механического бурения. Так как исследуемый способ бурения отличался отсутствием вращения инструмента в скважине, динамических нагрузок на породы забоя, т. е. характе­ризовался минимальными возможными нарушениями окружаю­щего скважину породного массива, то он был выбран для буре­ния дренажных скважин. С этой целью с помощью ПДУ было пройдено восемь дренажных скважин глубиной от 13 до 15 м, при­чем первые пять скважин были пробурены сотрудниками Лос — Аламосской лаборатории, а последние три — сотрудниками службы национальных парков, освоивших в процессе проведения экспери­ментального бурения работу с ПДУ и технологию нового способа. Результаты экспериментального бурения подтвердили возмож­ность продолжения этих работ на других аналогичных объек­тах.

Для исследования возможности бурения плавлением направ­ленных скважин производились измерения их отклонения от за­данного направления как в лабораторных, так и в полевых усло­виях. Типичным явилось для двух из них—вертикальной и гори­зонтальной— отклонение менее 10 мм при диаметре скважин 50 мм и глубине 13 м.

Успешно прошли эксперименты по бурению плавлением сква­жин в образцах мерзлых аллювиальных отложений, содержащих от 15 до 20 % воды по массе, сходных с арктическими многолетне­мерзлыми породами. Бурение плавлением велось уплотняющими пенетраторами диаметром 50 и 67 мм. Во всех случаях были по­лучены отверстия в образцах с прочным остеклованным слоем на стенках.

Рис. 5.22. Экспериментальный участок горной выработки, закреп — ленный остеклованной оболочкой проплавленных по ее контуру скважин.

Особый интерес был вы­зван экспериментальным бурением горизонтальных скважин диаметром 50 мм в аллювиальной закладке устья заброшенной горной ваработки с целью демон­страции возможности ис­пользования исследуемого способа для создания эф­фективного временного кре­пления при проходке горных выработок в неустойчивых горных породах. Бурение плавлением скважин прово­дилось опытными образца­ми пенетраторов уплотняю­щего типа на глубину 2 м по контуру горной выработ­ки (высотой 2 м и шириной I м). Скважины располагались близко друг от друга с таким расчетом, чтобы образующиеся в процессе бурения плавлением каждой скважины остеклованные породы плот­но соприкасались между собой, создавая прочное перекрытие кровли и боковых стенок полученного после выемки породы нового устье­вого участка горизонтальной горной выработки. Для этой цели гидравлическая система подачи ПДУ была смонтирована на спе­циальной перемещающейся эстакаде, по контуру будущего устья горной выработки в подпирающей аллювиальную заделку дере­вянной стенке для введения пенетратора были пробурены отвер­стия. Использовались пенетраторы со съемными графитовыми формователями остеклованного слоя. Максимальная потребляе­мая мощность пенетратора составила 4,5 кВт. В качестве охлаж­дающей среды использовался газообразный азот. В процессе бу­рения плавлением были получены перекрывающие весь контур выработки и образующие монолитное прочное ограждение остек­лованные оболочки скважин с гладкими поверхностями внутрен­них стенок. Радиальный износ графитовых формователей пенетра­тора в среднем составил 0,005 мм на метр скважин. Объем обра­зовавшей перекрытие остеклованной оболочки составил 0,2 м3, а объем извлеченной из-под этого перекрытия горной массы около 4 м3.

На рис. 5.22 показан экспериментальный участок горной выра­ботки, пройденной в рыхлом аллювии с предварительным закреп­
лением кровли и стенок остеклованными оболочками проплавлен­ных по ее контуру скважин. Этот эксперимент Дает наглядное представление о технических возможностях бурения плавлением в сложных условиях проходки разнообразных горных выработок.

Расширение программы полевых испытаний пенетраторов для плавления скважин в плотных горных породах, а также колонко­вых пенетраторов для отбора образцов керна в процессе бурения плавлением привело к разработке, изготовлению и использованию в отдаленных от лаборатории районах экспериментальной пере­движной буровой установки ЭПУ. Она представляет собой смон­тированные на прицепе мачту с гидравлическими цилиндрами для ее подъема и опускания в транспортное положение, гидравличе­скую систему подачи и извлечения пенетратора с колонной двой­ных бурильных труб, гидравлический насос с приводным двига­телем, лебедку с гидроприводом и систему управления работой механизмов.

Грузоподъемность мачты рассчитана на подъем пенетратора на- 30-метровой колонне двойных бурильных труб диаметром 114 мм. При некотором изменении конструкции помимо вертикальных и слабонаклонных скважин установка позволяет вести бурение на­клонных и даже горизонтальных скважин.

Система подачи и извлечения пенетратора состоит из двух гид­равлических цилиндров, оснащенных подъемниками с гидравличе­скими захватами и индивидуальной системой управления подачи масла, развивающими осевое усилие при подаче и извлечении в 89 кН. Возможна совместная работа двух цилиндров, максималь­ное усилие при этом достигает 178 кН. Скорость подачи и подъема может плавно изменяться в пределах от 0 до 18 м/ч с помощью дистанционного управления дроссельным краном в нагнетатель­ной линии питающего гидравлическую систему насоса. Параллель­ное ручное управление позволяет при необходимости оперативно- регулировать подачу снаряда.

Система управления установкой проста и надежна, снабжена автоматическим контролем за режимом работы отдельных меха­низмов и сигнализацией, предупреждающей о неисправностях. Об­служивается установка оператором и его помощником. Установка может транспортироваться серийным трактором и не требует спе­циального разрешения.

Экспериментальное бурение на установке ЭПУ проводилось всеми типами разработанных опытных образцов пенетраторов диа­метром от 50 до 127 мм. Для испытания уплотняющих пенетра­торов и пенетраторов с удалением расплава из зоны забоя при бу­рении относительно глубоких скважин с реализацией на забое мощности до 30 кВт была разработана специальная конструкция двойных бурильных труб, позволяющая помимо спуска и подъема пенетратора в скважине, передачи необходимого осевого усилия подводить к нему электроэнергию, охлаждающую промывочную среду и инертный газ (гелий). Промывочная среда обеспечивала застывание частичек расплава и вынос их на поверхность.

С помощью бурильной колонны была предусметрена возможность передачи на поверхность информации о протекающих забойных процессах и режиме работы пенетратора.

Внешняя передающая осевую нагрузку труба изготовлена из алюминиевого сплава 6061Т-6, обладающего низким электриче­ским сопротивлением, высокой прочностью, небольшой массой и высокой коррозионной стойкостью. Рассчитанная для передачи осевого усилия до 100 кН, наружная труба служит отрицательным проводником для питания нагревателя пенетратора. Внутренняя нержавеющая стальная труба служит для удаления застывающих частичек расплава из скважины. В кольцевом канале между тру­бами размещены три медных изолированных проводника, трубочка для подачи под давлением инертного газа и кабель от датчиков к контрольно-измерительным приборам на поверхности. По коль­цевому зазору к пенетратору подается охлаждающая среда. До­полнительные конструктивные данные двойной бурильной трубы приведены ниже.

Техническая характеристика двойной бурильной колонны

TOC o "1-5" h z Наружный диаметр, мм…………………………………………………….. 78

Длина трубной секции, м………………………………………………….. 4,05

Внешний диаметр шламовыносной трубы, мм. … 24,0

Масса секции, кг………………………………………………………………. 25,9

Сопротивление электрических проводников одной сек-

ции, Ом…………………………………………………………………………… 4,65 • 10_4

Сопротивление алюминиевого корпуса секции, Ом. . 1,13-10

Минимальное диэлектрическое сопротивление, В. . . 1200

Сборка двойных труб в колонну производится с помощью спе­циальных муфт, обеспечивающих жесткое соединение наружных труб и плотное подвижное в осевом направлении соединение вну­тренних труб, электрических контактов токопроводящих и измери­тельных проводов, а также трубок для подвода инертного газа. Полевые испытания подтвердили хорошую работоспособность дан­ной конструкции двойной бурильной колонны.

Первая серия экспериментальных исследований с ЭПУ была выполнена при бурении скважины глубиной 30 м в плотном ба­зальте к юго-востоку от Лос-Аламоса.

В дополнение к дизельной электрической станции для работы установки было использовано следующее оборудование; преобра­зователь электрической энергии с аппаратурой и КИП; трехфаз­ный источник электрической энергии напряжением 220 В для пита­ния преобразователя; оборудование для получения охлажденного газа; КИП для управления и контроля работы пенетратора. Все добавочное оборудование размещалось на отдельном прицепе.

Бурение плавлением скважины велось пенетратором диаметром 84 мм с удалением расплава из зоны забоя. Для сбора выносимых охлажденным газом из скважины застывших частиц удаляемого расплава в выкидной линии поверхностной обвязки был установлен циклонный сепаратор; для хранения отбираемого при бурении ма­териала использовались металлические бочки. Всего из 30-метро­вой скважины было отобрано 505 кг шламового материала, 50 % которого состояло из минеральных волокон и 50 % шлака и за­стывших капель расплава. Весь материал был обработан и все­сторонне изучен.

Уже на первом этапе экспериментальных исследований была получена обширная информация об особенностях разрабатывае­мого способа бурения, о специфике эксплуатации его технических средств и характере технологического режима. За этот период мо­дель 84-миллиметрового пенетратора с удалением расплава была усовершенствована и доработана от лабораторного образца, спо­собного проплавлять отверстия длиной 0,75 м, до вполне работо­способного опытного устройства, успешно плавящего породы в скважинах глубиной в несколько десятков метров.

Результаты экспериментальных лабораторных и полевых ис­следований позволили выявить целый ряд важных технологиче­ских проблем бурения скважин плавлением и наметить пути их возможного решения. Это прежде всего проблемы, связанные с оп­ределением допустимых скоростей бурения скважин при исполь­зовании плавления для разрушения пород забоя. Максимальная скорость бурения плавлением пород, достигнутая в процессе испы­таний при допустимых рабочих температурах молибденового кор­пуса опытных образцов пенетраторов различных конструкций, не превышала 1,8 м/ч, тогда как аналитические расчеты, выполнен­ные с учетом конкретных условий плавления, показывали воз­можность достижения существенно более высоких скоростей бу­рения.

При более детальном изучении этого явления было установ­лено, что рассчитанные значения осевой нагрузки для данных ус­ловий бурения оказались ниже фактически необходимых, а выпол­ненные дополнительно исследования теплопроводности расплавов горных пород показали, что их действительные значения суще­ственно ниже использованных при расчетах литературных данных.

Более низкая фактическая теплопроводность расплава ограни­чивает подводимый к границе плавления породы в зоне забоя теп­ловой поток при допустимых рабочих температурах корпуса пе­нетратора. Создание за счет перегрева более тонкого слоя рас­плава в свою очередь требует увеличения осевой нагрузки на пенетратор для своевременного выдавливания большего объема расплава.

Расчеты, проведенные с полученным для расплава базальта коэффициентом теплопроводности 0,25 Вт/(м-°С), показали, что подводимый к границе плавления тепловой поток при рабочих значениях температуры молибденового пенетратора ограничивает скорость проникновения величиной 0,9 м/ч, т. е. той же, какая была достигнута в экспериментах. Специально проведенные экс­периментальные исследования на образцах базальта, в которых предварительно были просверлены отверстия для облегчения уда­ления образующегося при плавлении расплава, что позволяло существенно снизить толщину его выдавливаемого слоя и соответ­ственно сопротивление при передаче тепла к зоне плавления, а также осевое усилие на его удаление, показали, что при тех же допустимых рабочих температурах корпуса пенетратора возможно достижение скорости бурения плавлением 3,6 м/ч. В результате были намечены новые пути решения проблемы подвода теплового потока к забою скважины в процессе его плавления.

Другой проблемой, с которой пришлось столкнуться при про­ведении полевых испытаний, явилась пульсация расплава при уда­лении его из зоны забоя. В результате неравномерной подачи пенетратора к расплавленному забою в выносную трубку выдавли­ваются значительные массы расплава, которые перегружают си­стему охлаждения и выноса продуктов из скважины. Это приво­дит к перегреву стенки внутренней трубы — выносного канала двойной бурильной колонны и, как следствие этого, к налипанию горячих частичек расплава на стенки трубы вплоть до полного перекрытия канала. За счет увеличения расхода и степени охлаж­дения циркулирующей среды эта задача может быть успешно ре­шена. Дальнейшие исследования показали, что в качестве охлаж­дающей среды в новых конструкциях пенетраторов эффективнее использовать воду.

Ближайшие планы продолжения экспериментальных исследо­ваний предусматривают испытание новых усовершенствованных пенетрационных устройств, продолжение опытного бурения в вы­сокотемпературных породах геотермальных зон, отработку тех­нологии колонкового бурения плавлением и закрепления стенок скважин в неустойчивых слабосвязных породах и грунтах.

Комментарии запрещены.