Нетрадиционные способы бурения

Огневое бурение скважин. Процесс разрушения горной породы при огневом бурении основан на воздействии высокотемператур­ного газового потока на забой скважин. Так как каменный мате­риал обладает низкой теплопроводностью, скорость распростра­нения в нем теплоты невелика, поэтому интенсивному нагреву подвергается слой породы небольшой толщины. В материале воз­никают термические напряжения, пропорциональные разности температур на границах слоев. Происходит эрозия верхнего слоя, и продукты разрушения выносятся газовым потоком из скважины. Обнажающиеся в результате слои ненагретой породы, в свою оче­редь, подвергаются высокотемпературному прогреву, отслаива­нию, и процесс бурения принимает непрерывный характер. По­вышению интенсивности разрушения породы способствует также вода, которая подается для охлаждения горелки станка огневого бурения. Водяной поток вызывает дополнительное растрескива­ние нагретой породы, а образующийся при контакте с ней пар удаляет разрушенную породу из скважины.

Рабочий орган при огневом бурении — горелка, в камере кото­рой температура газов составляет 2 500...3 500 °С, а скорость их истечения — 1 800... 2 000 м/с. В качестве горючего может быть ис­пользовано любое жидкое или газообразное топливо (керосин, бензин, дизельное топливо, ацетилен, водород и т.п.) в смеси с окислителем — кислородом, воздухом, азотной кислотой.

Через форсунки 4 (рис. 3.9) смесь паров топлива с окислителем поступает в камеру сгорания 6. Газообразные продукты сгорания с большой скоростью истекают из камеры сгорания через отвер­стия в сопловой крышке 7 горелки, ударяясь в дно забоя. Камера сгорания охлаждается проточной водой, которая затем выбрасы­вается наружу через радиальные отверстия. Конструкция горелки

Рис. 3.9. Термобур:

1 — головка с вихреобразователями; 2 — фильтр; 3 — гильза; 4 — форсун­ка; 5 — чехол; 6 — камера сгорания; 7 — сопловая крышка; 8 — шайба; 9 — коронка

исключает случайное соприкосновение струй воды с раскаленны­ми продуктами сгорания, чтобы не вызвать их преждевременного охлаждения.

Иногда для охлаждения камеры сгорания применяют жидкое топливо, циркулирующее по проложенным вокруг нее в чехле 5 кольцевым каналам и нагревающееся при этом. Топливо, пройдя около камеры сгорания, возвращается в топливный бак по друго­му кольцевому пространству. В результате нагрева топливо при поступлении в камеру сгорания легче испаряется. Этим достигает­ся более устойчивый режим горения, более высокая температура и давление газов. Оси отверстий в сопловой крышке расходятся от оси бура под небольшим углом, благодаря чему диаметр скважи­ны чуть больше диаметра бурового снаряда. Также благодаря это­му участки забоя подвергаются при вращении бурового снаряда переменному температурному воздействию, способствующему бо­лее эффективному разрушению породы и удалению ее без ненуж­ного перегрева. Эффективность воздействия газовой струи на по­роду определяется оптимальным соотношением расхода горючего и окислителя, скоростью вращения горелки и расстоянием от торца сопловой крышки до забоя скважины. Несоблюдение этих пара­метров приводит либо к плавлению породы и остановке бурения, либо к уменьшению его скорости, увеличению диаметра скважи­ны, растеканию газового потока, понижению температуры и ухуд­шению условий удаления разрушенной породы.

Взрывной метод. Взрывной метод бурения сводится к разруше­нию породы частыми взрывами зарядов взрывчатого вещества небольшой мощности, подаваемых с определенной частотой в скважину вместе с промывочной жидкостью. Подача взрывчатого вещества осуществляется небольшими порциями, с тем чтобы сила взрыва разрушала породу в забое, но не могла травмировать пер­сонал и повредить оборудование, находящееся на поверхности близ устья скважины. В качестве варианта возможно использова­ние двухкомпонентных смесей, которые не представляют опасно­сти в разделенном состоянии, но взрываются при смешивании (как, например, минеральное масло и кислород). В частности, это могут быть ампулы, в двух отсеках которых размещаются компо­ненты взрывчатого вещества. Смешиваясь при ударе ампулы о за­бой скважины, они должны образовывать достаточно мощное взрывчатое вещество. Для выноса из скважины разрушенной по­роды можно использовать традиционный способ ее промывки бу­ровыми растворами.

Гидродинамический способ. Разрушение пород струей воды, вылетающей из сопла гидромонитора со скоростью 60 м/с при давлении до 3 МПа, используют при разработке обычных грунтов. Для разрушения скальных пород давление в струе должно дости­гать 50 МПа и более. Несмотря на высокую эффективность этого метода разрушения, его практическая реализация сталкивается с рядом технологических трудностей, в частности, затуханием ско­рости резания по мере увеличения глубины прорези, удалением отработанной воды из забоя и др.

Электрогидравлический способ. Разрушение пород этим спосо­бом заключается в использовании явления кавитации (гидравли­ческих микроударов), хорошо известного судостроителям. Кави­тацию в жидкой среде можно спровоцировать, если сформировать с помощью высокого напряжения электрический разряд между погруженными в нее контактами электрической цепи. В месте раз­ряда за доли микросекунды образуется канал ионизированной плаз­мы, давление газов в котором составляет 6 000... 15 000 МПа. Волна давления со сверхзвуковой скоростью распространяется по жидко­сти, разрушая все, находящееся на границе ее раздела. Затем давле­ние в области разряда резко падает, и зона плазмы резко сжимает­ся, порождая второй гидравлический удар, уступающий по силе первому, но также обладающий достаточной разрушительной энер­гией.

Комбинированные способы бурения. Одним из комбинирован­ных способов бурения, объединяющих механический и огневой способы разрушения пород, является термомеханическое бурение. Источник тепловой энергии, например сжигаемую топливовоз-душную смесь, помещают в зоне разрушения породы. В результате нагрева до определенной температуры, значение которой зависит от типа породы, порода теряет значительную часть своей струк­турной прочности и затем легче поддается разрушению с помо­щью обычных механических инструментов.