Бурение геотехнологических и инженерно-геологических

Cкважин

 

В настоящее время наибольшее применение нашли следующие геотехнологические методы:

- Подземное выщелачивание;

- Подземное растворение;

- Подземная выплавка;

- Подземная газификация;

- Скважинная гидродобыча.

Физико-химические методы геотехнологии для добычи ряда по­лезных ископаемых (соль, золото, сера, уран, железо, медь), подземное растворение (для разработки соляных месторождений и создания под­земных емкостей) и подземная газификация (перевод полезного иско­паемого, например угля, в газообразное состояние) уже широко ис­пользуются. Геотехнологическая добыча полезных ископаемых осу­ществляется в подавляющем большинстве с помощью буровых сква­жин, особенно наклонных и горизонтальных, успешно заменяющих вертикальные.

15.7.1. Бурение кустовых наклонно направленных геотехнологических скважин.

Основными выработками для вскрытия и освоения продуктивных пластов при геотехнологических методах добычи полезных ископае­мых (методы (ГТС) служат буровые скважины (ГТС). Затраты на со­оружение ГТС составляют значительную часть общих затрат на добы­чу (25 - 30 %). Можно без преувеличения сказать, что дальнейшее ус­пешное развитие методов ГТС во многом будет зависеть от прогресса в технике и технологии сооружения.

Большинство методов ГТС основано на использовании верти­кальных скважин для добычи полезных ископаемых. Вертикальные скважины располагаются по определенной технологической сети. Ме­тодика вскрытия и освоения месторождений только вертикальными скважинами имеет ряд существенных недостатков. Вертикальными скважинами невозможно или экономически невыгодно отрабатывать участки месторождений, расположенные под дном рек и водоемов, под зданиями и промышленными сооружениями, охранными зонами ЛЭП. Использование вертикальных скважин приводит к отчуждению значи­тельных площадей культурных земель, требующих последующей ре­культивации, необходимость сооружения разветвленных трубопрово­дов большой протяженности.

Совмещение устьев нескольких наклонно-направленных скважин на одной площадке (кустовые скважины) позволяет повысить эффек­тивность добычи полезных ископаемых методом ГТС и улучшить ох­рану окружающей среды за счет:

- отработки участков месторождений под дном рек и водоемов, под зданиями и промышленными сооружениями, под охранными зо­нами ЛЭП;

- сокращения протяженности технологических трубопроводов;

- значительного сокращения площади культурных земель, отчуж­даемых в процессе деятельности горнодобывающего предприятия;

- увеличения приемистости скважин, вследствие пересечения продуктивного пласта под острым углом;

- сокращения затрат времени на сооружение площадок под буро­вую установку, монтаж, демонтаж и перевозку бурового оборудования и инструмента.

Направленное бурение кустовых наклонно направленных сква­жин применяется во многих отраслях народного хозяйства. На совре­менном этапе в разработке техники и технологии направленного буре­ния скважин значительные успехи достигнуты в нефтяной и газовой промышленности, при проведении геологоразведочных работ. Однако, использовать технологию сооружения наклонно направленных сква­жин, разработанную в этих отраслях нельзя без учета условий приме­нения методов ГТС.

Условия сооружения и эксплуатации скважин ГТ весьма специ­фичны. Методы ГТС наиболее эффективны при разработке месторож­дений осадочного типа, залегающих в интервале глубин 200 - 600 м и характеризующихся невысокой твердостью слагающих пород (II - V категории по буримости) и достаточно высоким коэффициентом фильтрации (не менее 0,5 м/сутки). Необходимость оборудования скважин ГТС эксплуатационной колонной определяет их значитель­ный диаметр (160 - 250 мм) и ограничивает допустимую интенсив­ность искусственного искривления ствола. В результате взаимодейст­вия компоновки низа бурильной колонны со стенками скважины, сло­женными мягкими неустойчивыми породами, происходит увеличение

 

диаметра и изменение формы поперечного сечения ствола скважины. Наличие пор, трещин и кавер может привести к значительным потерям промывочной жидкости, вплоть до катастрофических. Кроме того, слабая устойчивость стенок скважин может привести к осложнениям при наклонном бурении, особенно при специальных работах, связан­ных с управлением трассой скважины.

Выбор оптимальной схемы расположения скважин сводится к нахождению минимума стоимости сооружения и эксплуатации участка месторождения для различных вариантов совмещения устьев верти­кальных и наклонно-направленных скважин на кустовых площадках. При увеличении отклонения забоев наклонных скважин от вертикали растет концентрация их устьев на кустовых площадках, сокращается площадь отчуждаемых культурных земель. Увеличение отклонения забоя от вертикали приводит к росту стоимости бурения скважины за счет увеличения длины участка направленного искривления и общей длины скважины. Сравнение стоимости различных вариантов показы­вает, что целесообразно совмещать на кустовой площадке устьев скважин, принадлежащих к одной ячейке при отклонении забоя от вертикали около 50 м (рис. 15.10).

 

В настоящее время использование наклонно направленных и го­ризонтальных скважин для вскрытия и освоения продуктивных пла­стов при геотехнологических методах добычи полезных ископаемых довольно успешно внедряется в народное хозяйство нашей страны.

15.7.2. Бурение специальных наклонно направленных скважин для це­лей газификации.

При эксплуатации маломощных угольных пластов в некоторых случаях уголь газифицируют непосредственно в месте его залегания,

затем через стволы скважин транспортируют газ на поверхность. Для получения газа высокого качества и как можно более полной выработ­ки угля скважины бурят таким образом, чтобы они не выходили ни за кровлю пласта, ни за его подошву.

В Советском Союзе такие скважины бурили в Лисичансокой кон­торе опытного направленного бурения при станции Подземгаз. В на­чале наклонно направленные скважины бурили вращательным спосо­бом с использованием буровых геологоразведочных и специальных профилированных инструментов.

Бурение проводили по кривым строго определенного радиуса, его раз­мер определяли геометрической формой профилированного инструмента.

В течение 1955 - 1959 гг. конторой освоено бурение нескольких типов наклонно направленных скважин. Но в использовании профили­рованного инструмента имеется довольно значительный недостаток - постоянная опасность прихватов и затяжек инструмента вследствие очень малых зазоров между нижней частью инструмента и стенками скважины, а в части бурильный инструмент значительно сужается. Поэтому этим инструментом бурили только из скважин больших диаметров.

Накопив опыт бурения наклонно направленных скважин в конто­ре и освоив электробуры, перешли на электробурение с использовани­ем в качестве отклонителей различных эксцентричных накладок. В качестве примера рассмотрим данные конторы по бурению трех наи­более характерных скважин в 1961 г. Так, скв. 6Г-2Н пробурена элек­тробуром следующей технической характеристики.

 

Наружный диаметр, мм 160

Длина, мм 3200

Скорость вращения вала, об/мин 910

Осевая нагрузка, Т 2,5

Мощность, квт 25

Момент номинальный, кГ м 26,7

Момент максимальный, кГ м 46,4

Момент пусковой, кГ м 31

 

В качестве отклонителя использованы эксцентричные накладки в сочетании с кривым переводником. Толщину накладки Ъ и место ее расположения на электробуре m (рис. 15.11) для набора зенитного угла (рис. 15.12) по данным И.М. Юдборовского определяли по следующей формуле:

где величины h, l, m и R определяются из геометрического построения и формулы

Для бурения по нисходящей кривой толщину накладки определя­ли по формулам

 

 

При выводе этих формул исходили из следующего. Любая ком­поновка, предназначенная для бурения криволинейных скважин, должна иметь минимум три точки опоры, расположенные на одной окружности заданного радиуса. Поэтому для бурения по восходящей траектории накладка должна располагаться только между долотом и центром тяжести забойного двигателя. При бурении прямолинейного участка толщину накладки определяют из выражения

 

 

где m < ½ Скважину 6Г - 2Р бурили при помощи компоновок трех типов.

Компоновка № 1: электробур, эксцентричная накладка, располо­женная между долотом и центром тяжести, кривой 2° переводник, «рюмочное» долото. Компоновка № 2: долото «рюмочное» или трех- шарошечное, эксцентричная накладка или фонарь в верхней части электробура, кривой переводник. Компоновка № 3: долото и электро­бур, отклоняющие приспособления не используются.

Вертикальная проекция скважины показана на рис. 15.13, а. При общей глубине скважины 467 м и вертикальной 336 м отклонение за­боя от вертикали составило 323 м. Другая скв. 19 - Г - 8 при общей глубине 536, 45 м и вертикальной 342 м пробурена с отклонением за­боя от вертикали 411 м (рис. 15.13, в), третья скв. 13Г - 2Н пройдена еще с большим отклонением от вертикали и почти горизонтально. Вертикальная проекция ее показана на рис. 15.13, б. При общей глуби­не 432 м и вертикальной 204 м отклонение забоя от вертикали соста­

вило 367 м. Контроль за положением скважин в пространстве осуще­ствляется при помощи инклинометров ИИ - 3 М и ИФ - 1.

К сожалению, открытие в бывшем СССР новых газовых место­рождений с огромными запасами привело к полному свертыванию этих работ. В настоящее время на Западе, особенно в США, этому во­просу придают очень большое внимание. Они ускоренными темпами развивают данный вид геотехнологического бурения, хотя мы были пионерами в этом деле.

 

В тоже время отметим, что Россия обладает одним из крупней­ших в мире минерально-сырьевых потенциалов энергоносителей. Но­менклатура ископаемых энергоносителей, их качество, степень освое­ния запасов и направления использования оказывают непосредствен­ное влияние на экономический потенциал страны и социальную на­правленность развития регионов. Современное состояние минерально- сырьевой базы углеводородов характеризуется устойчивой тенденцией замедления темпов воспроизводства разведанных запасов. На эксплуа­тируемых месторождениях снижается доля высокопродуктивных объ­ектов, особенно природного газа, что обусловлено, с одной стороны, интенсивной их выработкой, а с другой - открытием и вводом в экс­плуатацию средних и мелких по масштабам залежей углеводородов, характеризующихся в основном наличием трудноизвлекаемых запасов

(«тяжелые» нефти, низконапорный газ и др.). Новые месторождения, зачастую расположенные в сложных природно-климатических зонах, требуют значительных капитальных вложений в разработку. Вместе с тем все возрастающая потребность развивающейся экономики в энер­гоносителях, особенно в местах, удаленных от основных районов до­бычи природного газа, предопределяет необходимость вовлечения в топливо-энергетический баланс новых и нетрадиционных источников углеводородного сырья, среди которых важное место занимает метан угольных пластов.

Освоение метаноугольных месторождений определяется необхо­димостью и реальной возможностью снабжения населенных пунктов и промышленных предприятий традиционно угольных регионов собст­венным газовым сырьем (углеметаном), прогнозные ресурсы которого в Российской Федерации оцениваются в пределах 50 - 60 трлн. м³. Вместе с тем в настоящее время попутное извлечение и утилизация этого важного вида энергетического сырья не превышают 50 млн. м³ в год.

Решение проблемы освоения угольного метана как нетрадицион­ного полезного ископаемого приобретает в настрящее время еще большее значение в связи с тем, что более четверти действующих шахт России являются сверхкатегорийными по метану и опасными по вне­запным выбросом угля и газа, и доля таких шахт с углубление горных работ постоянно увеличивается. Газовый фактор является серьезным препятствием на пути увеличения производительности труда шахтеров, улучшения состояния техники безопасности на шахтах и экологической ситуации в районах действующих и ликвидируемых угольных шахт.

В течение многих лет этой актуальной проблеме не уделялось должного внимания. Добыча и утилизация угольного метана проводи­лись в ограниченных объемах и главных образом в целях предотвра­щения внезапных выбросов угля, пород и газа.

Значительный опыт добычи угольного метана как самостоятель­ного полезного ископаемого имеется в ряде зарубежных стран (США, Германии, КНР, Австралия и др.), где проводятся широкомасштабные работы по извлечению углеводородных газов из угольных пластов на основе скважинных технологий. Так, например, в США было добыто в 2001 году более 40 млрд. м³ угольного метана, причем в некоторых скважинах суточный дебит газа достигал 40 тыс. м³ и более при сред­них значениях порядка 8-10 тыс. м³/сутки.

Промысловые работы по освоению ресурсов угольного метана проводят на угольных месторождениях Украины и Казахстана. Соот­ветствующие решения о разработке эффективных технологий добычи угольного метана были приняты на государственном уровне и в Рос­сийской Федерации. В 2003 году утверждена «Энергетическая страте­гия России на период до 2020 года». В качестве приоритетов государ­ственной научно-технической и инновационной политики по отрасли ТЭК в прогнозируемый период выделены «Разработка и внедрение новых эффективных экологически безопасных технологий добычи,

 

производства, преобразования, транспорта и комплексного использо­вания топливно-энергетических ресурсов, в том числе и технологий использования нетрадиционных (газогидраты, тяжелые нефти и биту­минозные сланцы, метан угольных месторождений и др.) ресурсов углеводородного сырья». В связи с этим научно-исследовательские работы, связанные с проблемой извлечения и утилизации угольного метана, весьма актуальны.

15.7.3. Дегазация угольных месторождений скважинным методом.

В горной промышленности следует отметить значительный риск подземного труда шахтеров, особенно от взрывоопасного метана, вы­деляющегося из угольных пластов. Следует отметить и отрицательный экологический эффект горного производства. Известно, что выбрасы­ваемый в атмосферу угольный метан является вторым газом после уг­лекислого, создающим и расширяющим парниковый эффект, по дан­ным профессора Ю.Ф. Васякова.

В тоже время угольный метан может служить прекрасным доба­вочным энергетическим источником к местному топливу, что особен­но актуально для нашего Севера и Дальнего Востока.

Основным методом промышленного извлечения метана в России является скважинно-гидравлическое расчленение угольных пластов и их физико-химическая обработка с целью увеличения естественной проницаемости угольного массива и повышения метаноотдачи и из очень тонкой структуры угля. Рациональной областью использования дегазации угольных пластов являются взрывоопасные шахты, уголь­ные шахты и разрезы, подлежащие закрытию. Скважинные технологии базируются на средствах направленного бурения, что является свя­зующим звеном между угольной и газонефтяной областями народного хозяйства.

Опытными работами доказано, что добыча угольного метана не только ведет к снижению взрывов в шахтах, но может быть использо­вана для получения из него электроэнергии, выработки топлива для автомобилей и снабжению топливом котельных различных производ­ственных предприятий, а также к сохранению выброса свободного метана в атмосферу. Видимо за этим геотехнологическим направлени­ем перспективное будущее.

 

15.8. Новые способы разрушения горных пород[30]

 

 

Возможности коренного совершенствования технологии бурения глубоких скважин, дальнейшего существенного повышения произво­дительности буровых работ на основе традиционных механических способов разрушения горных пород ограничены предельными значе­ниями твердости естественных и искусственных истирающих мате­

риалов, износостойкости долот, надежности стальных и легкосплав­ных бурильных колонн. Достижение качественно более высоких тех­нико-экономических показателей бурового процесса возможно лишь на основе разработки и освоения принципиально новых способов раз­рушения горных пород.

 

15.8.1. Нетрадиционные механические способы разрушения.

Гидравлический способ. Современные гидромониторные шаро­шечные долота весьма эффективны в мягких породах. Неоднократно отмечались случаи, когда бурение скважин успешно велось одними только гидромониторными струями, практически без участия шаро­шек. Однако уже в породах средней твердости эти долота не дают замет­ных преимуществ в сравнении с обычными шарошечными долотами.

Разрушение крепких горных пород этим способом требует сверх­звуковых гидравлических струй, истекающих через весьма износо­стойкие насадки под давлением 30 - 50 МПа и выше. Проблема заклю­чается в создании и использовании соответствующего насосного обо­рудования при исключительной надежной бурильной колонне или раз­работке призабойных систем многократного повышения давления. Ведущиеся в данном направлении исследования и ОКР (ВНИИБТ, Ин­ститут горного дела РАН и др.) еще не вышли из стадии стендовых испытаний и производственных экспериментов.

Эрозионный способ состоит в использовании высокодинамичной струи воды, несущей с собой весьма твердый абразивный материал (например, корундовый песок). Одни из фирм США продемонстриро­вала бурении этим способом по граниту со скоростью, свойственной обычному механическому бурению по известнякам. По зарубежным оценкам, эрозионный способ разрушения является одним из наиболее перспективных среди других принципиально новых способов. Однако нерешенной проблемой остается создание длительно безотказного призабойного рабочего органа. Современные твердые сплавы и метал­локерамика подвергаются в процессе работы слишком быстрому абра­зивному износу.

Взрывной способ основан на использовании заранее изготовлен­ных капсул с малыми зарядами ВВ, инициируемыми при прохождении рабочего органа и срабатывающими с некоторым запозданием непо­средственно на забое или на слиянии у забоя поступающих по отдель­ным каналам жидких горючего и окислителя, инициируемых третьим компонентом (сплав калия и натрия). Могут использоваться также пластиковые ампулы с компонентами жидкого ВВ, взрывающиеся при ударе о забой. В качестве твердых ВВ используются флегматизиро- ванные тротил и гексоген.

Малые заряды ВВ (50 г) с высокой частотой подаются по буриль­ной колонне на забой потоком промывочной жидкости. При бурении скважин диаметром 250 мм с продувкой воздухом на карьерах исполь­

зовались заряды ВВ массой до 300 г. Углубка в очень крепких породах за один взрыв составляла 40 - 80 мм, скорость бурения 30 - 40 м/ч.

Недостатками взрывного бурения являются невозможность полу­чения гладкого калиброванного ствола скважины, а также трудности очистки забоя от крупных фрагментов породы.

Магнитостракционный способ состоит в наложении на обычное шарошечное долото продольных колебаний, генерируемых системой стержней из ферромагнитной стали с частотой питающего переменно­го тока. Магнитостриктор встраивается в бурильную колонну непо­средственно над долотом. Наиболее эффективен резонансный режим, когда вынужденные электромагнитные колебания совпадают с собст­венными колебаниями совпадают с собственными колебаниями магни- тостриктора, зависящими от его длины. При благоприятном сочетании условий механическая скорость бурения по твердым породам возрас­тает в 2 - 3 раза.

Недостатками способа являются необходимость прокладки кабеля в колонне бурильных труб, большое количество теплоты, выделяю­щейся при работе магнитостриктора, и малый ресурс последнего, что связано не только с частым перегревом, но и с разрушающим конст­рукцию действием колебаний. Многолетние исследования и разработ­ки ВИТР в данном направлении не увенчались практическим внедре­нием способа.

 

15.8.2. Немеханические способы разрушения.

К немеханическим способам можно отнести ультразвуковой, электрогидравлический, непосредственно электрический, электролу­чевой и другие физические способы воздействия на горную породу. Применительно к бурению скважин они находятся в стадии лабора­торных и стендовых экспериментов.

Несмотря на успешное применение ряда новых физических спо­собов в других технологиях, они по разным причинам еще далеки от практического освоения при бурении скважин. Например, ультразву­ковой способ широко используется для изготовления алмазных филье­ров (тонких каналов в алмазе), но до сих пор не удается создать гене­ратор ультразвука достаточной для проходки скважин мощности. Электрогидравлический эффект нашел эффективное использование для дробления твердых пород на определенные фракции по крупности, но несмотря на многократные попытки еще не применяется при бурении.

Общая тенденция развития буровой технологии сводится в на­стоящее время к повышению концентрации энергии на забое (приме­нение алмазов, сверхтвердых синтетических материалов, забойных двигателей, форсированных режимов бурения). В конечном счете, са­мой удобной с буровой точки зрения формой энергии является тепло­вая, дающая возможность высокой степени концентрации ради повы­шения скоростей бурения и даже принципиальную возможность соче­

тания в одном процессе углубки и крепления скважины за счет уплотне­ния и термических преобразований окружающих пород, в частности плавления породы забоя и последующего остеклования стенок скважины.

 

15.8.3. Тепловые способы разрушения.

Горная порода - это поли- или мономинеральный агрегат, со­стоящий из зерен-монокристаллов, спаянных между собой межзерно­вым цементом. Под действием теплоты в горных породах в зависимо­сти от их пористости, влажности, структуры, текстуры, минерального и химического состава проявляются различные эффекты, способст­вующие возникновению и развитию деформаций, релаксаций напря­жений, фазовым изменениям, изменениям химического состава. К этим эффектам относятся: тепловое расширение; дегидратация (воз­гонка связанной воды); пограничные процессы в межзерновом про­странстве; внутрикристаллические явления.

Существуют три стадии теплового разрушения горных пород; разупрочнение и хрупкое разрушение, плавление, испарение. Каждая из стадий имеет свою энергоемкость.

Хрупкое разрушение происходит при интенсивном поверхност­ном нагреве породы вследствие высокого температурного градиента. Термические напряжения приводят к отколу мелких чешуек в резуль­тате разрыва межзерновых связей.

По термобуримости горные породы разделяются на легко термо- буримые, термобуримые, трудно термобуримые.

Плавление горной породы - это изменение ее агрегатного (фазо­вого) состояния.

Термический способ заключается в поверхностном разрушении за счет термических напряжений при быстром нагреве. На интенсивность разрушения большое влияние оказывают газовые и жидкостные вклю­чения; напряжения на контактах зерен полиминеральных пород за счет различий в модулях упругости и коэффициентах объемного расшире­ния; напряжения при фазовых превращениях, связанных с перестрой­кой кристаллической решетки и изменением объемов зерен отдельных минералов. Особенно важную роль играет переход кварца из а - со­стояния в р - состояние при температуре 573 °С, что сопровождается увеличением объема зерна кварца на 0,8 %. При этом возникают ло­кальные напряжения, величина которых зависит от свойств цементи­рующего материала, пористости и других факторов. Поэтому кварци­ты, песчаники и другие содержащие кварц породы относят к числу наиболее легко термобуримых.

Термический способ разрушения горных пород использовался еще до нашей эры. С XIII в. термическое разрушение стали широко применять для получения блочного камня сравнительно правильной формы [9]. Работы по термическому разрушению горных пород при

бурении скважин в нашей стране начаты с 1951 г. и ведутся рядом ор­ганизаций.

Значительное внимание уделяется огнеструйному бурению в Рос­сии, США, Канаде, Японии, Индии и других странах. В Казахском по­литехническом институте изучалась устойчивость стенок скважин, пройденных огнеструйным способом в несвязных породах. Было про­бурено 35 вертикальных скважин диаметром 120 мм, глубиной 4 - 6 м в разрезах, сложенных песками, гравием, щебнем. Скорость бурения до глубины 6 м составляла 800 м/ч. Устойчивость скважин в обвод­ненных породах превысила 8 месяцев.

В качестве рабочего органа используются горелки типа ракетных, горючего - керосин и реже бензин, окислителя - кислород и сжатый воздух. Горючее и окислитель смешиваются в камере сгорания, откуда высокотемпературные газовые струи выходят через сопла со сверхзву­ковой скоростью.

В нашей стране успешно ведутся работы по бурению неглубоких скважин различного назначения на основе ракетной техники с исполь­зованием соответствующего жидкого и твердого топлива.

Несмотря на высокую производительность, огнеструйному спо­собу бурения присущи серьезные недостатки: он применим только в горных породах, склонных к хрупкому разрушению; предъявляются повышенные требования к технике безопасности; до 45 % расходов приходится на приобретение и доставку кислорода (при использова­нии воздуха резко снижается температура газов). При отсутствии на местах кислородных заводов достаточной мощности способ нерента­белен. Поэтому в нашей стране промышленный выпуск станков огне- струйного бурения типа СБО прекращен.

Применение термического способа при бурении скважин на нефть и газ вряд ли будут иметь реальные перспективы.

Электротермическое бурение применяется в условиях Антаркти­ды для расплавления льда электронагревателями. Электротермобур приспособлен для бурения скважин во льду глубиной до 2500 м и бо­лее и диаметром до 300 мм с получением выхода керна льда до 100 %. Мощность нагревателя до 8 кВт. Снаряд имеет насос для откачки во­ды, образующееся при расплавлении льда.

Плазменный способ. Успехи физики низкотемпературной плазмы позволили разработать и создать технические средства ее генерации - плазмотроны. Под руководством А.В. Болотова разработано, изготов­лено и испытано несколько конструкций плазменных генераторов на карьере Южного горно-обогатительного комбината в Кривбассе (Ук­раина). Породы карьера по свойствам из меняются от легко разру­шающихся до небуримых. На карьере в тот период использовался большой парк станков СБО, что давало возможность сопоставить ог­невой и плазменный способы бурения.

Плазмобур состоит из медного охлаждаемого выходного электро­да с разрядной камерой переменного сечения (анод) и термохимиче­

 

ского электрода медь-цирконий (катод), разделенных изолятором, вы­полняющим роль завихрителя плазмообразующего газа (сжатого воз­духа от компрессора). Электрическая мощность плазмобура регулиро­валась в пределах 60 - 150 кВт, температура струи - 2400 - 400 К, плотность теплового потока в критической точке до 2-104 кВт/м2.

Процесс хрупкого разрушения обеспечивается сравнительного невысокими (4 - 9 • 103 кВт/м2), но сосредоточенными тепловыми по­токами. Скорость бурения плазмобуром при оптимальных для каждой породы тепловых воздействиях достигала 25 м/ч, что 2-3 раза выше, чем промышленными термобурами, использующими керосин и кисло­род. Условия бурения значительно различались, но полученные ре­зультаты характеризуют плазмобур как эффективный породоразру- шающий инструмент.

Бурение взрывных скважин димет­ром 120 - 150 мм выполнялось опытной установкой с двухструйным плазмобу­ром, вращаемым бурильной трубой. Суммарная мощность плазменных струй 400 кВт при общей потребляемой мощ­ности 800 кВт. Шлам представлен угло­ватым отдельностями размером не менее 10 мм. При глубине более-0,5 м диаметр скважины стабилизировался в пределах 120 - 150 мм в зависимости от свойств пород и скорости подачи. Скорость бу­рения гематит-магнетитовых роговиков составляла 8-10 м/ч.

Для расширения и калибровки взрывных скважин на карьерах успешно испытан плазмобур с механическим расширителем (рис. 15.14), вращаемый бурильной колонной.

Энергетические показатели плазмобура выше, чем термобура, работающего на химическом топливе, а энергоемкость разрушения породы в 2 - 3 раза ниже.

Питание плазмобура от сети невозможно из-за больших пульса­ций напряжения, что сказывается на стабильности дуги в плазмобуре. Необходим автономный источник питания большой мощности, серий­но промышленностью не выпускаемый.

Плазменный способ разрушения подачи в скважину сжатого воз­духа, т.е. применения компрессора, что в свою очередь ограничивает глубину бурения.

Лазерный способ. Одним из наиболее эффективных источников кон­центрированной энергии является оптический квантовый генератор - лазер.

Фундаментальные исследования русских физиков Н.Г.Басова и А.М.Прохорова, а также американского физика Ч. Таунса, выполнен­ные в 60-е годы, позволили сформулировать условия создания лазера.

В нашей стране разработаны технологические лазеры мощностью до 10 кВт. Наибольшие мощности достигнуты в С0₂-лазерах, исполь­зующих электрический разряд в потоке молекулярного газа, что по­зволило увеличить КПД процесса и с помощью конвективного охлаж­дения повысить уровень энерговкладов.

Уникальные свойства С0₂-лазеров, в частности возможность прямого преобразования электрической энергии в энергию когерент­ного монохроматичного излучения с КПД до 30 %, ставят их на первое место в области практического применения. Накапливаются сведения о воздействии лучистой энергии на горные породы: изменении их прочностных свойств в зависимости от минералогического состава, строения кристаллической решетки, связей между кристаллами, внут­ренних дефектов кристаллов, теплофизических констант пород, скоро­сти нагревания и других факторов.

При лазерном воздействии на горную породу происходит ее объ­емный нагрев, ослабляются слои, лежащие на несколько сантиметров ниже поверхности, и создаются благоприятные условия для малоэнер­гоемкого скола вышележащего слоя породы. Лазеры можно рацио­нально использовать для снижения сопротивляемости породы. Проч­ность пород в зависимости от их свойств и параметров нагрева может быть снижена до 2-50 раз. Наиболее эффективно воздействие лазерно­го излучения на кварц, микролин, олигоклаз, ортоклаз, т.е. горные по­роды из группы каркасовых силикатов, в которых при облучении резко снижается механическая прочность.

Предложена модель лазерной резки горных пород при бурении, связывающая такие важные технологические факторы, как глубина и скорость резки, с мощностью и радиусом лазерного луча.

По данным зарубежной научно-технической литературы, в США, ФРГ, Франции, Великобритании проявляется большой интерес к ис­пользованию лазерной технологии при бурении.

Из-за весьма малого сечения лазерного луча порода испаряется по кольцевому контуру, а в центре забоя частично разрушается за счет теплового удара. Последующее воздействие гидромонитора на остав­шийся столбик породы разрушает его полностью. Процесс проводят циклично. Шлам выносится под воздействием испарения породы и гидромониторной струи.

Патент № 4090572 (США, 1976 г.) «Способ и устройство для ла­зерного бурения скважин в горных породах», учитывая ограниченную мощность современных лазерных установок, предлагает использова­ние нескольких лазеров, симметрично расположенных относительно общего центра и работающих в пульсирующем режиме, чередующем­ся с подачей жидкости.

Имея такие достоинства, как использование дешевой электро­энергии, ее весьма высокая концентрация, малая энергоемкость про­цесса, лазерный способ разрушения горных пород при бурении имеет и существенные недостатки. Сложность и высокая стоимость рабочего органа, необходимость высококвалифицированного обслуживания. Практическое применение способа для бурения нефтяных и газовых скважин в обозримом будущем сомнительно.

Термомеханический способ разрушения горных пород при буре­нии скважин разрабатывается в нескольких вариантах: использование механической работы трения специального инструмента по забою, упомянутые выше сочетания высокотемпературного воздействия плазмы, лазерного облучения с механическим разрушением, а также комбинирование разупрочняющего высокочастотного прогрева поро­ды забоя на глубину с механическим воздействием вращающегося ин­струмента. Способ нацелен на повышение эффективности разрушения особо твердых кристаллических пород и применительно к условиям бурения нефтяных и газовых скважин в осадочных породах имеет ог­раниченное значение.

Способ контактного плавления. По буримости плавлением с од­новременным креплением все горные породы следует подразделить на две большие группы - уплотняющиеся (сыпучие, слабосвязные, рых­лые, пористые) и неуплотняющиеся (скальные, как монолитные, так и трещиноватые, раздробленные, неустойчивые, а также раскарстованные).

В первом случае процесс бурения новым способом сопровожда­ется сначала разупрочнением, снижением плотности породы в резуль­тате высушивания, выжигания органических примесей, химического разложения, а затем происходит уплотнение, спекание, обжиг и лишь частичное оплавление поверхности стенок скважины за счет наиболее легкоплавких фракций с образованием прочной и устойчивой оболочки.

Во втором случае в радиальном направлении прослеживаются три фазы термически преобразованной породы - жидкая, пластичная и кристаллическая. Две первые фазы способны залечивать узкие трещи­ны, консолидировать раздробленную породу. В монолитных скальных породах образующийся расплав не нужен для крепления стенок сква­жины, а сам процесс бурения невозможен без выдавливания с забоя жидкой фазы, ее охлаждения, перевода в шлам и принудительного удаления, что усложняет буровой инструмент и технологию бурения.

С точки зрения буримости способом плавления, помимо деления горных пород на уплотняющиеся и плотные, их следует также подраз­делить на легкоплавкие (каменная соль, сера, ряд эффузивных пород - туф, вулканическое стекло и пр.) и относительно тугоплавкие - прак­тически все остальные, но в первую очередь кварцсодержащие.

Конструкции высокотемпературных пенетраторов для бурения скважин плавлением разделяются на два основных типа: а) уплотняю­щие - для рыхлых и пористых пород; б) экструзионные (выдавливаю­щие) - для плотных пород (рис. 15.15).

Рис. 15.15. Принципиальные схемы основных типов высокотемпературных пенетраторов

I - сплошные уплотняющиие; II - сплошные экструзионные; III - кольцевые уплотняющие; IV - кольцевые экструзионные 1 - расплав горной породы; 2 - горная порода; 3 - пенетратор;

4 - остеклованный слой; 5 -керн

 

Высокотемпературные пенетраторы уплотняющего типа для бу­рения без отбора керна за счет уплотнения и термических преобразо­ваний целиком переводят всю рыхлую или пористую породу в объеме скважины в ее стенки. На рис. 15.16 схематически показана конструк­ция невращающегося бурового снаряда с высокотемпературным уп­лотняющим пенетратором, исп