Просматривая как-то подшивку «Горного журнала» за 1862 г., я обнаружил небольшую заметку под названием «Проведение бур0′ вых скважин посредством жара», перепечатанную из немецкого журнала. Трудно удержаться, чтобы не привести документ более чем столетней давности.
— «Известно, что в горных Породах, в которых главная составная часть есть кварц, весьма трудно проводить буровые скважины, потому чго бур с трудом подвигается в них и весьма скоро сбивается. Однако, эти породы имеют то отличительное свойство, что когда в них небольшое местечко внезапно подвергнуть сильному жару, та отделяется с треском множество тонких листочков. Пользуясь этим свойством, удалось посредством паяльной трубки, действующей гремучим газом, провести в самом твердом кварцевом камне цилиндрическую буровую скважину, глубиною в 6 сантиметров, менее чем в 5 минут.
При одном опыте вместо гремучего газа употреблялась смесь водорода с воздухом, и действие оказалось гораздо более медленным, так что, возможно, сильный жар составляет здесь главное условие. Француз Дебре, которому принадлежит эта мысль, предлагает употребить этот способ при работах в туннеле под Мон-Сенисом, который должен пройти через многие кварцевые породы. Для гранита понадобится только весьма умеренный жар, так как эта порода, будучи постепенно накалена до светло-красного каления и потом медленно охлаждена, до такой степени теряет сцепление частей, что от давления руки обращается в порошок».
Нельзя сказать, что эта заметка — первое упоминание о бурении с помощью нагрева. Она лишь подтверждает инициативу наших предшественников, горных инженеров прошлого века, в поисках новых путей разрушения горных пород при бурении скважин.
Возможность разрушения горных пород нагревом нли нагревом с последующим резким охлаждением была известна еще древнему человеку. Разжигая костер на крупных камнях, а затем заливая его водою, он наблюдал растрескивание крупных каменных глыб, расколоть которые не удавалось даже сильнейшим ударом. Прием,’ найденный случайно, уже никогда не был забыт человечеством. Он использовался строителями Древнего Египта и Рима, горняками средневековья. По опубликованным данным, первый термобур был запатентован в США еще в 1853 г.
И по сей день так называемые взрывные скважины на карьерах нередко проходятся весьма необычным, так называемым огневым способом бурения. Проще говоря, скважины прожигаются точно так же, как многие из нас в детстве использовали раскаленный гвоздь для получения сквозного отверстия в очередной модели из Дерева «сверхсовременного пистолета».
Существует множество способов теплового воздействия на гор-нУю породу в скважине. Обратите внимание на перечень опубликованных или запатентованных изобретений или конструкций: электрическая дуга; электрический нагреватель; атомный, плазменный и
|
Рис. 56. Взаимодействие сфокусированного лазерного луча с горной породой (а) и схемы лазерных буровых снарядов (б):
1— лазерный луч; 2 — распределение интенсивности луча; 3 — отраженная энергия; 4 — струя газов; 5 —удаляемые пары и расплавленная порода; 6,7 — потери тепла конвекцией и излучением; 8 — зона нагрева; 9 — кристаллический илн газовый лазер; 10 — расширитель; // —линза; 12 — кабели; 13 — промывочная жидкость или газ; 14 — отражающая поверхность; 15 — нагрузка на долото; 16 — периферийная канавка, прорезанная лазерным лучом
|
электронно-лучевой буровой снаряд"; снаряды форсированного Горе ння, высокочастотные, индукционного нагрева, огнеструйные, мнкро волновые, циклические тепловые и т. д. Добавьте сюда еще кои струкцин, использующие термомеханические, т. е. комбинированные методы, и перечень возрастет втрое.
Лазерное бурение’. Сначала речь пойдет о бурении с помощью лазера. Не останавливаясь на физической сущности его работы и полагая, что она известна современному молодому человеку, достаточно пытливому и следящему за всем тем новым, чем богата мировая наука последних двух-трех десятилетий, сразу рассмотрим процесс взаимодействия лазерного излучения и горной породы.
Механизм разрушения горной породы лазерным лучом необычен, весьма разнообразен и зависит от плотности энергии импульса. При небольшой плотности поглощенное оптическое излучение вызывает нагрев породы и разрушение ее плавлением.
По лабораторным данным, лазерное излучение создает на забое скважины весьма большой всплеск температурного градиента: от 1100°С на поверхности разрушаемой горной породы до 75°С всего лишь на глубине 2,2 мм от нее. В таких условиях в горной породе возникают значительные касательные напряжения, происходит шелушение и термический скол.
Совсем иначе реагирует порода на воздействие мощного лазерного луча. Разрушение напоминает электрический пробой диэлектрика: после появления узкого канала пробоя возникает ударная волна. Порода испаряется, происходит взрывное выделение газов. В зависимости от оптических свойств разрушаемой породы взрывной канал заканчивается расширенной полостью, а в прозрачном кварце — длинным узким конусом. На рис. 56 показано взаимодействие сфокусированного лазерного луча с горной породой и схемы лазерных буровых снарядов.
Лазерный буровой инструмент не имеет механического контакта с горной породой н поэтому его износостойкость теоретически не ограничена. В этом состоит одно из главных преимуществ лазерного бурения. Оно заставляет изобретателей искать пути конструктивного оформления лазерного бура. По одному из них лазер устанавливается в нижней части бурильной колонны (рис. 56). Энергия подается от генератора, который находится в трубах внизу и вращается потоком промывочной жидкости через гидравлическую турбину.
Существующие мощности лазеров пока недостаточны для разрушения массива горной породы на всей площади забоя скважины. Поэтому конструкторы ищут обходные дороги. Так, для бурения взрывных скважин предложено лазерное устройство, в котором роЛь лазерного луча сводится лишь к подрезанию периферийной канавки по окружности скважины. Центральная часть забоя, ослабленная трещинообразованием за счет термических напряжений, разрушается обычным механическим инструментом. В других конструкциях периферийная часть скважины разрушается серией сфокусированных лучей, испускаемых лазерами, симметрично расположенными относительно продольной оси ствола.
Комбинированное лазерно-механнческое бурение более производительно, чем обычное. Снижается износ долота, так как на разрушение центральной части забоя скважины требуются значительно меньшие усилия.
Лазерное бурение шпуров или скважин глубиной несколько метров возможно вообще без помещения в скважину оптической системы. Продукты разрушения горной породы удаляются продувкой воздухом, что сохраняет оптическую прозрачность среды в при-забойной зоне.
Другим весьма существенным достоинством лазерного метода разрушения следует считать возможность работы бура без теплоносителя. Не случайно американские исследователи при .-подготовке
Операций по отбору проб на поверхности Луны в проекте «Аполлон» лервона шльно предполагали оснастить космонавтов лазерным буровым устройством. В условиях лунного вакуума термобурение без теплоносителя казалось идеальным решением проблемы. И только необходимость в образцах горных пород, не искаженных тепловым нагревом, заставила отказаться от бурения лазерным способом.
Для лазерного бурения твердость горной породы не имеет какого-либо существенного значения (решающее отличие от всех механических способов бурения). Зато приходится считаться с тугоплавкостью отдельных горных пород или минеральных включений, например графита, молибдена, асбеста и др. Кстати, все эти минералы обладают весьма низкой микротвердостью и для обычного бурения считаются легкобуримыми породами.
Плавление породы возможно и другими способами. В США опубликован проект бурового устройства с встроенным миниатюрным атомным реактором диаметром всего около 400 мм. Конструкция рассчитана на плавление породы при температуре 1250—1500 К. Стеики скважины после плавления приобретают прочность стекла,-что избавляет технологический процесс бурения от крепления ствола металлическими трубами, а также от применения в необходимых случаях утяжеленного бурового раствора.
Перечисленные преимущества имеют решающее значение в будущем сверхглубоком бурении. Так, Лос-Аламосская научная лаборатория в США, специализирующаяся на тепловом бурении, под сверхглубокими или очень глубокими скважинами понимает глубины до 160 км (!). При обычном бурении такие глубины недостижимы по многим причинам, в том числе из-за высоких температур. При термобурении повышенные температуры лишь облегчают технологический процесс.
Расплавить породу в принципе нетрудно, но при этом необходимо сохранить долото, точка плавления материала которого примерно такая же или ниже, чем у горной породы. Как в одной конструкции совместить два, казалось бы, противоположных и несовместимых требования?
Надо было создать долото, которое расплавляло бы вокруг себя все, а само сохраняло первоначальную форму и прочность. Решение искали в тугоплавких металлах типа молибдена и вольфрама. Рабочие поверхности покрывались иридием. Кроме того, была создана остроумная система водяного охлаждения в сочетании со стекло-графитовой изоляцией. При бурении избыток расплавленной породы поступал за пределы теплоизоляционного экрана, где циркулировала охлаждающая жидкость или газ. Охлажденные стеклообразные куски породы выносились из призабойной зоны. Во избежание окисления внутренние полости долота заполнялись инертным газом.
По заявлению конструкторов упомянутой лаборатории, такое долото способно непрерывно работать без подъема на поверхность многие месяцы.
Тепловые трубы. Известен еще один путь теплоотвода от рабочего термобурового органа. В 1942 г. инженер Ричард Гоглер начал поиски» более эффективных средств теплопередачи. Уже тогда новые технологические процессы, характерные для современной техники, в том числе буровой, потребовали передачи огромных тепловых потоков. Старые и проверенные средства — теплоотводы из серебра и меди — оказались не только бессильными, но и стали тормозить развитие техники: конструкции теплоотводов по размерам превышали саму машину. Теплотехников выручили так называемые тепловые трубы (ТТ), на которые Ричард Гоглер и получил патент в военные годы.
Трубы находят применение в электронике, в тепловых двигателях. Оценена их высокая перспективность и в бурении для охлаждения буровых долот. К числу задач, связанных с отводом тепла при бурении скважин с помощью тепловых труб, можно отнести, кроме охлаждения породоразрушающих инструментов, передачу тепла от тормозного шкива буровой лебедки, замораживание усть» скважины при ее строительстве в районах вечной мерзлоты и др.
Простейшая ТТ — заглушённая с обоих концов трубка, внутренняя поверхность которой выстлана пористой структурой (фитилем), например мелкой сеткой, насыщенной теплоносителем. Роль теплоносителя выполняют натрий, калий, ртуть, вода и др. На рис. 57 показана тепловая труба и ее установка в матрице алмазного долота. Труба не имеет каких-либо подвижных механических систем, проста, надежна и дешева, способна работать без участия силы тяжести и может переносить большие тепловые потоки при незначительных собственных размерах.
Тепловые трубы представляют собой герметизированную конструкцию длиной до 1,8 м, в которой жидкий теплоноситель перемещается в вакууме под действием сил поверхностного натяжения по капиллярным каналам наполнителя трубы-фитиля, отбирает тепло в зоне испарения трубы и отдает тепло в зоне конденсации паровой фазы.
Ряд положительных качеств тепловых труб делает возможным использование их для охлаждения алмазных и твердосплавных коронок при обычном бурении, например, в качестве протнво-аварийной профилактической меры для предотвращения прижога коронок, при бурении с продувкой и особенно при безнасосном разведочном бурении в условиях вакуума и т. п.
В Тюменском индустриальном институте предложена нескольк необычная тепловая труба, названная бурильной (БТТ), поскольк она предназначена для работы в особых условиях: труба коаксиаль ная, а подвод тепла, в отличие от классического случая, осущ-ствляется с торцевой части трубы.
Тепловые трубы могут быть встроены в породоразрушающи инструмент, либо в нем предусматриваются каналы для размещени фитиля и теплоносителя.
При бурении скважины тепловые трубы должны отвечать ка общим, так и специфическим, применительно к бурению, требова ниям. Общее требование — отвод необходимого количества тепл из зоны нагрева, что определяется мощностью тепловой трубы зависящей от конструкции и выбора типа теплоносителя. Полезн применение ультразвукового капиллярного эффекта, в 40—50 ра увеличивающего скорость движения жидкости по капиллярам.
Известны конструкции бесфитильных тепловых труб, так назы ваемых гладкостенных, с оптимальным заполнением, которые исклю чительно просты по устройству и дешевы. Не имея ограничений связанных с пропускной способностью фитиля, гладкостенные труб особенно перспективны для сверхглубокого бурения.
|
Рис. 57. Тепловая труба и ее установка в матрице алмазного долота.
/ — корпус трубы; 2 — фитиль; 3 — пар; 4 — обратное движение конденс;
капиллярам; 5, 7 — подвод тепла с боксв и, торца; 6 охлаждение
|
Отводить тепло от буровой коронки можно при помощи тепло вых труб, являющихся одновременно бурильными. В этом случа бурильная труба будет представлять собой две коаксиально распо доженные трубы, в межтрубном Пространстве котбрых встроен фитиль и оставлено необходимое пространство для паровой фазы теплоносителя.
Если замена коронок при бурении скважины не предусмотрена, система коронка — тепловая труба конструктивно может быть выполнена в виде единой системы, что улучшит теплопередачу. В случае использования сменных коронок, а также при удлинении тепловых труб путем последовательного их соединения тепловое сопротивление труб можно уменьшить за счет введения в конструкцию перехода от коронки к трубе и от трубы к трубе специального уплотняемого объема, заполненного жидкометаллическим теплоносителем. В теплоноситель вводятся конец тепловой трубы при свинчивании ее с коронкой или концы тепловых труб, соединяемых секциями.
Тепловые трубы снижают температуру в зоне охлаждении в
несколько раз и уменьшают чувствительность материала и кон-
струкции долота к условиям охлаждения. Это особенно важно
для долот повышенной сложности, например с герметизированными
маслонаполненными опорами, где без нормализации теплового режи-
ма смазки усложнение конструкции не оправдано, н для алмазных
долот (см. рис. 57). ,
В шарошечных долотах наиболее теплонагруженным участком, определяющим стойкость инструмента в целом, является опора и подшипниковый узел шарошек.
Результаты исследования позволяют ,надеяться на успешное использование тепловых труб в новых конструкциях долот для повышения стойкости герметизированных опор (рис. 58). В первую очередь стойкость опор возрастает за счет понижения температуры смазочной пленки. Растет вязкость смазки, и она работает значительно дольше.
С возрастанием глубины бурящейся скважины спуско-подъем-ные операции, связанные с заменой отработанного долота, занимают много времени, что обусловливает целесообразность перехода на алмазный инструмент, имеющий большую проходку на долото. Однако алмазный инструмент имеет повышенную чувствительность к условиям охлаждения. Износостойкость алмазов в значительной мере определяется их температурой, при повышении последней износ возрастает. Снижать рабочую температуру инструмента увеличением расхода промывочной жидкости невыгодно ввиду возрастания Гидравлических потерь.
Снижение температуры торца алмазных долот и бурильных головок возможно без изменения технологического режима бурения также с помощью тепловых труб.
|
Рис. 58. Охлаждение герметизированной опоры шарошечного долота тепловой трубой:
|
/ — узел принудительной
подачи смазки; 2 — теп-
‘ловая труба; 3—лапа
долота; 4 — шарошка; 5 —
опора; 6 — варианты рас-
положения тепловых труб
в поперечном сечении
цапфы — от одиночной
трубы круглого и" оваль-
ного сечения до пяти
труб . *
Выше мы показали Схему алмазного " долота с бурильной тепловой трубой (БТТ). Заранее испытанная БТТ размещается в шихте матрицы прн изготовлении последней.
Долото с тепловыми, трубами должно значительно превосходить по качеству обычное, в котором алмазы имеют пониженную прочность за счет температурных напряжений, возникающих еще в процессе изготовления долота при технологическом нагреве матрицы в пресс-форме. С целью сохранения прочности алмазов целесообразно закладывать в шихту дополнительные технологические тепловые трубы, предохраняющие от перегрева алмазосодержащий слой матрицы в процессе ее изготовления. Тепловая труба, таким образом, способна предохранить алмазное долото от перегрева не только при бурении, ио н с момента его изготовления. Это есть новое и весьма необычное применение тепловых труб.
Анализ полей изотермы и адиабат, полученных моделированием температурных полей на электропроводной бумаге с помощью интегратора, показал, что существующая температура на торце алмазного бурового инструмента может быть снижена с помощью ТТ на 100-1-200 °С. С увеличением толщины матрицы эффективность действия ТТ несколько снижается. Желательно возможно большее приближение тепловой трубы к торцу инструмента. Сказанное приводит к следующему очень простому конструктивному решению. Заранее изготовленные ТТ длиной 60—80 мм и диаметром порядка 10-М5 мм размещаются в матрице в процессе ее изготовления. Располагаются они в наименее охлаждаемых участках рабочих
секторов, с возможно большим приближением к рабочей поверхности. Их допустимое количество определяется прочностным расчетом. Размещение одной-двух таких тепловых труб в каждом рабочем секторе не приведет к существенному уменьшению прочности матрицы, однако вызовет снижение рабочей температуры, значительное уменьшение чувствительности алмазного бурового инструмента к условиям охлаждения и, как следствие, повысит его износостойкость и проходку на долото.
Интересной и сложной проблемой является тепловой режим породоразрушающего инструмента при глубине скважины 20—30 км. Уже сейчас в девятикилометровых скважинах зафиксирована температура 300°С.
Если допустить, что температура забоя на глубине 20 000 м равна 500°С, а температура промывочной жидкости составляет 60% от этой величины, долото должно охлаждаться жидкостью, имеющей температуру 300°С и находящейся под большим давлением. В этих условиях жидкость на водной основе будет находиться в сверхкритическом состоянии по давлению.
Поскольку температура забоя близка к рабочей температуре инструмента, а величина фактической площади инструмента с забоем очень мала, теплом, поступающим от забоя в инструмент за счет теплопроводности, можно пренебречь и считать главной проблемой охлаждения долота высокую температуру промывочной жидкости.
Известно, что с возрастанием температуры коэффициент теплоотдачи жидкости — увеличивается. Однако при температуре более 100°С темп увеличения теплоотдачи у воды становится незначительным. Это обстоятельство не позволяет рассчитывать на радикальное увеличение теплоотдачи и автоматическое решение таким путем проблемы охлаждения долота при сверхглубоком бурении.
Тепловые трубы в перспективе могут быть использованы в качестве теплоотводящего устройства долота при бурении сверхглубоких скважин, на забое которых температуры могут достигать 550—900°С. Такие температуры опасны для породоразрушающего инструмента или для отдельных деталей погружных скважинных устройств, применяющихся в разведочном бурении. Тепловая труба в этом случае должна быть достаточно длинной, чтобы осуществить перенос тепла в зону с пониженной температурой.
Представляет интерес исследование влияния БТТ на предельно
достижимую глубину скважины при фиксированном значении подво — ,
Димой мощности. ‘ •
При бурении без бурильной тепловой трубы с глубины 7500 До 16 000 м необходимо значительное, в несколько раз, увеличение Коэффициента теплоотдачи промывочной жидкости. "Практически
такое увеличение невозможно, поэтому приходится снижать мощ ность и скорость бурения. Оснащение инструмента короткой (по рядка 10 см) БТТ эквивалентно увеличению коэффициента тепло отдачи в 4 раза и позволяет вести бурение до глубины 17 000 Если же длину трубы увеличить до 0,5 м, нормальный темпера турный режим сохраняется до глубины 21 000 м.
По опубликованным сведениям, в США занимались разработке бура для сверхглубокого бурения на основе миниатюрного ядер ного реактора, охлаждаемого тепловыми трубами.
Тепловые_трубы обладают весьма удобным свойством — ревер сивностью, т. е. способностью менять направление теплового поток по нашему желанию. Может быть, поэтому тепловые трубы вс чаще стали называть тепловыми трансформаторами. С помощь такого трансформатора можно не только охлаждать ядерный реак тор в скважине, но и концентрировать мощный, равномерно распре деленный во все стороны тепловой ноток реактора в узкий направ ленный тепловой луч. Он и расплавит горную породу не хуже, че известный гиперболоид инженера Гарина…
Интересное применение могут найти ТТ при строительстве эксплуатации скважин в районах вечной мерзлоты. Для предотвра щеп»я растепления устья скважины в нее на глубину 20—30 ..можно спустить двухтрубное направление, содержащее внутри фрео и заканчивающееся над устьем теплообменником. В зимние месяцы с отрицательной температурой воздуха тепловая труба аккумулирует холод и замораживает пространство вокруг ствола скважины, предотвращая его растепление.
Новейшие, в том числе лазерные, методы разрушения горны пород, возможно, найдут свое первоначальное промышленное прн менение в тех областях техники, где конечный результат мало свя зывается с его стоимостными оценками: в военном деле, в космн ческих исследованиях, в сверхглубоком бурении на мантию Земл и т. п. Нередко даже непродолжительный опыт эксплуатации так" устройств приводит к серии коренных улучшений конструкции после которых ее стоимость оказывается приемлемой и для обычног гражданского применения.
8,8 км/ч. У вершины внутреннего угла платформы шарнирно крепится ферма, по которой проходит всасывающий пульповод, имеющий рыхлитель. Поворот фермы при помощи лебедок обеспечивает ширину отрабатываемой траншеи 41 м. При максимальной глубине разработки 25 м платформа возвышается над уровнем моря на 4 м. Общая мощность дизельной установки землесоса 1250 кВт, производительность по грунту 1000 м3/ч.
грунтозаборного пульповода 350 мм снаряд обеспечивал производительность 100 м3/ч. Затем был построен эрлифтный снаряд ЭрЗСВ-250/30 производительностью 250 м3/ч при глубине разработки 30 м. Снаряд выполнен с двумя грунтозаборными пульповодами диаметром 400 мм, оснащенными гидрорыхлителями. Пульпа из грунтозаборных пульповодов подается в грунтовый колодец снаряда, где освобождается от воздуха и далее транспортируется землесосом. Снаряд перемещается папиль-онажными лебедками. В настоящее время ВНИИнеруд работает над созданием серии землесосных эрлифтных снарядов, в основу конструкции которых положен — снаряд ЭрЗСВ-250/30.
