Новые методы бурения

В настоящее время производится исследования следующих способов бурения:

1. Вибрационное бурение;

2. Ультразвуковое бурение;

3. Гидравлическое бурение (бурение жидкостью под давлением);

4. Бурение с помощью взрывов зарядов ВВ (взрывобурение);

5. Эрозионное гидромониторное бурение;

6. Электрогидравлическое бурение;

7. Электроимпульсное бурение;

8. Плазменное бурение;

9. Лазерное бурение;

10. Разрушение горных пород в электромагнитном поле высокой частоты.

3.3.1. Вибрационное бурение. Сущность вибрационного метода заключается в том, что при обычном вращательном способе бурения на породоразрушающий инструмент накладываются колебания определенной частоты и амплитуды, создающейся специальным вибратором.

Действие вибратора основано на эффекте центробежной силы, возникающей при вращении неуравновешенных масс (эксцентриков) на горизонтальном валу. Горизонтальные составляющие центробежной силы уравновешиваются, а вертикальные складываются и воздействуют на породоразрушающий инструмент.

Инструмент вращается с помощью специального вращателя. Процесс разрушения при вибрационном бурении носит усталостный характер, при котором под действием знакопеременной нагрузки в зоне контакта с инструментом порода разрушается более интенсивно, чем при вращательном способе бурения. Механические вибраторы создают колебания частотой 100-250Гц. Применяется в геологоразведке при бурении трубчатым инструментом по слабым горным породам с отбором керна.

3.3.2. Ультразвуковое бурение Если через катушку проволоки, намотанной на стержень, изготовленного из ферромагнитного материала, пропустить переменный ток высокой частоты, то стержень начнет сжиматься и растягиваться с такой же частотой, что и частота тока. При этом конец стержня будет излучать ультразвуковые колебания частотой 10000-20000 Гц. При бурении горной породы в зону разрушения (под стержень) подается суспензия абразивов в жидкости, а инструмент подается на забой с небольшим усилием. С помощью скоростной киносъемки установлено, что разрушение происходит вследствие забивания зерен абразивов в материал торцом инструмента. Разрушаемый материал должен быть хрупким. Скорость бурения 2- мм/мин (очень низкая), для бурения горных пород этот способ пока не перспективен.

3.3.3. Гидравлическое бурение. При этом способе разрушение горной породы осуществляется струями жидкости под большим давлением. Крепкие горные породы могут быть разрушены струей жидкости вытекающей со скоростью до 1000м/с и давлением до 5000ДаН/см²=500МПа.Сотрудники Сибирского отделения АНСССР под рук. Б.В. Войцеховского создали сверхмощный водомет со струей создающей давление 40000 ДаН/см²=4000МПа. Такая струя способна разрушить породу различной крепости. Пробивает металл толщиной до 10мм. Недостаток – цикличность (время зарядки от 0,50-1часа).

Оригинальный способ гидравлического разрушения был предложен А.П. Островским и Е.Б. Каганом. В скважину заполненную водой, подаются специальные герметические оболочки, из которых удален воздух. Встречаясь с забоем скважины, оболочки разрушаются. При этом происходит смыкание вакуумной полости, жидкость приобретает большую скорость и воздействуя на горную породу разрушает ее. По существу здесь имеет место явления кавитации.

3.3.4. Взрывобурение При взырвобурении в поток промывочной жидкости через специальное шлюзовое устройство подается ампулы ВВ состоящее из 2^х отсеков, заполненными компонентами которые порознь не взрываются. В нижней части буровой колонны имеется сужение, при прохождении которого хрупкая перегородка ампулы разрушается, ВВ смешивается и взрывается. Обычно ампулы выпускаются группами по 15-20 штук. При этом буровой став остается неподвижен, а забой скважины вследствие разрушения породы удаляется от штанги. Затем

буровая штанга опускается вниз до встречи с забоем, потом приподымается на безопасную высоту и взрывается следующая группа ампул.

При глубине скважины до 1000м частота посыла ампул на забой составляет 600-700 шт/час. Максимальная проходка за рейс инструмента – 100м. Максимальная скорость бурения – 16м/ч.

Взрывобурение может применяться и с продувкой скважины сжатым воздухом (особенно целесообразно при бурении по трещиноватым породам, где идет сильное поглощение воды или раствора).

3.3.5. Гидравлическое – абразивное бурение Способ разработан в США и прошел испытания в западном Техасе. При этом способе бурения разрушение породы происходит под действием струи жидкости, содержащей абразивные материалы (кварцевый песок, стальная дробь) в концентрации 5-15% по объему. Размер зерен абразивного материала 20-40 меш. (Обозначение меш – число квадратных отверстий, приходящихся на один линейный дюйм: 25,4 мм; шкала Тейлора, которая получила распространение в США. Применяется для характеристики сетки в США. Этот способ не дает непосредственно величины отверстия сетки, т.к. оно зависит от толщины проволоки). У нас для этого отв. сетки в мм или микр.

Скорость истечения абразивной жидкости из гидромониторных насадок должна быть не менее 200м/с при перепаде давления потока 350 ДаН/см² (35МПа)

3.3.6. Электрогидравлический способ. Предложен Л.А. Юткиным. Сущность способа заключается в том, что при высоковольтном импульсном разряде в жидкости в результате выделения значительных величин энергии в очень маленьком промежутке времени возникают и распространяются мощные ударные волны. Сила этих волн такова, что они могут разрушать горные породы, залитые жидкостью.

В скважине, заполненной водой, реализуется высоковольтный импульсный разряд. Под действием разряда в жидкости возникают и распространяются мощные ударные волны, которые и разрушают горную породу.

Скорость бурения при использовании этого способа составляет 0,5см/мин. Расход энергии на один разряд был 100кгс×м т.е 1000 Джоулей (1 Дж = 1Н×1м)

3.3.7. Электроимпульсное бурение (разработано профессором А.А. Воробьевым). При этом способе бурения скважина заполняется промывочной жидкостью, электрическая прочность которой превышает электрическую прочность породы забоя. К забою скважины прижимаются 2 электрода и подаются кратковременные электрические импульсы напряжения.

В этом случае разряд проходит через твердое тело. Электрический пробой сопровождается эффективным разрушением породы. В этом заключается принципиальное отличие между электроимпульсным и електрогидравлическим способом, где разряд проходит через жидкость.

Амплитуда импульсов достигает 250 кВ;

Емкость импульса достигает 15600 пФ;

Частота импульсов 30 Гц.

Электроимпульсный метод характеризуется малой энергоемкостью и отсутствием вращения бурового снаряда.

3.3.8. Плазменное бурение При этом способе бурения на забой скважины направляется струя холодной плазмы, имеющей температуру от4000°С до 40000°С. Источником плазмы является плазмотрон, который еще называется электродуговой плазменной горелкой. Рассмотрим принцип работы плазмотрона (см. схему).

Электрод (1) выполнен в виде стержня, электрод (5) в виде диска с отверстием (соплом). Между электродами зажигается дуга. Через канал вдоль электрической дуги со стороны первого электрода продувается газ. Проходя через столб разряда дуги газ, ионизируется, образуя плазменную струю и выходит из сопла в виде яркого светящегося факела. Охлаждается плазмотрон водой. Высокотемпературная плазменная струя используется для разрушения горной породы.

Схема плазматрона

1- электрод; 2 – канал; 3 – охлаждающая вода; 4 – столб дуги; 5 – электрод с соплом; 6 – плазменная струя; 7 – порода; 8 – источник тока.   Наибольший эффект имеет место при температуре дуги равной 4000-4500°С. Дальнейшее увеличение температуры приводит к расплавлению породы. Скорость плазменной струи до 2000м/с. Мощность плазменной горелки 150-400кВт. Напряжение питания 1600В. Скорость бурения достигнутая для этого метода 5м/ч (труднобуримые породы)

3.3.9. Разрушение горной породы в электромагнитном поле высокой частоты

1 – пластины конденсатора; 2- изоляционные прокладки; 3- блок горной породы.

Физическая сущность разрушения горной породы токами высокой частоты заключается в высокочастотном нагреве с возникновением разрушающих температурных напряжений. При высокочастотном нагреве интенсивно нагреваются только те минералы, которые поглощают электромагнитную энергию. Разные минералы нагреваются с различной скоростью, что приводит к возникновению разности температур и температурных напряжений, приводящих к нарушению сплошности горной породы.

Для разрушения этим методом электродные пластины 1,2 накладываются на спланированную площадку породы 3, к ним подключаются провода от источника высокочастотного тока. Между пластинами возникают высокочастотные электромагнитные микроволновые колебания, поглощаемые породой и разогревающие её, вследствие чего происходит процесс разрушения.

Дата добавления: 2014-10-17