Бурение горных пород контактным плавлением

 

По буримости методом плавления все горные породы можно разделить на низкотемпературные (лед, сера, каменная соль) и высокотемпературные (гранит, глина), плотные и пористые, связ­ные и рыхлые. Отдельно могут быть выделены породы мало­эффективные для бурения плавлением, при нагреве которых про­исходит выделение газообразных и тугоплавких элементов (изве­стняк, доломит).

В зависимости от способа удаления расплава из зоны забоя все разнообразные конструкции буровых устройств для плавления скважин могут быть разделены на два основных типа: уплотняю­щие— для плавления в пористых породах; экструзионные (выдав­ливающие) — для плавления в плотных породах(рис.1) . Уплот­няющие буровые устройства, расплавляя пористые породы или грунты, обеспечивают затвердевание всего расплава в уплотнен­ном и остеклованном слое на стенках скважины (керна). Для кон­тактного бурения плавлением с отбором керна должны применять­ся специальные колонковые буровые снаряды как уплотняющего, так и выдавливающего типа, конструкции которых характери­зуются наличием кольцевого нагревателя, керноприемной трубы и системы охлаждения, обеспечивающей затвердевание расплава как на стенках скважины, так и на поверхности керна.

Многие технологические процессы сопровождаются плавле­нием твердых тел при контакте с поверхностью, разогретой до тем­пературы, превышающей температуру плавления. Образующийся при этом расплав течет под действием внешней силы со стороны греющей поверхности или плавящегося образца. Такие явления сопровождают плавление в контактных плавильных аппаратах, сварку плавлением, пайку и др. Несмотря на распространенность, этот сложный многопараметровый процесс остается теоретически и экспериментально слабоизученным. Опубликованные исследования зачастую основаны на простейших балансовых соотношениях, что не позволяет учесть влияние многих важных в практических при­ложениях факторов. Экспериментальное изучение закономерностей процесса контактного плавления, его математическое моделирова­ние становятся особенно актуальными при решении различных технических проблем, возникающих в ходе новых разработок, а также при совершенствовании созданных ранее конструкций и тех­нологий. Это непосредственно относится и к новому способу буре­ния горных пород плавлением и экспериментально слабоизученным.

Исследование и разработка технических средств и технологии бурения плавлением является одним из перспективных направле­ний повышения эффективности проходки скважин в сложных гео­логических и горнотехнических условиях на основе нетрадицион­ных способов разрушения и крепления горных пород. В основе технологии бурения скважин способом плавления лежат чисто фи­зические процессы разрушения горных пород, связанные с измене­нием агрегатного состояния последних в результате интенсивного теплового воздействия в зоне забоя скважины. Процесс бурения плавлением определяется в основном температурой и теплофизическими свойствами проходимых пород и мало зависит от их меха­нических свойств. Последнее обстоятельство обусловливает уни­версальность рассматриваемого метода бурения для большинства горных пород, представляющих собой обычно полиминеральные многокомпонентные системы, преимущественно силикатного со­става (75 % земной коры по данным А. Е. Ферсмана), температур­ный интервал плавления которых находится в пределах 1200— 1700 К при атмосферном давлении. В отличие от механического бурения рассматриваемый способ с увеличением глубины сква­жины и соответствующим ростом естественной температуры по­роды повышает свою эффективность. Этот новый способ бурения скважин позволяет решать задачу поддержания устойчивости - и закрепления стенок скважины и керна непосредственно в процессе бурения путем создания за счет застывающего расплава прочного водонепроницаемого стекловидного слоя. Так как при бурении плавлением отпадает необходимость во вращательном или ко­лебательном движениях бурового инструмента, существенно сни­жаются потери энергии при передаче ее к забою, появляется воз­можность точнее выдерживать заданное направление сква­жины.

Отличительными особенностями технологии бурения плавле­нием являются высокая концентрация в зоне забоя скважины теп­ловой энергии, эффективная передача ее породам с целью обеспе­чения заданной скорости плавления, выдавливание расплава из зоны забоя, формирование на стенках скважины монолитного и прочного остеклованного слоя, удаление продуктов расплава из скважины на поверхность или в специальный шламосборник цир­кулирующей промывочной средой.

Передача тепловой энергии к поверхности забоя в общем слу­чае может осуществляться излучением, конвекцией и контактной теплопередачей. Однако необходимость использования в процессе бурения скважины жидкостной или газообразной среды с пара­метрами, определяемыми в основном требованиями очистки сква­жины от продуктов разрушения и поддержания в устойчивом состоянии ее стенок, затрудняют и ограничивают возможности ис­пользования двух первых видов теплообмена. Более широкое при­менение в настоящее время получает метод контактной передачи тепла от поверхности нагревателя к плавящейся поверхности за­боя через образующийся между ними слой жидкого расплава.

Благодаря специфическим особенностям техники и технологии бурение скважин плавлением дает принципиальную возможность реализовать следующие потенциальные преимущества.

1.Беструбное бурение скважин с помощью полуавтономных буровых снарядов на грузонесущем кабеле или шлангокабеле по­зволяет исключить трудоемкие и длительные спуско-подъемные операции, устранить потребность в громоздких и тяжелых буро­вых вышках и мачтах, повысить до 90 % КПД передачи энергии с поверхности к забою, скважины, улучшить такие важные эконо­мические показатели бурения, как трудозатраты, металлоемкость, энергоемкость и др., а также успешно решать задачи оптими­зации и комплексной автоматизации как основных, так и вспомо­гательных процессов и операций, связанных с бурением сква­жины.

2.Одновременное с бурением закрепление стенок скважины в слабосвязных и неустойчивых горных породах за счет создания прочного и непроницаемого остеклованного слоя позволяет упро­стить конструкцию скважины, резко снизить расход обсадных труб и тампонажных материалов, затраты времени и средств на тру­доемкие и дорогостоящие работы по креплению скважины обсад­ными колоннами.

3.Сохранение в процессе бурения (за остеклованным слоем) естественных фильтрационных свойств коллекторов позволяет по­высить качество опробования скважин и эффективность эксплуа­тации продуктивных горизонтов в сложных горно-геологических условиях.

4. Отсутствие в скважинах колонн обсадных труб позволяет
повысить результативность методов каротажа и скважинной гео-
физики.

На современном этапе имеется достаточно оснований считать актуальным проведение аналитических и экспериментальных ис­следований процесса бурения скважин плавлением, направленных на разработку технических средств и технологий в целях быстрей­шей практической реализации преимуществ этого нового перспек­тивного способа бурения скважин.

 

Экспериментальные исследования процесса бурения горных пород плавлением в Ленинградском горном институте

Основной целью экспериментальных исследований, начатых
на кафедре технологии и техники бурения скважин Ленинградского
горного института, является оценка возможности технической реализации и изучение основных закономерностей процесса бурения горных пород плавлением. Для достижения поставленной цели были выбраны в качестве первоочередных следующие конкретные задачи:

- создание лабораторного стенда и разработка методики экс­периментальных исследований;

-разработка конструкции, обоснование выбора нагреватель­ных элементов и конструкционных материалов, изготовление ма­кета высокотемпературного пенетратора;

-экспериментальные испытания макета высокотемпературного пенетратора на образцах и блоках горных пород с целью анализа технических и технологических параметров, определяющих эф­фективность исследуемого процесса бурения.

Разработанный в ЛГИ экспериментальный стенд размещен в специальном помещении площадью 60 м². Основная часть стенда (рис.2) смонтирована на опорной сварной раме 1 и представ­ляет собой буровой станок 2 марки БСК-2М-100 с гидравлическим регулятором подачи, наружной несущей токоподводящей трубой 8 и внутренней токогазоподводящей трубой 7 со съемным высоко­температурным пенетратором 11. Корпус 14 блока горной породы 19, оборудованный нагревательными элементами 18, покрыт теп­лоизоляционным слоем 15. Кожух 12 крепится к опорной раме при помощи четырех болтов 16; подача инертного газа (гелия) под кожух производится от блока охлаждения 6. Герметизация отвер­стия для прохода наружной трубы производится при помощи уплотнителя 10 и зажимной гайки 9. Система термодатчиков 13 устанавливается в блоке горной породы. Электрический ток к пенетратору от электрического силового блока 3 подается на токо-подводящие трубы, изолированные между собой герметичным электроизолятором, через шины, закрепляемые к специальной под­жимной гайке 5 наружной трубы и переходнику внутренней трубы при помощи болтов. Между опорной рамой и кожухом устанавли­вается уплотнительное кольцо 17.

Стенд работает следующим образом. В блок горной породы 19 устанавливаются термодатчики 13 для регистрации изменений температуры в радиальном и осевом направлениях и соединяются с самопишущим потенциометром КСП-4. Пенетратор 11 крепится внутри съемного кожуха 12 к наружной несущей токоподводящей трубе 8, закрепленной в шпинделе станка 2. Второй электрический контакт достигается при помощи нажимной гайки перемещением внутренней токогазоподводящей трубы 7 к нагревателю пенетра­тора. Кожух крепится к опорной раме 1, между ними устанавли­вается уплотнение 17. Гайкой 9 производится сжатие уплотни­теля 10. Стенд готов к работе.

Инертный газ (гелий) поступает от блока охлаждения 6 в кор­пус пенетратора по внутренней трубе 7 и в кожух. Электрический ток подается через наружную несущую и внутреннюю трубы на нагревательный элемент пенетратора. Затем в процессе нагрева и подачи гелия при помощи гидравлической системы станка соз­дается осевая нагрузка на пенетратор и включается регистратор КСП-4. Рейс бурения плавлением горной породы, как правило, ограничивается высотой блока породы. В процессе эксперимента регистрируются показания всех приборов. Для исследования за­висимости показателей бурения от температуры горной породы производится предварительный нагрев и поддержание заданной температуры блока породы при помощи электрических нагрева­тельных элементов 18.

Для экспериментальных исследований были подготовлены бло­ки горных пород из базальтов Арамусского месторождения и ту­фов Авганатурского месторождения (Армянская ССР). Для экспериментального бурения по блокам- горных пород плавлением был разработан и изготовлен в 1984 г. в Проблемной научно-исследовательской лаборатории горной теплофизики Ле­нинградского горного института с участием Государственного ин­ститута прикладной химии (ГИПХ) макет высокотемпературного пенетратора уплотняющего типа для бурения скважин сплошным забоем (рис. 3). При разработке конструкции макета пенетра­тора учитывались особые условия работы его отдельных эле­ментов.

Изучаемый процесс бурения связан с плавлением горных по­род и перегревом расплавов до температур на 200—300 °С выше температуры плавления. Надежность и эффективность работы пе­нетратора зависят от следующих основных факторов:

- прочностной и термической усталости используемых для из­готовления материалов;

-скорости воздушной и лавовой высокотемпературной корро­зии;

-расчетного срока службы нагревательного элемента.

При выборе материалов для изготовления пенетратора учиты­вались значения и характер механических напряжений в элемен­тах и деталях конструкции, рабочая температура, свойства окру­жающей пенетратор среды, допускаемая по конструктивным сооб­ражениям деформация и рациональный срок службы.

К тугоплавким материалам, из которых главным образом из­готавливаются корпус (обтекатель) и внутренние части пенетра­тора, предъявлялись следующие требования:

— жаростойкость при температурах 1230—1630°С без окис­ления, расплавления и деформации;

— достаточная механическая прочность при высоких рабочих, температурах;

— термостойкость при резких колебаниях температуры;

сопротивляемость химическим воздействиям при нормаль­ных и высоких температурах, способность не образовывать соеди­нений с расплавом пород и нагревательным элементом;

высокая теплопроводность для обеспечения максимального отвода тепла от нагревателя к породе;

низкая стоимость и технологичность изготовления изделий, различной конфигурации.

Нагревательный элемент пенетратора из жаростойкого мате­риала должен удовлетворять следующим требованиям:

-отсутствие фазовых превращений при нагреве и охлаждении в процессе эксплуатации;

-высокая температура плавления;

-высокая жаростойкость;

-высокое удельное электрическое сопротивление;

-пластичность и свариваемость.

В результате проведенного анализа свойств наиболее распро­страненных материалов для изготовления нагревательного эле­мента пенетратора был выбран пиролитический графит.

Конструктивные особенности и принцип работы высокотемпе­ратурного пенетратора уплотняющего типа для бурения без от­бора керна (см. рис. 3) заключаются в следующем. Корпус (об­текатель) пенетратора 1 изготавливается из сплава молибдена с рением (0,05 %) и служит для передачи излучаемой нагревате­лем высокотемпературной тепловой энергии горной породе или ее расплаву с минимальным температурным градиентом вдоль вер­тикальной оси. Кроме того, через корпус (обтекатель) передается усилие, уплотняющее расплав на забое и стенках скважины. На­гревательный элемент 2 изготовлен из пиролитического графита и закрепляется в корпусе пенетратора с помощью высокотемпера­турного электроизолятора 4, изготовленного из нитрида бора. С целью увеличения теплоотдачи внутренняя часть .корпуса обо­рудована графитовым экраном 3. Зазор между нагревателем-из­лучателем и приемником заполняется инертным газом (гелием). Нагреватель-излучатель изготовлен из набора ориентированных дисков, уплотненных и прижатых к торцевой внутренней части корпуса (обтекателя) пенетратора токоподводящим электродом.

В верхней части пенетратора расположен цилиндрический кри-сталлизатор-формователь 5, предназначенный для охлаждения расплава и формирования из него при застывании на стенках сква­жины плотного остеклованного слоя. В качестве материала для изготовления кристаллизатора был выбран графит, поскольку он обладает минимальной адгезией к расплаву. Кристаллизатор кре­пится с помощью гайки 7, изготовленной из вольфрама. Подача электрического тока производится по наружной токоподводящей трубе 8, изготовленной из титанового сплава, и внутренней токогазоподводящей трубе 12 из того же материала через высокотем­пературный токоподвод 6 (вольфрам). Ток от электросилового блока подается через медные шины 11, закрепленные на трубах при помощи болтов 10. Электроизолятор 14, являющийся одно­временно подвижным устройством для прижатия внутренней трубы, крепится поджимной гайкой 13.

Электрическая мощность пенетратора определялась с помощью амперметра постоянного тока со шкалой 150 А (класс точ­ности 1,5) и вольтметра постоянного тока со шкалой 250 В (класс 1,5). Параметры обогрева блока горной породы контролировались с помощью амперметра переменного тока со шкалой 20 А (класс точности 1,5) и вольтметра со шкалой 250 В (класс точности 1,5). Вес снаряда определялся с помощью электромеханического дат­чика веса и фиксировался электрическим индикатором веса, от-маркированным в ньютонах и установленным в пульте управления работой снаряда. Проходка за рейс и глубина внедрения опреде­лялись с помощью синхронно следящей системы сельсин-датчик-сельсин-приемник. Сельсин-приемник установлен на пульте управ­ления и механически связан с индикатором, оттарированньш в сантиметрах. Диаметр скважины, толщина остеклованного слоя из­мерялись с помощью штангенциркуля с ценой деления 1 мм. Время бурения определялось с помощью авиационных часов-секундо­меров.

В процессе экспериментальных исследований бурение проводи­лось по блокам базальта, туфа, монолитной каменной соли и дроб­леной поваренной соли.

Анализ полученных результатов показывает, что определяю­щими параметрами процесса бурения плавлением горных пород является реализуемая в зоне забоя тепловая мощность пенетра­тора и эффективное удаление расплава с поверхности забоя. При одной и той же мощности пенетратора скорость бурения плавле­нием в пористых и дробленых породах (туф, дробленая поварен­ная соль) значительно выше, чем в плотных (базальт, монолит­ная каменная соль). Толщина и перегрев слоя расплава в первом случае существенно меньше, чем во втором.

При увеличении осевой нагрузки на пенетратор повышается давление на слой расплава, уменьшается его толщина и увеличи­вается скорость выдавливания его из зоны забоя, что в пределах малых значений осевой нагрузки сопровождается заметным уве­личением скорости бурения плавлением.

В процессе экспериментальных исследований изучалось влия­ние технологических факторов (активной мощности пенетратора, осевой нагрузки) и конструктивных параметров (высоты, формы и материала кристаллизатора-формователя) на качество образую­щегося из застывающего на стенках скважины расплава остекло­ванного слоя.

Эксперименты по изучению зависимости качества остеклован­ного слоя от осевой нагрузки на пенетратор уплотняющего дей­ствия проводились на блоках туфа при фиксированной активной мощности пенетратора 3,5 кВт. При небольших осевых нагрузках на пенетратор (до 3 кН) давление в расплаве не обеспечивало эффективного удаления образующихся при плавлении породы га­зовых включений, поэтому в застывшем на стенке скважины остек­лованном слое сохраняются многочисленные пустоты и газовые включения. Повышение давления приводит к уменьшению разме­ров и количества пустот и газовых включений; увеличивается глу­бина проникновения расплава в трещины приствольной зоны, уменьшается толщина остеклованного слоя. Это хорошо видно на образцах проплавленных блоков туфа, представленных на рис. 4.

При осевой нагрузке на пенетратор 3 кН образуется остекло­ванный слой с полосчатой структурой и многочисленными пусто­тами и газовыми включениями (рис. 4,а); при осевой нагрузке 7 кН остеклованный слой имеет ровную поверхность, содержит мелкие, однородные по форме пустоты и включения, толщина его 2—3 мм (рис. 4,6); при осевой нагрузке 12 кН остеклованный слой однороден, без видимых пустот и газовых включений, тол­щина 1,0—1,5 мм (рис. 4,в).

В процессе экспериментальных исследований изучалась про­блема выбора материала для кристаллизатора-формователя и влияние его высоты на качество образующегося на стенках сква­жины остеклованного слоя.

Характер износа молибденового корпуса пенетратора и изго­товленного из графита кристаллизатора-формователя показан на рис. 5. Быстрый износ графитового формователя происходил при извлечении пенетратора из скважины за счет трения по шеро­ховатым стенкам остеклованного слоя.

На основании полученного опыта для повышения износостой­кости в формователе было предусмотрено чередование графитовых и молибденовых колец. Диаметр графитовых колец при темпера­турах выше застывания расплава превышает диаметр молибдено­вых колец. Это обеспечивает контакт расплава с графитом и предо­твращает адгезию расплава на поверхности последнего. При ме­нее высоких температрах, когда расплав застывает, его шеро­ховатая поверхность контактирует с поверхностью молибденовых колец, материала более твердого и подвергающегося меньшему абразивному износу.

Высота секции кристаллизатора-формователя также оказывает существенное влияние на качество образующегося остеклованного слоя. При небольшой высоте формователя выдавленный в коль­цевой зазор расплав не успевает охладиться и застыть. При даль­нейшем охлаждении и остывании выше кристаллизатора остекло­ванный слой образует шероховатую поверхность, затрудняющую последующее извлечение пенетратора, резко увеличивающую его поверхностный износ. При увеличении высоты формователя шеро­ховатость поверхности остеклованного слоя уменьшается, но зна­чительно увеличивается сопротивление со стороны остеклованного слоя при осевом перемещении пенетратора. Анализ результатов экспериментального бурения позволил в качестве оптимальной для плавления туфа пенетратором уплотняющего типа диаметром 50 мм принять высоту формователя 45 мм.

В целом результаты выполненного первого этапа эксперимен­тальных исследований подтвердили работоспособность выбранной конструкции пенетратора, показали возможность ее совершенство­вания, а также позволили оценить взаимосвязь основных техно­логических параметров процесса бурения плавлением горных по­род и наметить конкретные пути проведения дальнейших работ в этом направлении.