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 позволяетфизики.

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.