Термическое бурение

Термическое бурение основано на тепловых свойствах горных пород, их теплопроводности, коэффициенте линейного и объемного расширения и теплоотдаче, характеристики которых в краткой форме представлены ранее. Там же отмечено, что породы хрупкие с низким коэффициентом Пуассона разрушаются быстрее, с меньшими удельными энергозатратами, чем породы в которых превалируют пластические деформации.
При термическом разрушении в горных породах протекают следующие процессы: тепловое расширение; нарушение кристаллической решетки; полиморфные превращения в окварцованных породах; химические превращения; изменение агрегатного состояния вплоть до плавления; изменение тепловых свойств породы; изменение прочностных характеристик.
Прочностные свойства пород с изменением температуры вначале увеличиваются, а затем - снижаются, что определяется величиной температурного градиента.
Температурный градиент зависит от величины теплового потока, т.е. количества тепла, передаваемого газовой струей в единицу времени на единицу поверхности породы:

где Qи - генерируемое количество тепла, Дж/с; F - площадь поверхности, м2.
Величина удельного теплового потока зависит от скорости струи газов и возрастает с ее увеличением, что достигается с помощью сопел Ловаля, обеспечивающих сверхзвуковые скорости, а температура ограничивается термической стойкостью материала горелки.
Горелка работает на принципе жидкостного реактивного двигателя. Высокотемпературные газовые струи образуются в результате сгорания распыленного горючего (керосин, дизтопливо и др.) в окислителе (кислород, воздух). Имеются разработки горелок ракетного типа, в которых окислителем является азотная кислота, благодаря чему резко возрастают скорости бурения - до 15-25 м/час.
В камере горелки при сжигании топлива достигается температура газов 2500-3500°С, истекающих из сопел со скоростями 1800-2200 м/с.
Разрушенная порода выносится из забоя продуктами горения и парами воды, которая подается к горелке для ее охлаждения с расходом 2-4 м3/час.
В процессе бурения для равномерного разрушения породы всего забоя штанга с горелкой вращается со скоростью 6-30 об/мин и плавно подается на забой.
Практический опыт свидетельствует, что при равных величинах удельного теплового потока q и параметрах горелок и компонентов горючей смеси скорость бурения зависит от петрографического состава пород Ψ, от линейной скорости подачи и частоты вращения термобура:

С увеличением скорости подачи термобура на забой скорость сначала растет, но после достижения максимума - падает. С увеличением частоты вращения горелки процесс разрушения породы улучшается и до некоторого предела растет скорость бурения, затем она падает, вероятно, из-за того, что по времени облучаемого участка породы не успевают достичь максимальных термических напряжений. Явление недостаточной экспозиции приложенной к породе мощности в данном случае полностью подчинено известным закономерностям.
Скорость термического бурения в зависимости от удельного теплового потока и свойств породы определяется как:

где α - коэффициент расширения;
E - модуль упругости;
с - удельная теплоемкость породы;
ρ - плотность породы;
σр - разрушающее напряжение;
v - коэффициент Пуассона.
Сущность термического бурения заключается в следующем. В камере сгорания горелки при сжигании топлива генерируется струя раскаленных газов, истекающих из сопел горелки со скоростями 1580-2200 м/с, нагревающих породу. Неравномерный нагрев породы порождает возникновение термических напряжений. Степень неравномерности прогрева породы возрастает вследствие вращения горелки, предопределяющий явление «шелушения» верхнего слоя породы. Отколовшиеся частицы выносятся из скважины парогазовой смесью, обнажая новые слои породы.
Поступательное движение штанги с горелкой способствует образованию скважины, диаметр которой зависит от скорости подачи горелки. Таким образом, управляя скоростью подачи, можно изменять диаметр скважины.
В отличие от механического способа разрушения при бурении, когда увеличение прочности пород приводит к снижению скорости внедрения, для термического бурения эффективность повышается.
Одним из вариантов термического бурения является термомеханический, когда нагрев породы совмещается с обычным механическим бурением, однако сам комплекс разрушающих инструментов достаточно сложен. Задача сводится к наложению на термические напряжения механических, в результате чего интенсифицируется разрушение. Как правило, тепловое нагружение осуществляется газовой или плазменной горелками, а механическое -шарошечным долотом.
Как известно, удельная работа термического разрушения Aт слагается из работы A0, затраченной на собственно механическое разрушение и из потерь энергии на термические преобразования в породе:

где Едеф - модуль деформации.
Уравнение показывает, что в сравнении с чисто механическим разрушением при термическом имеются дополнительные потери, связанные с коэффициентом преобразования тепла в механические напряжения, равным:

Чем выше физико-механические показатели пород Е, α и σ, тем больше коэффициент преобразования тепловой энергии в механическую.
Если выделить относительно постоянный параметр:

и сравнить оставшиеся параметры σсж, и c*p(1-2v), то можно представить уровни энергоемкости при механическом и термическом разрушении:

Следовательно, формально механический способ менее энергоемок, но фактические производственные условия делают предпочтительным бурение термическим, электротермическим и т.п. способами, что обусловлено следующими причинами:
1. Разрушение пород механическими способами возможно только весьма прочными и износостойкими рабочими органами с приложением больших усилий.
2. Механическое разрушение связано с поверхностным воздействием на породу, в результате в ней возникают силы сжатия, в отличие от немеханических способов, при которых в процессе разрушения основную роль играют растягивающие напряжения.
3. Энергоемкость разрушения пород механическими способами зависит от их прочности (прямо пропорционально квадрату прочности), в то время как при немеханических способах в ряде случаев прочность может не влиять на величину работы разрушения (при E/σсж=const). Чем больше параметры Е, σсж и α, тем выше коэффициент преобразования тепловой энергии в механическую.
Любые комбинации физических или тепловых способов разрушения при бурении с механическими имеют целью некоторое предварительное (до начала работы механического разрушающего инструмента) ослабление горных пород. К такому методу разупрочнения относят воздействие тепловым полем, что позволяет интенсифицировать собственно механическое бурение в породах средней крепости и крепких, соответственно в 1,5-10 раз. Однако крупным недостатком является то, что в поле высоких температур существенно снижается стойкость породоразрушающего инструмента.
Другим способом повышения скорости разрушения пород является способ знакопеременного воздействия, например, интенсивным охлаждением, при котором релаксация напряжений почти отсутствует. Этой проблемой занимаются на Украине А.Н. Москалев, Е.Ю. Пигида и другие, у которых имеются крупные теоретические и экспериментальные исследования. Охлаждение породы приводит к развитию в поверхностном слое напряженного состояния всестороннего растяжения и соответствующих затрат энергии. Заслуживает внимания тот факт, что охлаждение приводит к необратимому разупрочнению пород за счет трещинообразования. Имеются данные, что глубина раскрытия трещин значительно больше, чем глубина охлаждения, так как скорость раскрытия и роста трещин значительно выше, чем скорость движения холодного фронта в горную породу.
Напряженное состояние забоя скважины при интенсивном охлаждении, когда возникают растягивающие напряжения, можно представить в виде:

где E - модуль упругости; α - коэффициент линейного расширения; Т(х,т) - температурное поле на поверхности забоя с текущей координатой х и временем т.
Величина этих растягивающих напряжений зависит от перепада температур. Например, нагрев можно осуществить высокотемпературной газовой струей, а охлаждение — водой. Попеременный нагрев и охлаждение обусловливает суммарное напряженное состояние по принципу суперпозиции путем сложения одноименных компонент напряжений. Интенсивное охлаждение достигается применением азотно-воздушной струей или жидким азотом.

---