Электротермическое разрушение горных пород при бурении

Все способы разрушения пород с использованием электрической и электромагнитной энергии подразделяются на электротермические и электромагнитотермические.
Электротермические методы обусловлены нагревом породы электрическим током и последующим тепловым пробоем, или электрическим пробоем породы, при этом возможно применение постоянного тока и токов промышленной частоты, а также основанные на высокочастотных и радиоволновых методах, высокочастотного магнитного поля и т.п.
Электрический пробой по породе используют при бурении скважин Электрический способ разрушения довольно быстродействующий, и происходит за время около 10в-5 с при достижении пробивного напряжения. Разрушение эффективно в хрупких породах, где энергоемкость составляет 1,5 МДж/м3.
Разрушение породы пробоем по жидкости связано с электрогидравлическим эффектом, когда под действием пробивного напряжения за счет разряда в жидкости возникает мощная ударная волна, способная довести породу до разрушения.
Электротермические способы разрушения отличаются от чисто термических повышенной глубиной прогрева породы, которая зависит от частоты поля и электрических свойств породы.
В книге В.В. Ржевского и Г.Я. Новика рассматриваются основные параметры электротермического разрушения из условия способности пород нагреваться в электрическом поле, выражаемая показателями:

где εr - диэлектрическая проницаемость породы; δ - угол диэлектрических потерь, соотношение суммы активных и реактивных составляющих тока.
Чем меньше «в», тем эффективнее нагрев породы. Другим условием, как и при термическом бурении, является способность породы превращать тепловую энергию в механическую.
Растягивающие напряжения в не нагретой части породы оцениваться как:

где Eh - модуль упругости нагретой породы; E0 - модуль Юнга не нагретой породы.
В уравнении Eпр - приведенный модуль упругости равен:

где S - относительная площадь канала нагрева.
Мощность, необходимая для нагрева единицы объема породы до температуры ΔT, равна:

С учетом температуры разрушения Tp, равной:

мощность определяется по уравнению:

где η - коэффициент потерь мощности.
Учитывая, что удельная электропроводимость с повышением частоты тока возрастает по уравнению:

где ε0 - коэффициент пропорциональности, между силой и взаимодействующими зарядами в вакууме, удельное количество тепла пропорционально диэлектрической проницаемости:

где Eэ - напряженность электрического поля.
В этом уравнении энергетического баланса при электротермическом разрушении единицы объема породы критерий разрушаемости пород электротермическим способом представлен в виде:

По существу, чем больше Пэ.т, тем легче разрушается порода. Аналогично тому, как это сделано для термического бурения, оценим коэффициент преобразования электрической энергии в механическую.
Удельная работа разрушения пород при электротермическом воздействии равна:

где Аф.э - потери энергии при электротермическом разрушении.
Коэффициент преобразования в данном случае можно установить как:

Сравнение ηэт с тем же показателем при механическом способе, показывает, что ηэт<<1, а это значит, что напряжение определяется:

т.е. как и ранее видно, что механические способы разрушения формально выглядят предпочтительней. Однако это сравнение недостаточно, так как для электротермических способов разрушения практически отсутствует зависимость производительности разрушения от прочности породы. Иногда удельная энергоемкость для крепких и хрупких пород бывает меньше, чем для слабых, которая в целом определяется как:

где λ - теплопроводность породы;
кпл - коэффициент пластичности;
V - объем породы;
R - радиус разогретого тела;
а - температуропроводность породы;
t - время нагрева.

---