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.