автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.14, диссертация на тему:Теоретические и экспериментальные основы бурения горных пород плавлением

МОСКОВСКИЙ ГЕОЛОГОРАЗВЕДОЧНЫЙ ИНСТИТУТ имени С.ОРДЖОНИКИДЗЕ Специализированный Совет Д 063.55.01

На правах рукописи УДК 622.243.94

ЛИТВИНЕНКО Владимир Стефанович

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ОСНОВЫ БУРЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД ПЛАВЛЕНИЕМ

Специальность 05.15.14 - "Технология и техника

геологоразведочных работ"

Автореферат диссертации на соискание учёной степени доктора технических наук

Москва

19 9 1

Работа выполнена в Ленинградском горном институте имени Г.В.Плеханова

Официальные оппоненты:

- доктор технических наук, профессор КОЗЛОВСКИЙ Е.А.

- доктор технических наук, профессор ОШКОРДИН О.В.

- доктор технических наук, профессор ЭЙГЕЛЕС P.M.

Ведущая организация - Всесоюзный научно-исследовательский

институт методики и техники разведки (ВИТР) НПО "Геотехника" Госкомгеологии РСФСР

Защита диссертации состоится "27" декабря 1991 года в 15 час. в ауд. № 3 на заседании специализированного Совета Д 063.55.01 по защите диссертаций на соискание учёной степени доктора (кандидата) наук при Московском геологоразведочном институте имени С.Орджоникидзе по адресу: 117873, Москва, ул.Миклухо-Маклая, дом 23.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГРИ.

Автореферат разослан "26" ноября 1991 года.

/

Ученый секретарь специализированного Совета, д.т.н., профессор

1. Актуальность проблемы

Бурение скважин имеет важное и часто решающее значение на различных этапах поисков и разведки месторождений, шахтного строительства и добычи полезных ископаемых. Общая тенденция развития буровой техники и технологии сводится к повышению концентрации энергии на забое за счёт все более широкого применения алмазов и синтетических сверхтвёрдых материалов, высокой частоты вращения, гидро- и пневмоударников, других забойных двигателей, форсированных режимов бурения, к механизации трудоемких операций, частичной и полной автоматизации процесса бурения. Перспективы дальнейшего существенного роста скоростей и качественных показателей сооружения скважин на основе традиционной схемы механического вращательного бурения ограничиваются предельной стойкостью породораз-рушающего инструмента, прочностью материалов бурильных труб, сложностью автоматизации спуско-подьёмных операций.

Коренное совершенствование техники и технологии бурения скважин должно базироваться на новом способе разрушения горных пород, более эффективном, чем традиционный механический способ, и эффективном не только в смысле разрушения.

Среди уже немалого в настоящее время количества принципиально возможных новых физических способов разрушения горных пород (взрывной, эрозионный, электрогидравлический, ультразвуковой, плазменный, лазерный и др.) применительно к бурению скважин наиболее перспективным и реально осуществимым представляется способ плавления за счёт контактной передачи забою теплоты от высокотемпературного пенетратора, сочетающий проходку скважины с одновременным ее креплением за счёт образования на стенках скважины прочной оболочки из уплотненной, спечённой, подверженной обжигу или остеклованной породы.

Поскольку суть научно-технического прогресса в области бурения скважин заключается в непрерывно возрастающей концентрации энергии на забое, то, в конечном счёте, следует признать самой удобной, с буровой точки зрения, формой энергии тепловую, дающую возможность в одном процессе сочетать разрушение и созидание, углубку скважины и ее крепление, т.е. обеспечивать сооружение скважины без применения стальных труб, тампонажных материалов и дополнительных затрат средств и времени, причем в любых самых неблагоприятных условиях, в частности, в рыхлых, трещиноватых, раздробленных, слабосвязных, неустойчивых породах. Способ бурения горных пород плавлением в сравнении с механическим и рядом новых физических (плазменный, лазерный и др.) способов содержит принципиальную возможность обеспечения следующих серьёзных преимуществ:

- одновременное с бурением крепление ствола скважины п рыхлых,слабосвязных, пористых или трещиноватых породах застывшим расплавом с образованием гладкой остеклованной водонепроницаемой оболочки,что упрощает конструкцию скважин, устраняет потребность в дорогостоящих обсадных трубах, экономит время на обсадку м обеспечивает экологическую чистоту;

- отсутствие необходимости в бурильных трубах за счёт применения грузоне-сущего бронированного кабеля или шлангокабеля, многократное сокращение времени на спуско-подъёмные операции, резкое снижение аварийности, существенное упрощение задачи полной автоматизации процесса бурения;

- расширение области рационального применения методов каротажа и скважин-ной геофизики и повышение достоверности измерений за счёт отсутствия экранирун>-щего действия стальных обсадных труб.

Отсутствие необходимости во вращении термобурового снаряда дает возможность отказаться от тяжелой бурильной колонны за счёт использования несущего бронированного кабеля(при проходке рыхлых и пористых пород с уплотнением) или шлангокабеля (при проходке монолитных пород с выносом застывшего расплава в виде шлама), что устраняет связанную с эксплуатацией бурильной колонны аварийность, многократно снижает приводную мощность, затраты времени на спуско-подьёмные операции и трудоёмкость буровых работ.

Принципиально важным достоинством нового способа является возрастание его потенциальных преимуществ с увеличением глубины бурения. Рост естественной температуры горных пород с глубиной открывает уникальные возможности эффективного использования способа бурения горных пород плавлением при сооружении сверхглубоких скважин, в частности, для широкомасштабного потребления глубинного тепла Земли в энергетических целях.

По существующим зарубежным оценкам ожидаемые в будущем многомиллиардные затраты на разработку и освоение способа плавления горных пород в самых различных технических и технологических целях (горное дело, сооружение тоннелей, высокоскоростных подземных коммуникаций, гидростроительство, захоронение радиоактивных и ядовитых отходов и др.) окупятся только за счёт эксплуатации глубинного тепла Земли как альтернативного источника энергии. В частности, при вдвое меньших затратах ожидается семикратное возрастание производительности буровых работ. Обоснованный расчётами научный прогноз даёт основание для следующего сравнения: если создание многоступенчатой ракеты открыло доступ в Космос, то разработка основанного на плавлении горных пород надёжного и эффективного термобурового снаряда предоставит в распоряжение человечества литосферу.

Исследования и разработки, ведущиеся в этом направлении на кафедре технологии и техники бурения скважин Ленинградского горного института основаны на почти 25-летнем опыте создания специальной термобуровой техники и технологии глубокого бурения в сплошных льдах.

Вопросы теории, техники, технологии способа бурения горных работ плавлением рассматривали в своих трудах зарубежные и отечественные ученые: А.Адаме, Д.Е.Армстронг, А.М.Гусман, Е.А.Козловский, Б.Б.Кудряшов, В.С.Маурер, Е.П.По-зельский, М.А.Пудовкин, А.Н.Саламатин, Д.Л.Симс, Г.Н.Соловьев, С.А.Фомин, В.К.Чистяков, В.А.Чугунов, Р.М.Эйгелес, Ю.Я.Эстрин и др.

Теоретические и экспериментальные разработки автора в направлении создания надёжных высокотемпературных пенетраторов и обоснования принципиальных положений технологии способа бурения горных пород плавлением, начатые в 1982 г., явились логичным продолжением многолетней научной и инженерной деятельности коллектива специалистов кафедры ТГБС ЛГИ, которыми под руководством профессора Б.Б.Кудряшова разработаны теория и методика расчёта процесса и технические средства глубокого теплового бурения во льдах, создан и внедрен в практику Советской антарктической экспедиции (САЭ) ряд термоэлектробуровых снарядов на грузонесущем кабеле (ТЭЛГА-14М, ТБЗС-152М, ТБС-112ВЧ), а также стационарный (на ст.Восток) и передвижные (в научных походах и при микробиологических исследованиях) комплексы поверхностного бурового оборудования, каждый из которых включает в себя утепленное помещение, буровую мачту, лебедку для спуско-подьём-ных операций и пульт управления с контрольно-измерительной аппаратурой.

Благодаря детальной разработке и освоению именно теплового способа бурения во льдах, многократно упрощающего организацию буровых работ, резко снижающего материальные, энергетические и трудовые затраты, в настоящее время в области бурения глубоких скважин с отбором керна в снежно-фирновых и ледовых отложениях Антарктиды, островов Северного Ледовитого океана, а также горных ледников ЛГИ занимает лидирующее положение в мире.

Реализация потенциальных преимуществ, заложенных в методе бурения горных пород плавлением, на что направлены выполненные в настоящей работе исследования, является актуальной задачей для совершенствования технологии и техники геологоразведочных работ.

Исследования и разработки выполнялись на кафедре Т1БС и в Отделе антарктических исследований Проблемной научно-исследовательской лаборатории горной теплофизики ЛГИ в соответствии с Общесоюзной комплексной программой "Мировой океан" (подпрограмма "Антарктика"), постановлениями ГКНТ СССР № 365 от 27.07. 1983г. и 1Р 194 от 24.06.1985г., по заказ-нарядам Госкомитета РСФСР по делам

науки и высшей школы № 83 на 1989-1990 гг. и 1Р 19 на 1991-1993гг. и по договору о содружестве с ВНИИ методики и техники разведки (ВИР) НПО "Геотехника" по теме "Исследовать возможности использования для бурения скважин принципиально новых методов разрушения горных пород", утвержденной решением коллегии Мингео СССР И5 54-2 от 04.12.80 г. Кроме того, часть исследований выполнена по заказу зарубежных фирм на контрактной основе.

2. Основная идея работы - изучить механизм разрушения горной породи с одновременным ее уплотнением и оплавлением образующейся поверхности за счёт контактной передачи теплоты от высокотемпературного пенетратора и разработать принципиально новые предложения по технике и технологии проходки и беструбного крепления скважин в осложненных условиях.

3. Методика исследований. Использованные методы исследований можно характеризовать как сочетание математического и расчётного анализа с экспериментами в стендовых и испытаниями в полевых условиях. Носящие комплексный характер исследования включали:

3.1. Критический анализ и обобщение имеющихся за рубежом и в нашей стране теоретических и опытных данных по изучению закономерностей процесса бурения гор ных пород плавлением, в частности, рыхлых горных пород с одновременным их уплот нением, спеканием и оплавлением стенок скважин, по разработке, изготовлению и использованию высокотемпературных пенетраторов, выбору жаропрочных конструкционных материалов, методам и средствам обеспечения надежности и долговечности пенетраторов и термобурового снаряда, методике крепления слабосвязных, рыхлых

и трещиноватых скальных пород, по основам технологии бурения скважин плавлением.

3.2. Математический анализ теплообменных и гидродинамических явлений, сопровождающих процесс бурения горных пород плавлением, разработку на базе • ряда обоснованных допущений приближенной теории процесса, учитывающей совместное проявление всех основных определяющих факторов: конструктивных особенностей и формы высокотемпературного пенетратора уплотняющего типа, физических свойств и температуры горной породы и расплава, технологических параметров режима бурения, т.е. активной тепловой мощности пенетратора и осевой нагрузки.

3.3. Разработку, изготовление и оснащение контрольно-измерительной аппаратурой лабораторных стендов по бурению плавлением в блоках горных пород, по исследованию влияния формы пенетратора на эффективность процесса бурения, по изучению закономерностей высокотемпературных преобразований горных пород и механизма крепления трещиноватых пород застывающим расплавом, в частности, относительно легкоплавкого тампонажного материала. Обоснование методики эксперимен-

тапьных исследований на основе современной теории планирования экспериментов, их выполнение и статистическую обработку результатов.

3.4. Подбор и сравнительные испытания жаропрочных материалов, разработку конструкций, изготовление опытных образцов высокотемпературных пенетраторов уплотняющего типа и термобурового снаряда, их испытания в стендовых и полевых условиях.

3.5. Разработку инженерной методики расчётов и программ для ЭВМ по проектированию рациональных конструкций пенетраторов, технологических параметров режима бурения горных пород плавлением и крепления трещиноватых пород легкоплавкими тампонажными материалами.

3.6. Расчётный анализ процесса бурения горных пород плавлением,сопоставление расчётных данных с опытными и формулирование на этой основе требований к конструкции пенетраторов и технологии бурения.

3.7. Теоретическое обоснование расчётных зависимостей и расчёты на ЭВМ процесса теплообмена постоянного высокотемпературного теплового источника, заключенного в жаропрочную оболочку, с окружающим горным массивом. Выявление условий, обеспечивающих предупреждение плавления пород массива, и формулирование на этой основе технических рекомендаций по безопасному захоронению высокотемпературных тепловых источников.

При расчётном анализе и статистической обработке опытных данных использовались ЭВМ ЕС-1035, IBM PC/AT и совместимая с последней Искра-1030. При экспериментах использовались осциллографирование, пирометрия, электрические, гидравлические и механические методы измерения.

41 Научная новизна результатов состоит:

- в теоретическом обосновании и экспериментальном подтверждении зависимости скорости бурения горных пород плавлением как результата совместного проявления сложных теплообменных и гидродинамических процессов от основных определяющих факторов: активной тепловой мощности пенетратора, его конструктивных параметров, осевой нагрузки, теплофизических свойств и температуры горной породы и ее расплава;

- в аналитическом и экспериментальном изучении механизма и установлении закономерностей крепления стенок скважины, заключающихся во взаимосвязи плотности и прочности образующейся оболочки с параметрами режима бурения и физическими свойствами породы или легкоплавкого тампонажного материала.

5. Практическая ценность и реализация работы

Разработана методика инженерных расчётов и программы для ЭВМ по проектированию эффективных конструкций высокотемпературных пенетраторов уплотняющего типа в зависимости от назначения, габаритов и мощности, по обоснованию рацио- 7 -

напьных технологических параметров режима бурения в конкретных условиях.

На основании подбора и сравнительных испытаний теплофизических свойств рекомендован к применению ряд новых высокожаропрочных конструкционных материалов, позволяющих при изготовлении пенетраторов обеспечить их надёжность и долговечность без трудоемкого и дорогостоящего заполнения внутренних полостей инерп ным газом (гелий, азот и пр.).

Разработан, изготовлен и успешно испытан ряд типоразмеров моделей высокотемпературных пенетраторов, на основании чего даны рекомендации по их конструированию, технологии изготовления и эксплуатации в конкретных условиях.

Разработан, изготовлен и успешно испытан в реальных полевых условиях макет термобурового снаряда с высокотемпературным пенетратором уплотняющего типа. Дань рекомендации по конструированию технологии изготовления и рациональной эксплуата ции термобуровых снарядов с помощью серийных буровых станков при проходке неглубоких скважин в осложненных условиях с одновременным эконлогически чистым беструбным креплением.

Обоснован способ, разработаны технические средства и даны практические рекомендации по надёжному креплению зон тектонических нарушений, изоляции поглощающих горизонтов с помощью легкоплавких тампонажных материалов.

Разработана методика расчётов и программа для ЭВМ по уравнению процессом плавления горной породы, сформулированы технические и технологические рекомендации по безопасному захоронению высокотемпературных тепловых источников в горном массиве.

Разработки выполнены на уровне изобретений.

Методика расчёта процесса бурения скважин плавлением, рекомендации по технике и технологии способа, а также безопасному захоронению высокотемператур-.: них тепловых источников приобретены для реализации зарубежными фирмами на контрактной основе на общую сумму 78 тысяч долларов США.

6. Обсуждение работы. Основные результаты исследований и разработок докладывались на научных семинарах кафедры технологии и техники бурения скважин ЛГИ, на научно-техническом совете ВИ1Р НПО "Геотехника" Госкомгеологии РСФСР, технических советах Ленстройкорпорации, четвёртой и пятой Всесоюзной научно-технической конференции "Разрушение горных пород при бурении скважин" (г.Уфа, 1986,199гг.), на УП Международном конгрессе по маркшейдерскому делу (Ленинград, 1988г.), на Международном семинаре по бурению во льдах с отбором керна (Гренобль, 1988г.), на Международном симпозиуме по бурению разведочных скважин в осложненных условиях (Ленинград,1989г.), на I Международном" симпозиуме по горному делу в Арктике (Фэрбенкс,1989г.) на Международном конгрессе по инженергой гео- ' 8 -

логии (ТУрин,1989г.), на УП Международном конгрессе по механике горных пород (Аахен, 1991г.), на УШ Международном конгрессе по маркшейдерскому делу (Лексингтон, 1991г.), а также на ежегодных научно-технических конференциях преподавателей и сотрудников ЛГИ в 1983-1991 гг.

Публикации. Основное содержание работы опубликовано в одной монографии, 19 статьях и докладах, 2 авторских свидетельствах и одном положительном решении ка изобретения.

Объём и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 7-ми глав, общих выводов и рекомендаций, списка использованной литературы и приложений. Список использованной литературы содержит 102 отечественных и 43 зарубежных источника.

Во Введении даётся общая характеристика работы, обосновывается актуальность проблемы, научная новизна и практическая ценность результатов, приводятся описание методики исследований и основные защищаемые положения.

В главе 1 приводится критический анализ способов разрушения горных пород при бурении скважин, обосновывается целесообразность исследований и разработок по бурению горных пород контактным плавлением, формулируются цель и задачи исследований.

В. главе 2 изложены результаты аналитических исследований процесса бурения горных пород плавлением.

Глава 3 посвящена расчётному анализу и экспериментальным исследованиям закономерностей процесса бурения горных пород плавлением в стендовых условиях.

Глава 4 содержит результаты исследований и разработок технических средств бурения горных пород плавлением - высокотемпературных пенетраторов уплотняющего типа, электротермобурового снаряда, их испытаний в стендовых и полевых условиях.

В главе 5 описаны результаты исследований высокотемпературных преобразований горных пород и механизма крепления стенок скважины застывающим расплавом породы и легкоплавких тампонажных материалов.

Глава 6 посвящена основам технологии бурения рыхлых горных пород с уплотнением и оплавлением стенок скважины, обоснованию рациональной области применения способа на современном этапе развития, дается экономическая оценка его возможностей.

В главе 7 аналитическим и расчётным путём исследуется управление процессом плавления и обосновываются условия безопасного захоронения высокотемпературных тепловых источников в горном массиве.

В заключение приводятся общие выводы и рекомендации.

1. Бурение горных пород плавлением является результатом совместного действия сложных механических, теплообменных и гидродинамических явлений, полное и точное теоретическое описание которых представляет серьёзные математические трудности. Разработанная аналитическим путём на основе ряда упрощающих допущений математическая модель процесса бурения плавлением не противоречит физике явлений и с достаточной для практики точностью связывает . между собой все основные определяющие факторы; геометрические параметры пенетратора, его активную тепловую мощность, осевую нагрузку, теплофизические свойства и температуру горных пород и расплава.

В качестве внешней формы высокотемпературного пенетратора принято тело вращения цепной линии вокруг её вертикальной оси, что при постоянном диаметре верхнего торца позволяет в широких пределах варьировать высоту корпуса пенетратора, сохраняя в любом случае плавный переход в цилиндрическую форму в верхней части, необходимую для формирования оплавленных стенок скважины, размещать в корпусе достаточно длинный и мощный источник тепловой энергии в виде элемента электросопротивления цилиндрической формы и существенно облегчает математические построения, связанные с учётом гидравлических потерь давления при вццавли-вании расплава.

Корпус пенетратора с расположенным внутри жаропрочным электросопротивлением рассматривается как тело с равномерно распределенным тепловым источником, а процесс бурения плавлением - при установившемся режиме,верхний конец пенетратора теплоизолирован и в теплообмене не участвует. Теплофизические свойства полиминеральной горной породы и её расплава характеризуются средними значениями соответствующих параметров, а вязкость расплава - при средней температуре, что соответствует общепринятым в горной теплофизике допущениям.

Аналитически рассматривается двухмерная тепловая задача в постанойке, упрощенной с помощью принципа элементарной суперпозиции, в соответствии с которым реальный пенетратор представлен в виде эквивалентного по объему V цилиндра радиусом Я , равным радиусу верхнего торца пенетратора, и высотой

менностью теплового воздействия пенетратора на стенки скважины определяется как одномерный тепловой поток в полуограниченное тело.

В рамках принятых допущений для теплового баланса при установившемся режиме справедливо уравнение

Радиальное рассеивание теплоты в массиве в связи с кратковре-

Ма=0(+а2+0з+0ч,

(1 >

где N(3 - активная тепловая мощность пенетратора; - тепловой поток на перегрев окружающего пенетратор расплава (с учётом оплавления стенок скважины);

О^^+^ЧРР^ТогрК; (? >

02 - тепловой поток на плавление горной породы,

02 = 5/-(1Н2<?)2УрпУ ; (3)

тепловой поток на прогрев породы впереди забоя от ее естественной температуры в массиве до температуры плавления, который в соответствии с теорией движущегося теплового источника в условиях установившегося режима может быть выражен зависимостью

а3=5Г(Я+2(У)Сп^(Тагр-1)тг; (4)

()ц - тепловой поток на радиальное рассеивание в окружающем пенетратор массиве _■_._

0Ч = Ч(^<ПУ5ГЛпСлрЛи' (тагр~тп). ( 5 )

Решая тепловой баланс (1) относительно средней температуры поверхности пенетратора, получаем уравнение

2(Ма-(Ь-0,-0«,) " (

Г" 1агР 5Г(Я+26)2 Ср^рТГ

в правую часть которого входят неизвестные V и §

Для теплового потока от общей рабочей поверхности реального пенетратора (-" в окружающий массив через слой расплава толщиной 5 справедливо также

0 = Р-^(1-ТагР), Ь)

на основании чего с помощью суммы (З2 > 0 3 и (Зц получаем второе уравнение

для средней температуры поверхности пенетратора

1"Тогр+--' (8)

с теми же неизвестными V и 8

Интегрируя дифференциальное уравнение для распределения суммарного (гидродинамического и гидростатического) давления расплава в переменном по сечению кольцевом канале вдоль поверхности пенетратора в форме тела вращения цепной линии,

р о о

получаем выражение для максимального давления расплава в нижней точке под пене-тратором и, принимая в порядке первого приближения его половинное значение, находим выражение для средней толщины слоя расплава

~2 V 2[2р-дрР6(сь|-1)]

в правую часть которого также входит скорость бурения ' V

Имея три уравнения с тремя неизвестными 1/ , Ь , 8 , приравниваем (6) и (8), раскрываем входящие в них тепловые потоки 0 2 , , и, решая относительно V , получаем приближенное аналитическое выражение для скорости бурения плавлением в виде трансцендентного уравнения

8Г((Н25)26

Ма___1

№2г)г(ЧЧСпдТ )рпи+ЧМ)^Т5ГЛпСпрпНч1Г

( ю )

где 5 выражается, в свою очередь, зависимость« (9).

Входящий в правую часть выражения (9) коэффициент гидравлического сопротивления в условиях ламинарного движения расплава также зависит от скорости бурения плавлением, что выражается зависимостью

А =192 -рцг. (и)

В последних выражениях: \Г - скорость бурения плавлением, м/с; Р - общая рабочая поверхность пенетратора, м2; 01 р - коэффициент температуропроводности расплава, мг/с; К - радиус верхнего торца пенетратора,м; N5 - активная мощность пенетратора, Вт; Ч* - удельная теплота плавления породы, Дж/кг;

Сп - удельная массовая теплоемкость породы, Дж/(кг,0С); дТ - разность между температурой плавления и естественной температурой породы, °С; Хп - коэффициент теплопроводности породы, Вт/(м-°С); и рр - плотность породы и расплава соответственно, кг/м'; Нц - высота эквивалентного цилиндра, м; А - коэффициент гидравлического сопротивления при движении расплава; 6 - параметр цепной линии, м; р - удельная осевая нагрузка, Па; () - ускорение свободного падения, м/с2; >) - кинематическая вязкость расплава при средней температуре, м2/с.

Система уравнений (9) и (10) является приближенным аналитическим решением задачи о скорости бурения плавлением без отбора керна. Подставив (11) и(9) в (10) можно получить трансцендентное уравнение для скорости бурения плавлением 1Г .

Уравнение (10) с учётом (9) и (11) с помощью простейшей ЭВМ позволяет вычислить методом последовательных приближений (итераций) значение скорости бурения плавлением ЧГ для конкретных условий с учётом всех определяющих геологических, конструктивнее и технологических факторов.

В рассмотренных теоретических построениях наибольшее сомнение может вызывать достоверность приближенного учёта теплоты, рассеивающейся в окружающем массиве, тем более, что суммарный тепловой поток на подогрев породы от ее естественной температуры до температуры плавления впереди движущегося забоя и на рассеивание в окружающем массиве в радиальном направлении ({^ составляют наибольшую долю в общем тепловом балансе (1). Анализ теолофизических свойств основных типов горных пород показывает, что более 70% тепловой мощности приходится на их прогрев в массиве до температуры плавления, менее 20% - на собственно плавление и менее 10% на перегрев образующегося расплава.

Максимальная возможная погрешность в теплотехнических расчётах процесса связана с определением суммарного теплового потока не только на полезный прогрев расплавляемого объема горной породы, но и на бесполезное радиальное рассеивание в массив через боковую поверхность призабойной зоны скважины за счёт теплопроводности пород. Его точное определение представляет значительную трудность, так как требует решения двухмерной нестационарной задачи теплопроводности, которая при наличии фазового перехода на свободной границе становится существенно нелинейной.

Суммарный тепловой поток на рассеивание в массиве (без учёта оплавления стенок скважины) можно представить в виде

0'= КЛ^)Г Яг рп (ТаГр -Тп) 1Г, (12)

где Кд - безразмерный коэффициент, учитывающий дополнительный прогрев окружающего пенетратор массива (за пределами фронта плавления горной породы).

Для коэффициента Кд на основе точного решения с помощью логарифмической аппроксимации получено (Казанский госуниверситет) расчётное выражение

. _ _16В } < 13 >

А~ еп[п+чв)2(1 + 8В)]

где 5 = 0 пН/ ( К2 V) ~ безразмерный параметр.

- 13 -

Имея аналитическое выражение для К д , можно оценить достоверность полученного приближенного решения. Представим суммарный тепловой поток с помощью приближенных выражений (3) и (4) также без учёта оплавления стенок скважины ( 8 - 0) в виде

сп УНляЛ*) (Тагр ~тп)

( 14 )

Яг

Несмотря на то, что формула (12) в сочетании с выражением (13) для Кд > полученным аппроксимацией точного решения, не может рассматриваться как эталон, проведено сравнение с ней расчётный путём заведомо приближенной формулы (14).

Расчёты количества теплоты, рассеивающейся в единицу времени в окружающем массиве, произведены для случая бурения плавлением по .базальту при следующих исходных данных: Я = 0,025 м; ТаГр = 1200°С; Тп = 20°С; рп = 2,6-Ю3 кг/м3;

Сп = 1,05-Ю3 Дж/(кг-°С); Ал «= 1,8 Вт/м*°С) применительно к пенетратору диаметром 50 ж и реальной высотой 25,50,75 и 100 мм при разных значениях скорости бурения плавлением как функции активной мощности пенетратора N0 . Необходимые при расчётах значения высоты эквивалентного цилиндра для различных значений реальной высоты пенетратора определялись с помощью соотношения Нц=\У(9ГЯ*). Результаты расчетов сведены в табл.1 и частично представлены графически на рис.1, анализ которых показывает прежде всего весьма близкое совпадение расчётов по формулам (12) и (14). В большинстве случаев расхождение не превышает - 5%, а при реаль-.ной высоте пенетратора Н , равной диаметру и превышающей его,и близких к реальным скоростях бурения плавлением порядка 2 м/ч можно говорить о полном совпадении. Тот факт, что при малых скоростях бурения плавлением (как функции .активной мощности) превышение расчётных значений рассеивающейся в массиве теплоты по формуле (12) в сравнении с формулой (14) возрастает с увеличением высоты пенетратора Н , говорит в пользу последней, как и сам характер графиков на рис.1. Это можно объяснить более грубой приближенностью логарифмической аппроксимации точной зависимости в области малых значений 1Г и больших значений Н , чем полученное приближенное решение. Уравнение (10) с учётом (9) и (11) с доста-

2

ап

< £ е ю и.ю">*л 1,41 ?.)£ ?.ез 16 и.ч/ч

Рис.1. Расчётные зависимости количества теплоты,рассеивающейся в единицу времени в окружающем пенетратор массиве от скорости бурения плавлением при Н = 0 025 м (I) и Ц = точной для практики точностью связывает между со-

= 0,1 м (II). 1 — по ф-ле (12),бой все основные природные, конструктивные и тех-2 - по ф-ле (14)

нологические факторы, определяющие процесс бурения горных пород плавлением, и положено в основу разработки инженерной методики расчётов.

Таблица 1. Расчётные значения количества теплоты, рассеивающейся в единицу времени в окружающем пенетратор массиве, Вт

Высота пенетрато- Формула Скорость бурения плавлением, м/ч

ра, H ,м 0,36 0,72 1,08 1,44 1,80 2,16 2,52 2,86 3,24 3,60

( 12 ) 1037 1708 2353 2985 3637 4251 4915 5516 6171 6806

0,025 ( 14 ) 900 1643 2359 3062 3757 4445 5130 5810 6486 7161

(Q-Q')/Q' -13,2 -3,8 +0,3 +2,6 +3,3 +4,6 +4,4 +5,3 +5,1 +5,2

( 12 ) 1360 2075 2751 3416 4048 4706 5357 5971 6604 7274

0,050 ( 14 ) 1024 1818 2574 3311 4034 4748 5457 6160 6858 7554

(Q"-Q')/CT -24,7 -12,7 -6,4 -3,1 -0,3 +0,9 +1,9 +3,2 +3,8 +3,8

( 12 ) 1651 2404 3112 3795 4459 5123 5756 6426 7059 7717

0,75 ( 14 ) 1122 1957 2744 3507 4254 4990 5717 6437 7153 7864

(Q'-QW -32,0 -18,6-11,6 -7,6 -4,6 -2,6 -0,7 10,2 +1,3 +1,9

( 12 ) 1923 2720 3454 4213 4838 5503 6154 6831 7457 8096

0,100 ( 14 ) 1206 2075 2889 3675 4442 5196 5939 6676 7405 8130

( Q"-Q')/Q' -37,3-23,7-16,4-12,8 -8,2 -5,6 -3,5 -2,3 -0,7 +0,4

2. Главными технологическими параметрами процесса бурения горных пород плавлением являются активная тепловая мощность пенетратора и осевая нагрузка, которая в рыхлых и пористых породах играет определяющую роль, а"в монолитных скальных породах существенно сказывается лишь при малых её значениях, в связи с чем в последнем случае не может рассматриваться как серьёзный резерв повышения эффективности бурения плавлением.

Экспериментальные исследования закономерностей процесса выполнялись на стенде при бурении макетами пенетраторов по блокам естественных и искусственно приготовленных пород (туф, базальт, монолитная каменная-и россыпная поваренная соль, песок, супесь, суглинок, гранитная крошка, газобетон) в объеме 42,5 м.

Из анализа уравнения (10) и расчётов на ЭВМ следует, что скорость бурения плавлением при постоянной осевой нагрузке практически прямо пропорциональна тепловой мощности пенетратора. Заметное в экспериментах (рис.2) снижение темпа

I—

IT,и/ч 5

J.

y.

2 4 6 8 J/Z, кВт

Рис.2. Опытные значения зависимости скорости бурения плавлением от активной мощности пенетратора 50 мм, Н = 75 мм) при осевой нагрузке С = 5,0 кН по различным породам Х - базальт; о- соль; д- туф

0

if, и/ч

г 4 б е ю . 12

Рис.3. Опытные значения зависимости скорости бурения плавлением от осевой нагрузки на пенетратор ¡/ 50 мм, Н = 75 мм при активной мощности $а. = 5,0 кВт по различным породам Х- базальт; О- соль монолитная (галит); д- туф; о- соль россыпная.

1R

прироста скорости бурения с увеличением мощности пенетратора объясняется возрастающим с ростом мощности оттоком теплоты по бурильной колонне.

Закономерности процесса бурения в мягких, рыхлых породах во многом аналогичны процессу бурения задавливанием, и, как показали выпаолненные эксперименты, производительность бурения в целом ряде распространенных слабосвязных пород (песок, супесь,дресва и др.) может быть даже повышена за счёт применения цилиндрического высокотемпературного пенетратора с холодным приостренным концом. Главными особенностями процесса (в отличие от бурения задавливанием) являются высушивание породы при температуре 400-450 К в процессе уплотнения, дегидратация (возгонка связанной воды при температуре порядка 700 К), выгорание органических примесей, диссоциация с выделением газообразной фазы (например, карбонатов при температуре выше 900 К с выделением СОг), спекание, обжиг или оплавление стенок скважины с многократным повышением прочности и снижением фильтрационных свойств. По указанным причинам, в частности, за счёт снижения первоначального объема породы, процесс бурения рыхлых горных пород с применением высокотемпературного пенетратора существенно эффективнее процесса задавливания тем более, что при температурах выше 900 К практически во всех породах преобладает разупрочняющий эффект термонапряжений. Явление упрочнения при начальных фазах нагрева характерно лишь для плотных мелкозернистых пород. Повышение температуры, как правило, способствует пластичному характеру разрушения пород.

Теоретическое описание процесса бурения рыхлых пород плавлением с одновременным уплотнением в связи с необходимостью учёта сложных механических,изоморфных и химических превращений представляет значительные трудности и является задачей дальнейших исследований. В самой общей форме среднюю плотность видоизмененной породы в стенках скважины можно оценить с помощью зависимости

pncP = ^rPn(i-Wn-Wn/-E), (15)

где ПСР ~ средняя плотность породы в зоне измененного состояния, кг/м3; -- внешний радиус зоны измененного состояния породы в стенках скважины,M;Wn -массовая гравитационная влажность породы, кг/кг; Wft - массовая связанная влажность породы, кг/кг; Е - массовое содержание в породе летучих компонентов при соответствующей температуре, кг/кг.

На основе математического и расчётного анализа, экспериментов в стендовых условиях показано, что осевая нагрузка при бурении плавлением является важнейшим фактором, определяющим собой качество формируемой на стенках скважины остеклованной оболочки, причем не только в рыхлых, по и во вполне монолитных по-

родах. В частности, если процесс плавления породы связан с выделением газовой фазы, образующаяся при застывании расплава пористая остеклованная оболочка обладает пониженной прочностью. Снижение или устранение пористости достигается либо за счёт одного только увеличения осевой нагрузки С , либо в сочетании с сознательным увеличением высоты высокотемпературного пенетратора, что за счёт возрастания гидравлических сопротивлений ведёт к повышению давления в слое расплава до предела, исключающего выделение газовой фазы. Количественная связь между этими характеристиками процесса установлена с помощью уравнения (10) с учётом (9) и (И).

При бурении плавлением во вполне монолитных породах, когда можно в полной мере пренебречь фактором уплотнения породы, осевая нагрузка на пенетратор оказывает существенное влияние на скорость бурения лишь при относительно малых значениях, обеспечивающих удельное давление до 2+3 МПа, но в тем большей мере, чем выше мощность пенетратора.

Из теоретических соображений следует, что скорость бурения плавлением в общем случае пропорциональна корню третьей степени из удельной осевой нагрузки

где для конкретных условий А = СОГ^

С увеличением осевой нагрузки снижается толщина слоя расплава под пене-тратором. Но возрастающая при этом за счёт лучшей теплопередачи скорость бурения плавлением вызывает увеличение количества расплава в единицу времени, что в условиях суженного канала ведет к резкому увеличению гидравлических потерь давления, в силу чего как экспериментальные (см.рис.3), так и расчётные кривые

1Г = ^ (С ) быстро выполаживаются. Графики на рис.3 показывают, что вне зависимости от типа породы, кроме россыпной соли, увеличение осевой нагрузки выше С = 6-8 кН (или удельного давления р = 3-4 МПа) не имеет смысла.

Установленные факты нельзя отнести к недостаткам способа бурения горных пород плавлением, поскольку отсутствие необходимости в высоких осевых нагрузках даёт возможность эффективного бурения глубоких скважин на грузонесущем кабеле или шлангокабеле.

3. Принципиальной основой конструкции высокотемпературного пенетратора уплотняющего типа является сочетание высокой механической прочности, теплопроводности и жаростойкости корпуса с большим по физическому объему, мощным и стойким против окисления источником тепловой энергии в виде нагревателя электросопротивления. При этом степень обтекаемости внешней формы корпуса пенетратора играет второстепенную роль, но существует оптимальное отношение высоты рабочей части пенетратора к его максимальному диаметру.

Исключительно сложные условия работы высокотемпературного пенетратора с нагревателем электросопротивления при бурении горшх пород плавлением предъявляют весьма жесткие требования к конструкционным материалам и их комбинациям, которые могут бить удовлетворены только на основе использования новейших достижений металлургии и материаловедения.

Предпринимавшиеся ранее в нашей стране попытки экспериментального бурения горных пород плавлением потерпели неудачу по причине быстрого выхода из строя опытных пенетраторов в силу малой жаропрочности использованных материалов. Успех американских специалистов объясняется повышенным вниманием.к выбору материалов и обеспечению условий устранения или замедления процессов да окисления при высоких температурах.

Вопрос о рациональной внешней форме пенетратора нельзя рассматривать в отрыве от его размеров, возможностей размещения в его корпусе достаточно мощного нагревателя и обеспечения условий его безотказной работы. Имеющиеся и выполненные в настоящей работе теоретические оценки сравнительных преимуществ различных форм пенетраторов не позволяют получить окончательные практические рекомендации, в связи с чем потребовались детальные экспериментальные исследования в лабораторных условиях.

На специально сооруженном стенде, оснащенном контрольно-измерительной аппаратурой, были выполнены четыре серии экспериментов по моделированию процесса бурения плавлением. Из дюралевого сплава изготовлены модели пенетраторов одинакового максимального диаметра Б = 50 мм и объема V = 131 см5 пяти различных форм: 1 - цилиндр, 2 - щяусфера плюс цилиндр, 3 - .кпгус шке цмщпр, 4 - тело вращения цепной линии вокруг вертикальной оси, 5 - цилиндр с внутренним конусом. Бурение велось по искусственно приготовленным блокам льда с температурой -11*12°С и -7°С и блокам парафина комнатной температуры. При бурении по льду использовался специально изготовленный снаряд, обеспечивающий принудительное удаление талой воды с забоя.

Методикой экспериментов предусматривалось определять скорость бурения плавлением и диаметр скважины при соблюдении постоянства объема, массы, электрической мощности моделей и осевой нагрузки. При равенстве объемов модели различных форм имеют различную рабочую поверхность и степень обтекаемости, чем должно объясняться различие в эффективности бурения. Эксперименты показали, что результат определяется далеко не полностью и даже не в первую очередь указанными факторами.

Первая серия экспериментов по бурешпо во льду при одинаковом для всех моделей заглублении спирального ТЭНа 45 мм от верхнего торца и постоянных парамет-

pax режима ( N = 460 Вт, С = 450 Н) скорость бурения в соответствии с нумерацией форм моделей распределилась в последовательности: 2 - 1,09 м/ч; 5 - 0,98 м/ч; 1 - 0,85 м/ч; 3 - 0,8+ м/ч; 4 - 0,72 м/ч, т.е. в полном противоречии с теоретическими предпосылками. Однако причина не в недостатках формы, а в большем для обтекаемых форм расстоянии от нагревателя до нижней точки моделей.

Во второй серии экспериментов при мощности нагревателя, пропорциональной высоте модели скорость бурения распределись в последовательности: 4-0,98 м/ч; 3 - 0,91 м/ч; 1 - 0,83 м/ч; 2 - 0,82 м/ч; 5 - 0,63 м/ч, т.е. в пользу формы пенетратора в виде тела вращения цепной линии.

Третья серия экспериментов, выполненная по бурению в блоках парафина усовершенствованными моделями пенетраторов (кроме цилиндра с внутренним конусом) с расположенными внутри пропорционально высоте (10 мм до нижней точки) стержневыми нагревателями при постоянном режиме (N = 120 Вт, С = 150 Н), показала распределение скорости: 1 - 1,41 м/ч; 3 - 1,39 м/ч; 2 - 1,05 м/ч; 1 - 0,92 м/ч, пропорциональное степени удчйз'нности модели даже при постоянной мощности. Форма в виде тела вращения цепной линии при том же объеме позволяет разместить наиболее длинный и мощный нагреватель.

Вместе с тем, нельзя чрезмерно увеличивать высоту пенетратора во избежание бесполезных потерь теплоты на рассеивание в массиве в радиальном направлении. Это подтверждается результатами четвертой серии экспериментов.

Бурение велось моделями пенетраторов цилиндрической формы с полусферической призабойной частью диаметром 5,6 мм длиной 100 мм и 200 мм и мощностью соответственно 186 Вт и 368 Вт по льду с температурой "1^= -7°С и 62 Вт и 133 Вт -- по парафину комнатной температуры. Пенетраторы прикреплялись к стальной штанге диаметром 5 мм с проложенным внутри изолированным токопроводом. Осевая нагрузка при бурении по льду менялась в пределах от 1,6 до 115,2 Н, а при бурении по парафину составляла в первом случае (при длине пенетратора 100 мм) 1,6 Н, во втором (200 мм) - 1,8 Н. Талая вода и расплавленный парафин из скважины не удалялись. В зависимости от глубины бурения по льду (до 0,6 м) при пенетраторе длиной 100 мм диаметр скважины составлял 18-20 мм, а длиной 200 мм - 27-33 мм, при бурении по парафину (до 0,5 м) соответственно 10 мм и 14,5 мм. Скорость бурения по льду пенетратором длиной 100 мм в зависимости от нагрузки изменялась в пределах от 4,5 до 5,9 м/ч, а по парафину в пределах от 7,1 до 8,3 м/ч. Пене-тратор высотой 200 мм, несмотря на более чем двойную мощность, не обеспечил повышения скорости бурения плавлением. Она составляла по льду 5,3-5,4 м/ч при осевой нагрузке 50 Н и в парафине 7,2 м/ч при нагрузке 1,8 Н.

Установленные факты свидетельствуют, что при излишне большой высоте пене-тратора (при пропорциональном увеличении мощности) в действие вступают явления, не учитываемые теорией бурения плавлением. В кольцевом простнанстве вокруг пене-тратора в условиях эксперимента возникает естественная конвекция расплава, приводящая к интенсивному и нерациональному расплавлению массива в радиальном направлении. Возможно также кипение расплава, полностью исключающее целесообразность дальнейшего увеличения тепловой мощности пенетратора.

Точная теоретическая оценка оптимальной высоты пенетратора в зависимости от конкретных условий бурения должна стать предметом дальнейших исследований. Выполненный на основе приближенной математической модели процесса расчётный анализ и накопленный опыт экспериментального бурения плавлением по блокам пород и в полевых условиях с учётом свойств современных жаропрочных материалов, в особенности электросопротивления, позволяют считать рациональной при современном уровне изученности вопроса высоту рабочей части пенетратора порядка Н= 1,5*2,5 D.

Внешняя форма пенетратора в виде тела вращения цепной линии позволяет разместить в корпусе достаточно длинный и мощный нагреватель стержневого типа, обеспечивает в отличие от параболоида 2-го порядка, плавный (без уступов) переход в цилиндр, необходимый для формирования стенок скважины, облегчает математические построения, связанные с учётом гидравлических сопротивлений при выдавливании расплава, и при любых соотношениях максимального диаметра и размеров рабочей и цилиндрической частей допускает приближенное математическое описание процесса бурения плавлением одним уравнением (10) с учётом (9) и (11).

Вместе с тем, накопленный опыт бурения горных пород плавлением показывает, что теоретические тонкости учёта влияния внешней формы пенетратора не играют существенной роли на практике. Можно утверждать, что высокотемпературный пе-нетратор уплотняющего типа должен быть механически прочным, длительно безотказным в условиях высоких температур и иметь в своей нижней части плавно переходящую в цилиндр обтекаемую форму.

На первоначальном этапе исследований с учётом известных достижений американских и японских специалистов была разработана серия макетов высокотемпературных пенетраторов уплотняющего типа диаметрами 33, 50, 76 и 120 мм с корпусами из сплавов (в том числе порошковых) молибден-рений, вольфрам-рений и нагревателями из пиролитического графита. При испытаниях на буровом стенде макеты показали в целом неплохие результаты при рабочих температурах 1300-1500°С. Главным затруднением являлась необходимость нагнетания внутрь пенетратора инертного газа (гелия), что помимо удорожания работ ведет к усложнению конструкции термобурового снаряда и технологии бурения. В целях устранения этой необходимо-

сти испытывались различные марки промышленно изготовляемого пиролитического графита и другие жаропрочные материалы - карбид кремния, нитрид титана,нитрид циркония и др. Предпринимались попытки заполнения внутренних полостей пенетратороо порошками периклаза, различных модификаций графита, керамики, нитридов бора, титана, циркония и др. Поскольку в результате окисления в первую очередь выходят из строя электрические контакты между токоподводом и элементом электросопротивления, для повышения их надёжности испытывались шайбы из перечисленных материалов и их сочетаний.

По мере накопления практического опыта напрашивался вывод о непригодности первоначально выбранных жаропрочных материалов и изыскании новых, пригодных для изготовления действительно высокотемпературных и стойких в окислительной среде пенетраторов. В качестве таких материалов явилисьгруппа новых композиционных материалов на основе углерода и кремния (мелкозернистый силицированный графит),а также современная керамика на основе спеченных оксидов. Помимо очень высокой стойкости против окисления в воздушной среде отдельные разновидности новых композиционных материалов на основе углерода и кремния обладают исключительной механической прочностью при высоких температурах и отсутствием адгезии к расплавам. Кроме того, эти материалы в сыром виде легко обрабатываются механически, в частности, позволяют нарезать резьбу. После силицирования детали из этих материалов приобретают уникальные прочностные и жаростойкие свойства, в процессе испытаний продолжительностью 15 мин. при температуре до 2800 К в воздушной среде не подвергаются оксилению и после остывания легко свинчиваются и развинчиваются. Возможность применения одного и того же материала для разных деталей термобурового снаряда устраняет опасность деформаций. Изготовленные из новых материалов высокотемпературные пенетраторы диаметром 33 мм обеспечили успешное бурение плавлением в полученных с различных глубин кернах осадочных пород: известняка, доломита, аргиллита, алевролита и песчаника.

Преодолимым недостатком новых композиционных материалов на основе углерода и кремния является их относительно низкое электросопротивление. Решение задачи её повышения открывает возможность создания пенетратора, сочетающего в конструкции из одного материала и даже в одной детали функции нагревателя, корпуса -обтекателя и кристаллизатора - формователя стенок скважины. Исследования в этом направлении, как и в области использования спеченных оксидов, продолжаются.

Новые материалы открывают реальные возможности бурения скважин плавлением практически в любых горных породах.

4. Разработанная на основе приближенной теории процесса бурения горных

пород плавлением методика инженерных расчетов дает полное качественное и близкое количественное совпадения с опытными данными и может практически использоваться при проектировании эффективных конструкций высокотемпературных пенетраторов и рациональных технологических режимов бурения в конкретных условиях.

Уравнение (10) и использованные при его выводе аналитические выражения позволяют получить самостоятельные приближенные расчётные выражения для любого из параметров, определяющих или характеризующих процесс бурения плавлением. Например, для средней температуры рабочей поверхности пенетратора можно получить две независимые расчётные формулы

9Г'+ дг(я+2в)Ч,^ ' 117

\р1

0ГР ЛрР

которые при заранее достоверно вычисленных для конкретных условий значениях 1/" и § должны дать одинаковый результат, что должно быть использовано для контроля точности расчётов. В других случаях нет необходимости выводить для каждого из интересующих параметров самостоятельное аналитическое расчётное выражение, потому что возможность расчёта любого из них предусмотрена программой для ЭВМ.

Достоверность расчётов такого сложного многофакторного процесса, каким является бурения горных пород плавлением, определяется точностью исходных параметров и объективностью регистрируемых в эксперименте результатов.Конструктивные параметры теплового пенетратора и технологические параметры процесса бурения - активная тепловая мощность и осевая нагрузка - известны заранее. Основной результат процесса - скорость бурения плавлением - может точно фиксироваться в эксперименте.

Наибольшие сомнения могут вызывать принятые при расчётах, например, по литературным данным, конкретные значения теплофизических свойств горной породы и её расплава, тем более, что эти свойства даже для одной и той же породы могут сильно изменяться в зависимости от ее пористости, влажности и др. Произволь-

но изменяя теплофизические свойства породы и её расплава, всегда можно "подогнать" результаты расчётов к фактически наблюдаемым в эксперименте данным.

По указанным аричинам в рассматриваемых здесь расчётах использованы, в основном, фактические данные о физических и теплофизических свойствах базальта, полученные в результате специальных измерений и экспериментов по бурению плавлением, выполненных в Лаборатории Калифорнийского университета в Лос-Аламосе (США): рп = 2,6-103 кг/м3; Сп = 1,05-Ю3 Дж/(кг-°С); Д „ = 1,2 Вт/(м-°С);

Тп= 20°С; Ф = 4,2-105 Дж/кг; Т0гр = 1200°С; рр = 2,7'103 кг/м3; Ср = =1,25-104 Дж/(кг-°С); А р = 0,25 Вт/(м-°С); ар = —= 7,41'Ю"8 ма/с;

>) = 1,85-Ю-3 мг/с. Р"Р

На рис.4 для примера в графической форме показаны расчётные зависимости

Рис.4. Расчётные зависимости скорости бурения плавлением (тГ) по базальту пенетратором диаметром 50 мм, высотой 75 мм, средней толщины слоя расплава ( & ) и средней температуры поверхности пенетратора ( 1 ) от его активной тепловой мощности

-- - - - - граница допустимой мощности для пенетратора на основе

пиролитического графита и сплава молибден-рений

Результаты расчётного анализа показали, что скорость бурения плавлением по базальту практически прямо пропорциональна активной тепловой мощности пенетратора N0 и в существенно меньшей степени зависит от осевой нагрузки С. Последняя сказывается при малых значениях ( С = З^-б-Ю3 Н), но в тем большей мере, чем выше мощность Мц • Если при На = 1 кВт кривая зависимости 1Г =

= ^ (С) практически параллельна оси абсцисс, то при N(1=5 кВт она выпола-кивается при С > 4-103 Н. Увеличение осевой нагрузки на пенетратор при бурении плавлением по базальту даже при N4 = 10 кВт выше (5-6)*103 Н не имеет смысла.

Увеличение высоты пенетрагора при фиксированной активной мощности ( Мц = в С0П.в{.) ведёт к снижению скорости бурения. При этом темп снижения скорости бурения плавлением тем выше, <«м больше фиксированная мощность Ыа . Причина в том, что при постоянной мощности ( N а * С0ПБ± ) пропорционально высоте пене-тратора возрастает бесполезное рассеивание теплоты в массиве в радиальном направлении. В полном соответствии с теорией скорость бурения плавлением тем выше, чем меньше высота пенетратора, но при этом пропорционально снижается полезный объем для размещения внутри пенетратора элемента электросопротивления достаточной мощности,- В этом противоречии заключается задача оценки оптимальной высоты и энерговооруженности пенетратора.

Расчётная скорость бурения плавлением монотонно снижается с ростом теплопроводности породы, поскольку возрастают нерациональные потери теплоты на рассеивание в массиве.

Расчётные значения средней толщины слоя расплава 8 под пенетратором с ростом осевой нагрузки С снижаются. По абсолютной величине толщика слоя расплава

при любой нагрузке практически прямо пропорциональна активной тепловой мощности, поскольку в той же пропорции возрастает количество образующегося в единицу времени расплава. Характерно, что при любой активной мощности кривые

<? «= ^(С) стремятся к постоянным минимальным значениям, что подтверждает справедливость соображений, высказанных относительно влияния осевой нагрузки на скорость бурения плавлением.

Поскольку гидравлические потери давления при выдавливании расплава существенно зависят от его вязкости, расчётные значения средней толщины слоя расплава £ возрастают с увеличением последней и в тем б&лыпей мере, чем выше скорость бурения как функция активной мощности пенетратора, что показывают расчётные кривые зависимости ^ = | при разных значениях скорости V . По характеру этих кривых можно судить, что они также выполаживаются с ростом вязкости, но на разных уровнях, зависящих от скорости бурения плавлением. Причём различия в средней толщине слоя расплава 8 при разных скоростях бурения тем больше, чем выше вязкость расплава, поскольку с ростом последней увеличиваются гидравлические потери давления.

Расчётные зависимости скорости бурения плавлением по базальту от высоты пенетратора в условиях пропорционального возрастания его активной тепловой мощности при разных фиксированных значениях удельной объемной мощности ^ =

показывают прямое пропорциональное возрастание с ростом высоты пенетратора до

~ Н = 10 Э , после чего темп прироста скорости начинает снижаться и тем быстрее, чем выше удельная объемная мощность. Дело в том, что несмотря на возрастание суммарной тепловой мощности пенетратора N0 , с ростом его высоты Н увеличиваются гидравлические сопротивления при выдавливании расплава, возрастает сред няя толщина слоя расплава 8 и, главное, увеличивается доля теплоты на бесполезное радиальное рассеивание в окружающем массиве.

Из теоретических соображений и характера расчётных кривых зависимости

1Гг/(Н) при СОГ^ можно сделать вывод о наличии максимума ско-

рости при любой (удельной) объемной мощности после чего должно про-

исходить снижение скорости бурения плавлением. Более того, приближенной теорией процесса, положенной в основу методики расчётов, не учитывается появление при определенной высоте пенетратора естественной конвекции расплава в условиях увеличивающейся толщины его слоя $ и, следовательно, турбулизации потока, влекущей повышение интенсивности теплопередачи с боковой поверхности. Кроме того, как можно показать расчётом с помощью приближённых аналитических формул, увеличение высоты пенетратора Н при СОПвлечёт резкое возрастание активной тепловой мощности N(1 и средней температуры поверхности пенетратора t и по этой причине не исключено кипение расплава. В силу фазового перехода многократно возрастает теплоотдача с боковой поверхности пенетратора, и дальнейшее увеличение его высоты и мощности лишено смысла.

Вместе с тем, результаты расчётов показывают принципиальную возможность достижения высоких скоростей бурения горных пород плавлением - порядка 10-15 к/ч Главная проблема заключается в обеспечении достаточно высокой жаропрочности конструкционных материалов. Как легко показать аналитически и с помощью расчётов, температура в центральной части теплового пенетратора, то есть температура источника тепловой энергии - элемента электросопротивления, в процессе бурения горных пород плавлением может на сотни градусов превышать температуру рабочей поверхности пенетратора, что зависит от теплофизическрх свойств материала его корпуса.

Опытные и расчётные данные по влиянию активной мощности и осевой

нагрузки С на скорость бурения плавлением по блоку базальта с заранее просверленными каналами для удаления расплава в условиях использования пенетратора уплотняющего типа (Б = 50 мм; Н = 75 мм) представлены в табл.2 и 3.

При расчёте использовались приведенные выше теплофизические свойства базальта на основе фактических данных, полученных в результате специальных измерений. Отклонение расчётных значений от опытных не превышает 20%, что для условий многофакторного процесса бурения плавлением можно считать вполне удовлет-

Таблица 2. Сравнение опытных и расчётных данных влияния активной мощности пенетратора На на скорость бурения плавлением по базальту при осевой нагрузке на пенетратор С « 5 кН

Мц , Вт Уоп , к/ч ЯГрас , м/ч 1Грас-Усп ч Ксп

2000 0,20 0,19 - 5,0

3000 0,37 0,30 -16,7 .

5000 0,63 0,54 -14,3

7000 0,85 0,73 -14,1

Таблица 3. Сравнение опытных и расчётных данных влияния осевой нагрузки С на скорость бурения плавлением по базальту при мощности пенетратора 5 кВт

С,Н %я> "/ч к/ч Урас'Яоа х Уса

2000 0,28 ' . 0,32 +14,3

3000 0,38 0,42 +10,5

5000 0,45 0,54 +20,0

7000 0,50 0,55 +10,0

10000 0,57 0,57 0

зорительным и дает основание считать разработанную методику пригодной для инже-1ерных расчётов.

5. В процессе бурения скважин исследуемым способом при соответствующем уровне температур и давлений обеспечивается надёжное крепление практи-1ески любых горных пород: рыхлых, в том числе увлажненных и нёрзлых, за счёт уп-ютнения, высушивания, спекания или оплавления, трещиноватых скальных - за счёт 1аполнения трещин расплавом с последующим о стеклованием.

Изучение механизма крепления стенок скважины в различных по составу,со-:тоянию и свойствам горных пород в процессе бурения плавлением без отбора керна [вляется сложной, комплексной задачей, соизмеримой с самой проблемой бурения давлением. Без претензии на полноту решения этой задачи использовались анализ (аучной литературы, математический анализ, расчёты на ЭВМ, моделирование процесса

с применением легкоплавких материалов (лёд, парафин, песчано-битумные смеси), эксперименты по изучению термопревращеннй в кернах осадочных горных пород из различных регионов на специальном лабораторном стенде, бурение плавлением по кернам тех же пород, а также по блокам естественных и искусственно приготовленных пород на экспериментальном буровом стенде, и бурение плавлением в полевых условиях.

При изучении превращений минералогического состава осадочных пород при высокотемпературном воздействии использовались методы рентгенометрии и микроскопии. Рентгенометрические работы выполнены в лаборатории ВСЕГЕИ с помощью дифрак-тометра ДР0Н-2.0.

В горных породах,в зависимости от их минералогического состава и естественного состояния (структуры и текстуры, пористости, влажности), в результате теплового воздействия возникают различные термические эффекты, проявляющиеся в возникновении или развитии деформаций, релаксации напряжений, тепловом расширении, гидратации и дегидратации, полиморфных превращениях, изоморфизме, диссоциации с вцделением газовой фазы, изменении состава и агрегатного состояния. В рыхлых, слабосвязных влажных породах под влиянием высокой температуры и механического давления пенетратора происходят физико-химические превращения, выражающиеся в высушивании, уплотнении, спекании, обжиге и плавлении, в первую очередь, легкоплавких фракций с изменениями фазового состава, что ведет к заполнению пор и трещин расплавом, уменьшению объема и упрочнению породы на стенках скважины.

Как показали стендовые исследования, при воздействии на породу высокотемпературных полей (до 2800 К) от стержневидного генератора тепловой энергии, размещенного в канале, заранее просверленном по оси керна, совокупность физико-химических превращений в породе ведёт к образованию трёх разновидностей фаз: жидкого расплава на контакте с генератором, вязкотекучего расплава и породы в твердо-пластичном состоянии. Твердопластичная фаза включает только фрагменты расплава, образовавшиеся или проникшие между зернами или отдельными кристаллами минералов, имеющих более высокую температуру плавления.

При охлаждении часть расплава кристаллизуется, а часть переходит в аморфное состояние и после охлаждения остекловывается. Поскольку расплав принимает вязкотекучее состояние и заполняет дренажные каналы и поры, порода в несколько десятков раз снижает свою проницаемость. Об этом свидетельствуют результаты выполненного качественного и количественного анализов.

Вязкотекучая и твердопластичная фазы распределяются в строгой последовательности в радиальном направлении от концентрично расположенного генератора тепловой энергии. Толщина прослойки твердопластичного материала - от 5 до 7 мм. После остекловашш обе (¡азы в совокупности образуют вдоль круглого канала в по- 28 -

роде оболочку толщиной от 7 до 11 мм.

После высокотемпературного воздействия на алевролит с крупными трещинами и свободно отделяющимися осколками образовавшийся и застывший расплав связал осколки, ствол стал устойчивым, гладким и непроницаемым.

Исследованные образцы осадочных горных пород по результатам высокотемпературного воздействия можно подразделить на три группы. Наименее термически устойчивы карбонатные породы. При нагреве известняков образуются рыхлые продукты, состоящие из смеси извести и портландита. В расплавленной части обнаружены следы ортосиликата кальция (бредигита и ларнита), что связано с наличием небольшого количества кремнезёма. При нагреве доломита, кроме указанных соединений, образуется большое количество периклаза, а также примесные фазы. Термограммы известняка показывают один (930-940°С), а доломита два эндотермических эффекта (750--760°С и 930-840°С). Первому соответствует диссоциация МдСО^ , второму -- СаСОз с выделением газовой фазы (С0г).

Наиболее термически устойчивы породы, содержащие значительное количеств кварца при отсутствии карбонатного материала. К ним относятся исследованные песчаники и один алевролит. Их термическая устойчивость определяется формированием высокотемпературного (около 1200°С) кристобалита, плагиоклаз переходит в расплав в виде аморфной фазы.

Промежуточное положение занимают те из числа исследованных пород, минеральный состав которых значительно отличается от вышеописанных. К ним относятся изве-стковистый алевролит и гидрослюдистые аргиллиты. Первый разлагается при низкой температуре в связи со значительным содержанием карбонатов. Превращения аргиллитов определяются поведением гидрослюд, переходящих в расплав при температуре 1000-1100°С с образованием муллита и аморфной фазы.

Все исследлванные породы доведены до плавления с выделением жидкой фазы расплава, которая при застывании способствует закреплению стенок скважины. Распределение температуры по радиусу образца в момент плавления получено с помощью термопар для всех образцов пород.

С помощью высокотемпературного пенетратора диаметром 33 ж из нового жаропрочного материала на буровом экспериментальном стенде велось бурение плавлением с одновременным креплением стенок в кернах тех же пород. Например, в песчанике, взятом с глубины залегания 4629-4641 м, скорость проходки составила 1,07 м/ч; в аргиллите, взятом с глубины 2056-2068 м, скорость составила 8 м/ч.

В процессе экспериментальных исследований изучалось влияние технологических параметров режима бурения и конструктивных особенностей пенетратора на качество образующегося из расплава остеклованного слоя.

Эксперименты по бурению плавлением в блоках туфа пенетратором р 50 мм ве-

лись при фиксированной активной мощности пенетратора 3,5 кВт. При небольших осевых нагрузках (до 3 кН) давление в расплаве не обеспечивало эффективного удаления обр азующихся газовых фракций,в застывшем слое расплава полосчатой структуры сохранялись многочисленные пустоты и газовые включения. Повышение давления приводит к уменьшению размеров и количества пустот и газовых включений, увеличению глубины проникновения расплава в трещины приствольной зоны, снижению толщины остеклованного слоя. При осевой нагрузке на пенетратор 7 кН остеклованный слой имеет ровную поверхность, содержит мелкие, однородные по форме пустоты и включения, его толщина 2-3 мм. При осевой нагрузке 12 кН остеклованный слой однороден, без видимых пустот и газовых включений, толщина 1,0-1,5 мм.

В процессе экспериментов изучалась проблема выбора материала для кристалли затора-формователя и влияние его высоты на качество образующегося на стенках скв. жины остеклованного слоя. Был отмечен быстрый износ графитового формователя при извлечении пенетратора из скважины за счёт трения по стенкам остеклованного слоя Для повышения изгосостойкости в формователе предусмотрено чередование графитовых и молибденовых колец. Первые при температурах выше застывания расплава предотвра ют его адгезию на поверхности формователя. Вторые при застывании расплава предотвращают абразивный износ. Высота кристаллизатора-формователя также оказывает сущ ственное влияние на качество образующегося остеклованного слоя. При малой высоте формователя расплав не успевает охладиться и застыть. При застывании выше кристаллизатора остеклованный слой затрудняет извлечение пенетратора. При увеличенк высоты формователя шероховатость остеклованного слоя уменьшается, но увеличивается сопротивление остеклованного слоя извлечению пенетратора. Анализ результатов позволил в качестве оптимальной для плавления туфа пенетратором уплотняющего типа диаметром 50 мм принять высоту формователя 45 мм. Однако коренное решение проблемы надёжного формования стенок скважины из застывающего расплава заключается в использовании нового жаростойкого композиционного материала на основе силицированного графита, не имеющего адгезии к расплаву и обладающего очень высокой механической прочностью при высоких температурах.

На экспериментальном буровом стенде была выполнена серия экспериментов по бурению пенетраторами уплотняющего типа разных диаметров и тепловой мощности в блоках искусственно приготовленных слабосвязных пород (грунтов) - влагонасыщен-ного песка, влажного песка (153»), супеси, суглинка и сухой гранитной крошки -для оценки надёжности крепления таких пород в процессе бурения.

В грунтах за счёт уплотнения,высушивания, спекания,частичного оплавления связываются крупные, средние и мелкие зерна, образуется прочная,сцементированная и остеклованная с внутренней поверхности оболочка. Например, в смеси песка

линой при диаметре пенетратора 50 мм получена прослойка толщиной 12 мм; во лажном песке при диаметре пенетратора 120 мм - 43 ж; в гранитной крошке при иаметре пенетратора 50 ж - 24 ж. Толщина образующихся на стенках скважины болочек зависит от реализуемой тепловой мощности, в общем пропорциональной вадрату диаметра пенетратора, продолжительности воздействия и температуры плав-ения пород.

. При достаточной тепловой мощности пенетратора и оптимальной скорости буре-ия толщина остеклованной корки может составлять от 1/4 до 1/2 от диаметра пене-ратора (скважины), что практически в любом случае обеспечивает надёжное беструб-эе крепление скважин.

6. Способ бурения горных пород плавлением, не являясь альтернативой сов-зменным способам механического бурения, уже в настоящее время в силу присущих чу особых преимуществ ножет найти не только организационно и технически рацио-шьное, но и экономически эффективное применение.

На современном этапе развития способа бурения горных пород плавлением" даже учётом использования нового композиционного жаропрочного материала на основе «шцированного графита, позволяющего развить рабочую температуру до 2800 К,можно посматривать его практическое применение пока-ливь в варианте бурения без отбо~ 1 керна, главным образом, в рыхлых, слабосвязных или пористых породах и особо хложненных условиях, когда на первый план выступает то особое преимущество спо->ба, которое заключается в одновременном с бурением креплении стенок скважины за 1ёт уплотнения, высушивания, спекания или оплавления породы.

Надежность крепления стенок скважины в грунтах и рыхлых породах подтверждена ¡зультатами впервые выполненного в нашей стране успешного испытания макета термо-фового снаряда с пенетратором уплотняющего типа на буровом полигоне ЛГИ в пос. шголово Ленинградской области в июле 1991 г.

Одно только это уникальное преимущество исследуемого способа открывает ши-жие возможности практического использования высокотемпературных пенетраторов шотняющего типа при бурении неглубоких скважин без отбора керна при геолого-<емочных, поисково-картировочных и других геологоразведочных и гидрогеологиче-:их работах, сейсморазведке, инженерных изысканиях, мелиорации, водопонихении горных и строительных работах, при сооружении большого количества требующихся настоящее время мелких малодебитных водозаборных скважин, а также в инженерных ¡лях: для закрепления оползней, бортов карьеров и породных отвалов, укрепления идаментов старинных зданий, прокладки коммуникаций в городском и заводском 1зяйстве и др.

Так, только в системе Мингео СССР за 1988 г., характеризующийся наивысшими объемными показателями, было пробурено 28,1 млн.м геологоразведочных скважин, в том числе глубиной до 25 м - более половины всего их количества (52,1%). При средней категории пород по буримости (индекс) 6,4 только колонковым механическим способом по породам 1-Ш категорий по буримости, наиболее благоприятным для способа бурения плавлением, пройдено 4,62 нлн.м (17,8%).

Если учесть ещё десятки миллионов метров мелких сквахин, проходимых ежегодно при сейсморазведке, инженерных изысканиях, мелиорации, обводнении и орошении и др., то даже незначительная доля метража неглубокого бурения без отбора керна при использовании высокотемпературных пенетраторов уплотняющего типа может дать существенный экономический эффект за счёт снижения уровня затрат на 10-203». Этот эффект складывается в результате полного устранения затрат времени и денежных средств на приобретение, доставку и хранение обсадных труб, производство спуско-подьемных операций, водоснабжение, приготовление промывочных жидкостей, очистку забоя при бурении и др.

Следует учесть также социальный эффект экологически чистого крепления стенок скважин за счёт термопревращений одной только исходной горной породы без применения металла и химикатов.

При бурении глубоких поисково-разведочных скважин новый способ даёт возможность технически простого и надетого крепления зон тектонических нарушений, изоляции поглощающих горизонтов с помощью легкоплавких тампонажных материалов. Предварительные экономические расчёты показали возможность снижения затрат на 20-30% по сравнению с применением обсадных труб. Соответствующий выбор легкоплавкого тампонажного материала (например,стекла) обеспечивает полную экологическую чистоту нового способа крепления.

Реальный и существенный экономический эффект, как показали оценочные расчёты, может быть получен при внедрении нового способа бурения в рыхлых и техногенных грунтах при строительных работах, в частности, при сооружении свай путём бетонирования арматуры непосредственно в скважине.

Дальнейшими направлениями практического внедрения способа бурения горных пород плавлением с учётом реальных возможностей совершенствования высокотемпературных пенетраторов на основе нового жаропрочного материала должны стать, в первую очередь, проходка разведочных и эксплуатационных скважин на гидротермальных месторождениях, сооружение систем извлечения глубинного тепла Земли, выщелачивания солей, других геотехнологических систем и в перспективе - проходка сверхглубоких скважин.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ и РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Интересы развития минерально-сырьевой базы страны требуют достижения качественно нового уровня техники и технологии бурения разведочных скважин,

как на основе ускоренного совершенствования механических способов бурения, так и развития нетрадиционных способов, обеспечивающих высокую концентрацию энергии на забое, прежде всего, в тепловой форме.

2. Из числа существующих и разрабатываемых в настоящее время тепловых способов разрушения горных пород, с точки зрения эффективности проходки глубоких скважин, наиболее перспективным следует признать способ контактного плавления горных пород, который даёт возможность одновременного с бурением беструбного крепления стенок скважины, не требует механического вращения бурильной колонны, позволяет использовать снаряд на грузонесущем кабеле или илангокабеле, расширяет возможности автоматизации процесса и повышает результативность каротажа и сква-жинной геофизики,благодаря отсутствию экранирующего действия обсадных труб.

3. Несмотря на сиро кую распространенность контактного плавления е современной технологии, теоретическое и экспериментальное изучение этого процесса применительно к горшм породам находится в начальной стадии, в связи с чем исследования и разработки, направленные на реализацию потенциальных преимуществ способа бурения горных пород плавлением, составляющие предмет настоящей работы, являются актуальной задачей для совершенствования технологии и техники геологоразведочных-: работ.

4. Полученная аналитическим путём на основе теории движущегося теплового источника и метода суперпозиции приближенная математическая модель процесса

бурения горных пород плавлением не противоречит физике явлений и характеризуется достаточной для практики полнотой и точностью учёта определяющих природных, технических и технологических факторов.

5. . Разработанная на основе приближенной математической модели процесса бурения

горных пород плавлением методика инженерных расчётов и программа для ЭВМ пригодцл для вариантных расчётов рациональных конструктивных параметров высокотемпературного пенетратора и проектирования эффективного технологического режима бурения плавлением.

6. Выполненный расчётный анализ позволил выявить основные закономерности процесса бурения горных пород плавлением и получить конкретные рекомендации

по конструированию макетов высокотемпературных пенетраторов уплотняющего типа,

7. В результате экспериментального бурения по блокам горних пород в лаборато(

них условиях установлено:

- основными технологическими параметрами, определяющими эффективность бурения горных пород плавлением, являются активная тепловая мощность пенетратора и осевая нагрузка;

- скорость бурения горных пород плавлением решающим образом зависит от условий удаления расплава с забоя или его уплотнения в проницаемые стенки скважинь

- осевая нагрузка на пенетратор при бурении в рыхлых, слабосвязных, и пори стых породах с одновременным их уплотнением является технологическим параметром, определяющим как скорость бурения плавлением, так и надёжность крепления стенок скважины;

- при бурении плавлением в монолитных или трещиноватых твердых породах осевая нагрузка оказывает существенное влияние на скорость проходки лишь при малых её значениях (до 2,5"10 Па) и не может рассматриваться как серьезный резерв повышения производительности данного способа бурения;

- при оптимальном сочетании активной тепловой мощности пенетратора и осевой нагрузки при бурении в рыхлых, слабосвязных и пористых, в частности, увлажненных породах за счёт их уплотнения, высушивания, спекания или оплавления на стенках скважины образуется прочная остеклованная оболочка, обеспечивающая длительную устойчивость породы и устраняющая необходимость в обсадных трубах;

- сопоставление расчётных данных по скорости бурения плавлением в блоках базальта с опытными данными показало полное качественное и близкое количественное совпадение (отклонения не более 20%), что подтверждает справедливость разработанных основ теории и инженерной методики расчёта процесса бурения плавлением без отбора керна.

8. В результате расчётного анализа, экспериментов на стенде, подбора и испытаний жаропрочных материалов установлено:

- в качестве источника тепловой энергии в виде жаропрочного элемента элект] сопротивления могут быть использованы пиролитический графит, карбид кремния, силицид циркония, силицированный мелкозернистый особо прочный графит;

- жаропрочный корпус (обтекатель) пенетратора может быть изготовлен из со® вов (в том числе порошковых) молибден-рений, вольфрам-рений, из нитрида бора, керамики на основе спечённых оксидов и силицированного мелкозернистого графита;

- предупреждение окисления и преждевременного выхода из строя элемента электросопротивления может быть обеспечено за счёт наполнения корпуса пенетрато-

ра инертным газом (гелий, азот), что усложняет и удорожает конструкцию и эксплуатацию электротеплового снаряда;

- метод напыления предупреждающих окисление составов, а также новейшие жаропрочные конструкционные материалы на основе силицированного мелкозернистого графита обеспечивают возможность длительной безотказной эксплуатации теплового пенетратора с температурой рабочей поверхности до 2800 К;

- выбранная при теоретических построениях (для плавного перехода в цилиндр и ради простоты аналитических выкладок) внешняя форма пенетратора в виде тела вращения цепной линии вокруг её вертикальной оси обеспечивает к.п.д. процесса плавления, практически не отличающийся от к.п.д. параболоида, наибольшая эффективность которого в сравнении с другими формами доказана ранее аналитическим путём;

- с технической и технологической точек зрения, главными требованиями к форме пенетратора уплотняющего типа являются: плавный (без уступов) переход в цилиндр, возможность размещения внутри рабочего органа достаточно длинного цилиндрического элемента электросопротивления, наличие в верхней части цилиндрического кристаллизатора-формователя стенок скважины.

9. Разработанный и изготовленный макет термобурового снаряда с высокотемпературным пенетратором уплотняющего типа испытан в реальных полевых условиях

и показал длительную работоспособность.

10. Надёжное беструбное крепление скважин в рыхлых, слабосвязных породах при бурении без отбора керна может быть обеспечено за счёт уплотнения и термических преобразований самой породы в стенках скважины, крепление зон трещинова-тости, тектонических нарушений, изоляция поглощающих горизонтов в твердых скальных породах - за счёт применения относительно легкоплавких тампонажных материалов (песчано-битумные смеси, смолы, пластики, стекло и др.).

11. К области рационального применения способа бурения горных пород плавлением без отбора керна уже в настоящее время можно отнести:

- проходку верхних горизонтов, представленных рыхлыми, слабосвязными, выветрелыми или пористыми породами, в частности, увлажненными и мерзлыми, с одновременным беструбным креплением стенок скважины при геологоразведочных работах;

- проходку неглубоких скважин с одновременным креплением при гидрогеологических наблюдениях, инженерных исзысканиях и сейсморазведке;

- крепление зон тектонических нарушений, изоляция поглощающих горизонтов легкоплавкими тампонажными материалами в глубоких разведочных и эксплуатационных скважинах;

- сооружение мелких водозаборных скважин без применения обсадных труб;

- закрепление оползней, бортов карьеров и породных отвалов, фундаментов старинных зданий;

- сооружение свай в гражданском и промышленном строительстве;

- прокладку коммуникаций в городском и заводском хозяйстве и др.

12. Оценочные экономические расчёты применительно к области рационального применения способа бурения горных пород плавлением без отбора керна показали, что уже в настоящее время этот новый способ бурения может быть не только организационно и технически, но и экономически эффективным.

13. Потенциальные преимущества исследуемого способа с учётом реальных возможностей получения новых высокожаропрочных композиционных материалов

позволяют считать его перспективным для совершенствования технологии бурения глубоких скважин, прежде всего, в целях эксплуатации гидротермальных месторождений, извлечения глубинного тепла Земли, выщелачивания солей, сооружения других геотехнологических систем.

14. Обоснованные аналитическим путём и расчётами на ЭВМ методы и средства управления теплообменом высокотемпературного теплового источника, заключённого в жаропрочную оболочку, с окружающими породами обеспечивает гарантированное устранение их плавления и возможность на этой основе надёжного захоронения в горном массиве тепловых источников практически любой мощности.

15. Первоочередными задачами дальнейших исследований являются:

- повышение электросопротивления нового высокожаропрочного материала на основе регулирования его состава и совершенствования технологии изготовления;

- разработка на основе нового жаропрочного материала простой и надёжной конструкции высокотемпературного пенетратора, в частности, кольцевого для бурения плавлением с отбором керна;

- решение комплекса научно-технических задач внедрения способа бурения горных пород плавлением в практику геологоразведочных-работ.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

]. Технология крепления стенок скважины остеклованным слоем при бурении плавлением.- В сб.: Совершенствование и внедрение технологии промывки и тампонирования скважин в условиях Восточной Сибири и Крайнего Севера. Л.: ВИТР.1987,- С.97-100.

2. Результаты экспериментального бурения горных пород плавлением,- В сб.: Совершенствование методов разведочного бурения//3алиски ЛГИ, т.116. Л.: ЛГУ, 1988.- С.59-63.

3. Изоляция поглощающих и неустойчивых горизонтов методом плавления/Тезисы докладов Международного симпозиума по бурению разведочных скважин в осложненных условиях (Ленинград,5-9 июня 1989 г.). J1.: ЛГИ,1989.- С.65-66.

4. Бурение горных пород плавлением как объект оптимизации.- В сб.: Оптимизация бурения скважин в осложненных условиях. Донецк, ДПИ, 1991,- С.8-9.

5. Investigation of Ice and Rock Orilling by Melting/Proceedings of the International Werkshop on Ice Drilling Technology/Grenoble-France/10-M October 1988.- P.160-163.

6. Drillind of ice and rock by means of meltihg/Procec-dings of the 1 st International Symposium on mining in the Arctic/Fairbanks/ 17-19 Iuly 1989,- P.127-131.

7. The investigation results of the proccess of pit sinking by melting.-International Congress on Geoengineering. Torino, 27-30 September, 1989.

8. Исследование влияния высоты пенетратора на эффективность бурения горных пород плавлением.- В сб.: Технология и техника геологоразведочных работ. М.: МГРИ, 1987, К? 10.- С.112-119. (Соавтор Б.Б.Кудряшов).

9. Анализ и расчёт процесса бурения горных пород плавлением.- В сб.: Совершенствование методов разведки и добычи полезных ископаемых Крайнего Севера. Сыктывкар, Коми филиал АН СССР, 1988,- С.6-19. (Соавтор Б.Б.Кудряшов).

10. Закономерности и основы расчёта процесса бурения горных пород плавлением //Нефтяное хозяйство, 1988, № 5/Деп.во ВНИИОЭНГе 18.03.88 К? 1527-нг. (Соавтор Б.Б.Кудряшов).

11. Бурение скважин плавлением как средство решения задач геомеханики.- В сб.: УП Международный конгресс по маркшейдерскому делу. М.: Недра, 1989.-

С.349-354. (Соавтор Б.Б.Кудряшов).

12. Высокотемпературный пенетратор для бурения льдов и горных пород плавлением.- В сб.: Антарктика. Докл.комиссии АН СССР, вып.29. М.: Наука, 1990.

- С.66-72. (Соавтор Б.Б.Кудряшов).

13. К теории процесса бурения скважин и упрочнения горных пород плавлением.-В сб.: Устойчивость выработок в сложных условиях. Л.:ЛГИ,1990,- С.117--122. (Соавтор Б.Б.Кудряшов).

14. Устройство для электротермического бурения твердых сред плавлением.-Авт.свид.Г 1475187//Бол.изобретений, 1989,К9 15 (ДСП). (Соавторы: Б.Б.Куд-ряшов, Г.Н.Соловьёв, В.К.Чистяков).

15. Оценка достоверности приближенного решения задачи о скорости бурения горных пород плавлением.- В сб.: Физические процессы горного производства. J1.: ЛГИ, 1989.- С.44-48. (Соавторы: Б.Б.Кудряшов, В.К.Чистяков).

16. Буровой снаряд. - Авт.свид.1Р 1314053//Бюл.изобретений, 1987, IP 20.-С. 147. (Соавторы: Б.Б.Кудряшов, Г.Н.Соловьёв, В.К.Чистяков).

17. Бурение скважин в условиях изменения агрегатного состояния горных пород. -J1.: Недра, Л.О., 1991.- 295 с. (Соавторы: Б.Б.Кудряшов, В.К.Чистяков).

18. Обоснование методики экспериментальных исследований электротеплового способа бурения.- В сб.: Бурение разведочных скважин в сложных условиях// Записки ЛГИ, т.105, Л.: ЛГУ,1985.- С.94-97. (Соавторы: В.К.Чистяков,

Г.С.Бродов).

19. Теоретический анализ эффективности термобуровых снарядов при бурении горных пород плавлением/Тезисы докладов Международного симпозиума по бурении разведочных скважин в осложненных условиях (Ленинград,5-9 июня 1989г.). Л.:ЛГИ, 1989.- С.72. (Соавторы: С.А.Фомин, В.А.Чугунов, А.Н.Саламатин, В.К.Чистяков).

20. Исследование процесса формирования стенок скважины при бурении плавление)- В сб.: Создание и совершенствование съемного инструмента для геологораг ведочного бурения. Л.: ВИТР, 1986.- С.105-114. (Соавторы: В.К.Чистяков, В.А.Чугунов).

21. Устройство для электротермического бурения твердых сред плавлением.-Положительное решение по заявке на изобретение № 4926030/03(029332) от 16.10.1991. (Соавторы: Г.Н.Соловьев, Е.П.Позельский, Б.Б.Кудряшов и др.).

22. Advantages of Pit-Hole Boring by Melting for Full Antomations of the Process/Proceedings 7 Congress of the International Society for Mine Surveying/Lexington, Kentuky/Septémber 22-27,1991/Lexindton,: University of Kentuky, 1991.-P.609-618. (Соавтор B.B.Kudrjashov).

23. Niederbringung von Bohrungen durch Schmelzen in Eis und Gesteinsschichter 7 Internationaler Kongress üger Felsmechanik/Aachen 16-20.9.1991/Aachen.: Dentsche Jescblschaft für Erd und Grundbau e.V., 1991. ( Соавтор B.B.Kudrjashov) .

БЕСПЛАТНО.

Ротопринт ЛГИ. Заказ Г 380/ВЭД. Тира* 100 экз. 23.11.1991