Породоразрушающий инструмент и перспективы его совершенствования
При бурении геотермальных скважин в США применяются, в основном, шарошечные долота, шарошки которых армированы зубьями из закаленной стали или твердосплавными штырями.
Обычно для изготовления шарошечных долот используются закаленная легированная сталь.
При бурении в
условиях высоких температур забоя,
превышающих температуру закаливания,
долота теряют прочность. Отсюда быстрый
износ опор, стальных зубьев и потеря
штырей, так как коэффициент теплового
расширения у стали выше, чем у ВК, то
сталь расширяется и уменьшает 
,
удерживающее штыри в шарошках.
Некоторые долота с системами изолированной смазки (фирма Use Tool Co), которые содержат вращающиеся резиновые сальники, работают только при температуре до 135-190°С. То есть надо разрабатывать высокотемпературные сальники и смазки.
Нетрадиционные способы разрушения горных пород для бурения геотермальных скважин
Был проведен анализ более отдаленных перспектив развития технологий бурения, связанных с переходом от механического к другим методам разрушения горных пород, которые могли бы способствовать существенному снижению стоимости бурения с увеличением глубины.
Стоимость бурения геотермических скважин растет с 2,5 млн $ США при глубине 3км до 12,5 млн при глубине 6км. Это вызвано снижением механической скорости на больших глубинах из-за увеличения твердости пород, ускорением износа породоразрушающего инструмента и увеличением затрат времени на спуско-подъемные операции. Нужно переходить к другим способам разрушения горных пород. Наиболее перспективны из них следующие:
термические (термодинамический – огневой, термостатический – плавлением горных пород, термогазолазерный, термо-электроннолучевой и термоплазменный);
гидромониторно-эрозионный;
гидровакуумный-кавитационный и др.
В США велись работы по исследованию технологии бурения геотермальных скважин более чем 80-ю новыми способами и породоразрушающими инструментами, разрушающими породы за счет плавления и испарения, термического разрушения, химической реакции, гидродинамического воздействия и др.
Работы по этому направлению проводились в 60-70гг. и в СССР.
Термодинамическое разрушение пород происходит в результате действия мощного теплового потока на забой, вызывающего термическое напряжение в породе, образование трещин.
Два варианта реализации этого способа:
использование плазменно-реактивных горелок и газожидкостных рабочих агентов низкой плотности;
применение забойных гидрореактивных горелок, работающих на газожидкостных горючих смесях высокой плотности.
Первый способ уже более 40 лет применяется при бурении взрывных скважин на карьерах. В СССР в 70-х гг. проходилось этим способом более 300 тыс. м в год. Разрушение происходит за счет нагрева породы при сжигании химического топлива (керосин, спирт, бензин, мазут, газ) в среде окислителя (кислород, воздух) в реактивной горелке и воздействия на породу газовой струи со сверхзвуковой скоростью (800-2500м/с), что обеспечивает мгновенную передачу тепла породе.
Этот способ нуждается в усовершенствовании.
Термостатический способ разрушения пород. Суть – плавление горных пород. В отличие от механического бурения здесь с увеличением глубины скважины и ростом естественной температуры пород повышается эффективность.
Одновременно решается задача поддержания устойчивости и закрепления стенок скважины и керна за счет застывающего расплава прочного водонепроницаемого стекловидного слоя. Существенно снижаются потери энергии (не надо вращать или колебать снаряд).
Потенциальные преимущества способа:
Беструбное бурение с помощью полуавтономных буровых снарядов на грузонесущем кабеле или шланго-кабеле позволяет исключить спуско-подъемные операции( не нужны вышки ,мачты). Повышаются технико-экономические показатели.
Упрощается конструкция скважины (нет обсадных колонн, тампонажа).
Повышается качество опробования и эффективность эксплуатации продуктивных горизонтов, так как за остеклованным слоем фильтрационные свойства пород сохраняются.
Отсутствие колонн обсадных труб повышает качество каротажа.
Все разрабатываемые в настоящее время электрически буровые снаряды – тепловые пенетраторы для бурения скважин плавлением разделяются по способу удаления расплава с забоя на два типа(рис.1.8):
уплотняющие пенетраторы;
пенетраторы с удалением (полным или частичным) расплава из зоны забоя.
Рис.1.8 Типы пенетраторов для бурения скважин плавлением
а, б - для бурения сплошным забоем
в - для бурения кольцевым забоем с отбором керна
а, в - уплотняющие
б - выдавливающий
1 – высокотемпературный нагреватель
2 – бурильные трубы
3 – керн
4 – остывшая порода - остеклованный слой
5 – расплав
6 – остеклованные гранулы
7 – нерасплавленная порода
Кроме того, пенетраторы могут бурить со сплошным или кольцевым забоем.
Были разработаны и испытаны 3 типа пенетраторов:
- уплотняющие пенетраторы;
пенетраторы с выдавливанием (выносом) расплава;
кольцевые пенетраторы (для получения керна).
На рис.1.9 показана схема действующего уплотняющего пенетратора:
1 - колонна
бурильных труб
2 - каналы для циркуляции охлаждающей среды
3 - электрический изолятор
4 - токоподводящий электрод
5 - кристаллизатор-формователь
6 - тепловой изолятор
7 - экстрактор
8 – высокотемпературный пирографитовый нагреватель
9 - графитовый поглотитель лучистой энергии
10 - молибденовый корпус
Принцип работы. Снаряд опускается в скважину на колонне металлических труб, с помощью которых осуществляется подвод с поверхности электрической энергии и охлаждающей среды, а также передача осевого давления для уплотнения расплава. В месте соединения трубы с пенетратором имеются специальные каналы для охлаждения токоподводящего электрода и выхода охлаждающей среды в кольцевой зазор скважины над тепловым пенетратором.
Цилиндрический элемент 3 является изолятором токоподводящего электрода, контактирующего с цилиндрическим нагревателем – излучателем 8. Корпус пенетратора 10 служит для контактной передачи нагревателем высокотемпературной тепловой энергии непосредственно горной породе или ее расплаву. Кроме того, через корпус передается усилие, уплотняющее расплав на стенке скважины.
Кристаллизатор-формирователь 5 служит для охлаждения расплава и формирования из него при застывании на стенках скважины остеклованного слоя.
Тепловой изолятор 6 обеспечивает резкое снижение температуры в осевом направлении при эффективном отводе тепла в радиальном направлении.
Экстрактор 7 позволяет извлекать нагреватель при прихвате (прилипании) пенетратора к стенкам скважины.
Питание – постоянный ток напряжением 100 В и силой тока 100 и более ампер.
Для бурения скважин в плотных породах разрабатывались комбинированные пенетраторы, предусматривающие непрерывное удаление из зоны забоя расплава или его части через специальное отверстие – сопло, расположенное по оси корпуса пенетратора в торце (рис.1.8). Попадая после сопла в поток охлаждающей среды, расплав диспергируется и застывает в виде остеклованных гранул, стержней или минеральных волокон и выносится охлаждающим потоком.
При максимальной мощности 24кВт скорость бурения плавлением превышает 1м/час.