Электроимпульсное бурение

Перспективным направлением использования электроимпульсного способа бурения (см. раздел 3.2) – является сверхглубокое и глубинное (до 50км) бурение. Показана возможность передачи импульсов напряжения на такие глубины, опробованы погружные источники импульсного напряжения, показана возможность разрушения пород при высоких гидростатических давлениях (до 15МПа) и температурах (до 150^°С).

Бурение пород с применением лучевой энергии

Известен способ разрушения пород с помощью оптических квантовых генераторов (лазеров). С их помощью можно достичь концентрации мощности до 1,55∙10¹²Вт/см², что дает возможность не только термически разрушать породы, но даже расплавлять, испарять их. КПД таких лазеров невысок. Пока проводятся только лабораторные исследования.

На рис.1.10 приведена схема газо-лазерного бура Гладстоуна (США), в котором используется смесь азота, СО₂ и гелия. Диаметр пучка 44,5мм, концентрация энергии 3,04∙10⁸Вт/см². Испытания проведены на гнейсах, гранитах, мраморе, сланцах. Результаты хорошие.

Рис. 1.10 – Газо-лазерный бур

1 – рубиновый кристалл

2 – расширитель

3 – линза

4 – электрические кабели

5 – каналы для подачи промывочной жидкости

6 – отражающая поверхность

7 – когерентный световой луч

На рис.1.11 показана схема электронно-лучевого бура, электронные лучи которого образуются посредством ускорения движения электронов между катодом и анодом при напряжении 5-150 кВт.

Рис.1.11 – Электронно-лучевой бур

1 - электрические кабели

2 - анод

3 - вакуум

4 - преломляющая катушка

5 - сальниковое уплотнение

6 - канал для подачи промывочной жидкости

7 - катод

8 - фокусная решетка

9 - фокусная линза

10 - расширитель

11 - электронный луч

Этот способ более перспективен, так как:

• позволяет получить более высокую плотность энергии (5∙10⁹-5∙10¹⁰Вт/см²);

• может быть реализован малогабаритными устройствами, питаемыми от сети 380В;

• не требует обязательного механического перемещения по забою, легко управляем;

• имеет высокий КПД;

• нагревание породы нефокусированным лучом снижает их сопротивляемость в 40-500 раз;

• потери энергии небольшие – около 10% (при огнеструйном бурении – до 90%).

Фирмой Westernhаuse разработано и испытано устройство «электронный луч» для резания породы и бетона. Мощность 9-12кВт, разрабатывается устройство мощностью до 100 кВт. Источник энергии – генератор на 220В. Суммарная масса не более 135кг.

Устройство способно разрушать любую породу на расстоянии до 75мм. Скорость резания – 25-800мм/мин.

Недостатки электронно-лучевого способа:

• большие габариты и высокая стоимость;

• лучевая энергия не передается по волноводу – надо размещать генератор лучей в забойной зоне.

Плазменное бурение

Нагрев пород с помощью плазменных генераторов является более эффективным средством получения высокой концентрации энергии в единице объема пород. Плазма – это смесь электронов, положительных ионов и возбужденных атомов, образованных в газе под воздействием электрического поля – возникает в плазменных генераторах – плазмотронах (рис.1.12) при прохождении электрического тока через газ(воздух, кислород, водород, аргон, гелий, неон, водяной пар, метан, пропан и др).

Рис.1.12 – Схема генератора плазмы

1 – кольцевой катод;

2 – корпус;

3 – подвод охлаждающего агента;

4 – анод;

5 – источник постоянного напряжения.

Температура нагрева газов может достигать 5,5-7 тыс. ^°С, однако для бурения используются температуры 2-2,5 тыс. ^°С, иначе возрастают потери энергии на ультрафиолетовое излучение, снижается КПД устройства.

С помощью плазмобуров (рис.1.13) было пробурено различными исследователями и организациями несколько десятков скважин и шпуров (АН СССР, ВНИИЦветмет, Казахский политехнический институт, Гипроникель).

Рис.1.13 – Плазмобур

1 - газ (гелий или аргон)

2 - промывочная жидкость

3 - расширитель

4 - плазма (10000 -30000°)

5 - электрический кабель (постоянный ток)

6 - электрическая дуга

За рубежом также проводились работы по плазменному бурению.

Достоинства плазменного бурения:

• возможность регулирования режима работы снаряда;

• эффект плазменного бурения может быть повышен за счет повышения давления газа и изменения площади нагрева;

• отсутствует специальная система зажигания;

• незначительное выделение вредных веществ;

• возможность беструбного бурения.

Недостатки:

• ухудшение выноса разрушенных частиц породы вследствие уменьшение объема газовой струи;

• значительный износ электродов;

• необходимость подачи под давлением газа или пара, а также воды для охлаждения.