Термическое бурение

Устанавливают в ее устье первую обсадную колонну 34, фиг.1 - направление, вторую обсадную колонну 35 - кондуктор и производят крепление скважины с перекрытием неустойчивых верхних пород, изоляцией газоводяных потоков и закачкой в кольцевое затрубное пространство цементного раствора 32 между стенками кондуктора с направлением и скважины.

На следующем этапе для обеспечения условий термического бурения в скважину до забоя опускают третий обсадной ствол 5, фиг.1, а в кольцевое затрубное пространство между ним и кондуктором 35 закачивают асбесто-цементный раствор в соотношении 50:50, служащий для термоизоляции верхнего отрезка скважины. При этом обеспечивают свободное вращение этого ствола и приподнимают его нижнюю кромку над забоем 4 на 3-5 метров.

Посредством трос-кабеля 14 в скважину опускают подготовленный к работе ТБГ 6, фиг.1, с фиксацией среза его сопла 12 на расчетном расстоянии от поверхности забоя 4. После подачи воды по гибкому водяному тракту 15 в систему охлаждения ТБГ 6, фиг.1, т.е. в водяную рубашку 9, и обеспечения ее циркуляции с возвращением к устью 3 скважины по гибкому водоотводящему тракту 16 начинают термическое бурение.

Для этого с пульта управления бурением /ПУБ/ 23, фиг.1, по трос-кабелю 14 подается сигнал на срабатывание воспламенителя 11 в камере сгорания 19 и начинается горение твердого топлива 10 с истечением реактивной струи раскаленных газов из сопла 12 твердотопливного бура 6.

При этом одновременно с началом термобурения и запуском ТБГ 6 фиг.1, к срезу сопла 12 по гибкому тракту 24 подают сжатый воздух с дополнительным объемом кислорода для обеспечения более полного выгорания пород забоя под действием реактивной струи из сопла 12 с переходом их из расплава в газообразное состояние.

При этом, по мере углубления забоя 4 в результате термобурения ТБГ 6 постепенно опускают с помощью трос-кабеля 14 на пробуренную глубину со скоростью выгорания твердого топлива 10 и продолжают этот процесс до полного выгорания топлива с прекращением работы ТБГ 6.

Управление термобурением осуществляют с ПУБ 23 в соответствии с информацией, поступающей по трос-кабелю 14 от блока приборов, датчиков и иной аппаратуры 22, установленного на ТБГ 6, фиг.1. После прекращения работы ТБГ 6, фиг.1, начинают его подъем к устью 3 скважины посредством трос-кабеля 14, извлекают его из скважины, заменяют очередным и т.о. повторяют цикл термобурения, при этом в процессе подъема ТБГ 6 вверх по обсадному стволу 5 не прекращается подача сжатого воздуха по тракту 24 к срезу сопла 12, производится спуск воды из системы охлаждения открыванием кпапанов 25 для остужения призабойной зоны с одновременным вращением всего обсадного ствола 5 опусканием его до необходимого уровня пробуренной глубины.

Подача сжатого воздуха по гибкому тракту 24 в процессе подъема ТБГ 6, фиг.1, из скважины необходима для осуществления одновременной очистки обсадного ствола 5 от продуктов термобурения, при этом можно производить также и промывку этого ствола открыванием клапанов 25 со спуском воды из водяной рубашки 9 системы охлаждения ТБГ 6.

Твердотопливный бур Гашимова - ТБГ для осуществления термического бурения вертикальных скважин в земной коре с использованием высокотемпературной реактивной струи раскаленных газов имеет корпус 7, фиг.1, в виде цилиндра, линейные размеры которого в основном совпадают с соответствующими значениями стандартной обсадной или бурильной трубы используемой для газо- и нефтедобычи.

Внутри корпуса 7, фиг.1, по всей его длине имеется запас твердого топлива 10 и окислителя, а внутренняя полость корпуса является также камерой сгорания 19 с воспламенителем 11, датчиком давления 17, предохранительными клапанами 21, служащими для экстренной остановки работающего ТБГ 6 путем залива камеры сгорания 19 водой из водяной рубашки. Снаружи крышки-заглушки 18, фиг.1 имеется арматура 17 для фиксации трос-кабеля 14, служащего для спуска ТБГ 6 в забой - 4 и подъема его из скважины. При этом металлический герметичный кожух 8 имеет теплозащитное покрытие в виде силикатных цилиндрических насадок 38, фиг.1, выдерживающих температуру в пределах 1600°С, а над ним имеется блок приборов и аппаратуры 22, также покрытый силикатной теплозащитой и служащий для контроля и управления процессом термобурения, а также обеспечения спускоподъемных операций и передачи технологической информации по каналам трос-кабеля 14 к устью скважины на ПУБ-23.

Для обеспечения охлаждения работающего ТБГ 6, фиг.1, предназначен зазор - 9 между корпусом ТБГ 6 и его кожухом 8, создающий охлаждающую водяную рубашку при подаче в этот зазор 9 холодной воды по гибкому тракту 15, при этом трос-кабель 14 также охлаждается этой водой, т.к. проходит внутри тракта 15.

Другой гибкий водяной тракт 16 предназначен для отвода прогретой воды от ТБГ 6, фиг.1 и подъема ее к устью 3 скважины.

Гибкий тракт 24 предназначен для подачи сжатого воздуха к срезу сопла Лаваля - 12, фиг.1, в нижней части ТБГ 6, из которого истекает реактивная струя раскаленных газов с большой кинетической энергией и высокой температурой /более 3000 К/, обеспечивающая термическое бурение вертикальной скважины.

При этом термобурение посредством ТБГ 6, фиг.1, происходит в режиме свободного зависания ТБГ 6 над поверхностью забоя 4 на трос-кабеле 14 с постепенным спуском ТБГ 6 вглубь забоя 4 на пробуренное расстояние. Поэтому пробуренная таким способом скважина будет идеально вертикальной с иключением возможности ее искривления.

При этом линейные параметры реактивного сопла 12, фиг.1, следует рассчитать так, чтобы угол конусообразности реактивной струи обеспечивал условие, при котором диаметр буримой скважины получался бы несколько большим, чем диаметр опускаемого обсадного ствола 5, что необходимо для обеспечения свободного его опускания на пробуренную глубину.

Техническая осуществимость термического бурения сверхглубоких скважин с помощью ТБГ 6, фиг.1, позволяет достичь необходимых разумных глубин в земной коре в пределах 15-30 км и более, разогретых магматическим глубинным теплом в пределах 300-800°С, которого достаточно для производства водяного пара /насыщенного или перегретого/ с непосредственным использованием этого тепла, с помощью предлагаемого "Скважинного парогенератора" 37, фиг.2.

В такую скважину одновременно с процессом термобурения опускается обсадной ствол 5, фиг.2, единого необходимого диаметра от устья 3 до забоя 4, который разогрет до температуры, достаточной для парогенерации. После извлечения ТБГ из скважины с завершением ее термобурения до расчетной глубины в забой 4, фиг.2, опускают колонну 28, служащую для подачи воды, призабойная часть которой представляет собой теплообменник 29, имеющий ребра с поверхностями нагрева 30 и отверстия 31 для разбрызгивания воды по этим поверхностям.

При этом длина теплообменника 29, фиг.2, может достигать вверх от забоя 4 от десятков до сотен метров и более для обеспечения необходимой суммарной площади поверхностей нагрева, которыми служат наряду с ребрами теплообменника 29 также и поверхность призабойного отрезка обсадного ствола 5, поверхность дна забоя 4, сложенная открытыми разогретыми горными породами.

Описанная конструкция, составленная:

из вертикальной скважины в земной коре, забой 4, фиг.2, которой на определенной глубине имеет температуру, достаточную для превращения воды в пар;

из разогретого этой температурой призабойного отрезка обсадного металлического ствола 5;

из дна забоя 4, составленного открытыми горными породами;

из теплообменника 29 с ребрами и иными поверхностями нагрева 30;

из отверстий 31 в стволе теплообменника для разбрызгивания воды, подаваемой по стволу 28, представляет собой т.н. "Скважинный парогенератор" 37, который располагается в забое и занимает призабойный отрезок скважины определенной длины, при этом производит водяной пар с использованием глубинной тепловой энергии Земли и воды, подаваемой с устья скважины.

Для выполнения "Способа скважинной парогенерации с использованием глубинного тепла Земли" вначале бурят вертикальную скважину в земной коре необходимого расчетного диаметра с помощью ТБГ до глубин с температурой в забое 300-500°С и более.

Одновременно с процессом термобурения в скважину до забоя 4, фиг.2, опускают металлический обсадной ствол 5. Второй ствол 28, фиг.2, служащий для подачи воды в забой 4, также опускают до забоя, при этом нижний конец этого ствола является теплообменником 29.

Для получения водяного пара по водонапорному стволу 28 в высокотемпературный забой 4, фиг.2, с устья скважины 3 подают воду, которая разбрызгиваясь из отверстий теплообменника 29, и попадая на поверхности нагрева 30, превращается в пар. Образовавшийся т.о. пар поднимается к устью 3, фиг.2, скважины по обсадному стволу 5, собирается и концентрируется по всему объему скважины от забоя 4 до устья 3, непрерывно образуясь в парогенераторе 37 по мере подачи в Используя стабильно высокую температуру в забое, т.е. в "Скважинном парогенераторе", параметры получаемого пара - его температуру, давление, влажность и др. - регулируют подачей соответствующего количества воды по стволу 28, фиг.2, к теплообменнику 29, экспозицией парогенерации, объемом получаемого и расходуемого пара и т.о. доведенный до кондиционных параметров пар подают потребителям, в частности на электротехнические и иные устройства 27 Геотермической электростанций 26 путем открывания выпускного клапана 36 у устья скважины 3.

Предлагаемая "Геотермическая эл. станция со скважинным парогенератором" 26, фиг.2 преобразует внутреннее тепло Земли в электрическую энергию, имеет в своем составе известные электротехнические и иные устройства 27, при этом отличается от известной Геотермической эл. станции тем, что для получения водяного пара глубинное тепло Земли используется непосредственно, при этом она имеет вертикальную скважину в земной коре с обсадным металлическим стволом 5 единого необходимого диаметра с высокотемпературным забоем 4, который представляет собой "Скважинный парогенератор" 37, имеющий водонапорный ствол 28 и теплообменник 29 с поверхностями нагрева и отверстиями 31 для разбрызгивания воды, а также поверхностями нагрева 30, которыми являются стенки обсадного ствола 5 и поверхность дна забоя, составленная открытыми горными породами. Протяженность "Скважинного парогенератора" 37 вверх по скважине от забоя 4, фиг.2 находится в пределах длины теплообменника 29 и может составлять от нескольких десятков до нескольких сотен и более метров.

При этом с поверхности земли от устья скважины 3, фиг.2, по водонапорному стволу 28 в "скважинный парогенератор" 37 поступает вода, которая, попав на поверхности нагрева 30, превращается в пар, далее поднимается вверх по скважине, по обсадному стволу 5 и открыванием клапана 36 подается на эл. технические и иные устройства 27 Геотермической эл. станции 26 для получения эл. энергии и используется для теплофикации и иных целей.

Размещено на http://www.allbest.ru/

4. Применение термического способа бурения

Термический способ применяют при бурении взрывных скважин в очень крепких окварцованных породах, где механические способы бурения неэкономичны ввиду низкой скорости бурения и большого расхода инструмента. Этот способ применяют, как правило, на открытых работах.

Для разрушения породы используется высокая температура газов, вытекающих струями из горелки реактивного типа со сверхзвуковой скоростью. Интенсивный неравномерный нагрев породы приводит к неравномерному расширению отдельных ее участков, что вызывает механические напряжения, превышающие прочность породы, и она разрушается. При этом величина напряжений зависит от разности температуры отдельных слоев (участков).

Кроме этого, имеет значение увеличение объема кварца вследствие перехода его из одной модификации в другую (при температуре 573° С). Этот переход сопровождается увеличением объема кварца на 2,4%, вследствие этого в породе возникают напряжения, в 2--3 раза превышающие ее временное сопротивление сжатию.

Буровой снаряд для термического бурения состоит из горелки, штанги и устройства для подвода рабочих компонентов.

Горелка состоит из корпуса, выполненного из красной меди и расположенного в стальном кожухе. Для охлаждения горелки в кольцевом пространстве между кожухом и горелкой циркулирует вода. В камеру горелки через форсунку подается горючее (керосин или бензин), а по каналам, расположенным вокруг форсунки, -- окислитель (кислород или сжатый воздух). В камере сгорания развивается высокая температура (до 3000° С) и давление до 10 кгс/см2. Через сопло (одно или несколько) газы вытекают со скоростью до 1800 м/с и интенсивно нагревают отдельные участки забоя скважины. Порода трескается, а ее частицы отделяются от массива под механическим воздействием струи газов. Охлаждающая вода подается в скважину, где испаряется. Образующаяся парогазовая смесь выходит из скважины со скоростью до 30 м/с, вынося разрушенную породу. Буровой снаряд в процессе бурения вращают со скоростью от 2 до 30 об/мин. При этом скважина может быть расширена в любой ее части за счет снижения скорости подачи бурового снаряда на забой.

Штанга состоит из внешней трубы, внутренних труб, служащих для подвода соответственно окислителя и горючего. Вода подается по внешней трубе. Длина штанги определяется глубиной скважины и в процессе бурения не наращивается. Рабочие компоненты подаются в горелку под давлением, превышающим давление в камере сгорания.

Подводящее устройство установлено на заднем конце штанги и состоит из корпусас тремя штуцерами, к которым рабочие компоненты подводятся по гибким шлангам. Окислитель подается через штуцер, кольцевую камеру и трубку. Между вращающейся трубкой и корпусом установлена уплотняющая манжета. Охлаждающая вода подается в полость штанги по патрубку, кольцевой камере и трубке. Уплотнение камеры состоит из двух манжет. Горючее подается по штуцеру, кольцевой камере и трубке. Камера уплотнена манжетами.Расположение камеры, подводящей воду, между камерами, подводящими горючее и окислитель, обеспечивает противопожарную безопасность.

Буровой снаряд подвешивается на канате, его вес воспринимается упорным подшипником, а возможные радиальные нагрузки -- подшипником. Горючее и вода подаются насосами, а сжатый воздух -- компрессором. При применении в качестве окислителя кислорода последний подается из батареи баллонов, где он находится под давлением до 150 кгс/см2. Для снижения давления кислорода до рабочего (10--15 кгс/см2), его пропускают через редукционные клапаны.

При диаметре скважины 120--180 мм расход рабочих компонентов составляет: кислорода -- 100--300 м3/ч; керосина -- 40--120 кг/ч; воды -- 2,5--4,0 м/ч.

При применении в качестве окислителя сжатого воздуха машинная скорость бурения снижается, но, несмотря на это, бурение с применением кислорода менее экономично.

При термическом бурении по кварцитам с = 18 машинная скорость бурения возрастает в сравнении с шарошечным бурением в 6--7 раз, а стоимость снижается в 3--4 раза.

Список использованной литературы

1. Ягулов А. В., Тепловые разрушения горных пород и огневое бурение, М., 1972.

2. Огневое бурение взрывных скважин, М., 1962; Ягупов А. В., Тепловое разрушение горных пород и огневое бурение, М., 1972; Дмитриев А. П., Гончаров С. А., Янченко Г. А., Термоэлектрофизическое разрушение горных пород, ч. 2, М., 1975.

3. К. И. Наумов, Г. А. Янченко.

4. Большая советская энциклопедия. -- М.: Советская энциклопедия 1969--1978

Размещено на Allbest.ru