The summary

Аннотация

КУРСОВАЯ РАБОТА

По дисциплине:

Разрушение горных пород при проведении геологоразведочных работ

Тема работы: «Разрушение горных пород плавлением».

Автор: студентка гр. РТ-10Берсан Н.Ю.

Оценка:____________

Дата:______________

Проверил:

Руководитель работы: профессор __________ Чистяков В.К.

Санкт-Петербург

Одним из наиболее интересных методов воздействия на горные породы, обладающим критерием универсальности, является метод их плавления при помощи непосредственного контакта с тугоплавким наконечником – пенетратором.

Эффективность процесса плавления определяется в основном температурой поверхности пенетратора и физическими свойствами горных пород и мало зависит от их механических и прочностных свойств. Это обстоятельство обусловливает определенную универсальность метода плавления в смысле применимости его для проходки различных пород. В отличие от механического метод разрушения горных пород плавлением с увеличением глубины и температуры залегающих пород повышает свою эффективность.

Число рисунков –5, общее число страниц-20.

One of the most interesting methods of influence on rock, having a criterion of universality, is a method of melting by direct contact with the refractory tip - penetrator.

The efficiency of the melting process is mainly determined by the surface temperature of the penetrator and the physical properties of rocks and little dependent on their mechanical and strength properties. This fact leads to a generic method of melting in terms of its applicability to different kinds of penetration. In contrast to the mechanical method of destruction of rocks melt with increasing depth and temperature of overlying rocks to increase their efficiency.

Number of drawings -5, total number of pages-20.

Содержание:

Введение. 5

Бурение горных пород контактным плавлением.. 6

Экспериментальные исследования процесса бурения горных пород плавлением в Ленинградском горном институте. 10

Заключение. 18

Список использованной литературы.. 19

Текстовые и графические приложения. 20

Введение

Совершенствование механических способов разрушения гор­ных пород и дальнейшее развитие на этой основе традиционных способов бурения затруднено в связи с ограниченностью прочно­стных свойств и износостойкости породоразрушающего инстру­мента.

Современное направление развития буровой техники и техноло­гии характеризуется стремлением к увеличению глубин и скоро­стей бурения, что сводится к интенсификации буровых процессов, к повышению концентрации энергии на забое. В конечном счете сконцентрировать на забое достаточно большую энергию проще всего в форме теплоты, тем более что эффективность тепловых способов бурения должна возрастать с глубиной по мере увели­чения естественной температуры глубокозалегающих горизонтов горных пород.

Существуют стадии разрушения горных пород, каждая из ко­торых характеризуется происходящими в ней и свойственными только ей процессами: разупрочнение и хрупкое разрушение; плав­ление; испарение.

Плавление горной породы — это изменение ее агрегатного со­стояния. На мой взгляд- эта тема актуальна по сей день, и поэтому я выбрала её в качестве курсовой работы, чтобы получить дополнительные знание по дисциплине разрушение горных пород при проведении геологоразведочных работ.

Бурение горных пород контактным плавлением

По буримости методом плавления все горные породы можно разделить на низкотемпературные (лед, сера, каменная соль) и высокотемпературные (гранит, глина), плотные и пористые, связ­ные и рыхлые. Отдельно могут быть выделены породы мало­эффективные для бурения плавлением, при нагреве которых про­исходит выделение газообразных и тугоплавких элементов (изве­стняк, доломит).

В зависимости от способа удаления расплава из зоны забоя все разнообразные конструкции буровых устройств для плавления скважин могут быть разделены на два основных типа: уплотняю­щие— для плавления в пористых породах; экструзионные (выдав­ливающие) — для плавления в плотных породах(рис.1). Уплот­няющие буровые устройства, расплавляя пористые породы или грунты, обеспечивают затвердевание всего расплава в уплотнен­ном и остеклованном слое на стенках скважины (керна). Для кон­тактного бурения плавлением с отбором керна должны применять­ся специальные колонковые буровые снаряды как уплотняющего, так и выдавливающего типа, конструкции которых характери­зуются наличием кольцевого нагревателя, керноприемной трубы и системы охлаждения, обеспечивающей затвердевание расплава как на стенках скважины, так и на поверхности керна.

Многие технологические процессы сопровождаются плавле­нием твердых тел при контакте с поверхностью, разогретой до тем­пературы, превышающей температуру плавления. Образующийся при этом расплав течет под действием внешней силы со стороны греющей поверхности или плавящегося образца. Такие явления сопровождают плавление в контактных плавильных аппаратах, сварку плавлением, пайку и др. Несмотря на распространенность, этот сложный многопараметровый процесс остается теоретически и экспериментально слабоизученным. Опубликованные исследования зачастую основаны на простейших балансовых соотношениях, что не позволяет учесть влияние многих важных в практических при­ложениях факторов. Экспериментальное изучение закономерностей процесса контактного плавления, его математическое моделирова­ние становятся особенно актуальными при решении различных технических проблем, возникающих в ходе новых разработок, а также при совершенствовании созданных ранее конструкций и тех­нологий. Это непосредственно относится и к новому способу буре­ния горных пород плавлением и экспериментально слабоизученным.

Исследование и разработка технических средств и технологии бурения плавлением является одним из перспективных направле­ний повышения эффективности проходки скважин в сложных гео­логических и горнотехнических условиях на основе нетрадицион­ных способов разрушения и крепления горных пород. В основе технологии бурения скважин способом плавления лежат чисто фи­зические процессы разрушения горных пород, связанные с измене­нием агрегатного состояния последних в результате интенсивного теплового воздействия в зоне забоя скважины. Процесс бурения плавлением определяется в основном температурой и теплофизическими свойствами проходимых пород и мало зависит от их меха­нических свойств. Последнее обстоятельство обусловливает уни­версальность рассматриваемого метода бурения для большинства горных пород, представляющих собой обычно полиминеральные многокомпонентные системы, преимущественно силикатного со­става (75 % земной коры по данным А. Е. Ферсмана), температур­ный интервал плавления которых находится в пределах 1200— 1700 К при атмосферном давлении. В отличие от механического бурения рассматриваемый способ с увеличением глубины сква­жины и соответствующим ростом естественной температуры по­роды повышает свою эффективность. Этот новый способ бурения скважин позволяет решать задачу поддержания устойчивости - и закрепления стенок скважины и керна непосредственно в процессе бурения путем создания за счет застывающего расплава прочного водонепроницаемого стекловидного слоя. Так как при бурении плавлением отпадает необходимость во вращательном или ко­лебательном движениях бурового инструмента, существенно сни­жаются потери энергии при передаче ее к забою, появляется воз­можность точнее выдерживать заданное направление сква­жины.

Отличительными особенностями технологии бурения плавле­нием являются высокая концентрация в зоне забоя скважины теп­ловой энергии, эффективная передача ее породам с целью обеспе­чения заданной скорости плавления, выдавливание расплава из зоны забоя, формирование на стенках скважины монолитного и прочного остеклованного слоя, удаление продуктов расплава из скважины на поверхность или в специальный шламосборник цир­кулирующей промывочной средой.

Передача тепловой энергии к поверхности забоя в общем слу­чае может осуществляться излучением, конвекцией и контактной теплопередачей. Однако необходимость использования в процессе бурения скважины жидкостной или газообразной среды с пара­метрами, определяемыми в основном требованиями очистки сква­жины от продуктов разрушения и поддержания в устойчивом состоянии ее стенок, затрудняют и ограничивают возможности ис­пользования двух первых видов теплообмена. Более широкое при­менение в настоящее время получает метод контактной передачи тепла от поверхности нагревателя к плавящейся поверхности за­боя через образующийся между ними слой жидкого расплава.

Благодаря специфическим особенностям техники и технологии бурение скважин плавлением дает принципиальную возможность реализовать следующие потенциальные преимущества.

1.Беструбное бурение скважин с помощью полуавтономных буровых снарядов на грузонесущем кабеле или шлангокабеле по­зволяет исключить трудоемкие и длительные спуско-подъемные операции, устранить потребность в громоздких и тяжелых буро­вых вышках и мачтах, повысить до 90 % КПД передачи энергии с поверхности к забою, скважины, улучшить такие важные эконо­мические показатели бурения, как трудозатраты, металлоемкость, энергоемкость и др., а также успешно решать задачи оптими­зации и комплексной автоматизации как основных, так и вспомо­гательных процессов и операций, связанных с бурением сква­жины.

2.Одновременное с бурением закрепление стенок скважины в слабосвязных и неустойчивых горных породах за счет создания прочного и непроницаемого остеклованного слоя позволяет упро­стить конструкцию скважины, резко снизить расход обсадных труб и тампонажных материалов, затраты времени и средств на тру­доемкие и дорогостоящие работы по креплению скважины обсад­ными колоннами.

3.Сохранение в процессе бурения (за остеклованным слоем) естественных фильтрационных свойств коллекторов позволяет по­высить качество опробования скважин и эффективность эксплуа­тации продуктивных горизонтов в сложных горно-геологических условиях.

4. Отсутствие в скважинах колонн обсадных труб позволяет
повысить результативность методов каротажа и скважинной гео-
физики.

На современном этапе имеется достаточно оснований считать актуальным проведение аналитических и экспериментальных ис­следований процесса бурения скважин плавлением, направленных на разработку технических средств и технологий в целях быстрей­шей практической реализации преимуществ этого нового перспек­тивного способа бурения скважин.

Экспериментальные исследования процесса бурения горных пород плавлением в Ленинградском горном институте

Основной целью экспериментальных исследований, начатых
на кафедре технологии и техники бурения скважин Ленинградского
горного института, является оценка возможности технической реализации и изучение основных закономерностей процесса бурения горных пород плавлением. Для достижения поставленной цели были выбраны в качестве первоочередных следующие конкретные задачи:

- создание лабораторного стенда и разработка методики экс­периментальных исследований;

-разработка конструкции, обоснование выбора нагреватель­ных элементов и конструкционных материалов, изготовление ма­кета высокотемпературного пенетратора;

-экспериментальные испытания макета высокотемпературного пенетратора на образцах и блоках горных пород с целью анализа технических и технологических параметров, определяющих эф­фективность исследуемого процесса бурения.

Разработанный в ЛГИ экспериментальный стенд размещен в специальном помещении площадью 60 м². Основная часть стенда (рис.2) смонтирована на опорной сварной раме 1 и представ­ляет собой буровой станок 2 марки БСК-2М-100 с гидравлическим регулятором подачи, наружной несущей токоподводящей трубой 8 и внутренней токогазоподводящей трубой 7 со съемным высоко­температурным пенетратором 11. Корпус 14 блока горной породы 19, оборудованный нагревательными элементами 18, покрыт теп­лоизоляционным слоем 15. Кожух 12 крепится к опорной раме при помощи четырех болтов 16; подача инертного газа (гелия) под кожух производится от блока охлаждения 6. Герметизация отвер­стия для прохода наружной трубы производится при помощи уплотнителя 10 и зажимной гайки 9. Система термодатчиков 13 устанавливается в блоке горной породы. Электрический ток к пенетратору от электрического силового блока 3 подается на токо-подводящие трубы, изолированные между собой герметичным электроизолятором, через шины, закрепляемые к специальной под­жимной гайке 5 наружной трубы и переходнику внутренней трубы при помощи болтов. Между опорной рамой и кожухом устанавли­вается уплотнительное кольцо 17.

Стенд работает следующим образом. В блок горной породы 19 устанавливаются термодатчики 13 для регистрации изменений температуры в радиальном и осевом направлениях и соединяются с самопишущим потенциометром КСП-4. Пенетратор 11 крепится внутри съемного кожуха 12 к наружной несущей токоподводящей трубе 8, закрепленной в шпинделе станка 2. Второй электрический контакт достигается при помощи нажимной гайки перемещением внутренней токогазоподводящей трубы 7 к нагревателю пенетра­тора. Кожух крепится к опорной раме 1, между ними устанавли­вается уплотнение 17. Гайкой 9 производится сжатие уплотни­теля 10. Стенд готов к работе.

Инертный газ (гелий) поступает от блока охлаждения 6 в кор­пус пенетратора по внутренней трубе 7 и в кожух. Электрический ток подается через наружную несущую и внутреннюю трубы на нагревательный элемент пенетратора. Затем в процессе нагрева и подачи гелия при помощи гидравлической системы станка соз­дается осевая нагрузка на пенетратор и включается регистратор КСП-4. Рейс бурения плавлением горной породы, как правило, ограничивается высотой блока породы. В процессе эксперимента регистрируются показания всех приборов. Для исследования за­висимости показателей бурения от температуры горной породы производится предварительный нагрев и поддержание заданной температуры блока породы при помощи электрических нагрева­тельных элементов 18.

Для экспериментальных исследований были подготовлены бло­ки горных пород из базальтов Арамусского месторождения и ту­фов Авганатурского месторождения (Армянская ССР). Для экспериментального бурения по блокам- горных пород плавлением был разработан и изготовлен в 1984 г. в Проблемной научно-исследовательской лаборатории горной теплофизики Ле­нинградского горного института с участием Государственного ин­ститута прикладной химии (ГИПХ) макет высокотемпературного пенетратора уплотняющего типа для бурения скважин сплошным забоем (рис. 3). При разработке конструкции макета пенетра­тора учитывались особые условия работы его отдельных эле­ментов.

Изучаемый процесс бурения связан с плавлением горных по­род и перегревом расплавов до температур на 200—300 °С выше температуры плавления. Надежность и эффективность работы пе­нетратора зависят от следующих основных факторов:

- прочностной и термической усталости используемых для из­готовления материалов;

-скорости воздушной и лавовой высокотемпературной корро­зии;

-расчетного срока службы нагревательного элемента.

При выборе материалов для изготовления пенетратора учиты­вались значения и характер механических напряжений в элемен­тах и деталях конструкции, рабочая температура, свойства окру­жающей пенетратор среды, допускаемая по конструктивным сооб­ражениям деформация и рациональный срок службы.

К тугоплавким материалам, из которых главным образом из­готавливаются корпус (обтекатель) и внутренние части пенетра­тора, предъявлялись следующие требования:

— жаростойкость при температурах 1230—1630°С без окис­ления, расплавления и деформации;

— достаточная механическая прочность при высоких рабочих, температурах;

— термостойкость при резких колебаниях температуры;

сопротивляемость химическим воздействиям при нормаль­ных и высоких температурах, способность не образовывать соеди­нений с расплавом пород и нагревательным элементом;

высокая теплопроводность для обеспечения максимального отвода тепла от нагревателя к породе;

низкая стоимость и технологичность изготовления изделий, различной конфигурации.

Нагревательный элемент пенетратора из жаростойкого мате­риала должен удовлетворять следующим требованиям:

-отсутствие фазовых превращений при нагреве и охлаждении в процессе эксплуатации;

-высокая температура плавления;

-высокая жаростойкость;

-высокое удельное электрическое сопротивление;

-пластичность и свариваемость.

В результате проведенного анализа свойств наиболее распро­страненных материалов для изготовления нагревательного эле­мента пенетратора был выбран пиролитический графит.

Конструктивные особенности и принцип работы высокотемпе­ратурного пенетратора уплотняющего типа для бурения без от­бора керна (см. рис. 3) заключаются в следующем. Корпус (об­текатель) пенетратора 1 изготавливается из сплава молибдена с рением (0,05 %) и служит для передачи излучаемой нагревате­лем высокотемпературной тепловой энергии горной породе или ее расплаву с минимальным температурным градиентом вдоль вер­тикальной оси. Кроме того, через корпус (обтекатель) передается усилие, уплотняющее расплав на забое и стенках скважины. На­гревательный элемент 2 изготовлен из пиролитического графита и закрепляется в корпусе пенетратора с помощью высокотемпера­турного электроизолятора 4, изготовленного из нитрида бора. С целью увеличения теплоотдачи внутренняя часть.корпуса обо­рудована графитовым экраном 3. Зазор между нагревателем-из­лучателем и приемником заполняется инертным газом (гелием). Нагреватель-излучатель изготовлен из набора ориентированных дисков, уплотненных и прижатых к торцевой внутренней части корпуса (обтекателя) пенетратора токоподводящим электродом.

В верхней части пенетратора расположен цилиндрический кри-сталлизатор-формователь 5, предназначенный для охлаждения расплава и формирования из него при застывании на стенках сква­жины плотного остеклованного слоя. В качестве материала для изготовления кристаллизатора был выбран графит, поскольку он обладает минимальной адгезией к расплаву. Кристаллизатор кре­пится с помощью гайки 7, изготовленной из вольфрама. Подача электрического тока производится по наружной токоподводящей трубе 8, изготовленной из титанового сплава, и внутренней токогазоподводящей трубе 12 из того же материала через высокотем­пературный токоподвод 6 (вольфрам). Ток от электросилового блока подается через медные шины 11, закрепленные на трубах при помощи болтов 10. Электроизолятор 14, являющийся одно­временно подвижным устройством для прижатия внутренней трубы, крепится поджимной гайкой 13.

Электрическая мощность пенетратора определялась с помощью амперметра постоянного тока со шкалой 150 А (класс точ­ности 1,5) и вольтметра постоянного тока со шкалой 250 В (класс 1,5). Параметры обогрева блока горной породы контролировались с помощью амперметра переменного тока со шкалой 20 А (класс точности 1,5) и вольтметра со шкалой 250 В (класс точности 1,5). Вес снаряда определялся с помощью электромеханического дат­чика веса и фиксировался электрическим индикатором веса, от-маркированным в ньютонах и установленным в пульте управления работой снаряда. Проходка за рейс и глубина внедрения опреде­лялись с помощью синхронно следящей системы сельсин-датчик-сельсин-приемник. Сельсин-приемник установлен на пульте управ­ления и механически связан с индикатором, оттарированньш в сантиметрах. Диаметр скважины, толщина остеклованного слоя из­мерялись с помощью штангенциркуля с ценой деления 1 мм. Время бурения определялось с помощью авиационных часов-секундо­меров.

В процессе экспериментальных исследований бурение проводи­лось по блокам базальта, туфа, монолитной каменной соли и дроб­леной поваренной соли.

Анализ полученных результатов показывает, что определяю­щими параметрами процесса бурения плавлением горных пород является реализуемая в зоне забоя тепловая мощность пенетра­тора и эффективное удаление расплава с поверхности забоя. При одной и той же мощности пенетратора скорость бурения плавле­нием в пористых и дробленых породах (туф, дробленая поварен­ная соль) значительно выше, чем в плотных (базальт, монолит­ная каменная соль). Толщина и перегрев слоя расплава в первом случае существенно меньше, чем во втором.

При увеличении осевой нагрузки на пенетратор повышается давление на слой расплава, уменьшается его толщина и увеличи­вается скорость выдавливания его из зоны забоя, что в пределах малых значений осевой нагрузки сопровождается заметным уве­личением скорости бурения плавлением.

В процессе экспериментальных исследований изучалось влия­ние технологических факторов (активной мощности пенетратора, осевой нагрузки) и конструктивных параметров (высоты, формы и материала кристаллизатора-формователя) на качество образую­щегося из застывающего на стенках скважины расплава остекло­ванного слоя.

Эксперименты по изучению зависимости качества остеклован­ного слоя от осевой нагрузки на пенетратор уплотняющего дей­ствия проводились на блоках туфа при фиксированной активной мощности пенетратора 3,5 кВт. При небольших осевых нагрузках на пенетратор (до 3 кН) давление в расплаве не обеспечивало эффективного удаления образующихся при плавлении породы га­зовых включений, поэтому в застывшем на стенке скважины остек­лованном слое сохраняются многочисленные пустоты и газовые включения. Повышение давления приводит к уменьшению разме­ров и количества пустот и газовых включений; увеличивается глу­бина проникновения расплава в трещины приствольной зоны, уменьшается толщина остеклованного слоя. Это хорошо видно на образцах проплавленных блоков туфа, представленных на рис. 4.

При осевой нагрузке на пенетратор 3 кН образуется остекло­ванный слой с полосчатой структурой и многочисленными пусто­тами и газовыми включениями (рис. 4,а); при осевой нагрузке 7 кН остеклованный слой имеет ровную поверхность, содержит мелкие, однородные по форме пустоты и включения, толщина его 2—3 мм (рис. 4,6); при осевой нагрузке 12 кН остеклованный слой однороден, без видимых пустот и газовых включений, тол­щина 1,0—1,5 мм (рис. 4,в).

В процессе экспериментальных исследований изучалась про­блема выбора материала для кристаллизатора-формователя и влияние его высоты на качество образующегося на стенках сква­жины остеклованного слоя.

Характер износа молибденового корпуса пенетратора и изго­товленного из графита кристаллизатора-формователя показан на рис. 5. Быстрый износ графитового формователя происходил при извлечении пенетратора из скважины за счет трения по шеро­ховатым стенкам остеклованного слоя.

На основании полученного опыта для повышения износостой­кости в формователе было предусмотрено чередование графитовых и молибденовых колец. Диаметр графитовых колец при темпера­турах выше застывания расплава превышает диаметр молибдено­вых колец. Это обеспечивает контакт расплава с графитом и предо­твращает адгезию расплава на поверхности последнего. При ме­нее высоких температурах, когда расплав застывает, его шеро­ховатая поверхность контактирует с поверхностью молибденовых колец, материала более твердого и подвергающегося меньшему абразивному износу.

Высота секции кристаллизатора-формователя также оказывает существенное влияние на качество образующегося остеклованного слоя. При небольшой высоте формователя выдавленный в коль­цевой зазор расплав не успевает охладиться и застыть. При даль­нейшем охлаждении и остывании выше кристаллизатора остекло­ванный слой образует шероховатую поверхность, затрудняющую последующее извлечение пенетратора, резко увеличивающую его поверхностный износ. При увеличении высоты формователя шеро­ховатость поверхности остеклованного слоя уменьшается, но зна­чительно увеличивается сопротивление со стороны остеклованного слоя при осевом перемещении пенетратора. Анализ результатов экспериментального бурения позволил в качестве оптимальной для плавления туфа пенетратором уплотняющего типа диаметром 50 мм принять высоту формователя 45 мм.

В целом результаты выполненного первого этапа эксперимен­тальных исследований подтвердили работоспособность выбранной конструкции пенетратора, показали возможность ее совершенство­вания, а также позволили оценить взаимосвязь основных техно­логических параметров процесса бурения плавлением горных по­род и наметить конкретные пути проведения дальнейших работ в этом направлении.

Заключение

Горная порода — это поли- или мономинеральный агрегат, состоящий из зерен-монокристаллов, спаянных между собой меж­зерновым цементом. Под действием теплоты в горных поро­дах в зависимости от их пористости, влажности, структуры, тек­стуры, минерального и химического состава проявляются различные эффекты, способствующие возникновению и развитию дефор­маций, релаксации напряжений, фазовым изменениям, изменению химического состава.

По термобуримости породы можно разделить на три группы: легкотермобуримые; термобуримые; труднотермобуримые.

Плавление горной породы — это изменение ее агрегатного со­стояния. Если при хрупком разрушении рвутся межзерновые связи, то при плавлении, как первоначально считалось, разрушается кри­сталлическая решетка. Однако в Ленинградском государ­ственном университете после многочисленных экспериментов, вы­полненных в условиях, приближенных к глубинным (давление до 1000 МПа и температура до 660°С), было сделано открытие: кри­сталлы в минералах не распадаются в таких условиях на отдель­ные атомы и ионы, а целиком блоки упакованных атомов и ионов переходят неизменными из одного кристаллического состояния в другое.

В целом результаты выполненного первого этапа эксперимен­тальных исследований подтвердили работоспособность выбранной конструкции пенетратора, показали возможность ее совершенство­вания, а также позволили оценить взаимосвязь основных техно­логических параметров процесса бурения плавлением горных по­род и наметить конкретные пути проведения дальнейших работ в этом направлении.

Список использованной литературы

1. Кудряшов Б.Б., Чистяков В.К., Литвиненко В.С. Бурение скважин в условиях изменения агрегатного состояния горных пород. – Л.: Недра, 1991.

2. Спивак А.И., Попов А.Н. Разрушение горных пород при бурении скважин. Учебник для вузов. - 3-е изд., М., Недра, 1986, 239 с.

3. https://www.urb2-5a.ru/t-burenie

4. https://burenie.by/

5. https://byrim.com/

Текстовые и графические приложения