Технологическая характеристика и режим термического бурения

Термическое бурение скважин осуществляется самоходными огнеструйными буровыми станками, имеющими вращающейся термобур с горелкой; вращением термобура достигается периодическое нагревание всей площади забоя скважины. Для бурения скважин диаметром 220-250 мм применяется станок СБТМ-20.

Основными технологическими операциями термического бурения являются: зажигание горелки; собственно бурение, заключающеся в подаче вращающегося термобура на забой; расширение при бурении нижней части скважины (при создании котловой полости) или по всей длине заряжаемой ее части и очистка скважины.

В огнеупорной горелке смешивается горючее и окислитель, и образуются высокотемпературные газовые струи, которые, проходя через сопловый аппарат со сверхзвуковой скоростью, направляются на забой скважины. Охлаждение горелки и пылеподавление осуществляется водой и сжатым воздухом.

При использовании в качестве окислителя сжатого воздуха рациональны односопловые горелки (рис. 5.3, а), позволяющие повысить концентрацию газового потока. Двух и трехсопловые горелки (рис. 5.3, б) применяют при окислителе – газообразном кислороде. Стойкость горелок обычно составляет 800-1000 м.

Рисунок 5.3 Схемы огнеструйных горелок:

1 – корпус; 2 – камера сгорания; 3 – сопловый аппарат; 4 – защитный башмак.

При термическом бурении хорошо разрушается ограниченное количество в основном кварцсодержащих пород. Поэтому его самостоятельное применение оказалось неэффективным. При термическом расширении зарядной части скважины, ранее пробуренным шарошечным или другим механическим способом, скорость терморазрушения породы возрастает в 5—10 раз и более, увеличивается число терморазрушающих пород. Поэтому необходимо создание комбинированных термомеханических станков, что позволит расширить сетку скважин и снизить расход буровых шарошечных долот.

Для расширения скважин до dc=300-350 мм применяют те же горелки, а до d с= 400-500 мм – специальные односопловые горелки-расширители (рис. 5.3, в) с диаметром критического сечения сопла dкр = 28 - 32 мм и углом наклона соплового канала к оси горелки 25-30°.

Горючее и вода из расходных баков, смонтированных на станке, подаются к горелке посредством насосов по трубопроводам, а окислитель – по гибким шлангам. Для удаления газа и пара из скважины используется газоотсасывающая установка.

Для расширения скважины после достижения проектной глубины, при отсутствии подачи вращающегося термобура в течение 3-5 мин формируется вруб, а затем термобуру сообщается поступательное движение вверх. Далее производится очистка скважины посредством опускания термобура вниз. Время очистки скважины 10-15 мин.

В качестве горючего используют бензин, керосин и дизельное топливо, а окислителем является газообразный кислород или сжатый воздух. При применении кислорода повышаются затраты на бурение и требования к технике безопасности, поэтому в качестве окислителя обычно используют сжатый воздух, что существенно упрощает организацию огневого расширения скважин.

Термическое бурение шпуров глубиной 1-1.5 м и диаметром 50-60 мм производится ручными термобурами с односопловыми горелками. Сжатый воздух подается в термобур под давлением 0.5-0.6 МПа от передвижного компрессора. В качестве горючего применяется бензин. Горелки малого диаметра используют также для термического разрушения негабаритных кусков, резания каменных блоков и обработки их поверхности.

Режим термического бурения характеризуется температурой и скоростью газового потока и регулируется частотой вращения и подачи на забой термобура.

Тепловые потоки, создаваемые горелками, достигают (0.7-1.2) 10⁶ Дж/(м² ·с), скорость их 1600-2000 м/с, температура 3200 и 1800 - 2000°С соответственно при окислителе – кислороде и сжатом воздухе.

Оптимальный режим терморазрушения характеризуется минимальными затратами энергии при высокой скорости бурения, что соответствует разрушению пород путем «шелушения». Оптимальная частота вращения термобура при различных теплофизических свойствах горных пород составляет 0.25-0.5 с^-1. С уменьшением показателя Птб частота вращения уменьшается.

Предотвратить плавление породы возможно посредством прерывистого ее нагревания при периодическом действии на забой горелки с эксцентрично расположенными вращающимися соплами.

Техническая скорость термического бурения Vб= ƒ(Птб, q) для пород ІІ класса по термобуримости (термобуримые породы) может быть приближенно определена (м/ч) по эмпирической формуле (по А.П. Дмитриеву)

Vб 7.5·10^-6q – 17.4,

где q – удельный тепловой поток, поступающий в породу Дж/( м² ·с); при использовании в качестве окислителя кислорода q= (5-5.7) ·10⁶ Дж/( м² ·с), а при окислителе – воздухе q= (2.8-4.65)· 10⁶ Дж/ (м² ·с).

В хорошо термобуримых породах скорость бурения увеличивается в среднем на 20-25%, с увеличением трещиноватости массивов, скорость термического бурения снижается на 25-30% и процесс может полностью прекратиться в сильно трещиноватых породах.