Понятие термического бурения

Термическое бурение — способ бурения с использованием в качестве бурового инструмента Термобура или плазмобура (см. Плазменное бурение). Разработан в конце 40-х гг. 20 в. в США, с середины 50-х гг. применяется в СССР. Большой вклад в изучение физических основ и разработку технических средств Т. б. внесли советские учёные А. В. Бричкин, Р. П. Каплунов, И. П. Голдаев, А. П. Дмитриев, А. В. Ягупов.

Твёрдая среда (горная порода, бетон, лёд) при Т. б. разрушается в режимах хрупкого шелушения и плавления; при хрупком шелушении от нагреваемой до температуры 300—600 °С поверхности забоя отделяются небольшие твёрдые частицы (1—20 мм). Причина разрушения — термические напряжения, вызванные неравномерным прогревом поверхностного слоя среды; режим шелушения характерен для гранитов, песчаников, безрудных и железистых кварцитов.

При режиме плавления разрушаемая среда, нагреваясь, переходит из твёрдого состояния в жидкое (расплав). Продукты разрушения выносятся из скважины газовым потоком; в режиме плавления разрушаются бетон, лёд и некоторые горные породы (сланцы, базальты, габбро). Применение Т. б. целесообразно только в породах, склонных к хрупкому термическому шелушению. Это определяется комплексом их физических свойств (тепловые, упругие, прочностные), получивших название критерия термобуримости. Скважина бурится обычно с максимальной линейной скоростью при минимально допустимом её диаметре, который определяется диаметром термоинструмента. Чистая скорость Т. б. в породах, склонных к хрупкому шелушению, 4—25 м/ч. Достоинство Т. б. — возможность расширения в любой части скважины до 300—500 мм; для этого термоинструмент протягивается на заданном участке предварительно пробуренной скважины со скоростью 10—20 м/ч. обычно по схеме «снизу—вверх». Т. б. применяется только на открытых горных работах из-за наличия в газовых струях высокотоксичных и ядовитых газов (CO, окислы азота и т. д.). При разработке промышленных плазмобуров с использованием в качестве плазмообразующего газа водяного пара (что обеспечивает их работу без выхода вредных газов) не исключена возможность применения Т. б. и в подземных условиях.

Совершенствование Т. б. может быть достигнуто благодаря использованию комбинаций различных видов физических воздействий (механическое, ультразвуковое и т. д.) с тепловым, что позволяет увеличить термодинамические параметры газовых струй и уменьшить температуру хрупкого шелушения.

Термическое бурение — (a. jet drilling, flamejet drilling, thermal drilling; н. Flammstrahlbohren, thermisches Bohren; ф. forage thermique, thermoforage; и. perforacion termico, sondeo termico, taladrado termico) — способ бурения, основанный на разрушении г. п. на забое скважины высокотемпературными газовыми струями, вылетающими со сверхзвуковой скоростью из сопел огнеструйной горелки. Огнеструйная горелка, представляющая собой рабочий инструмент станка Т. б., состоит из форсунки эжекторного типа для подачи жидкого горючего в распылённом виде, камеры сгорания, корпуса, сопел, чехла, днища и башмака. В результате сжигания в камере сгорания высококалорийного топлива, состоящего из смеси жидкого горючего и газообразного окислителя (керосин — кислород, бензин — сжатый воздух и др.), образуются газообразные продукты, выбрасываемые со сверхзвуковой скоростью из сопел. Различают односопловые реактивные горелки с поступательно-возвратным движением вдоль оси скважины и вращающиеся трёхсопловые. Оптимальная частота вращения 15−30 об/мин, расстояние между срезом сопла горелки и забоем скважины 0,1−0,15 м. Охлаждение горелок осуществляется в основном водой, подаваемой в рубашку камеры сгорания, реже воздухом (горелка ТРВ). Тепловые потоки, создаваемые горелками, до 42 кДж/м2В· ч, скорость струй 1800−2200 м/с, темп-ра 1800−2000В°С при окислении сжатым воздухом и до 3500В°С при окислении кислородом. Расход горючего 80−130 кг/ч, воды 3,5 м3/ч, давление воздуха 600−800 кПа. Разрушение породы в забое скважины под действием огнеструйной горелки происходит в результате сложного взаимодействия сверхзвуковых раскалённых струй и воды с разрушаемой породой. Хорошо подвергаются термическому разрушению породы, имеющие ярко выраженную кристаллическую структуру с плотным цементом, массивной структурой, отсутствием или незначительным количеством низкоплавких минералов, глинистых включений. Продукты разрушения породы удаляются из скважины восходящим газовым потоком, образуемым из смеси продуктов сгорания и паров воды, которая вентилятором выбрасывается в атмосферу. Конструкция станков, используемых для Т. б., определяется их назначением и видом применяемого окислителя. Т. б. предложено в кон. 40-х гг. в США, в СССР применяется с сер. 50-х гг. гл. обр. для бурения скважин в железистых кварцитах на железорудных карьерах. С сер. 70-х гг. Т. б. используется в осн. для термического расширения (с 250 мм до 500 мм) нижней заряжаемой части взрывных скважин, что на порядок увеличивает эффективность Т. б., позволяет использовать его в более широком диапазоне пород, увеличивает вдвое сетку взрывных скважин (с 5−7 до 10−11 м) и выход породы (с 20−30 до 100 м³ на 1 м скважины).