Подземные ракеты, лодки, плазмотроны...

Впервые вижу: алмазная коронка на конце бурильной трубы опустилась на глыбу горной породы, замерла, словно примериваясь, затем последовал неуловимый поворот, сильный гул и молниеносное вращение. Тысяча оборотов в минуту, две тысячи, три тысячи! Коронки уже не видно: она ушла в породу.

На предыдущих страницах я с восхищением писал об алмазном бурении с частотой вращения 1000 оборотов в минуту. И вот на моих глазах алмазы дырявили крепчайший гранит на скорости в три раза большей! В бурильную колонну подали промывочный раствор, и во все стороны полетели грязные струи. Они ударялись о плексигласовое ограждение, стекали вниз, оставляя на нем частички выбуренной породы. Процесс бурения, всегда скрытый, обнажился на экспериментальном полигоне Всесоюзного научно-производственного объединения "Геотехника".

Я осмотрел несколько павильонов Подольского полигона, и в каждом видел многотонные глыбы с аккуратной сеткой пробуренных микроскважин. На буровых стендах проверялась современная тактика и стратегия проникновения в недра. Быстрее, еще быстрее! И на освоение новых скоростей указывали лихорадочные стрелки приборов, мелкая дрожь тяжелых экспериментальных установок, рев станков, требовавший специальных наушников.

И вдруг - стенд-тихоход! Вращение вялое - несколько десятков оборотов в минуту, но звуковое сопровождение такое же - люди в наушниках, чувствуется предельное напряжение опорной конструкции. Перед глазами неистово бьется гармошка из стальных труб, по которым к коронке подводится промывочный раствор.

Гидроударное бурение! За его разработку и внедрение группа сотрудников объединения была удостоена Государственной премии. Руководили исследованиями доктор технических наук Л. Э. Граф и кандидат технических наук А. Т. Киселев.

Давно замечено, что лучше всего справляются с горными породами удар и вращение, действующие в одной упряжке. Сегодня ученые объясняют причину такого успеха. Удар заставляет долото чуть погружаться в породу, а вращение срезает возникающие при ударе гребешки. В одиночку ударный и вращательный способы бурения менее эффективны.

При гидроударном бурении колонна труб вращается буровым станком, а осевая нагрузка создается весом этой колонны или при малых глубинах гидравлической системой станка. На нижнем конце бурильной колонны устанавливается гидроударная машина. В движение ее приводит поток промывочной жидкости, которую подает с поверхности насос. Регулярно по пути потока встает препятствие - возникают гидравлические удары. Благодаря им кинетическая энергия стремящейся вниз жидкости преобразуется в ударные импульсы. Они воздействуют на колонковую трубу, через нее на коронку, а она, в свою очередь, обрушивается на забой.

На горную породу совместно воздействуют осевая нагрузка, крутящий момент и ударные импульсы, что и обеспечивает высокую эффективность бурения - ведь при этом значительно возрастает передаваемая породе забойная мощность.

Гидроударное бурение - разновидность ударно-вращательного - успешно сочетает достоинства и ударного и вращательного способов. Например, при проходке слабо-абразивных пород средней крепости лучше всего применять резание. В твердых и крепких абразивных породах выгоднее ударно-поворотный режим. Универсальность гидроударников позволяет успешно разрушать всю гамму горных пород.

Все основные разработки в области гидроударного бурения выполнены на уровне изобретений: получено более 30 авторских свидетельств на конструкцию машин породоразрушающего и вспомогательного инструмента. Главные разработки удостоены дипломов и медалей ВДНХ.

Советские гидроударные машины широко известны за рубежом. Они применялись при бурении скважин на строительстве Асуанской плотины, закуплены ГДР, Болгарией, Чехословакией, Венгрией и другими странами.

В наши дни внимание исследователей привлекают новые принципы бурения, которые основаны на высокой концентрации энергии в месте разрушения породы и в то же время не зависят от стойкости породоразрушающего инструмента. Некоторые из них уже испытаны, опробованы в производственных условиях, другие еще не вышли из стен лаборатории.

Большое количество разработок проведено в области термического бурения: породы разрушаются расплавлением и последующим выпариванием. В электронагревательных буровых снарядах раскаляется вольфрамовая или иридиевая проволока, которая сильно нагревает наконечники из вольфрама. Энергия подается по электрическому кабелю. Расплавленная порода вытесняется к центру наконечника, где расплав охлаждается и разрушенные частички уносятся потоком гелия. Охлаждение поручено воде. Опытное бурение показало, что такой буровой снаряд способен проходить крепкие базальты со скоростью более пяти с половиной метров в час, граниты - 0,6 метра в час.

Первый отечественный термоэлектробур создан совместными усилиями сотрудников Арктического и Антарктического научно-исследовательского института и московских специалистов. Он был испытан 11-й Советской антарктической экспедицией вблизи обсерватории "Мирный". Испытания показали целесообразность электротеплового бурения - протаивания. Последующие исследования привели к созданию более совершенного термоэлектробура ТЭЛГА-3.

Разработаны и другие типы тепловых снарядов, основанные на использовании промежуточных теплоносителей - горячего воздуха, жидкости, водяного пара. Макет парового бурового снаряда отрабатывается в одной из лабораторий Ленинградского горного института.

Атомные буровые снаряды для разрушения пород используют тепло атомных реакторов, установленных в головке бура. Естественно, они должны быть невелики по размеру. Патент США указывает возможный диаметр одного из таких реакторов: 381-508 миллиметров. Он размещается в вольфрамовом элементе, греет его, а тот в свою очередь расплавляет породу.

Нагрев атомного реактора превратит горную породу в магму при минимальных тепловых потерях. Под собственной тяжестью атомный бур сможет опускаться сквозь "жидкие" породы. Держать его будет колонна бурильных труб. Расплавленная масса вытеснится по затрубному пространству и встретится с потоком промывочной жидкости. В результате - резкое охлаждение, затем отвердевание и разрушение под действием возникающих напряжений.

Предложен также автономный атомный снаряд для путешествия сквозь толщу земной коры. В течение примерно полугода он сможет опуститься до глубины 30 километров. Основные части "подземной лодки": цилиндрический корпус с ядерным реактором, балласт, отделяющийся в нужную минуту, и поплавок, поднимающий лодку на поверхность после освобождения ее от балласта.

Свое движение снаряд начинает из неглубокой скважины. Тепловая энергия от реактора направляется на забой, плавит пласты пород, и снаряд идет вниз. Расплавленное вещество за ним постепенно отвердевает. На определенной глубине срабатывает автомат, отделяющий балласт. Подземная лодка начинает всплывать. Успевшие затвердеть участки вновь расплавляются. Ядерный реактор способен перевести в текучее состояние большинство горных пород.

Плазменные генераторы могут нагревать окружающую среду до температуры более 16000°С, передавая ей приблизительно половину своей тепловой энергии. Коэффициент полезного действия плазмодуговых буровых снарядов достигает 30-40%.

Использовать плазму для разрушения горных пород предложили советские специалисты. Был проведен ряд экспериментов, которые показали, что при взаимодействии плазмы с породой в последней образуется область плавления и испарения различных минералов, а также область термических напряжений. Именно они вызывают растрескивание породы: от нее отскакивают частицы различной крупности.

Электрическая дуга в состоянии расплавить любую породу. При этом виде нагревания в скважину опускаются оба электрода бурового снаряда. Обойтись одним электродом не удается из-за низкой электропроводности пород. Советские инженеры предлагают электродуговой снаряд, в котором электрическая дуга возникает между центральным электродом и кожухом. Кожух и нагревается, расплавляя породу.

Высокую концентрацию энергии дает электронный луч. Проведены первые эксперименты: в некоторых минералах, например в рубине, электроны проделывали отверстия. Однако от электронно-лучевых буровых снарядов не следует ожидать больших скоростей проходки. Удельная энергия, необходимая для расплавления породы, достаточно велика, а подвести большую мощность к инструменту не удается.

Лазерный луч может концентрировать энергию в 30 раз большую, чем электронный. Но применение лазерных буровых снарядов направлено главным образом на термическое ослабление плохо расщепляющих пород. Нагревание до 500°С и к тому же создание резких перепадов температуры приводит к сильным термическим напряжениям, которые нарушают связи между кристаллами и зернами. Лазером разрушались гранит, мрамор, гнейсы и сланцы. Все они разогревались до интенсивного белого свечения, через несколько секунд начались разрывы, появились трещины. Вскоре порода потеряла первоначальную прочность.

К новым техническим средствам для проникновения в подземное пространство относятся "подземные ракетные корабли".

Речь идет о подземных ракетах, автором которых является московский изобретатель М. И. Циферов. Они позволяют проходить скважины большого диаметра для самых различных целей. Возможно, что с их помощью удастся проникнуть на глубины, которые сегодня еще недоступны.

Подземные реактивные снаряды состоят из рабочего органа и генератора газа высокого давления. Рабочий орган - это сопловой аппарат, расположенный в носовой части ракеты. В нем имеются забойные сопла, служащие для разрушения горной породы, и каскады сопел, предназначенных для постепенного расширения скважины. Топливный элемент и корпус наполнителя образуют генератор газа. Запальное устройство расположено в хвостовой части подземной ракеты. Оно представлено определенной навеской пороха и пиропатроном.

Готовый снаряд размещают в специальном стартовом устройстве. Его направляющие устанавливают так, чтобы ось будущей скважины совпадала с осью снаряда. Углубление снаряда в грунт происходит благодаря разрушительной работе струй газа, которые вырываются из сопел со сверхзвуковой скоростью. Именно эти струи являются породоразрушающим инструментом. Поступательное движение происходит под влиянием равнодействующей силы, возникающей в результате сложения веса ракетного снаряда и реактивной тяги. Газ, вырывающийся под огромным давлением из сопел, смешивается с грунтом. Газогрунтовая смесь движется со скоростью до 100 метров в секунду, и это обеспечивает вынос на поверхность крупных фракций породы - кусков до 150 миллиметров в поперечнике. Подземные реактивные, снаряды способны проходить и водоносные горизонты.

Последние образцы ракет по мощности в 100 раз превосходят механические бурильные установки. Во время испытаний они показали высокую скорость проходки: скважину диаметром до 1000 миллиметров прокладывали со скоростью метр в секунду.

Комбинированные способы воздействия на горную породу, как правило, наиболее эффективны. Порода нагревается только для уменьшения ее прочности; окончательное разрушение и отделение от массива производится инструментом. Предложен, например, такой способ: нагреванием проходится ведущая скважина, а резанием она расширяется до нужного диаметра. Исследования советских специалистов показали, что нагрев горной породы до 700-1000°С значительно облегчает ее последующее разрушение.

Еще сильнее разрушается порода под воздействием резких температурных колебаний - она трескается. Скажем, забой нагревается ацителеновой горелкой или вольтовой дугой и в то же время регулярно охлаждается потоком воды, воздуха или того и другого вместе. Ослабленная порода размельчается буром.

Комбинировать взрыв и механическое воздействие впервые предложили в Советском Союзе.

На забой скважины через определенные интервалы посылают заряды взрывчатого вещества. Периодические взрывы разрушают забой, отделяют от него куски породы. Их удаляет поток промывочной жидкости или воздушный поток. Многократные взрывы образуют ствол скважины.

Заряды подаются на забой различными способами. Взрывчатая смесь в виде отдельных компонентов может доставляться на забой в специальных капсулах. Они с нужной частотой попадают в бурильные трубы с помощью потока промывочной жидкости. С такой же частотой капсулы достигают забоя и там производят свою разрушительную работу. Есть способ по доставке вниз взрывчатого вещества без оболочек. Промывочная жидкость может также нести капсулы, имеющие отсеки, - в них размещаются составные части взрывчатого вещества. Перед забоем эта "подводная лодка" проходит узкое место бурильной колонны, разделяющая перегородка разрушается, взрывчатые компоненты смешиваются и капсула превращается в торпеду. Через отверстие, расположенное в 20-40 сантиметрах от забоя, торпеда на скорости 40 метров в секунду выбрасывается и ударяется о забой.

Взрыв образует у забоя мощный газовый пузырь, который вздымает столб промывочной жидкости в скважине. Он затем обрушивается вниз и дополнительно разрушает породу.

ВНИИ нефтемаш, первым разработал способ взрыво-вращательного бурения. Он основан на том, что через бурильные трубы регулярно посылаются в низ скважины торпеды кумулятивного действия. При ударе о забой они взрываются и разрушают породу. Долото доканчивает дело. Оно изготовляется со специальным широким каналом, способным беспрепятственно пропускать заряды. Перед взрывом долото поднимают над забоем, чтобы не повредить.

В Советском Союзе сконструирован взрывной патрон, который можно использовать для бурения скважин с продувкой забоя воздухом. Патрон состоит из заряда, оболочки и плотного материала: воды, кварцевого песка, глины, цементного раствора, которые под действием взрыва могут равномерно разлетаться. Патрон готовится на поверхности и доставляется на забой продувочным воздухом. Взрыв разбрызгивает плотный материал, его частички разлетаются и разрушают породу.

Итак, суммируем достоинства взрывного метода проходки скважин: энергия взрыва передается на забой скважины практически без потерь и независимо от глубины скважины, породы разрушаются при невысоких энергозатратах, диаметр бурящейся скважины удастся регулировать в широких пределах, в результате можно проводить нефтяные и газовые скважины минимального диаметра, крупные частицы породы, отбиваемые взрывом, легко использовать для опробывания.

Другие разработки в области бурения предусматривают воздействие на забой различных физических эффектов. Советский изобретатель Л. А. Юткин предложил проходить скважины, используя электрический разряд в жидкости, который обладает высокой выходной мощностью. Его удельная энергия близка к удельной энергии роторного бурения, что открывает хорошие перспективы перед новым видом проходки скважин.

Инженеры А. Н. Островский и Е. Б. Каган предложили использовать в бурении... кавитацию. Их идея заключается в том, что в скважину посылают герметические оболочки, из которых удален воздух, - в них создана определенная степень разрежения. При разрушении такой оболочки (удар о забой) происходит быстрое смыкание - охлопывание вакуумной полости, вошедшей в контакт с породой. Окружающая жидкость приобретает большую скорость, импульсы высоких давлений обрушиваются на породу.

Сильным разрушающим воздействием обладает разогрев породного массива на некотором удалении от обнаженной поверхности. Происходит как бы тепловой удар внутри облучаемой породы, и там концентрируются напряжения. Они открывают часть породы.

На Крайнем Севере на поверхности металл делается ломким от холода, под землей он страдает от вечномерзлых пород

...Почти половина территории Советского Союза занята вечной мерзлотой. Грунт, сцементированный льдом, очень прочный: землеройная техника не в состоянии с ним справиться, она ломается. Поэтому мерзлый грунт предварительно разрушают: разбуривают, взрывают или оттаивают. Стоимость разработки возрастает в несколько раз.

Механические способы разрушения горных пород в районах вечной мерзлоты уже не удовлетворяют требованиям времени, их возможности исчерпаны. Главный порок традиционных механизмов в том, что основную долю своей мощности они расходуют на доставку энергии к точке, где происходит разрушение пород. Наиболее яркий в этом смысле пример - традиционное бурение. Тяжелая колонна бурильных труб служит главным образом для передачи усилия на маленькую коронку.

На Крайнем Севере на поверхности металл делается ломким от холода, под землей он страдает от вечномерзлых пород

Несколько лет назад сотрудники Ленинградского горного института обнаружили, что мерзлые породы резко снижают свою прочность под воздействием мощных электромагнитных полей высокой и сверхвысокой частоты. Происходит это из-за неоднородности скованной льдом породы. В ней всегда имеется ничтожное количество воды в капиллярах и в виде тонкой пленки на поверхности частиц. Вода поглощает электромагнитную энергию в сотни и тысячи раз сильнее, чем окружающая среда. Ее состояние меняется, ослабляется как бы "цемент" горной породы. Она теряет первоначальную прочность и легче поддается механическому разрушению.

Ученые правильно оценили возможность нового явления... и трудности, которые придется преодолеть при создании машин этого типа.

Задача формировалась так: надо создать антенну, излучающую электромагнитные поля сверхвысокой частоты. Подобного рода антенны широко известны. Они давно используются в радиолокации, телевидении, радиосвязи. Но в данном случае требовалась совсем другая антенна: крепкая, способная выдерживать нагрузки при погружении в грунт. Иными словами, ей предстояло служить еще и инструментом для разрушения пород.

Сегодня многие трудности преодолены.

Первая установка внешне напоминала отбойный молоток. Она имела сменные наконечники, которые позволяли проделывать щели различной глубины и ширины. Для этого рабочему было достаточно с усилием провести наконечником по горной породе.

На Крайнем Севере на поверхности металл делается ломким от холода, под землей он страдает от вечномерзлых пород

Другая установка для бурения в мерзлых горных породах располагала шнеком, который от обычных отличался тем, что на нем монтировался электромагнитный излучатель. Порядок работы: шнек упирают в грунт и включают генератор электромагнитных колебаний. На забой "обрушивается" мощное электромагнитное поле. Мгновенно происходит разупрочнение породы. Шнек легко ее разрушает и транспортирует наверх. В описании к авторскому свидетельству сказано: "Бурение осуществляется со скоростями бурения немерзлых горных пород". Иными словами, так же быстро, как если бы проходка осуществлялась в каком-нибудь теплом краю.

Установка свай, пожалуй, главная трудность для строителей в районах вечной мерзлоты. Свая, изобретенная в Ленинграде, уходит в мерзлый грунт под собственной тяжестью. На ее конце стоит излучатель, который прокладывает дорогу, размягчая грунт. Свая беспрепятственно уходит на глубину и замерзает в земле навечно.

Ведутся исследования в области шарикового импульсного бурения. Этот способ предусматривает воздействие на забой стальных шариков, которые циркулируют через долото. После удара шарики поднимаются вверх восходящим потоком промывочной жидкости и оказываются в отверстии, расположенном в верхней части долота. Они вновь проходят через долото и достигают забоя.

Разработан ... химический буровой снаряд. Специальное устройство подает на забой высокоскоростной поток химических веществ. Реагенты взаимодействуют с породой - образуются летучие продукты, которые удаляются с забоя. Перспективы этого необычного способа ограничены из-за большой стоимости высокоактивных химических веществ. К тому же их требуется очень много, и это создает проблему хранения.

Специалисты не отдают явного предпочтения ни одному из новых способов бурения. Со временем практика бурения покажет, на какой обратить внимание. И, видимо, их будет несколько, пригодных для разных условий.