В настоящее время известны механические, физико-химические, термические, термомеханические и др. способы разрушения горных пород (способы бурения) — всего несколько десятков. При механических способах в породах создаются напряжения, превышающие предел их прочности. При термических способах разрушение пород происходит за счет возникновения в них термических напряжений и различного рода эффектов (дегидратация, диссоциация, плавление, испарение и т. д.). При термомеханических способах тепловое воздействие осуществляется целенаправленно для предварительного снижения сопротивляемости породы последующему механическому разрушению. Химические (физико-химические) способы разрушения пород предусматривают использование высокоактивного химического вещества.

При механическом способе разрушения в породе создаются очень значительные местные напряжения, приводящие к ее разрушению. При бурении породы разрушаются в основном за счет сжатия и скалывания.

Механический способ бурения представлен двумя главнейшими видами: ударным и вращательным бурением. При ударном бурении порода разрушается под действием ударов буровыми клиновыми наконечниками, называемыми долотами; при вращательном бурении порода срезается или раздавливается и истирается в забое специальными режущими и дробящими долотами или резцами коронок.

Ударное бурение, в свою очередь, разделяется на штанговое и канатное. В первом случае буровые наконечники опускаются в скважину и приводятся в действие металлическими стержнями — штангами, во втором случае — канатом.

Ударное бурение на штангах может производиться с промывкой забоя скважины или без промывки. Разрушение породы при ударном бурении осуществляется по всей площади поперечного сечения скважины; такой способ бурения называется бурением сплошным забоем.

При механическом вращательном бурении резанием к породоразрушающему инструменту (алмазные, твердосплавные коронки, долота) прикладывают крутящий момент и усилие подачи. Мощность, передаваемая породоразрушающему инструменту, возрастает с увеличением частоты вращения бурового снаряда, осевой нагрузки и сопротивления породы разрушению. Граничными условиями являются: прочность коронок, колонковых и бурильных труб, с одной стороны, и физико-механические свойства пород — с другой.

При бурении резанием с наложением ударов (ударно-вращательное бурение) к породоразрушающему инструменту приложены усилие подачи, крутящий момент и ударные импульсы определенной частоты и силы. При создании колебаний породоразрушающего инструмента породе передается дополнительная удельная энергия, а процесс разрушения породы сопровождается образованием более крупных частиц, что приводит к уменьшению энергоемкости процесса. Изменяя частоту и силу ударов, статическое усилие подачи и окружную скорость, можно в широком диапазоне менять характер воздействия резцов на породу. Для создания ударных импульсов могут быть использованы устройства, работающие в инфразвуковом ( 20 000 Гц) диапазонах частот.

Ударные нагрузки возникают при бурении шарошечными долотами (бурение дроблением и скалыванием). Генераторами инфразвуковых колебаний в настоящее время являются гидроударные и пневмоударные машины. Звуковые и ультразвуковые колебания инструмента создаются магнитострикторами и орбитальными осцилляторами, а также высокочастотными гидроударными машинами.

Бездолотные способы разрушения горных пород связаны с использованием энергии взрыва (взрывное бурение), кавитационной эрозии (имплозионное бурение), энергии удара стальных шариков о породу (шароструйное бурение), энергии струи жидкости (гидромониторное и гидроэрозионное бурение).

При взрывном бурении компоненты, образующие взрывчатую смесь, в капсулах доставляются на забой, где при ударе происходит их смешение. Они могут подаваться на забой и раздельно по трубопроводам; там они смешиваются и взрываются.

При электрогидравлическом бурении электрический разряд в жидкости образует кавитационные полости, при заполнении которых происходит гидравлический удар, или проходит непосредственно через породу благодаря заполнению скважины диэлектрической жидкостью.

При имплозионном бурении в скважину подают герметически закрытые капсулы, из которых предварительно удален воздух. В момент разбивания капсул о забой происходит интенсивное смыкание вакуумной полости. Жидкость, окружающая вакуумную полость, под воздействием гидростатического давления приобретает большую скорость, и порода разрушается под действием импульсов высоких давлений.

Гидромониторное и гидроэрозионное бурение. Энергия высоконапорных струй жидкости может использоваться для разрушения породы в комбинации с резцовыми или шарошечными долотами или самостоятельно. Добавление в рабочую жидкость абразивных частиц повышает эффективность разрушения породы при тех же давлениях. При соответствующей конструкции гидромониторных насадок можно получить эффект кавитации струи промывочной жидкости непосредственно на забое скважины.

разрушение горный порода бурение

2. Электроимпульсный способ разрушения горных пород и бурение взрывных скважин

Одним из самых перспективных оказался электроимпульсный (ЭИ) метод разрушения материалов, сущность которого заключается в разрушающем действии электрических импульсных разрядов в твердых непроводящих и полупроводящих телах.

Теоретическое обоснование и лабораторные исследования ЭИ способа управляемого разрушения твердых диэлектриков и полупроводников, к числу которых по своим электрофизическим свойствам относятся большинство горных пород, дано Воробьевым А.А., Воробьевым Г.А., Чепиковым А.Т. и др.

В основу способа положено установленное в Томском политехническом институте явление превышения электрической прочности жидких диэлектриков над электрической прочностью твердых диэлектриков при малых временах воздействия импульсных напряжений порядка 10 -6 с и менее. [6,7,9,20]. Российская академия естественных наук и Международная ассоциация авторов научных открытий зарегистрировала в 1999г. открытие «Закономерность пробоя твердого диэлектрика на разделе с жидким диэлектриком при действии импульсов напряжения» с приоритетом от 14 декабря 1961 г. (авторы — Воробьев А.А., Воробьев Г.А., Чепиков А.Т.).

При исследованиях электрической прочности жидких и твердых диэлектриков было установлено, с уменьшением времени экспозиции импульсного напряжения прочность жидких диэлектриков растет быстрее, чем для твердых диэлектриков.

При экспозиции напряжения менее 10 -6 с электрическая прочность диэлектрических жидкостей и даже технической воды возрастает настолько, что становится выше прочности твердых диэлектриков и горных пород. Сопоставление вольт-секундных характеристик пробоя на фронте косоугольного импульса напряжения для горной породы, трансформаторного масла и технической воды (в системе «острие-плоскость»).

3. Технология бурения скважин

В самой сущности способа заложена возможность достижения более высокой в сравнении с механическими способами эффективности разрушения с низкими энергетическими затратами. При ЭИ разрушении механизм формирования в материале разрушающего поля напряжений аналогичен разрушению с помощью ВВ. Источник нагружения (канал разряда) находится в твердом теле, разрушение которого происходит за счет усилий растяжения. Учитывая, что прочность материалов на растяжение ниже в 3 — 10 раз, чем на сжатие, эффективность данного способа по сравнению с механическими способами должна пропорционально возрастать. Динамический характер нагружения обеспечивает хрупкое разрушение материала без потерь энергии на пластическую деформацию. По сравнению с использованием взрывчатых веществ ЭИ способ имеет то преимущество, что усилия, создаваемые в канале разряда, обеспечиваются подводом энергии от внешнего емкостного накопителя, и могут регулироваться по величине и во времени воздействия, что позволяет оптимизировать процесс разрушения в зависимости от физико-механических свойств горной породы. При этом энергозатраты на разрушение при электроимпульсном бурении скважин резко снижаются, так как разрушение происходит крупным сколом.

Эффективность электроимпульсного разрушения пород определяется в основном их электрофизическими, а не прочностными свойствами, а поэтому становится особенно высокой в сравнении с механическими способами разрушения по крепким и особо прочным породам. Между тем, электрическая и механической прочностью пород взаимосвязаны, хотя по электрической прочности горные пород отличаются не столь значительно, как по механической. На основании этого можно говорить о малой зависимости эффективности электроимпульсного бурения от крепости горных пород. Были проведены исследования и составлена предварительная классификация пород по их электрической прочности.

4. Вероятность внедрения канала разряда в горную породу

Как выше отмечено, в предпробивной стадии в горной породе под действием приложенного напряжения образуется токопроводящий канал, вероятность образования которого в горной породе зависит от ряда факторов, основными из которых являются: искажение электрического поля при различных диэлектрических проницаемостях твердых тел и жидких сред; влияние ёмкостных токов, протекающих на поверхности твёрдого диэлектрика; свойства поверхности твёрдого диэлектрика, которые способствуют сосредоточению на ней газовых пузырьков, влаги и т.д. Указанные факторы могут оказывать существенное влияние на вероятность пробоя Ш горной породы в её параллельной комбинации с жидкой средой.

При изменении времени запаздывания разряда t_з от 0,013 · 10 -6 с до 10 -6 с вероятность внедрения разряда во все исследованные породы, постепенно повышаясь, достигает оптимума. Затем происходит снижение Ш. Поэтому некоторое снижение вероятности внедрения разряда при уменьшении t_з, по-видимому, может быть объяснено сближением пробивных напряжений горных пород с напряжениями перекрытия по поверхности образца при увеличении перенапряжения, что отмечено при исследовании пробоя и перекрытия твердых диэлектриков в различных жидкостях при t_з -7 с. Это связано, по-видимому, с тем, что началу ионизации в твёрдом диэлектрике предшествует ионизация в жидкости по поверхности образца [19], а процесс формирования разряда носит толчкообразный характер. Развитие в образце горной породы ионизационного процесса, появившегося позднее, чем в жидкости, зависит от скорости развивающегося поверхностного разряда. При относительно высокой скорости развития канала поверхностного разряда (область t_з -7 с) сокращается длительность пауз между толчками и повышается вероятность блокировки поверхностным разрядом ионизационных процессов в горной породе, т.к. поверхностный разряд, в основном, развивается между электродами по кратчайшему расстоянию вследствие высокой напряженности поля в этом направлении. Следовательно, развитие ионизации в горной породе может происходить только во время пауз между толчками, когда скорость поверхностного разряда мала. Но в момент толчка ионизация в горной породе блокируется в связи с тем, что область наивысших напряженностей выносится на головку скользящего разряда в направлении к противоположному электроду.

5. Исследование эффективности разрушения горных пород