Как повысить рентабельность бурения

Россия - очень богатая полезными ископаемыми страна. И естественно, что горнодобывающая промышленность – одна из базовых отраслей народного хозяйства. Ученые и инженеры сейчас ищут способы совершенствования в этой сфере технологических процессов. Среди них – и бурение скважин.

Породу разрушают ударом и резанием

По оценкам специалистов, сегодня в России более восьмидесяти процентов оборудования составляют так называемые станки шарошечного бурения. При вращении специального долота укрепленные на нем шарошки – конусы или цилиндры с зубьями – перекатываются по поверхности скважины. При этом они разрушают породу ударом и резанием. Такой метод профессионалы еще называют механическим.

- Несмотря на распространенность механического метода, он обладает рядом недостатком, - сказал корреспонденту «Комсомолки» кандидат технических наук, заведующий кафедрой «Двигатели и энергоустановки летательных аппаратов» Балтийского государственного технического университета (БГТУ) «ВОЕНМЕХ» Артем Левихин. – Это, во-первых, недостаточно высокая скорость бурения, во-вторых, долото часто выходит из строя, что приводит к удорожанию всего процесса.

Коллеги собеседника «Комсомолки» подсчитали, что в структуре себестоимости работ по добыче полезных ископаемых расходы на шарошечные долота могут достигать пятидесяти процентов.

Термический метод

Существует и другой, известный с середины прошлого века метод бурения – термический. Рабочим инструментом здесь является специальное устройство, которое создает высокотемпературный поток продуктов сгорания. В результате термического воздействия на породу от ее поверхности откалываются частицы, так называемые шелушки.

Термический метод бурения, который, кстати, разработан знаменитым советским конструктором Михаилом Циферовым, считается достаточно перспективным. Известно, что предел прочности скальных пород при воздействии на них высокотемпературного потока почти в десять раз меньше, чем предел их прочности на сжатие (механический метод). Поэтому термический способ значительно менее энергоемкий.

Конструктивно буровой аппарат представляет собой цилиндр, наполненный топливом, запальное устройство, рабочую камеру сгорания и сопловую головку, из которой и выходит струя. Скорость бурения термическим методом на порядок выше, чем в случае применения механического метода.

- Но и у термического способа, в том виде, в котором он существует сейчас, есть серьезный недостаток, - говорит Артем Левихин. – Дело в том, что температура потока продуктов сгорания очень высока: она достигает 2000 градусов по шкале Цельсия. А это, в свою очередь, обуславливает недолговечность рабочего инструмента. В ходе бурения его приходится менять по несколько раз,.

Вместо двух тысяч градусов – восемьсот

Сотрудники кафедры «Двигатели и энергоустановки летательных аппаратов» Балтийского государственного технического университета «Военмех» сумели усовершенствовать термический метод: они нашли способ, как уменьшить температуру потока и тем самым существенно повысить стойкость рабочего инструмента.

Из курса физики известно, что мощность теплового потока напрямую зависит от двух факторов: первый - разница между температурой потока и температуры разрушения породы; второй - коэффициент теплоотдачи.

- Наши предшественники шли по пути увеличения первого фактора, - говорит заведующий кафедрой. - Нам же удалось повысить коэффициент теплоотдачи, который определяется проходящими между потоком и породой термодинамическими и теплофизическими процессами. Таким образом, появилась возможность до 800 градусов снизить температуру потока. И тем самым повысить срок эксплуатации рабочего инструмента.

Вместе с заведующим кафедрой спускаемся в бокс, где установлен существующий пока в единственном экземпляре реактивный буровой аппарат (РБА). Его разработкой и проектированием сотрудники кафедры занимались при тесном сотрудничестве со специалистами предприятия «Реактивное Бурение». РБА конструктивно существенно отличается от «классического» аппарата для термического метода бурения.

Главным элементом РБА является трехкомпонентный парогазогенератор - устройство на основе малогабаритной камеры сгорания жидкостного ракетного двигателя, где происходит впрыск прошедшей рубашку охлаждения воды в поток высокотемпературных продуктов сгорания. Это позволяет получать на выходе парогазогенератора рабочее тело с требуемой температурой. Разрушение породы происходит за счет комбинированного - теплового и газодинамического - воздействия на нее струй рабочего тела.

Горят га работе

Прототипом парогазогенератора послужил образец, сконструированный известным ученым, доктором технически наук Владимиром Сиротко, который, к сожалению, несколько лет назад ушел из жизни. А сам реактивный буровой аппарат по собственной инициативе начали в 2011 году разрабатывать сотрудники кафедры «Двигатели и энергоустановки летательных аппаратов»

Как и их предшественники в уже очень далекие шестидесятые годы прошлого века, на этой кафедре молодые ученые и инженеры, что называется, горят на работе, не считаясь с личным временем.

- В первой половине дня сотрудники заняты в первую очередь учебным процессом: читают лекции, проводят практические занятия, - говорит заведующий кафедрой. - А вот вторую половину, как правило, посвящаем науке. Это разработки новых энергетических установок для летательных аппаратов, а также наземных установок специального назначения, к которым можно отнести и реактивный буровой аппарат. Свободного времени практически нет, зачастую мы уходим домой после десяти часов вечера.

Добавим, что сейчас специалисты БГТУ «Военмех» занимаются совершенствованием системы управления реактивного бурового аппарата. Реактивная буровая установка, основной частью которой является РБА, включает в себя, в частности, автомобиль-буксировщик, крановую установку, блок управления.

Кстати

По прогнозам специалистов, в ближайшее десятилетие в России объемы бурения на горных, земляных и строительных работах превысят шестьдесят миллион скважин. Это связано в первую очередь с планируемым освоением богатых полезными ископаемыми северных территорий. В частности, в рамках комплексного инвестиционного проекта «Урал Промышленный – Урал Полярный» предполагается освоить до семи новых объектов недропользования. Речь идет о месторождениях полиметаллических руд и бурого угля.

Справка «КП»

Кафедра «Двигатели и энергоустановки летательных аппаратов» была образована в 1959 году по инициативе известного конструктора ракетных двигателей Феликса Людвиговича Якайтиса при непосредственном участии знаменитого конструктора Сергея Павловича Королева. За ее почти полувековую историю здесь были подготовлены четыре доктора наук, защищено более 25 кандидатских диссертаций.