СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ БУРЕНИЯ С РАСПЛАВЛЕНИЕМ
METHOD AND DEVICE FOR DRILLING WITH MELTING

Изобретение относится к способу и устройству для выполнения точных по размеру скважин, шахт и туннелей в любом грунте, например скальной породе, в котором с помощью расплава расплавляют основание скважины и расплав вскрышной породы выдавливают в окружающую среду, в частности в разрыхленную за счет воздействия температуры и давления окружающую скальную породу, и в котором во время бурения за счет затвердевающего расплава образуется затяжка скважины вокруг образованной из трубных элементов колонны обсадных труб.
Способы бурения для выполнения точных по размеру скважин, шахт и туннелей в соответствии со способом бурения с помощью металлического расплава известны, например, из ЕР 1157187 В1. В документе раскрыто, как с помощью металлического расплава в качестве бурильной среды расплавляют скальную породу подстилающей породы, под давлением бурильной установки с графитовым цилиндром расплав скальной породы выдавливают с использованием эффекта LithoFrac в окружение скважины и в непрерывном процессе бурения с расплавлением создают из металлического расплава в качестве бурильной среды одновременно металлическую затяжку скважины из отливки вокруг графитового цилиндра. При этом выполнение скважины выполняется в виде колонны из графитовых полых цилиндров от поверхности до дна скважины, при этом через графитовые полые цилиндры направляется создаваемый на поверхности земли металлический расплав с поверхности до основания скважины.
Эта известная установка бурения с расплавлением состоит, в частности, из стандартных, стойких к высокой температуре и давлению угольных или, соответственно, графитовых полых цилиндров, которые в нижней зоне бурения с расплавлением могут быть снабжены электромагнитными или, соответственно, магнитными гидродинамическими устройствами, такими как магнитный баллон, магнитные клапаны, магнитный насос и магниты сцепления, и для левитационной работы могут быть снабжены магнитными устройствами для электромагнитного взвешенного состояния, поднимания и для оказания давления.
В соответствии с этим способом бурения с помощью металлического расплава известно, что подлежащую плавлению горную породу расплавляют с помощью электрически перегретого металлического расплава в качестве бурильной среды. При этом металлический расплав создают в плавильной установке на поверхности и через составленную из графитовых полых цилиндров бурильную колонну подают в зону бурения с расплавлением. Таким образом, основную часть энергии расплава создают на поверхности в плавильной установке, так что необходимо еще подводить количество энергии, которое необходимо и предусмотрено для перегрева металлического расплава с помощью магнитного насоса, а также для магнитов сцепления и магнитных клапанов, которые используются для создания и контролирования давления металлического расплава.
Обусловленное этим преимущество небольшой подачи тока в зону расплава за счет непосредственного ввода металлического расплава с поверхности снова частично элиминируется за счет указанных выше потребителей тока для манипулирования металлическим расплавом, так что недостатки подлежащих включению в колонну графитовых полых цилиндров электромагнитных и магнитогидродинамических устройств и опасность их технической неисправности могут быть больше получаемых преимуществ.
Кроме того, создание металлического расплава в больших количествах на поверхности, заполнение или, соответственно, добавление расплава в установку и удерживание в жидком состоянии по всей длине скважины требует больших затрат.
Из новейшего уровня техники известен вертикальный элеватор MagLev (фирмы TOSHIBA), который в качестве вертикально работающего высокоскоростного подъемника обходится без кабелей и остановок и который работает за счет использования, например, магнитов Хальбаха и мощных постоянных магнитов по принципу левитации и приводится в действие с помощью электродвигателя с удлиненным статором. При этом сокращение MagLev означает магнитную левитацию.
Известны также работающие без кабелей и без соприкосновения сверхпроводящие магниты (фирма IFW-Dresden), сверхпроводимость которых обеспечивается с помощью заменяемых или заполняемых резервуаров для жидкого азота и которые создают большие силы левитации.
Кроме того, известно лазерное бурение (US-Gas Technology Institute), с помощью которого при пробном бурении обеспечивается в 10 раз более высокая, чем с помощью техники роторного бурения, скорость бурения, которая соответствует результатам бурения с расплавлением с помощью способа бурения с расплавлением с использованием водорода и кислорода, согласно DE 2554101. Однако до настоящего времени не разработан способ бурения с использованием лазера в качестве источника энергии плавления для непрерывного или прерывистого бурения.
Задачей изобретения является улучшение известного способа, а также устройств для бурения с помощью металлического расплава и, в частности, упрощения ввода энергии для выполнения процесса плавления.
Кроме того, задачей изобретения является создание базирующегося на простом принципе действия способа и устройств, в которых максимально отпадает необходимость в затратных и склонных к отказам устройств, таких как удерживающие магниты, магнитные баллоны или магнитные клапаны и магнитные насосы, а также их электроснабжение и управление и обеспечивается металлическая затяжка высокого непрерывного качества отливки с выдающимися рабочими свойствами.
Эта задача решена согласно изобретению за счет того, что в открытую вверх, в частности, центральную выемку по меньшей мере одного нижнего трубного элемента колонны обсадных труб, в частности самого нижнего трубного элемента, подают сверху металл в твердом агрегатном состоянии, в частности, через лежащие выше трубные элементы, в этой выемке его расплавляют за счет подвода энергии и в виде металлического расплава направляют через каналы, которые проходят от выемки трубного элемента наружу и заканчиваются в наружной боковой поверхности трубного элемента, в наружное окружение трубного элемента, находящийся под самым нижним трубным элементом, инициированный, в частности, с помощью металлического расплава и перегретый, например, с помощью непосредственного пропускания тока расплав породы выдавливают в окружающую скальную породу с образованием в следующем этапе бурения за счет затвердевания окружающей трубные элементы металлической затяжки.
Для оптимизации металлической затяжки скважины и увеличения длительности срока службы часть нагнетательной буровой головки под устьем каналов для подачи металлического расплава может расширяться в диаметре по меньшей мере на толщину подлежащей созданию металлической стенки, что необходимо учитывать при создании предварительной скважины, соответственно, «стартовых труб» и их затяжки.
Таким образом, существенной основной идеей изобретения является перенос создания металлического расплава к основанию скважины и поэтому подачи металлического расплава больше не по всей длине скважины с поверхности земли, а «на месте» за счет плавления твердого металла и использования металлического расплава по меньшей мере в одном трубном элементе с каналами, который можно называть питающим элементом, для непосредственного создания металлической затяжки, перед тем как он достигнет зоны плавления у забоя скважины. Для этого предлагаются указанные выше трубные элементы согласно изобретению, в которых происходит, среди прочего, процесс плавления за счет ввода энергии, как будет пояснено ниже.
Для запуска процесса бурения с расплавлением согласно изобретению в одном варианте выполнения может быть предусмотрено создание сначала, например, известным образом предварительной скважины с основанием скважины, которое оставляется открытым, например, на несколько метров, в которую вводят металлическую трубу в качестве первоначальной затяжки скважины. В эту снабженную металлической трубой скважину (стартовую трубу) вводят по меньшей мере один указанный в начале, имеющий каналы трубный элемент (питающий элемент), а затем по меньшей мере один трубный элемент для обработки затвердевающей затем из расплава металлической затяжки скважины (вытяжной элемент).
При этом может быть предусмотрено, что перед трубным элементом с каналами вводят другие трубные элементы, в частности такие, которые во время процесса бурения с расплавлением расходуются за счет износа, или же в трубном элементе с каналами предусматривают учитывающую ожидаемый износ длину под отверстиями каналов.
Затем можно либо в этот нижний трубный элемент вблизи основания скважины или в другом варианте выполнения также в самый нижний трубный элемент подавать уже жидкий расплав, либо начинать процесс плавления в этом трубном элементе за счет плавления твердого металла. При этом предпочтительно используется намагничиваемый металл, в частности, с хорошей остаточной магнитной индукцией, такой как железо, или кобальт, или никель, или их сплавы, по меньшей мере тогда, когда в других возможных вариантах выполнения значение имеют магнитные свойства.
Выходящий через каналы этого имеющего каналы трубного элемента (питающего элемента) металлический расплав заполняет затем, в частности, за счет собственного давления и/или силы тяжести свободное пространство между основанием скважины и стенкой скважины и соединяется с введенной металлической трубой предварительной скважины с образованием создаваемой при непрерывной проходке скважины металлической затяжки. Металлический расплав, который через каналы попадает в окружающую наружную зону этого трубного элемента, стекает в ней вниз и попадает при этом на забой скважины, где при контакте за счет плавления скальной породы инициируется собственно процесс бурения с расплавлением и поддерживается за счет дополнительного подвода энергии.
Подачу энергии в создаваемый при бурении с расплавлением скальный и/или также металлический расплав можно в одном возможном варианте выполнения осуществлять с помощью тока, который подводится либо по проводам с поверхности до самого нижнего трубного элемента и/или до трубного элемента с каналами и зоны плавления, либо он создается с помощью по меньшей мере одного высокотемпературного реактора, который интегрирован по меньшей мере в одном из нижних трубных элементов, в частности в вытяжных элементах или над ними, или же в другом варианте выполнения также с помощью лазерного излучения, которое направляется с поверхности по центру через все трубные элементы до основания скважины.
При плавлении расплавленная скальная порода вытесняется в окружение (окружающую среду) скважины, что с определенной глубины скважины происходит под действием силы тяжести всей установки из множества трубных элементов, а в начале бурения может поддерживаться, например, гидравлическим или электромагнитным образом. Самый нижний трубный элемент и следующие за ним трубные элементы при плавлении забоя скважины автоматически опускаются вниз за счет вытеснения скального расплава в окружающую среду, так что с поверхности можно направлять другие трубные элементы той же или другой конструкции, и тем самым образуется колонна обсадных труб из множества трубных элементов, возможно, с различными функциями.
При этом отдельные трубные элементы могут быть соединены друг с другом или, соответственно, соединяться при введении, в частности, с помощью действующего между двумя трубными элементами защелкивающегося соединения, в частности соединения, которое можно снова размыкать, например, с помощью силы растяжения, которая растягивает два трубных элемента друг от друга.
Металлический расплав в данном изобретении служит, в противоположность указанному выше уровню техники, для непрерывного создания металлической затяжки скважины и больше первично не для плавления забоя скважины, а служит, в частности, лишь в качестве стартового и вытесняющего расплава для процесса плавления скальной породы, который происходит после начальной фазы с помощью непосредственного пропускания тока и/или лазерного излучения.
Исключительно в начале способа, когда еще не имеется скального расплава, металлический расплав служит также для создания первого скального расплава. Однако затем подушка из скального расплава сохраняется за счет непосредственного подвода энергии, например, указанным выше образом, и непрерывно создаваемый металлический расплав применяется для затяжки тем, что этот расплав через каналы сначала направляется в наружную окружающую зону имеющего каналы трубного элемента (питающего элемента), прежде чем он попадает в зону бурения с расплавлением, предпочтительно так, что при создании металлической затяжки скважины не может происходить смешивание со скальным расплавом.
В принципе может быть также предусмотрено, что зона плавления, в которой плавится твердый металл, расположена в другом трубном элементе, чем каналы, с помощью которых расплав направляется наружу. Предпочтительно, зона плавления и каналы объединены в одном трубном элементе.
В одном предпочтительном варианте выполнения изобретения может быть предусмотрена контролируемая подача твердого металла в зону плавления, например, с помощью металлического прутка, который может быть, в частности, составлен из элементов, при этом может быть дополнительно предусмотрена возможность демонтажа его неизрасходованной части после достижения цели бурения.
При лазерном нагревании подачу можно осуществлять через трубные элементы с помощью металлической трубы (полого прутка), через который лазерный луч направляется с поверхности до забоя скважины. Таким образом, подаваемый металл окружает лазерный луч, который расплавляет металл в нижних трубных элементах, при этом, в частности, под действием высокого давления света металлический расплав через каналы, которые расположены по меньшей мере в одном из нижних трубных элементов, вытесняется для образования металлической затяжки. При этом центральное отверстие через нижние трубные элементы (графитовые элементы) может удерживаться лазерным лучом свободным от металлического расплава.
Если в обоих вариантах выполнения металл подается с поверхности не в виде непрерывного прутка, а в виде отрезков, то может быть также предусмотрено выполнение этой подачи с помощью трубного элемента, в котором размещаются с удерживанием секции металлического прутка и опускаются вниз в снабженной затяжкой скважине. При этом может быть предусмотрено, что этот трубный элемент в качестве дальнейшего элемента располагается на последнем трубном элементе, в частности, при этом соединяется с ним, или же также, что этот трубный элемент снова поднимают. Может быть также предусмотрено, что отрезок металлического прутка передается от трубного элемента к трубному элементу до достижения трубного элемента, в котором происходит плавление.
Как раз для обеспечения возможности подачи и/или скольжения или прохода трубных элементов в колонне обсадных труб скважины в одном возможном варианте выполнения изобретения предусмотрено использование по меньшей мере одного трубного элемента после трубного элемента, в котором происходит плавление, с помощью которого можно выполнять обработку затвердевшей металлической затяжки.
Обработка может быть, например, с приданием формы и/или с обработкой поверхности. Для обеспечения возможности выполнения одновременно обоих видов обработки такой элемент может быть выполнен, например, в виде так называемого вытяжного элемента, который на основании своего наружного выполнения при прохождении (протягивании) через затвердевшую, но еще деформируемую металлическую затяжку приводит ее в окончательную форму и качество поверхности. Для этого элемент может иметь конически сужающуюся вниз форму с, в остальном, круглым поперечным сечением. Можно применять также эллиптические поперечные сечения. В частности, основная форма этого вытяжного элемента согласована с основной формой расположенного под ним трубного элемента, который может также иметь круглую форму или отклоняющуюся от нее форму. Преимущество способа согласно изобретению состоит как раз в том, что можно в принципе выполнять скважины с любой формой поперечного сечения.
В одном предпочтительном варианте выполнения изобретения установка бурения с расплавлением может иметь по меньшей мере три вида трубных элементов, которые разделяют образованную из трубных элементов бурильную колонну на горячую часть, вытяжную и/или охлаждаемую часть и на холодную часть. При этом трубные элементы горячей части могут быть выполнены в виде графитовых полых цилиндров. По меньшей мере один из нижних элементов, возможно, самый нижний элемент с каналами, является трубным элементом этого вида. Перед или после такого трубного элемента могут быть расположены другие элементы этого вида.
Трубные элементы вытяжной и/или охлаждаемой части могут быть выполнены, в частности, высокопрочной металлической конструкции, при этом эти трубные элементы расположены между горячей и холодной частью и используются для обработки, в частности, расширения и улучшения металлической затяжки скважины. Для этого также предусмотрен по меньшей мере один трубный элемент. В данном случае металлическая конструкция может окружать сердечник из графита.
Трубные элементы холодной части могут быть выполнены из особенно прочной на сжатие металлической конструкции, которая используется, в частности, для создания давления и/или подачи устройств управления и подвода энергии, а также твердого металла, который подается через трубные элементы к близкому к основанию скважины трубному элементу, в котором плавится твердый металл.
В соответствии с этим изобретение в этом варианте выполнения представляет способ и установку с тремя функциональными участками:
1) состоящая из графитовых полых цилиндров горячая часть,
2) служащая для уплотнения, выдерживания размеров и повышения качества поверхности металлической затяжки вытяжная и/или охлаждаемая часть и
3) верхняя холодная часть, которая служит для создания давления, подачи металлического прутка, соответственно, металлического трубчатого прутка для снабжения металлическим расплавом или, соответственно, для его транспортировки в скважину.
В противоположность известному способу бурения с использованием металлического расплава указанного в начале вида элементы, в частности полые цилиндрические элементы холодной части и вытяжной и/или охлаждаемой части бурильной установки, состоят из высокопрочных материалов или, соответственно, стойких к высоким температурам металлических сплавов, а не из чисто угольных полых цилиндров. Однако они могут иметь угольный сердечник.
Согласно изобретению в одном варианте выполнения можно также удерживать длину установки бурения с расплавлением, т.е. всей бурильной колонны, возможно более короткой, поскольку больше нет необходимости в сплошном креплении обсадными трубами с поверхности земли до забоя скважины для транспортировки расплава.
Такая элеваторная система может быть создана, при необходимости, посредством нанесения элементов элеваторной системы на снабженную металлической затяжкой стенку скважины. Особенно предпочтительной является элеваторная система в соответствии с технологией MagLev, в которой трубные элементы за счет магнитного действия взаимодействуют либо непосредственно с металлической затяжкой скважины, либо с установленными элементами элеваторной системы и по меньшей мере управляемо перемещаются в глубину, предпочтительно с обеспечением элеваторного режима в обоих вертикальных направлениях.
В данном случае можно использовать элеваторную технику MagLev в согласованном виде, которая в настоящее время испытывается фирмой Toshiba и в которой металлическая затяжка используется непосредственно или опосредованно в качестве рельса для движения.
В соответствии с этим может быть предусмотрено, что трубные элементы используются в качестве элеватора MagLev с высокими скоростями движения, с целью монтажа и демонтажа, соответственно, подачи удлиненных элементов для установки бурения с расплавлением и/или подаваемого металлического прутка, соответственно, металлического трубчатого прутка. Такой элеватор MagLev не обязательно должен образовывать трубный элемент, а может в принципе образовывать собственный, подвижный в скважине элемент.
Проблемы известной установки бурения с расплавлением решены согласно изобретению тем, что отпадает необходимость в указанных выше электромагнитных или магнитогидродинамических устройствах и возникающую при непрерывном создании металлической затяжки скважины потерю металлического расплава можно восполнять не непосредственно в виде расплава, а в виде элементов, например в виде прутка или трубки, через полые элементы скважины, предпочтительно с помощью элеваторной системы, например элеватора MagLev, с образованием металлического прутка или, соответственно, металлического трубчатого прутка (в случае передачи энергии плавления с помощью лазера).
Бурильная установка с помощью металлического расплава согласно изобретению может быть выполнена и может работать в различных вариантах выполнения.
Трубные элементы бурильной колонны могут образовывать в известном варианте выполнения единое целое от начала скважины до цели скважины, при этом лишь нижняя, горячая часть состоит из угля и заканчивается вытяжной частью из твердого сплава, при этом специальная форма вытяжных элементов придает металлической затяжке скважины и тем самым скважине ее форму.
Холодная часть бурильной колонны служит, в частности, для создания давления за счет собственного веса, а также управления скоростью продвижения скважины и обеспечивает невозможность посадки бурильной головки на переднюю кромку скальной породы. Для того чтобы всегда сохранялась подушка из расплава между забоем скважины и бурильной головкой, холодная часть бурильной колонны удерживается механически с подвеской на крюк, или согласно изобретению с помощью установленных в модули бурильной колонны элементов левитации, или, соответственно, с помощью самостоятельного перемещения с помощью равномерно работающих в такт электромагнитных скользящих по модулям бурильной колонны башмаков.
Может быть предусмотрено равномерное управление в такт электромагнитами, в частности, с оптимальной частотой, которое делает бурильную колонну вибрационным копром и оптимизирует продвижение бурения в зоне бурения с расплавлением и вытяжной зоне.
Трубные элементы бурильной колонны в одном варианте выполнения можно монтировать и демонтировать с помощью элеватора, предпочтительно с помощью элеватора MagLev в качестве подающего механизма, а также транспортировать необходимый материал с помощью такого элеватора, когда длина бурильной колонны не заполняет снизу доверху всю скважину, а остается ограниченной длиной, при которой собственный вес достаточен для вытеснения расплава в скважине и создания давления для вытяжных элементов.
В простейшем случае отдельные трубные элементы холодной части являются не активными. Свойство скольжения относительно затяжки скважины или, соответственно, подаваемого металлического прутка в их центральном отверстии обеспечивается с помощью встроенных угольных колец или других элементов скольжения из графита. Таким образом, образуется контакт трубного элемента с наружной металлической затяжкой или, соответственно, с внутренним металлическим прутком лишь через графитовые элементы с прекрасными свойствами скольжения.
В другом варианте выполнения отдельные трубные элементы холодной части действуют в целом в качестве магнитного проводника с функцией удерживания на расстоянии от металлической стенки скважины и подаваемого металлического прутка или, соответственно, металлического трубчатого прутка, в котором они направляются, предпочтительно без соприкосновения.
В одном другом варианте выполнения каждый трубный элемент, по меньшей мере трубные элементы холодной части, могут действовать в качестве элеватора MagLev и самостоятельно монтироваться, демонтироваться и/или висеть, удерживаться, давить и подниматься в виде всей бурильной колонны.
Металлический пруток или, соответственно, металлический трубчатый пруток можно подавать, например, в соответствии с одним из обоих последних вариантов выполнения, без трения за счет магнитной левитации внутри элементов бурильной установки, или тормозить с помощью индуктивных витков, с помощью возникающей воздушной подушки, или же, в соответствии с указанным простым вариантом выполнения, подавать с небольшим трением через угольные кольца или угольные распорки со скольжением в колонну из графитовых полых цилиндров горячей части, в которой за счет переноса тепла, с одной стороны, из затвердевшей, но еще раскаленной докрасна зоны затяжки скважины, а также за счет используемого целенаправленно электрического или лазерного нагревания он расплавляется в зоне плавления перед каналами такого нижнего трубного элемента.
Согласно изобретению весь вес металлического прутка или, соответственно, металлического трубчатого прутка действует при вертикальной подаче на относительно небольшое поперечное сечение прутка по сравнению с длиной, с образованием чрезвычайно высокого давления в металлическом расплаве, под действием которого вытесняется перегретый скальный расплав, при этом действующее вверх на поперечное сечение бурильной установки реактивное давление воспринимается весом элементов бурильной установки и их трением в зоне запирающего давления затвердевающего металлического расплава в наружной зоне установки бурения с расплавлением или, соответственно, расширяющегося и еще не полностью расплавленного металлического прутка в зоне полых цилиндрических элементов в функциональных отрезках горячей части и вытяжной и охлаждаемой части, и тем самым бурильная установка может быть относительно короткой и подача металлического расплава не должна производиться с поверхности.
Удерживающие магниты для создания металлической затяжки скважины, применяемые в уровне техники, становятся ненужными согласно изобретению за счет предусмотрения указанных каналов, в частности предпочтительно по меньшей мере трех поперечных каналов, которые выполнены в качестве питающих каналов в конце зоны плавления по меньшей мере в одном из нижних (вблизи основания скважины) трубных элементов. Поперечные каналы служат в качестве подающих металлический расплав каналов и заполняют в начале процесса бурения с расплавлением полностью свободные пространства для создания металлической затяжки скважины вокруг нижних графитовых полых элементов металлическим расплавом до забоя скважины.
В предпочтительном варианте выполнения при использовании лазера в качестве источника энергии плавления, в трубном элементе с поперечными каналами для подачи металлического расплава в окружение, от этих поперечных каналов сужается вниз внутреннее полое пространство, в частности, до поперечного сечения лазерного луча. Сужение осуществляется до уменьшенного поперечного сечения, которое соответствует поперечному сечению лазерного луча или слегка превышает его, для того чтобы лазерный луч мог выходить из этого нижнего и, возможно, других лежащих ниже трубных элементов, которые в этом случае также имеют такое отверстие, вниз в направлении забоя скважины. В способе бурения с расплавлением скальной породы за счет непосредственного нагревания с помощью тока такое центральное отверстие отсутствует. В этом варианте выполнения трубный элемент с каналами и, возможно, используемые ниже другие трубные элементы закрыты снизу, и металлический расплав может выходить лишь через поперечные каналы.
Металлический расплав предпочтительно подается через поперечные каналы в ближний к основанию скважины трубный элемент для создания металлической затяжки скважины при оптимальной температуре расплава и защищен от непосредственного излучения скального расплава в зоне бурения с расплавлением с помощью подушки расплава вокруг «бурильной головки» в виде нижнего графитового цилиндра, т.е. самого нижнего трубного элемента из графита.
За счет этого сокращается согласно изобретению время затвердевания и тем самым также длина горячей части бурильной колонны.
В одном возможном варианте выполнения может быть предусмотрено, что самый нижний трубный элемент, в частности, который образует собственно бурильную головку, выполнен с сужением вверх, например с коническим сужением. Такая форма приводит к автоматическому опусканию такого трубного элемента за счет давления, которое оказывает окружение скважины на этот элемент. За счет расположенного над этим трубным элементом обрабатывающего трубного элемента, в частности так называемого вытяжного элемента, можно изменять металлическую затяжку, которая согласовывается с формой такого самого нижнего трубного элемента, например, так, что металлическая затяжка имеет в осевом направлении остающееся постоянным поперечное сечение.
Другой задачей изобретения является устранение необходимости магнитных насосов (магнитного баллона) для последующего перегрева металлического расплава в зоне плавления. В известном способе бурения с использованием металлического расплава задачей металлического расплава в качестве перегретой бурильной среды является расплавление скальной породы, так что металлический расплав является значительно более горячим, чем скальный расплав.
В способе согласно данному изобретению металлический расплав применяется лишь в качестве стартового расплава для бурения с расплавлением, а затем возникший скальный расплав нагревают непосредственно за счет пропускания тока или лазерного излучения, а не тем, что металлический расплав перегревается с помощью указанных выше устройств, таких как магнитные насосы, и обеспечивается разработка скального расплава. Вместо этого металлический расплав, например железный расплав, применяется по существу лишь в качестве стартового расплава и для создания металлической затяжки скважины, соответственно, в качестве вытеснительного, а также защитного расплава, с целью инициирования непосредственного нагревания скального расплава с помощью тока за счет резистивного нагревания, поскольку скальная порода как хороший изолятор становится проводником тока лишь в жидкой фазе.
Таким образом, скальный расплав значительно более горячий, чем металлический расплав. За счет высокой разницы температур обоих расплавов вязкость и поверхностное напряжение скального расплава меньше, чем у металлического расплава.
Согласно изобретению высокое поверхностное напряжение более холодного металлического расплава, его более высокая вязкость и контраст плотности используются для вытеснения более горячего и более легкого скального расплава в системы трещин окружения скважины, которые возникают под воздействием давления и температуры непосредственно прилегающего к скальной породе горячего скального расплава за счет эффекта LithoFrac. Таким образом, дополнительно предотвращается с самого начала смешивание металлического расплава и скального расплава.
Подача тока для непосредственного плавления скальной породы за счет перегрева скального расплава за счет прохождения тока можно осуществлять в одном возможном варианте выполнения по меньшей мере через один электрод, который заканчивается в нижней поверхности самого нижнего трубного элемента, предпочтительно по меньшей мере через три интегрированных в графитовую бурильную колонну и изолированных графитовых электрода.
При нескольких электродах они могут иметь равномерное угловое расположение, например при трех электродах под углом 120º друг к другу, и расположены так, что они проходят центрированно.
При использовании лишь одного электрода можно осуществлять нагревание, например, за счет пропускания тока между этим электродом и металлической затяжкой. При предпочтительно используемых трех или более электродах можно достигать прохождения тока между этими электродами и/или металлической затяжкой. При этом через эти электроды можно пропускать ток со сдвигом фазы и образовывать вращающееся поле.
Эти электроды могут предпочтительно выполнять одновременно также задачу полностью автоматического управления в соответствии с томографией электрического сопротивления (ERT), разработанной Lawrence Livermore National Laboratory, с помощью компьютерной программы и/или управления по принципу трехфазного тока плавлением между графитовым цилиндром и забоем скважины посредством вращения и поворота расплавов в качестве головки для бурения с расплавлением для точной разработки скальной породы.
В одном варианте выполнения каждый электрод может иметь проводное соединение с поверхностью. Может быть также предусмотрено, что электрод снабжается током непосредственно из размещенного в нижнем трубном элементе, например холодной части, реактора. При этом прохождение тока между тремя электродами можно осуществлять через расплав со сдвигом по фазе и с различной силой тока, при этом металлическая затяжка скважины служит в качестве обратного проводника.
После достижения цели глубокой скважины по меньшей мере элементы холодной части и охлаждаемой и вытяжной части бурильной установки самостоятельно или с помощью элеватора, в частности, работающего по принципу MagLev, демонтируют вместе с не использованным металлическим прутком или, соответственно, металлическим трубчатым прутком.
Образующие скважину трубные элементы, в частности графитовые цилиндры горячей части бурильной установки вместе с внутренним металлическим сердечником, могут оставаться также в нижней части скважины, поскольку металлическая затяжка скважины в процессе затвердевания слегка запрессовывается в верхней части и тем самым они, возможно, не подлежат извлечению.
Этот процесс легкой запрессовки можно учитывать тем, что колонна графитовых полых цилиндров, соответственно, конически расширяется вниз, что дополнительно усиливает блокировку имеющей высокое напряжение зоны плавления. По причинам стоимости и другим причинам длину горячей части предпочтительно уменьшать до необходимого минимума, поскольку длина горячей части определяет также длину предварительного бурения. Таким образом, предварительное бурение предпочтительно выполнять настолько глубоко, что обеспечивается введение всех трубных элементов горячей части, с целью начала процесса плавления.
Предпочтительно, предварительное бурение вместе с затяжкой в виде металлической трубы перед началом процесса бурения с расплавлением имеет такую глубину, что наряду со всей горячей частью и охлаждаемой и вытяжной частью может быть размещено достаточное количество элеваторных элементов, в частности элементов MagLev, для удерживания и давления, в частности, когда собственный вес горячей части и охлаждаемой и вытяжной части является недостаточным. При этом указанные выше элементы в совокупности своим весом и развиваемой силой давления элеваторных элементов, в частности элементов MagLev, должны создавать настолько большое давление, что выполненные в качестве вытяжных элементов трубные элементы могут выполнять свою работу по расширению, уплотнению и сглаживанию металлической затяжки скважины до точного размера, а также вытеснения создаваемого скального расплава в боковую скальную породу окружения скважины.
Вытяжные элементы имеют задачу расширения до заданного размера, уплотнения и сглаживания по меньшей мере над одним трубным элементом, в котором происходит плавление, в частности на верхнем конце колонны из графитовых полых цилиндров, затвердевшей, но еще раскаленной докрасна металлической затяжки скважины, так что она в охлажденном состоянии отвечает требованиям использования без проблем элеваторной системы, в частности элеватора MagLev.
Вытяжные элементы могут иметь по меньшей мере слегка коническую форму, и их поверхность может быть снабжена покрытием, например, с цирконом, так что при продвижении установки бурения с расплавлением еще деформируемая под высоким давлением металлическая затяжка скважины получает свою окончательную форму. Для этого можно использовать новые или известные из уровня техники уплотнители, средства скольжения или средства для обработки поверхности, которые оптимизируют и дополняют этот процесс уплотнения и расширения.
Охлаждающие элементы не являются обязательно необходимыми. Следует взвешивать, оправданы ли расходы на подачу охлаждающего средства и отвод тепла. Охлаждение можно без проблем осуществлять через внутренние поверхности вытяжных элементов или через отдельно подаваемые с целью охлаждения трубные элементы, с целью улучшения качества металлической затяжки скважины и ускорения процесса охлаждения. Охлаждение можно осуществлять с помощью предлагаемых на рынке технологий охлаждения, в которых имеющееся высокотемпературное тепло используется для охлаждения, как, например, с помощью устройств пароструйного охлаждения, которые интегрированы в модули бурильной колонны, с помощью термоэлементов для охлаждения или согласно изобретению с помощью водяного охлаждения SC (supercritical - сверхкритического), которое, аналогично электроснабжению, продвигается в шланговой системе с помощью самопередвигающейся системы удерживающих магнитов на металлической затяжке скважины в соответствии с прогрессом бурения, когда бурильная колонна не проходит по всей скважине сверху вниз.
Сверхкритическое водяное охлаждение содержит замкнутую, состоящую из двух частей систему труб высокого давления, которая подается в шланговой системе с помощью системы самопередвигающихся удерживающих магнитов. Поскольку вязкость сверхкритической воды стремится к нулю и тем самым почти не создает трения в трубе, то сверхкритическая вода, несмотря на увеличение объема, проходит через трубу одинакового диаметра примерно так же быстро, как холодная вода под напором. Сверхкритическая вода проходит по поверхности для извлечения энергии через теплообменник и используется, например, для генерирования тока с коэффициентом полезного действия 50% тем, что проходит через турбину сверхкритической температуры и высокого давления.
Самопередвигающаяся система удерживающих магнитов, в частности, с соответственно оборудованным трубным элементом содержит электромагниты и используется согласно изобретению за счет того, что она центрально управляет всеми электромагнитами, которые за счет этого переключаются последовательно через короткие промежутки времени на удерживание и отпускание, так что они со скоростью продвижения бурения под действием силы тяжести «скользят» по стенке скважины. После достижения цели бурения и демонтажа элементов бурильной колонны демонтируют также систему удерживающих магнитов с помощью элеваторной системы, в частности элеватора MagLev, так же как ее монтировали перед этим с поверхности.
Поскольку две лежащие противоположно друг другу системы снабжения с их самопередвигающимися системами удерживающих магнитов требуют места в скважине, то следует предусматривать в подаваемых элементах бурильной колонны холодной части соответствующие выемки в зоне снабжающих элементов или же выбирать форму скважины так, что она дополняется соответствующими свободными пространствами, что обеспечивается за счет соответствующей формы образующих скважину графитовых цилиндров в способе бурения с расплавлением. Скважина с квадратным поперечным сечением имела бы, например, в четырех углах достаточно места для элементов снабжения, а также пространство в углах для, возможно, необходимой элеваторной системы, в частности, когда необходимо создавать систему с удлиненным статором для элеватора MagLev.
Наряду с электроснабжением через подаваемый кабель существует также возможность снабжения энергии плавления с помощью эффективных лазеров, которые предлагаются на рынке или находятся в разработке. Использование лазера в качестве источника энергии плавления требует точно прямой скважины от поверхности до подошвы скважины для обеспечения возможности прохождения лазерного луча с поверхности через полые трубные элементы. Для подачи металлического прутка это означает, что его следует подавать в виде трубчатого прутка.
При этом при введении элементов трубчатого прутка, так же как и полых элементов бурильной колонны, на поверхности с помощью автомата в одном возможном варианте выполнения могут быть предусмотрены по меньшей мере два лазерных луча с зеркальной системой, так что при прерывании одного лазерного луча во время подачи элементов имеется в распоряжении второй лазерный луч, для того чтобы не повреждать элементы при введении лазерным лучом и не прерывать кратковременно давление света на расплав высокого давления. Иначе содержимое подушки расплава между забоем скважины и «головкой для бурильной колонны» выстреливало бы в свободное пространство графитовых полых элементов, и тем самым головка для бурильной колонны могла бы опускаться на скальную породу и разрушаться под собственным высоким давлением. Для предотвращения этого также при отказе лазера можно в этом варианте выполнения осуществлять по соображениям безопасности одновременный ввод нескольких магнитных клапанов в колонну полых графитовых элементов.
При применении лазера в качестве источника энергии плавления можно по существу сохранять систему установки бурения с расплавлением. Лишь трубные элементы начиная с зоны плавления бурильной колонны должны быть обязательно снабжены сквозным центральным отверстием. Лазерный луч фокусируют так, что он в нижней бурильной колонне заполняет центральное отверстие, с целью непосредственного воздействия на забое скважины, что приводит к образованию экстремально горячего скального расплава. При этом создается высокое давление расплава, и световое давление лазера предотвращает выстреливание вверх расплава в центральном отверстии, через которое проходит также лазерный луч.
Коррекцию направления и автоматическое управление можно осуществлять, соответственно, как указывалось выше, через ERT и электроды трехфазного тока.
На чертежах показан соответствующий пример выполнения изобретения, а именно:
фиг. 1 - плавление с помощью тока;
фиг. 2 - плавление с помощью лазерного луча.
На фиг. 1 показана бурильная установка, содержащая нижний, в данном случае самый нижний, трубный элемент 1 из графита с внутренней выемкой, которая служит в качестве плавильной зоны 5 для плавления подаваемого сверху твердого металла, например, с помощью пропускания тока. Этот металл подается в данном случае в виде металлического прутка 7 через расположенные выше трубные элементы. Самый нижний трубный элемент 1 образует в данном случае в качестве примера горячую часть бурильной установки. Может быть предусмотрено несколько таких трубных элементов горячей зоны, однако без зоны плавления.
Из этой зоны плавления проходят каналы 6 по существу в радиальном направлении и в данном случае слегка вниз к наружной боковой поверхности трубного элемента 1, где может выходить или затвердевать металлический расплав. При этом он вытесняет скальный расплав в окружающую скальную породу, которая имеет трещины 14. Через провода 11 электроды 4 нагружаются током с целью создания или, соответственно, поддерживания скального расплава.
Центральная выемка самого нижнего элемента 1 выполнена в данном случае с коническим сужением вверх, так что трубчатый пруток 7 металла образует на верхнем конце самого нижнего элемента запор для расплава.
Расположенный над самым нижним элементом 1 трубный элемент 2 образует вытяжной элемент, который конически сужается сверху вниз и тем самым с прогрессом бурения формирует и сглаживает металлическую затяжку 9b, которая хотя уже затвердела, однако еще деформируема. В данном случае также показан лишь в качестве примера один из этих элементов. Может быть расположено друг за другом также несколько элементов, которые затем выполняют различную обработку.
Расположенный над ним трубный элемент 3 имеет меньший периметр и большую внутреннюю выемку, для того чтобы металлический пруток 7 мог свободно здесь перемещаться. Элемент 3 имеет равномерное расстояние до металлической затяжки 9 и может быть выполнен в качестве элеваторного элемента, например магнитного элемента скольжения или элеватора MagLev.
На фиг. 2 показан вариант выполнения с теми же элементами, однако в данном случае самый нижний трубный элемент 1 имеет открытое вниз отверстие 13, через которое лазерный луч 15 может попадать непосредственно на забое скважины и расплавлять его. При этом лазерный луч 15 пробивает также зону 5 плавления с расплавленным металлом. Там подаваемый сверху в виде трубчатого прутка 7 металл плавится и направляется к наружному периметру трубного элемента 1. Лазерный луч в данном случае проходит внутри металлического прутка 7. Здесь, так же как на фиг. 1, показан в качестве примера лишь один трубный элемент соответствующей части бурильной установки (горячей части, вытяжной или охлаждаемой части, холодной части).
Перечень позиций на фиг. 1
1 Колонна графитовых цилиндров с нажимной бурильной головкой
2 Часть с вытяжными и/или охлаждающими элементами
3 Часть с магнитными элементами (скольжения)
4 Электроды (предпочтительно по меньшей мере три)
5 Камера плавления (зона плавления)
6 Нижний/самый нижний трубный элемент с каналами для подачи металлического расплава
7 Подаваемый металлический пруток для создания металлической затяжки скважины
8 Затяжка скважины из скального расплава из затвердевшего скального расплава
9 Затяжка скважины из металлического расплава (уплотненная, термообработанная и сглаженная)
9а В конце процесса вытяжки (металлическое состояние)
9b В начале процесса вытяжки (затвердевшая, но еще раскаленная докрасна)
9с Металлический расплав на пути затвердевания
9d Металлический расплав в жидком состоянии, но с высокой вязкостью и поверхностным напряжением
10 Металлический расплав, вытесняющий скальный расплав
11 Подвод тока
12 Воздушный зазор для элементов MagLev и элеватора MagLev
13 Воздушный зазор для подаваемого металлического прутка
14 Трещины системы термического растрескивания скальной породы
Перечень позиций на фиг. 2
1 Колонна графитовых цилиндров с центральным отверстием для лазерного луча
2 Часть с вытяжными и охлаждающими элементами
3 Часть с магнитными элементами (скольжения)
4 Графитовые электроды
5 Камера плавления (зона плавления)
6 Нижний/самый нижний трубный элемент с каналами для подачи металлического расплава
7 Металлический пруток для создания металлической затяжки скважины
8 Затяжка скважины из скального расплава из затвердевшего скального расплава
9 Затяжка скважины из металлического расплава (уплотненная, термообработанная и сглаженная)
9а В конце процесса вытяжки (металлическое состояние)
9b В начале процесса вытяжки (затвердевшая, но еще раскаленная докрасна)
9с Металлический расплав на пути затвердевания
9d Металлический расплав в жидком состоянии, но с высокой вязкостью и поверхностным напряжением
10 Металлический расплав, вытесняющий скальный расплав
11 Подвод тока
12 Воздушный зазор для элементов MagLev и элеватора MagLev
13 Центральное отверстие в графитовом цилиндре для лазерного луча
14 Трещины системы термического растрескивания скальной породы для выдавливания скального расплава
15 Лазерный луч
16 Образование скального расплава с помощью лазера (наивысшая температура расплава)
17 Зона уменьшенной температуры (конус расплава)
18 Наружная область зоны плавления
19 Слегка расширенная в форме конуса камера плавления
20 Металлический трубчатый пруток с отверстием для лазерного луча