Experimental study of the thermal reaming of the borehole by axial plasmatron

Abstract

Purpose. To study rock spallation dynamics in the process of the borehole thermal reaming and analyze energy consumption of the borehole thermal reaming process by plasma jets of the axial plasmatron. Methods. Field experimental study of rock spallation by plasma jets is carried out with the view to measuring the thermal power of plasma, weight of rock spalls and duration of plasma jets impact on the borehole. VT-200 scales were used to measure the rock spalls weight. In the experimental study, plasma jets flow out directly into the borehole in the granite block. The borehole and plasmatron nozzle parameters are geometrically similar. Findings. Experimental data are processed in the form of a table that shows the following parameters of individual experiments: duration of the borehole surface treatment by a plasma jet; thermal power of a plasma jet; heat release of a plasma jet, weight of the rock spalls, energy efficiency of the rock spallation process; productivity of the rock destruction. Experimental data are processed in the form of the dependence of energy consumption of the borehole thermal reaming on the duration of the borehole inner surface thermal treatment. The range of thermophysical and plasmodynamic parameters of the plasma torch that allow to achieve rock spallation is determined. Originality. The linear relationship between the energy consumption in the process of the borehole thermal reaming by low temperature plasma and the duration of the reaming process is revealed, with energy consumption of the reaming process decreasing dramatically with the increase in the process duration. Practical implications. Methodology of the experimental research into the borehole thermal reaming by plasma jets rock spallation is developed. The results of the study could be applied to borehole drilling processes.

Мета. Дослідження динаміки лущення гірської породи в процесі термічного розширення свердловини та енергоємності процесу термічного розширення свердловини плазмовим струменем осьового плазмотрона. Методика. В роботі виконано натурне експериментальне дослідження лущення гірської породи струминою плазми. Сутність експерименту полягала у вимірюванні теплової потужності плазми, маси сколених частинок гірської породи та тривалості впливу плазмового струменя на свердловину. Для вимірювання маси сколених частинок гірської породи використовувались ваги ВТ-200. В експериментальному дослідженні струмина плазми витікає безпосередньо в свердловину в блоці міцного граніту. Дотримано геометричну подобу параметрів свердловини та сопла плазмотрона. Результати. Виконано обробку дослідних даних у вигляді таблиці, в якій наведено наступні параметри окремих дослідів: тривалість впливу плазмового струменя на свердловину; теплова потужність плазмового струменя; теплота плазмового струменя, маса сколених частинок породи, енергоємність процесу лущення гірської породи; продуктивність руйнування гірської породи. Виконано обробку дослідних даних у вигляді залежності енергоємності процесу термічного розширення свердловини від тривалості термічної обробки внутрішньої поверхні свердловини. Наукова новизна. Виявлено лінійну залежність енергоємності процесу термічного розширення свердловин низькотемпературною плазмою від тривалості процесу розширення, при цьому енергоємність процесу розширення стрімко зменшується зі збільшенням тривалості процесу. Практична значимість. Розроблено методику експериментального дослідження термічного розширення свердловини шляхом лущенням гірської породи струминою плазми. Отримані результати впливу високотемпературних струмин плазми в процесах крихкого руйнування гірських порід можуть бути застосованими в процесах буріння свердловин.

Цель. Исследование динамики шелушения горной породы в процессе термического расширения скважины и энергоемкости процесса термического расширения скважины плазменной струей осевого плазмотрона. Методика. В работе выполнено натурное экспериментальное исследование шелушения горной породы струей плазмы. Сущность эксперимента заключалась в измерении тепловой мощности плазмы, массы сколотых частиц горной породы и длительности воздействия плазменной струи на скважину. Для измерения массы сколотых частиц горной породы использовались весы ВТ-200. В экспериментальном исследовании струя плазмы следует непосредственно в скважину в блоке крепкого гранита. Соблюдено геометрическое подобие параметров скважины и сопла плазмотрона. Результаты. Опытные данные представлены в виде таблицы, в которой сведены следующие параметры отдельных опытов: продолжительность воздействия плазменной струи на скважину; тепловая мощность плазменной струи; теплота плазменной струи, масса сколотых частиц породы, энергоемкость процесса шелушения горной породы; производительность разрушения горной породы. Опытные данные обработаны в виде зависимости энергоемкости процесса термического расширения скважины от продолжительности термической обработки внутренней поверхности скважины. Определен диапазон теплофизических и плазмодинамичних параметров плазменного факела при которых достигается процесс шелушения породы. Научная новизна. Выявлена линейная зависимость энергоемкости процесса термического расширения скважин низкотемпературной плазмой от продолжительности процесса расширения, при этом энергоемкость процесса расширения стремительно уменьшается с увеличением продолжительности процесса. Практическая значимость. Разработана методика экспериментального исследования термического расширения скважины путем шелушения горной породы струей плазмы. Полученные результаты воздействия высокотемпературных струй плазмы в процессах хрупкого разрушения горных пород могут быть применены в процессах бурения скважин.