Эта статья является продолжением статьи: «Бесконтактное бурение.»
Микроволнами называют электромагнитное излучение с частотой от 300 МГц до 300 ГГц. Эти частоты соответствуют длинам волн от одного метра до одного миллиметра. Технологии с использованием микроволн широко применяются в связи, радиолокации и, как мы знаем, в микроволновых печах.
В отличие от традиционной печи продукты в микроволновке нагреваются не только через поверхность, но одновременно и по объему, так как микроволны проникают внутрь объекта на 1,5 – 2,5 см и поглощаются там молекулами воды. Это и ускоряет разогрев пищи. Большинство бытовых СВЧ-печей работает на частоте 2,45 ГГц. При этом мощность их может составлять от 0,5 КВт до 2,5 кВт.
Источником тепла в микроволновой печи является магнетрон. Магнетрон генерирует СВЧ-излучение, которое по волноводу подается в камеру подогрева пищи.
То есть волновод – это направляющий канал, по которому распространяется волна. Волноводы бывают электромагнитными и акустическими. Переговорные трубы, которые используются и сегодня на судах флота, и есть акустические волноводы.
Волноводами, передающими энергию электромагнитных волн СВЧ-диапазона обычно являются металлические трубы, имеющие внутри одну или несколько проводящих поверхностей. Например, электронный пучок гиротрона передавался в камеру токамака Т-15МД по тракту, состоящему из отрезков гофрированных волноводов длиной в один метр и поворотных волноводных уголков.
Т-15МД – это экспериментальная термоядерная установка токамак, сооруженная в национальном исследовательском центре «Курчатовский институт».
СВЧ-излучение гиротрона имеет, также оптические свойства и его можно передавать в пространство в виде узкого волнового пучка, подобно лазерному лучу.
Длительность импульса излучения гиротрона может составлять до 3000 секунд. В таком режиме гиротроны способны непрерывно генерировать излучение мощностью до одного мегаватта в диапазоне частот 70-170 ГГц.
Свойства СВЧ-излучения гиротрона и определили возможность его применения для бурения скважин. Разогревая поверхность материала и проникая вглубь его миллиметровые волны гиротрона очень быстро расплавляют и испаряют любую горную породу.
После лабораторных испытаний (смотрим статью: «Бесконтактное бурение.»), на площадке офиса компании Quaise Energy в Хьюстоне с использованием передвижной буровой установки гиротроном мощностью 100 кВт была пробурена скважина диаметром 50 мм и глубиной 3 метра. Затем эту скважин углубили до 12 м и расширили до диаметра 100 мм.
Полевые испытания производились в скважине обсаженной стальной колонной, в которую были спущены несколько колонок гранитного керна диаметром 221 мм и общей длиной 24 метра. Обсадная колонна была оборудована датчиками для мониторинга температуры и давления.
После испытаний на полигоне гиротронная оснастка было смонтирована на стендовую буровую установку Nabors Industries Ltd, оборудованную верхним приводом.
В результате бурения скважины диаметром 100 мм в карьере Marble Falls была достигнута глубина 118 метров. Проходка производилась следующим образом.
Конец волновода подводился к забою скважины, примерно на расстояние 300 мм. Гиротрон периодически испускал импульсы излучения длительностью 60 секунд. Под воздействием высокой температуры порода трескалась, плавилась и испарялась. При этом бурильный инструмент, составленный из волноводов и буровой коронки вращаясь опускался на глубину выжженного интервала. Буровая коронка соскребала осколки и расплавленные кусочки породы со стенок скважины, которые выносились по затрубному пространству на поверхность сжатым воздухом.
Сжатый воздух для продувки ствола и охлаждения инструмента нагнетался на забой скважины по кольцевому пространству между волноводом и бурильной колонной, в которую он помещался.
На следующем этапе совершенствования технологии компания планирует пробурить скважину глубиной 1 000 м и диаметром 200 мм, с использованием гиротрона мощностью 1 МВт. Работы должны начаться в 2026 году.