Современные методы бурения скважин имеют недостатки, которые связаны с особенностями оборудования, условиями работы и ограничениями по грунту для каждого метода. Ниже приведены примеры недостатков для популярных существующих методов:
Роторное бурение
Высокая стоимость оборудования и материалов (буровой раствор).
Сложность управления — необходимы профессиональные навыки и знания для управления оборудованием.
Загрязнение буровыми растворами — они могут содержать химические вещества, которые загрязняют окружающую среду и водные ресурсы.
Ограничения глубины — связаны с максимальной длиной штанги и ограничением мощности и энергии, которые можно подать на вращение буровой штанги.
Турбинное бурение
Высокая стоимость оборудования и эксплуатации.
Сложность в обслуживании и ремонте турбобура.
Зависимость от качества бурового раствора.
Ограниченная применимость в очень твёрдых породах.
Шнековое бурение
Ограниченная глубина сверления — средний предел — 20–30 метров, максимум — около 40 метров при хороших условиях и мощной технике. За пределами этих значений шнек перестаёт эффективно выносить породу на поверхность, возрастает риск его заклинивания или поломки.
Неэффективен в твёрдых и каменистых породах — если на участке встречаются скальные включения, валуны, галька или плотные песчаники, шнековый бур не сможет их разрушить.
Вероятность осыпания стенок скважины — так как горизонтально-шнековое бурение идёт без промывки и не всегда сразу ставятся обсадные трубы, влажные и неустойчивые грунты могут осыпаться.
Гидробурение
Ограниченная глубина — гидробурение эффективно только на неглубоких скважинах (до 50 метров) и. Для глубоких артезианских скважин этот метод не подходит.
Не подходит для твёрдых грунтов, таких как гранит или сланец. Также гидробурение не рекомендуется применять для скальных и полускальных, песчаниковых, щебёночных и галечниковых участков, поскольку крупные валуны, камни и обломки породы вымыть из шахты водой практически невозможно.
Не подходит для болотистых (тяжёлых и вязких) почв.
Требует доступа к воде, поэтому на месте проведения работ должен быть источник воды или возможность её подачи.
Гидравлическое давление может вызывать разрушение грунта и скалы, что приводит к провалам и обрушениям, особенно если грунт неустойчивый или скала слабая.
Высокая стоимость оборудования и найма специалистов. Техника гидробурения сложная и требует наличия квалифицированных операторов.
Экологические проблемы, связанные с большим расходом воды и выбросами грунта и скальных отходов, которые могут негативно влиять на прилегающую территорию и экосистему.
Однако из всех рассмотренных методов, именно гидробурение самый перспективный метод, который и предлагается модернизировать до уровня соответствия таким технологиям как плазменное воздействие на породу в забое скважин. Хотя технология плазменного бурения пока находится на стадии разработки и тестирования, она представляют собой перспективное направление для будущего бурения скважин. Эти методы позволяют разрушать горные породы без использования механического воздействия, что может значительно повысить скорость и эффективность бурения, а также снизить риск возникновения аварийных ситуаций.
Инновационная технология бурения
Такой инновационной технологией и является запатентованная технология бурения скважины с использованием электрогидроэффекта.
На эту технологию выдан патент RU 2830842 C1 от 29.08.2023 года.
Особенность этой технологии в том, что она позволяет бурение в экологически чувствительных районах, таких как арктические регионы, особо нуждающиеся в обеспечении максимальной защиты хрупкой экологии окружающей среды северных районов России потому, что не использует специальных буровых растворов, поскольку нет необходимости охлаждения бурового инструмента, в связи с тем, что бурение происходит без вращения бурового инструмента.
Технология бурения с использованием электрогидроэффекта позволяет существенно сократить затраты на разработку месторождений и ускорить процессы освоения месторождений потому, что при использовании этой технологии электрическая энергия непосредственно в самом забое переходит в механическую работу, разрушая горную породу. Для его осуществления
предназначен электрогидравлические бур, представленный на рис. 1.
Рисунок 1
Способ бурения скважин на воду с использованием электрогидроударного эффекта относится к машиностроению, точнее к устройствам, использующим в своей работе электрогидравлический эффект – эффект возникновения и схлопывания кавитационых пузырьков в буровом растворе на уровне забоя скважины.
Рисунок 2
Предлагаемое устройство содержит установленную в нижней части колонны буровых труб 9 буровую коронку 3, имеющую внутреннюю полость со стенками, имеющими угол наклона, позволяющий фокусировать гидроударные волны на поверхности породы забоя. Коронка имеет отверстия 4 для свободной циркуляции бурового раствора, имеющую быстросъемный центральный электрод 1, с диэлектрической защитой 2 повышенной прочности, соединенный с коаксиальным кабелем 11 стандартным, герметизированным разъёмом 10 (типа «папа-мама») и закрепленный в центре буровой коронки 3 с помощью изолирующей шайбы 5, прижатой металлической шайбой 6, соединенной с внешней, проводящей оплеткой коаксиального кабеля 11 неразъёмным соединением, и прижимным диском 7, имеющим резьбу для крепления внутри буровой коронки 3. Все три диска имеют отверстия 4 для свободной циркуляции бурового раствора. Буровая коронка 3 соединена с колонной бурильных труб 9 посредством переходной муфты 8, выполненной из диэлектрического материала, так же имеющей отверстия 4 для свободной циркуляции бурового раствора. Диаметр буровой коронки 3 имеет собственный диаметр больше диаметра труб буровой колонны 9, что позволяет обеспечить возврат бурового раствора на поверхность по меж стеночному пространству.
Далее буровой раствор из скважины попадает в навесное приспособление 16, называемое «Буратино», которое своим раструбом 14 одевается на верхнюю пластиковую трубу 12 обсадной колонны, имеющую специальный выступ для застопоривания запорного кольца 13, расположенного в специальной кольцевой канавке раструба 14 трубы «Буратино» на упругой, резиновой прокладке. Приспособление 16, «Буратино» имеет крышку 17 выполненную с герметизируемым резиновой манжетой (на разрезе не показана) отверстием предназначенным для прохода буровой колонны 9. Сама буровая колонна 9 заканчивается оголовком 18, с выполненными в верхней его части отверстиями, предназначенными для крепления подъемного механизма. На этот оголовок крепятся приспособления – боковой отвод 21 с крышкой 25, закрепленной на оголовке 18 гайкой 22, предназначенными удобства работы с буровым раствором. Пластиковые трубы в качестве обсадных могут выполнять роль изоляторов, для предотвращения попадания токов высокого напряжения на поверхность по мокрому грунту. Кроме того, раструб 14 имеет уплотнительную манжету 15, расположенную в другой кольцевой канавке раструба 14. Далее, через нижний боковой отвод и надетую на него крышку 25, в приспособлении «Буратино» 16, буровой раствор по возвратной линии трубопровода 27 (на разрезе показана схематично), через отделитель крупной фракции в буровом растворе 28 поступает в ёмкость – отстойник 29, откуда через фильтр 30, с помощью насоса 31, имеющего привод от двигателя 32 подается по напорной линии 26 в верхнюю часть приспособления «Буратино» 16 через крышку 25 насадки 23 на верхней трубе буровой колонны, , имеющей специальные отверстия для зацепления её подъемным устройством 24 и резьбу с гайкой 22, предназначенной для фиксации поворотного, бокового отвода 21, имеющего внутри резиновые манжеты уплотнения 20, позволяющие подавать буровой раствор в буровую колонну под давлением. В этой же насадке 23 имеется герметизированный выход для коаксиального кабеля 11, идущего через подъёмное устройство 24 к шкафу управления 19 и через него к источнику высокого напряжения 33.
Рисунок 3
Генератор импульсов тока (ГИТ) (см рис. 3) предназначен для формирования многократно повторяющихся импульсов тока и работают в широком диапазоне напряжения (5 – 10 Кв), емкости конденсатора (0,1 – 10 000 мкФ), запасенной энергии нак — ля (10 – 10 00000 Дж), частоты импульсов 0,1 – 100 Гц).
Электрогидравлический эффект (ЭГЭ) – см рисунок 4.
В момент эл. разряда высокого напряжения в воде, начиная с положительного электрода, в жидкости растет стример.
Рисунок 4
Этапы развития электрического заряда в ионопроводящей жидкости (водопроводная вода) – стримера – показаны на рисунке 5:
б) «молодого» — начало развития; в) в конце импульса;
Где:
Боковые «усы» развивающегося стримера;
Газовая оболочка испарившейся жидкости вокруг канала стримера;
Главный канал стримера, к которому присоединяются «усы» в процессе роста;
Канал «уса» стримера, который продолжает нарастать;
Газовая оболочка «уса» стримера, которая нарастает с увеличением «уса»;
Электрод.
В момент замыкания электродов температура в канале стримера достигает 40 000 градусов по Цельсию.
Длительность импульса разряда от 0,00001 до 100 мкс. Каждый разряд оставляет вдоль канала стримера паровую полость, которая превращается в кавитационную после снятия напряжения и схлопывается с Рmax = 2000 Мпа. Такие показатели роста давления за такие короткие промежутки времени и приводят к тому, что при диаметре бура 40 мм и затрате энергии 25 Вт бур позволяет получить следующие скорости бурения, см/мин:
Гранит раппакиви — 2;
Криворожская железная руда — 8;
Бетон на гранитном песке крупностью 3-5 мм — 50.
И совершенно не нужно вращать всю бурильную колонну.
И никаких ограничений глубины, связанных с максимальной длиной штанги и ограничением мощности и энергии, которые можно подать на вращение буровой штанги. Глубина скважины ограничивается длиной питающего кабеля и мощностью насоса, подающего буровой раствор. Сам же буровой раствор представляет собой простую воду, взятую из источника воды на поверхности и без какой – либо подготовки используемую для выноса продуктов разрушенного грунта из забоя скважины.
Стоимость
Кроме того, стоимость этого оборудования не высокая, поскольку не используются высоколегированные стали и сверхпрочные буровые алмазные и победитовые инструменты. Наоборот, используются очень дешевые конструкционные стали и токо-непроводящие изоляторы на основе пластмасс.