Покорители земных недр

Над чем думают ученые и инженеры

Все нововведения и экспериментальные разработки, известные в буровом деле, невозможно не только рассмотреть, но и просто перечислить. Сейчас те или иные усовершенствования уже не в состоянии охватить весь процесс бурения в целом; они затрагивают, как правило, отдельные составляющие этого процесса.

Одна серия разработок относится к поискам принципиально новых методов разрушения горных пород, другая — к усовершенствованию бурового инструмента, третья — к внедрению электронно-вычислительной техники, четвертая — к созданию контрольно-измерительной аппаратуры и т. д. и т. п. Каждый ряд исследований необозрим сейчас и бесконечен в будущем. Поэтому говорить, что бурение через 50 — 100 лет будет таким-то и только таким — очень трудно. Ясно одно: бурение будет и разнообразнее, и производительнее, и совершеннее, чем сейчас.

И все же давайте отметим хотя бы некоторые современные разработки и изобретения в буровом деле. Например, новые способы разрушения пород. Как и чем — кроме долбления и истирания — их можно разрушить? И можно ли отказаться от традиционных долот и кольцевых коронок?

Да, можно, причем не только теоретически, но и практически. В частности, сейчас уже применяется взрывной метод. Он заключается в том, что скважина бомбардируется капсулами-зарядами (заключенными в пластмассовую оболочку), которые подаются на забой потоком промывочной жидкости. Метод пока еще слишком дорог и экономически не оправдывает себя, но скорость бурения при таком способе в несколько раз выше, чем при вращательном.

Известен также метод, основанный на кавитации — образовании пустот в движущейся жидкости. Если опустить на забой скважины полые стеклянные шарики и раздавить их там, то в буровом растворе возникнет огромное давление, энергия которого многократно превысит даже энергию капсул-зарядов.

Проводятся эксперименты и частично применяются такие методы, как гидромониторный (с использованием напора жидкости, подаваемой под сверхвысоким давлением) и электрофизический (основанный на воздействии разряда высокого потенциала на предварительно ионизированный слой). Разрабатываются также термические методы: огнеструйный, электродуговой, атомный, плазменный, электроннолучевой и многие другие.

В США запатентован проект бурового снаряда с миниатюрным атомным реактором, диаметр которого не превышает 400 мм. Снаряд рассчитан на плавление пород при температуре 1250–1500 °C. Стенки скважин после такого плавления покрываются пленкой, подобной застывшему стеклу, и ствол не требует дополнительного крепления металлическими трубами.

К термическим способам относится и лазерное бурение. «Гиперболоид», считавшийся еще в начале нашего века не более чем фантастикой, сейчас уже существует. Правда, мощности лазеров пока что не хватает для расплавления всей массы пород в скважине. Лучом прожигается лишь кольцевая канавка по окружности забоя, а оставшийся столбик породы разрушается механическим способом. Но лазерные породоразрушающие инструменты (наконечники) надо признать вполне перспективными.

О преимуществах термических способов бурения говорить не надо: наконечник у них не имеет непосредственного контакта с горными породами, и потому его износоустойчивость практически неограниченна. Твердость разрушаемых пород также не играет существенной роли для такого инструмента. Правда, есть у термических способов и существенный недостаток: в таких скважинах невозможно получить информацию о разрезе горных пород (ни керн, ни шлам в естественном виде из них не извлекаются, а стенки целиком оплавлены). Поэтому термические способы могут использоваться для бурения только эксплуатационных, в частности нефтедобывающих, скважин.

Интересны проекты, относящиеся к усовершенствованию способов доставки бурового инструмента на забой скважины, т. е. к максимальному упрощению наиболее трудоемких операций — спуско-подъемных. Специалисты СССР и Франции вместе разработали методику шланго-кабельного бурения. Вместо стальных бурильных труб, которые при подъеме приходится развинчивать на секции — свечи и составлять их внутри вышки, применен бронированный шланг. В процессе бурения под давлением промывочной жидкости шланг приобретает жесткость, достаточную для передачи нагрузки на буровой снаряд, а при подъеме становится настолько гибким и эластичным, что его можно наматывать на барабан.

Успеху работ способствовал созданный в СССР усовершенствованный турбобур, конструкция же прочного гибкого шланга разработана французскими специалистами. Конечно, такому устройству до широкого внедрения в практику еще далеко, но оно перспективно, а значит, за ним и будущее. Надо сказать, что уже сейчас на Каспийском море в объединении «Каспморнефть» действует буровое судно, оснащенное установкой для такого шланго-кабельного бурения.

В последние годы глубокие и сверхглубокие скважины наряду с основной своей ролью поставщика первичной геологической информации (керна горных пород) становятся теми «информационными окнами» (по определению академика Г. Н. Флёрова), через которые с помощью различных скважинных приборов можно «увидеть» строение и свойства земной коры. Ствол скважины — это своеобразная лаборатория, где проводится множество очень тонких и сложных исследований и измерений. Трудность работы в таких лабораториях заключается в том, что измерительные приборы должны иметь ограниченные размеры и очень высокую термо-, вибро- и баростойкость; кроме того, они должны обеспечивать передачу информации о пересекаемых скважиной геологических разрезах с глубин в несколько километров. Поэтому такие приборы нередко называют «спутниками вниз», запускаемыми (опускаемыми) в «геокосмос» — в земные недра. Особенно сложные задачи стоят перед такими «спутниками» при поисках, разведке и разработке нефтяных и газовых месторождений, когда нужно исследовать свойства горных пород через экраны — металлические обсадные трубы и цементные оболочки, крепящие стенки скважин. Новые прогрессивные методы скважинных исследований — этого союза физики и геологии — должны поднять научную и практическую ценность буровых скважин на еще более высокий уровень.

Обширной и вполне самостоятельной отраслью в буровом деле является телевизионное обслуживание стволов скважин и всего производственного процесса. Мы уже говорили, что основные операции при бурении проводятся вслепую: по косвенным признакам, на слух, на ощупь, по показаниям приборов. Испокон веков бурильщики мечтали иметь всепроницающий глаз, который можно было бы опустить в ствол на любую глубину, заглянуть туда, воочию убедиться в правильности своих догадок и предположений. На первых порах в этих целях использовалась скважинная фотосъемка. Однако она не может удовлетворить всем требованиям: не дает кругового обзора, ориентирование снимков часто случайное, и, что главное, — обработка материалов занимает слишком много времени, в результате такая информация сильно отстает от бурения.

В настоящее время для осматривания стволов создано множество телевизионных устройств специального назначения. С их помощью можно выяснить геологическое строение разреза, характер трещин, каверн и полостей; кроме того, проверить стыки обсадных труб, уточнить характер той или иной аварии, т. е. увидеть все, что потребуется.

Телевидение применяется не только при изучении стволов скважин, но и в других целях, в частности при морском глубоком бурении. Отыскивание устья скважины под многокилометровым слоем воды является одной из самых сложных проблем у океанских буровиков. Даже хорошо заякоренное судно не может постоянно находиться на одном месте, в одной точке, его всегда «водит», особенно при неспокойном море. Поэтому для ввода бурового инструмента в устье скважины нужна сверхъестественная точность. Об одном из способов поиска устья (с помощью акустических датчиков) мы уже рассказывали. Другой связан с телевидением. Телекамера может на площади 200 х 200 м определить положение устья с погрешностью всего десятки сантиметров. При глубине моря до 2 км эту операцию она выполняет за 45 секунд. Такая система уже была испытана на судне «Гломар Челленджер», работавшем по международному проекту глубоководного бурения.

Особенно велика роль телевизионной техники при контрольно-диспетчерском обслуживании нескольких крупных буровых установок, расположенных в десятках-сотнях километров друг от друга. На экранах телевизоров в диспетчерском пункте постоянно фиксируется целый ряд изображений — общий вид каждой буровой и (более крупно) отдельные, наиболее ответственные участки и узлы: устья скважин, роторы станков, панели с приборами и датчиками.

Телевидение активно входит не только в работу, но и в быт и отдых буровиков и геологов. Например, для удаленных районов, где нет телевизионного приема даже с помощью станций системы «Орбита» (а она обеспечивает прием телепрограмм на территории, где проживает 86 % населения нашей страны), советские специалисты разработали систему непосредственного телевизионного вещания «Экран». Основа ее — спутники «Экран» на геоцентрической орбите, а наземное оборудование представляют малогабаритные станции трех типов, также получившие название «Экран».

Одна из этих станций, «Экран-К», которая весит всего 10 кг, предназначена для вахтовых бригад буровиков, для геологических отрядов и партий, трассовиков-дорожников и людей других «бродячих» профессий. У такой станции нет передающей антенны; восемь телевизоров, которые могут быть установлены и на буровой, подключаются к станции с помощью кабеля. Станции не требуют постоянного обслуживания, работают в автоматическом режиме, включаясь и выключаясь по сигналам со спутника или с дистанционного пульта управления, Подключив видеомагнитофон, их можно превратить в своего рода местный мини-телецентр.

Телевизионная связь с производственными объектами — это только одна, так сказать, информационная, сторона дела. Сведения получены и зафиксированы, цели ясны п задачи определены. А что дальше? Каковы оптимальные режимы бурения? Как предотвратить или ликвидировать возникшую аварию? Тут на помощь приходит электронно-вычислительная техника. Потребности в ней будут все больше возрастать. Уже сейчас теоретические знания и самые разнообразные практические сведения из опыта буровых работ достигли такого объема, что человеческий мозг не в состоянии удержать их в памяти, а тем более оперативно и правильно осмыслить всю эту информацию.

В ряде промышленно развитых стран созданы и успешно функционируют мощные электронно-вычислительные центры (ЭВЦ), контролирующие и направляющие повседневную работу наиболее крупных буровых установок. Багаж (или, как сейчас говорят, — «банк») знаний ЭВМ в таких центрах велик и разносторонен. В электронную память введены и постоянно пополняются сведения из различных сфер бурового процесса: теоретические основы разрушения пород и режимы бурения, встречаемые геологические разрезы и характер всевозможных осложнений в скважинах, применяемые методы аварийных работ и многое, многое другое.

Оперативная информация, поступающая в вычислительные центры с действующих буровых установок, обрабатывается опытными, высококвалифицированными специалистами и вводится в ЭВМ. После многовариантного анализа ЭВМ выдает оптимальные технологические рекомендации либо указывает на способы разрешения той или иной проблемы. ЭВМ выбирает циклы бурения на самых выгодных режимах с максимальным учетом прошлого опыта. На любое отклонение машина немедленно реагирует практическим советом.

Правда, система связи отдаленной буровой с крупным вычислительным центром еще сложна и громоздка. Зачастую связь приходится осуществлять с помощью искусственных спутников Земли и через обширную систему наземных радио- и телефонных передаточных станций. К примеру, канадские буровики с острова Ричарда (близ Аляски) передают оперативную информацию на материк специальным службам. Суммарная протяженность трассы при этом превышает 4000 км и в приеме-передаче принимают участие шесть-семь промежуточных станций.

Однако огромные затраты по содержанию ЭВЦ и спутниковой системы связи в конечном счете окупаются, причем чем совершеннее и «грамотнее» (а значит, и дороже) аппаратура, тем выше получаемый экономический эффект. Достаточно сказать, что при работе буровых под оперативным контролем вычислительных центров стоимость каждой скважины сокращается, как минимум, на четверть, а получаемая при этом экономия выражается шести-семизначными цифрами.

Не удивительно, что проходка скважин традиционными способами — без приборов и ЭВМ — рассматривается сейчас как бурение «вслепую», а необходимость компьютеризации обучения будущих специалистов-буровиков — это насущная задача и для нашей профессии.

Представьте: на контрольно-диспетчерском пункте, расположенном в десятках километров от скважины, оператор по телевизионным экранам следит за процессом работы автоматической буровой. Он видит показатели приборов, фиксирует любые изменения и отклонения, при необходимости советуется с ЭВМ, определяет и передает уточненные команды. А люди? Бурильщики на таких установках не будут целыми сменами простаивать у рычагов. Они будут выезжать (либо вылетать) на объект только для профилактических осмотров и для ликвидации отдельных неполадок.

Получается, что чуть ли не завтра бурильщик наденет белый халат и сядет в уютное кресло перед пультом со множеством кнопок. А где-то там на буровой многорукие автоматы опускают в скважину на гибком шланге-кабеле лазерный или плазменный буровой наконечник. Все параметры заблаговременно рассчитаны, бурение идет, при желании можно включить «автопилот»…

Вероятно, когда-нибудь так оно и будет, но, пожалуй, еще не скоро. А бурильщику до уютного кресла еще далеко. Это место пока что занимает диспетчер-оператор, который видит на экранах не роботов-манипуляторов, а все тех же незаменимых бурильщиков в брезентовых робах, в защитных касках. Пока что все рукоятки и рычаги управления остаются в руках у бурильщика.

Необходимо учитывать и еще одно важное обстоятельство: темпы развития науки и техники в различных отраслях промышленности далеко не одинаковы. Одни отрасли прогрессируют чуть ли не скачкообразно — то и дело новое открытие, изобретение; другие развиваются плавно и незаметно — на те или иные усовершенствования уходят годы.

В буровом деле наиболее передовыми и прогрессивными отраслями являются сверхглубокое и нефтяное (в первую очередь океаническое) бурение. Именно для этих видов бурения уже созданы вычислительные центры и радио-телевизионно-спутниковые системы связи, для них разрабатываются новые способы проходки и предлагаются ультрасовременные конструкции буровых снарядов. Именно здесь в первую очередь будут смонтированы автоматические установки и буровик сядет в кресло за пультом.

Каждая установка глубинного бурения — это очень солидное промышленное предприятие, однако общее количество таких предприятий не так уж и велико, а суммарная численность персонала, обслуживающего подобные установки, ничтожно мала в сравнении с огромной армией остальных бурильщиков.

Что же касается прочих видов буровых работ, в том числе и наиболее распространенного поисково-разведочного бурения, то и они тоже развиваются — успешно и неуклонно, хотя и более медленными темпами. В геологоразведочной отрасли нашей страны, где реализуется наибольший объем бурения,[10] создание и внедрение системы оптимизации и автоматизации при бурении скважин и управлении буровыми работами являются одним из основных направлений научно-технического прогресса. Уже действуют системы автоматизированного управления процессом бурения на базе отечественных микроЭВМ, телеконтроля и робототехники.

Два примера.

Комплекс диспетчерского телеконтроля в ряде геологоразведочных партий обеспечивает оперативный контроль за ходом буровых работ, выполняемых на различных участках. Комплекс демонстрировался на выставке «ГЕОЭКСПО-84».

Получивший название «Узбекистан-2»[11] робот-бурильщик является автоматической системой оперативного управления роторным и турбинным бурением на оптимальных режимах. Робот автоматически выбирает наиболее эффективную нагрузку на буровое долото и затем поддерживает ее в течение им же установленного оптимального времени работы этого долота па забое. Одновременно в автоматическом режиме ведется сбор технологической информации о процессе бурения.

Сейчас еще трудно себе представить, а тем более увидеть бурильщика, который, заступая на вахту, надевает белоснежный халат. Но уже возможно! И как раз на установке «Узбекистан-2», которую журналисты по аналогии с понятием «автопилот» оперативно назвали «автобурильщиком». Его можно увидеть на одном из месторождений Средней Азии, где ведется разведка новых кладовых топлива.

После того как закопчены подготовительные к бурению операции (спущена в скважину бурильная колонна и включено вращение ротора), которые бурильщик выполняет непосредственно у бурового станка, он переодевается из рабочей спецовки в белый халат и занимает место за пультом в кабине, расположенной вне буровой вышки. Процесс бурения ведет автомат, а бурильщик, сидя за пультом, внимательно наблюдает за показаниями приборов и световыми сигналами. Рукоятка же тормоза, которую раньше практически не выпускал из рук бурильщик, здесь крепко зажата «автоматической рукой» — специальным устройством, которое регулирует подачу бурового инструмента на забой.

Но вот на пульте зажигается табло «Внимание». Система анализирует геолого-техническую ситуацию в скважине и через полминуты выдает решение — «Подъем». Причина — износ долота, установленный на основе объективных научных данных, а несубъективных ощущениях и интуиции бурильщика.

Максимальная скорость бурения, снижение стоимости проходки скважины, освобождение «автобурильщиком» бурильщика-человека от напряженного труда — вот главные преимущества работы установки «Узбекистан-2» по сравнению с традиционными методами бурения. По сообщениям газет, промышленность приступила к серийному выпуску этой системы.

Непрерывно работают над совершенствованием буровой техники и технологии геологоразведочного бурения скважин специалисты бурового дела; среди них ученые, инженеры, конструкторы, мастера. Все меньше и меньше остается тяжелого ручного труда на буровых. Эти операции передаются оригинальным устройствам и механизмам, полуавтоматам и автоматам.

Специальному конструкторскому бюро по автоматизации бурения, находящемуся в Ленинграде, удалось автоматизировать самую тяжелую и трудоемкую операцию при бурении — спуск и подъем бурильной колонны с одновременной ее сборкой (разборкой) из отдельных бурильных труб и свечей (рис. 42). Механизм заменяет верхового рабочего, который направляет бурильную трубу при спуско-подъемных операциях, находясь на площадке, расположенной в верхней части буровой вышки или мачты. Здесь, наверху, особенно трудно было работать: и снег, и дождь, и ветер…

А что представляет собой буровая установка ближайшего будущего для бурения на твердые полезные ископаемые? Для примера возьмем новые установки типа УКБ-АГ, которыми в предстоящие годы намечено переоснастить геологоразведочные партии и экспедиции Министерства геологии СССР. Буквы в названии расшифровываются как установка колонкового бурения автоматизированная и гидрофицированная. Установки создают конструкторы, технологи и дизайнеры Всесоюзного научно-исследовательского института методики и техники разведки и Специального конструкторского бюро Мингео СССР. Установки уже существуют в чертежах и в виде опытных образцов. В них много оригинальных технических решений. Это видно уже по внешнему облику: нет привычных для глаза геологоразведчика контуров вышки (или мачты) — этой сложной в монтаже и перевозке части буровой установки. Ее функции заменил безвышечный подъем бурового инструмента из скважин с помощью гидравлической системы.

Вот перечень (далеко не полный!) преимуществ и новшеств, заложенных в этой установке:

— автоматизированная подача инструмента на забой скважины;

— механизированные и частично автоматизированные операции перекрепления ведущей бурильной трубы, свинчивания и развинчивания резьбовых соединений бурильной колонны;

— выполнение в автоматическом режиме всех спуско-подъемных операций бурильной колонны при вертикальном и наклонном бурении;

— более эффективные использование и передача на забой заложенной в установке мощности гидродвигателя;

— более рациональный выбор частоты вращения разрушающего породу инструмента;

— автоматический выбор наиболее эффективных значений технологических параметров процесса бурения и ведение этого процесса в оптимальном режиме;

— существенное улучшение производственных и бытовых условий работы бурильщиков;…и многое другое.

А пока в рядовом поисково-разведочном бурении с его малыми глубинами скважин, мобильностью установок и относительно низкой стоимостью производственного процесса еще не назрела острая необходимость в автоматизации управления, внедрении ЭВМ, телевизионном обслуживании и прочих заманчивых, но дорогостоящих новшествах. Так что поисково-разведочное бурение, как самое оперативное, еще на длительное время (видимо, не на один десяток лет) сохранится в целом в ныне существующей форме. Будет, разумеется, совершенствоваться оборудование, будут вводиться различные механизмы, так или иначе облегчающие труд бурильщиков.

Но сами бурильщики по-прежнему будут объединяться в маленькие, дружные коллективы, будут жить в поселках и выезжать на работу «в поле», будут трудиться там в уютном тепляке (который очень быстро становится родным домом). И искусство бурильщика, его интуиция, опыт, творчество еще не скоро будут заменены электронными роботами, не знающими сомнений, не умеющими ошибаться. Пока что решающее слово остается за мастером-профессионалом.

Стать же настоящим мастером-профессионалом, специалистом высшей квалификации — нелегко. Для нашей профессии необходимы прежде всего любовь к ней, переходящая в призвание, золотые руки и светлая голова. И тогда эту «профессию» вы сможете «объявить своим делом» — так с латинского языка на русский переводится смысл этого слова.

В заключение расскажем, —