Покорители земных недр

Когда начали бурить

Истоки бурения надо искать в практически непросматриваемом прошлом — где-то в позднем палеолите. Именно тогда первобытный человек освоил процесс ударной обработки камня, получил первые отверстия в нем и изготовил себе молоток и топор, благодаря чему начал по-настоящему превращаться в Человека — в творца и изобретателя.

Далее, эпоха неолита. Новая ступень в истории развития. Что характерно для неолита? Орудия из шлифованного камня, глиняная посуда, приручение животных, начало земледелия. Именно в эту эпоху и освоен совершенно новый технический прием — сверление камня. Сверление относится к числу величайших открытий человечества, по значимости его вполне можно приравнять к укрощению огня либо к изобретению колеса. Сверление совершило революционный переворот в технике и вознесло человека на более высокий уровень. Благодаря сверлению появился способ изготовления качественно новых орудий — составных вместо простых.

Кстати, как ни странно это звучит сейчас, предпосылками к появлению сверления стали не только практические нужды, не только потребность в новых, более совершенных инструментах и орудиях, но также и эстетические запросы. Первые инструменты для сверления были сделаны скорее всего по заказу и по настоянию женщин, а первые сквозные отверстия просверлены в бусах, серьгах, пуговицах и в других чисто женских украшениях.

Мы не будем сейчас подробно останавливаться на способах сверления у древних. Для этого есть специальная, прежде всего археологическая литература. Отметим только, что этих способов было множество, все они постепенно усложнялись и совершенствовались. Некоторые из них до сих пор вызывают удивление, более того, восхищение. Простота, надежность, оригинальность конструкций поистине гениальны, и некоторые принципы их успешно применяются и в настоящее время.

Какая же связь между сверлением и бурением? Самая прямая. Способ воздействия на породу при бурении и сверлении один и тот же — вращение под нагрузкой, круговое измельчение материала и получение цилиндрического отверстия. Кстати, во многих языках оба процесса: и бурение, и сверление — имеют единый термин: например, drilling — в английском, borhen — в немецком. Но в столь богатом языке, как русский, эти понятия разделены. Сверление относится к металлообработке, а бурение — к горному делу.

Правда, современный русский термин «бурение» произошел именно от немецкого слова «borhen» — борование — бурование — бурение. Появился он еще в петровские времена, в период привлечения в Россию иноземных, прежде всего немецких, специалистов. А до начала XVIII века буровики назывались трубными мастерами, скважины — трубами, и вообще тогда существовало не бурение, а трубное дело.

Но вернемся к истокам. Исторический путь от отверстия в камне до скважины в толще горных пород измеряется десятками веков. И если ручной бур для сверления был изобретен в конце IV тысячелетия до нашей эры (а появился он одновременно в различных местах Евразии, в том числе в Северо-Восточной Сибири и в Северном Китае), то бурение первых скважин относится к более позднему времени.

История бурения и технических достижений в этой области насчитывает как минимум 3500 лет. А отдельные сведения говорят о том, что египтяне бурили «колонковые скважины» еще за 3000 лет до н. э. Более 2000 лет назад египтяне и китайцы уже бурили многочисленные «глубокие» скважины: так, древняя скважина в Каире, известная под названием «скважина Иосифа», имеет глубину около 88 м. К сожалению, дата ее сооружения неизвестна.

Китайцы бурили колодцы в тех местах, где имелись минерализованные воды и рассолы, примерно за 1000 лет до н. э. Древний китайский философ Конфуций (VI–V Бек до н. э.) упоминает в своих трудах о «минерализованных колодцах», имеющих в глубину несколько сотен футов.[4] Через некоторые скважины того времени китайцы получали также природный газ и нефть. Около 450 г. до н. э. греческий историк Геродот писал о скважинах, дававших асфальт, соль, нефть. Вот эти две записи и можно считать самыми ранними сообщениями в письменной форме о работе буровиков. Естественно, что более подробные исторические материалы не дошли до наших дней, ибо первые буровики не имели всеобъемлющих буровых журналов, в которых фиксируется «производственная жизнь» современных специалистов по бурению.

В 1200 г. в Китае зафиксирован «первый мировой рекорд» — глубина одной из скважин достигла 450 м. Бурили китайцы с помощью пружинящей штанги ручного станка для ударного бурения. Скорость бурения не превышала 0,6–1,2 м в сутки. На бурильные трубы, буровую вышку, балансир и другие устройства шел бамбук. «Мощность» обеспечивалась трудом волов. И хотя в таком первозданном виде станок резко отличался от современных станков ударного бурения, тем не менее результаты можно считать неплохими, а рекорды глубины держались довольно долго.

Как у первобытного человека сначала появилось долбление (и только потом сверление), так и в бурении первым был освоен ударный, а точнее ударно-канатный способ. Инструмент для разрушения породы (снаряд) подвешивался на канате и с ударами углублялся в породу. Удары осуществлялись благодаря упругому качанию балансира. Попросту говоря, брали длинное гибкое бревно, один конец его укрепляли в земле, а другой конец раскачивали буровики (рис. 11).

Есть сведения, что первые скважины в Европе были пройдены в Древнем Риме. В те времена для исследования грунтов при строительстве дворцов и других сооружений применялся ложковый бур, мало чем отличавшийся от современного. Однако после распада Римской империи технология бурения была нацело забыта.

По-настоящему бурение в Европе появилось лишь в средние века, и на первых порах оно осуществлялось именно китайским способом, т. е. европейцы не создали своей оригинальной технологии, они лишь модернизировали и усовершенствовали китайские методы. Сведения о них скорее всего были получены через знаменитого итальянского путешественника Марко Поло (в конце XIII века).

Для добычи нефти первые скважины в Европе были пройдены во Франции в 1498 г., а первая эксплуатационная скважина на нефть (в современном значении) была пробурена здесь в 1745 г. Записей о глубине эксплуатационного горизонта не сохранилось. Скважины на воду и нефть бурились оборудованием, аналогичным по своей конструкции модели Леонардо да Винчи, основанной на методе пружинящей штанги. Все буровые устройства типа пружинящей штанги можно считать предвестниками станков ударно-канатного бурения.

К 1794 г. наибольшая глубина скважин в Европе составляла 30 м. К 1850 г. эксплуатационные скважины глубиной 90—100 м уже являлись рядовыми. Для крепления стенок скважины от обрушения использовались пустотелые стволы тутовой смоковницы. Ударное бурение с использованием «лошадиных сил» относится к 1550 г., а применение пара для этих целей — к 1842 г.

В Америке применение пара как движущей силы при бурении отмечено позднее — в 1858 г. Это предложил геолог капитан Джон Поуэлл (впоследствии, в период Гражданской войны, — генерал) при осуществлении проекта бурения артезианских колодцев. Оборудование по этому проекту было представлено деревянными (дубовыми) бурильными трубами, железными шнеками и долотами-скребками. Паровой двигатель применялся для спуска и подъема тяжелых обсадных труб, которые опускались в скважину, чтобы предупредить обрушение верхних горизонтов горных пород. Наибольшая достигнутая глубина скважин не превысила 315 м.

А есть ли история у бурения в нашей стране?

Издавна были известны на Русской земле «рудознатцы» и «рудосыщики», мастера «трубного дела», занимавшиеся поисками полезных ископаемых. Но история, к сожалению, сохранила нам имена лишь немногих из них. Среди них и боярин Василий Болотин, и сотник Лев Нарышкин, и крестьянин Дмитрий Тумашев, и даже московский поп Дементий Федоров. О других документы упоминают еще проще: «татарин с Ницы-реки» или «невьянской волости крестьяне».

В XI–XIII веках в России зародилась своя, отличная от китайской, технология бурения. Первые скважины были пройдены в Усолье и Соли-Камской в западном Приуралье, а также в Поволжье — в районе Балахны. Цель — получение соляных рассолов.

История бурения скважин в нашей стране хранит и другие интереснейшие факты. Так, в музее города Тотьма (на Сухоне) представлены горные породы, извлеченные с глубины 200–250 м еще в XVII веке. Здесь же хранятся деревянные трубы, которые опускались в скважину для закрепления ее стенок и предупреждения их обваливания. Эти трубы (в бурении они называются обсадными, так как их опускают — сажают, обсаживают — в скважину) выдолблены из целого ствола дерева и обернуты просмоленным холстом; наружный диаметр труб — около 70 см, внутренний — около 50 см. Можно предположить, каков же был диаметр скважин, пробуренных для добычи из-под земли соляных растворов, рассолов, из которых затем выпаривали (или, как тогда говорилось, вываривали) Драгоценную по тому времени поваренную соль.

На Урале было найдено и первое в нашей стране руководство по бурению скважин. «Учебник» XVII века по технике и технологии бурения назван «Роспись, как начать делать новую трубу на новом месте, писанная Сенькиной рукой». В составленном талантливым мастером-бурильщиком руководстве подробно описано, «как ходить в жерло буравом», как крепить скважину, как предупреждать и ликвидировать возможные аварии, что является одним из сложнейшие видов работ при бурении. В России возникла и своя самобытная техническая терминология. Позднее по архивным данным был составлен даже словарь старорусских технических терминов по бурению, насчитывающий 128 наименований.

Глубина наших первых скважин не превышала 100 м, а диаметр их достигал 1 м. По размерам это были скорее не скважины, а шахты или глубокие шурфы. Проходка подобных выработок даже при современной технике — дело далеко не простое. Бурение выполнялось тем же ударным способом, но качание снаряда осуществлялось не упругим балансиром, а с помощью поперечной балки длиной до 20 м, действующей по принципу старорусского колодезного, «журавля» (рис. 12).

На одном конце коромысла «журавля» укреплялся контргруз, к другому подвешивался ударный инструмент. Ручной ворот особой конструкции с вертикальным расположением оси сообщал всей системе колебательные движения. Соляной раствор поднимался по деревянным трубам, которыми были обсажены стенки скважины на всю глубину. Высота конструкции достигала 18 м. И вообще, масштабы сооружения по тем временам были более чем значительными, в определенном смысле даже монументальными. Для сравнения можно отметить, что высота средней по размерам современной буровой вышки, применяемой при разведке твердых полезных ископаемых, не больше 12–14 м.

Ударный способ бурения на первых порах был настолько прост и эффективен, что о проходке скважин с вращением снаряда даже не задумывались. Особой потребности в таком способе не было. Первые вращательные устройства для проходки колодцев появились в Италии в середине XV века, а чуть позднее, в 1517 г., гениальным Леонардо да Винчи была изобретена первая буровая установка с треногой (рис. 13). В торце бурового снаряда находился наконечник в виде змеевика (аналогичный наконечник в модернизированном виде применяется и в настоящее время; сейчас он называется шнеком). Вращение снаряда выполнялось вручную с помощью рукоятки-крестовины, перемещаемой вверх по штанге по мере углубки скважины.

Вращательным методом во Франции и Италии бурились многие скважины на воду, и к середине XIX века во Франции уже была возможность бурить на глубину до 550–570 м с помощью ручных приводов. В 1845 г. Робертом Беартом запатентован первый роторный станок с промывкой, опробованный также во Франции. К середине XIX века по технологии бурения Европа опережала Америку, но все модели буровых станков работали еще в основном на мускульном усилии человека.

Все это относится к бурению скважин в мягких породах, где их разрушение на забое не является главной трудностью. Гораздо больше проблем для бурения в таких породах возникает при операции крепления стенок и при подъеме — опускании бурового снаряда в скважину.

Но как же быть, если необходимо пробурить граниты, кварциты, диабазы и другие твердые и очень твердые породы? Использовать для бурения таких пород алмазы — самые твердые из известных на Земле веществ — предложил в 1862 г. швейцарец Георг Лешо. Его сын Рудольф вместе с механиком Пиге усовершенствовали предложенный метод, создав специальный станок для бурения и способ закрепления алмазов в буровом инструменте. Алмазное бурение было с успехом применено при проходке железнодорожных тоннелей в Швейцарских Альпах и при бурении шпуров на мраморных карьерах.

Буровой станок Лешо — Пиге представлял собой трубу, на конце которой закреплялись кристаллы технических алмазов. Труба соединялась с металлической пустотелой штангой, вращаемой паровой машиной через систему передач. С помощью массивного чугунного груза на штангу передавалась необходимая осевая нагрузка. Очистка забоя скважины от разрушенной породы осуществлялась струей воды, нагнетавшейся насосом в скважину через полую штангу. Этот принцип лег в основу всех последующих (и современных) конструкций станков вращательного бурения.

Так в горной практике началась эра алмазного бурения — одного из эффективнейших современных способов разрушения горных пород при бурении скважин, и все последующие (до наших дней) наиболее существенные изобретения и технические усовершенствования в области бурения на твердые полезные ископаемые были связаны с этим способом.

У нас в России вращательное бурение по-настоящему было впервые применено в 30-х годах прошлого века при поисках нефти на Кубани. Именно при поисках, поскольку добыча нефти в то время осуществлялась из колодцев, пройденных ручным способом. Добывать нефть через скважины из-за отсутствия насосов, надежных труб и другого оборудования было тогда практически невозможно. Поэтому для начала отбуривали скважину, а уж потом — при появлении признаков нефти — на месте скважины рыли колодец.

В 1869 г. из бурившейся на Апшеронском полуострове скважины вырвался могучий фонтан газа. Вместе с газом начал вылетать песок с обломками камней. Фонтанирование сопровождалось невероятным шумом, даже ревом. По всей вероятности, скважина вошла в залежь с огромным пластовым давлением. Столь простое и логичное объяснение мы можем дать сейчас, вооруженные современными знаниями и имеющие опыт, полученный на сотнях фонтанирующих скважин. А тогда, во время первого взрыва, подобное явление могло вызвать только ужас, и естественно, что оно было списано на нечистую силу, — дескать, скважина достигла преисподней. Бурение и на Апшероне, и в других местах было полностью прекращено, и нефтяники вернулись к лопате и к рытью колодцев.

Первая в России скважина на нефть, пройденная вращательным способом, была закончена лишь в 1911 г.

Насколько мы убедились, буровое дело в течение столетий никак не могло выйти из младенческого возраста. Деревянные конструкции, ручное вращение. Добыча соляных рассолов, примитивное водоснабжение, робкое нащупывание нефтяных залежей. И ничего более.

Все это естественно, все объяснимо: необходимые руды и другие полезные ископаемые находятся на поверхности; нефть и газ используются только для освещения; воды, чистой, незагрязненной воды, с избытком хватает в реках и озерах… Потребности в земных недрах, а следовательно, в буровых скважинах — нет. Нет потребности — и инженерная мысль стоит на месте. Как и в ряде других отраслей промышленно-хозяйственной деятельности человека, застой в бурении продолжался до конца XIX века. Неторопливость, устоявшиеся традиции, почти полное отсутствие прогресса в технологии. Далее, одновременно с бурным развитием техники, столь же бурно начинает развиваться и бурение. Рубеж — начало XX века.

Появились двигатели внутреннего сгорания — сразу же потребовалась нефть, много нефти (кстати, именно нефть на первых порах и двинула вперед инженерную мысль, столкнула ее с мертвой точки); появились самолеты — потребовались легкие сверхпрочные сплавы редких металлов, отыскать которые можно лишь на глубине; получила широкое распространение электроэнергия — потребовались крупные залежи каменного угля. Ну и так далее. Во всех случаях без бурения не обойтись, а раз так, то скорее под землю. Как можно быстрее, глубже, производительнее. Буровикам волей-неволей пришлось выходить в авангард, и бурение из самых отсталых отраслей превратилось в одну из самых передовых.

К примеру, в нашей стране только за годы Советской власти бурение прошло путь от примитивных станков с рычажной подачей до полностью автоматизированных космических станций. Это уже не просто продвижение, а скорее рывок — скачкообразный переход в новое качество.

А как родились профессия и специальность буровика?

С развитием мощи Российского государства росла и потребность в разведке земных богатств Специалистов-рудознатцев стали готовить в специальных горнозаводских школах; первая из них открылась на Урале в 1721 г. «Геологи» того времени были специалистами, как говорится, «широкого профиля». Они знали и собственно геологию, и методику и технику разведки, и добычу полезных ископаемых, и выплавку металла из руды, то есть все, что входило в понятие и круг знаний «горного дела», «горного искусства». С современной точки зрения не так уж широк был этот круг: техника была примитивной, а сведения о Земле и слагающих ее горных породах-ограниченными. Познать и изучить все это было под силу одному человеку.

Но с расширением знаний о Земле и бурным развитием техники быть «широким специалистом» становилось все труднее и труднее. Вначале геология, как единственная наука о Земле, отпочковалась от горного дела; затем стали намечаться ее главные разделы, которые постепенно становились самостоятельными науками. В нашей стране этим разделением мы обязаны великому ученому М. В. Ломоносову, в геологических воззрениях которого заложены основы таких специализированных в настоящее время ветвей науки, как геохимия, геофизика, палеонтология, учение о полезных ископаемых.

Во второй половине XIX века в России наметилось дальнейшее разделение в работе геологов. Родилась профессия геолога-съемщика. Вслед за геологами-съемщиками, т. е. специалистами по составлению геологических карт, идут отряды геологов-поисковиков, задачей которых является нахождение различных видов минерального сырья. За поисковиками выезжают в поле геологи-разведчики, завершающие разведку месторождений и передающие разведанное и подсчитанное полезное ископаемое горнякам.

XX век принес дальнейшее усложнение работы геологов и, следовательно, дальнейшую специализацию и разделение профессий. Век научно-технической революции дал геологам сложнейшую технику: самолеты, вертолеты, самоходные и передвижные механизированные высокоскоростные буровые установки, автомобили повышенной проходимости, тракторы, канавокопатели, горные машины и т. п.

Так выделились технические профессии геолога — инженера по технике и технологии бурения и рабочего-буровика (бурильщика).

Буровики стали первыми помощниками и постоянными спутниками геологов-разведчиков. Как мы показали, не сразу далось им их мастерство. Опыт покорителей недр вырабатывался многими поколениями.

Сейчас у нас созданы всевозможные типы буровых станков разнообразного назначения. Простое перечисление их с самой краткой технической характеристикой займет солидный том. Есть ручные мотобуры, приводимые в действие миниатюрным двигателем от бензопилы «Дружба» и переносимые с точки на точку одним человеком. Есть и гиганты, доставляемые железнодорожными составами; только на монтаж их требуются недели напряженной работы. Есть промежуточные типы, такие как УКБ-200/300, УКБ-300/500, УКБ-500/800 (рис. 14), УКБ-1200/2000, УКБ-2000/3000.[5] Цифры в этих марках указывают на максимальные глубины бурения станком данного типа в разных условиях. В зависимости от целей и задач, которые вы ставите перед скважиной, выбирайте себе подходящий тип станка, доставайте оборудование и бурите. Возможности для этого сейчас практически не ограниченные.

Необходимо только учитывать, что скважина глубиной 3000–3500 м — это уже небольшой завод с многочисленными цехами и службами, а скажем, сверхглубокая скважина СГ-3, которая отбуривается сейчас на Кольском полуострове, это уже целый комбинат. Лишь на геофизические исследования в этой скважине, в том числе и на измерения ее направления, уходят недели непрерывной работы огромного коллектива.

Надо сказать, что глубинные слои земных недр покоряются с невероятным сопротивлением, возрастающим с каждым новым метром глубины. При современном уровне развития техники глубина 18 км является своеобразным рубежом, преодолеть который пока что трудно даже теоретически.

Для наглядности можно привести перечень рекордов в покорении глубин (рис. 15). Семитысячный рубеж был пройден лишь в 1958 г. скважиной Юнивер-сити ЕЕ-1 (США) — глубина 7782 м. Рекорд держался 12 лет и был побит в 1970 г. скважиной 1-СЛ-5407 в штате Луизиана — 7803 м. Далее, в 1972 г. в штате Техас была достигнута глубина 8687 м, а в следующем году пробурена скважина 1-Бейден в штате Оклахома — 9159 м. Еще через год — в 1974 г. там же достигнута глубина 9583 м (скважина «Берта Роджерс»).

В семействе сверхглубоких скважин «Берта Роджерс», первой перешагнувшая 9,5-километровый рубеж, была разведочная, а не исследовательская. Для ее проходки специалисты использовали мощную буровую установку грузоподъемностью 1000 тонн… высвободившуюся после строительства пусковых ракетных шахт. Практически не ограниченный запас мощности позволял буровикам-проходчикам штурмовать недра классическим буровым методом: вращать 9-километровую колонну стальных труб сверхмощным ротором, находящимся на земной поверхности, и вырывать эту колонну из недр, используя исполинскую силу лебедок. Но даже такое — сверхмощное, сверхтяжелое и сверхпрочное — буровое оборудование не смогло противостоять повышенному пластовому давлению. На глубине 9583 м недра вытолкнули буровой инструмент с забоя — бурение пришлось прекратить из-за прорыва расплавленной серы из потревоженных пластов.

Этот результат долго держался как рекордный, а по мнению скептиков (которые всегда есть), он являлся еще и аргументом в пользу ненужности самой идеи сверхглубокого бурения.

В нашей стране сейчас бурятся две сверхглубокие скважины: уже упоминавшаяся СГ-3 на Кольском полуострове (заложена в 1970 г.) и Саатлинская в Азербайджане (заложена в 1977 г.). Кольская скважина 6 июня 1979 г. побила рекорд глубины бурения и зачеркнула «аргумент» скептиков. Но зафиксировать новый рекорд невозможно, поскольку работы здесь продолжаются и каждый день (неделя или месяц) приносит очередной новый рекорд, на сантиметры, на метры превышающий достижения предыдущего дня. Проектная глубина Кольской скважины — 15 км, Саатлинской—11 км. Цифры в настоящее время поистине фантастические; такую глубину по самым смелым прогнозам предполагалось достигнуть лишь в начале XXI века. А сейчас — в 80-х годах нашего века —