Бурение: от истоков до наших дней

С древнейших времен человечество стремилось проникнуть в земные недра. Бурение – один из самых первых способов, позволивших добраться до глубин, прежде неизведанных и неосвоенных человеком.

Бурение использовалось как с целью изучения недр земли, так и с целью добычи полезных ископаемых.

Зарождение человеческой цивилизации напрямую связано с разработкой ископаемых, добыть которые возможно только используя разведочные и эксплуатационные скважины.

Древний Египет
При раскопках в долине Нила в Египте обнаружено множество гидрогеологических скважин, возраст которых исчисляется сотнями лет до нашей эры. У некоторых сохранились даже даты их прокладки, высеченные на камнях. Удивительно, но есть такие скважины, которые и сегодня, спустя почти две тысячи лет, используются людьми в пустыне!

Мы можем довольно отчетливо представить, как египтяне в древности производили бурение скважин. Изначально работу выполняли неотесанными каменными долотами, прикрепленными к деревянным палкам (шестам). Затем на смену каменному долоту пришло металлическое сверло-зубило. При раскопках также найдены инструменты для бурения, возрастом в пять тысяч лет. 

Древний Китай

С целью получения воды скважины бурили и в древнем Китае. Китайская технология бурения более совершенна. Схема следующая.

На забое скважины применялись тяжелые металлические зубила, которые крепились к бамбуковым шестам. Инструмент для бурения устанавливался с помощью пеньковых канатов на определенной высоте над забоем скважины и оттуда сбрасывался вниз. Так как долото было достаточно тяжелым, оно дробило горную породу. Затем туда заливалась вода и порода смешивалась с ней, а впоследствии доставалась из скважины с помощью ведра, имеющего, для удобства работы, небольшой диаметр. Один из знаменитых инженеров древности Ли Пэн считается автором такого способа бурения.

Эта схема реализации технологии бурения древних китайцев почти без изменения лежит в основе широко используемого на практике и в настоящее время способа ударно-канатного бурения скважин.

Европа
Что касается европейского континента, то первая скважина (из тех, о которых есть сведения) была пробурена в 1126 г. в провинции Па-де-Кайес на юге Франции. Она известна так же как Артойс, из латинского аналога этого названия пошло современное общее название самоизливающихся водозаборных скважин — артезианские скважины.

А уже в 1818 г. по инициативе физика Араго французское министерство земледелия учредило специальный фонд бурения скважин, который положил начало бурному всплеску интереса к прокладке буровых скважин. Парижский буровой мастер Дегуссе в 1830 году пробурил в местечке Туре артезианскую скважину, глубина которой составила 120 метров. В 1833 году муниципалитет Парижа начал бурение скважины на воду, которая к 1839 году достигла глубины 492,5 метров. Затем бурение было приостановлено и началось крепление стенок скважины обсадными трубами, после чего было продолжено ее бурение, и 26 февраля 1841 года на глубине 548 м был обнаружен водоносный пласт, из которого забил фонтан, высота которого достигала 33 метров. За эту работу буровой мастер Мюло специальным королевским указом был удостоен высшей награды Франции — ордена Почетного Легиона. Затем уже в 1855 году в Париже была пробурена скважина, глубина которой достигала 528 м с дебитом (количеством воды, подаваемой из скважины в единицу времени) 15 000 м3/сутки.

Россия

Изначально буровые работы применялись, в основном, исключительно для получения воды. С течением времени и развитием промышленности во многих странах опыт при проходке гидрогеологических скважин стали использовать и для разведки и добычи полезных ископаемых.

Особый размах это приняло в России, где при бурении водоподъемных скважин в крепостях и городских кремлях Москвы (XV век), Троице-Сергиевой лавры (1654 год), Белозере (1674 год) одновременно происходила скважинная добыча минеральных солей из подземных залежей. Соляные варницы упоминались еще в грамоте князя Святослава Олеговича, которая была пожалована им Софийскому собору в 1137 г. Заслуживает особого внимания и первый рукописный русский учебник по технологии бурения скважин для разведки и добычи каменной соли — «Роспись как зачать делать новую трубу на новом месте». В этом своде правил, написанном в XVII веке, обобщен многовековый опыт бурения скважин в России. Здесь приведен в подробном описании и буровой инструмент, установка используемого оборудования и способы бурения. Кроме того, даны рекомендации по взятию проб грунта и рассолов и методах ликвидации аварий. Вместе с тем, обоснована необходимость ведения записей при бурении, а также приведены сведения об изготовлении буров и другого бурового оборудования. На высокую культуру технологии бурения скважин в России указывает и то, что в Росписи применены 128 специальных терминов русского происхождения, причем среди них нет ни одного иностранного. В качестве приложения в Росписи приводятся описания самых удачных скважин (в упомянутом труде они именуются «трубами»), и также отмечено, что одна из них имеет глубину 88 саженей (~ 88м).

Первая промышленная революция (под ней подразумевается начало эпохи индустриализации) вызвала новый рост качества технологии бурения. Это было вызвано появлением и применением в технологии бурения паровых машин, двигателей внутреннего сгорания и электродвигателей, открытиями, связанными с созданием качественно новых марок сталей и сплавов, химических реагентов и совершенно отличающихся от старых методов разрушения горных пород. 
К середине XIX века в разных частях России были пробурены многочисленные скважины, которые способствовали решению задач в различных сферах деятельности людей.

В связи с ростом промышленности, особенно тяжелой, а также необходимостью увеличения количества разрабатываемых для производственных нужд месторождений, сильно увеличились объемы работ, связанных с геологоразведочными изысканиями. Это соответственно сказалось на значительном пересмотре методов поисков и разведки месторождений, участвующих в производственном процессе. Появились новые системы разведки, основным элементом которых были сети буровых скважин. Все чаще при разведке твердых полезных ископаемых стало применяться бурение, так как использование в таких случаях горно-разведочных работ малопроизводительно и достаточно дорого. Одновременно надо заметить, что характер технологических задач буровых работ также значительно видоизменился.
 

Основными требованиями стало:

1. обеспечение полноты и достоверности вещественного опробования полезного ископаемого;
2. создание условий, которые обеспечивали бы проведение геофизических работ в недрах земли;
3. соответствие заданным параметрам пространственных сетей.

 

Сообразно с новыми задачами заметно изменились и технические средства и приемы работы. Существенное влияние на развитие средств и способов бурения оказали и успехи в области нефтяной геологии. В связи с вышеизложенным, бурение стало главным средством поисков, разведки и добычи нефти и природного газа.

Буровые станки

Рассмотрим, что же представляли собой первые буровые станки. Это были чисто механические системы, в которых использовались элементы станков, применяемых для металлообработки: колонна бурильных труб вращалась от шпинделя, роль механизма подачи, который создает осевое усилие (т.е. нагрузку на забой), выполняли дифференциально-винтовые, цепные и рычажные системы.

Позже буровые станки стали оборудовать гидравлической подачей, системами плавного регулирования частоты вращения, вспомогательными механизмами. И буровой агрегат стал сложной электро-гидромеханической системой с индивидуальным дизель-гидроэлектрическим приводом различных механизмов и электронными системами управления. Но последовательное совершенствование поверхностного комплекса буровых машин и механизмов не давало возможности выполнения всех технологических задач бурения.

Создание совершенных видов оборудования для разрушения породы, которые с большей эффективностью воздействовали бы на забой скважины, погружного оборудования и технологичных веществ, материалов и реагентов во многом определяют процесс буровой технологии. Как показывает практика, создание инструмента, оборудования и материалов напрямую связаны между собой, однако есть возможность выделить основные вехи в развитии упомянутых элементов буровой технологии.

Начнем с развития породоразрушающего инструмента, здесь остановимся на следующих основных вехах:

1909 г. — создание шарошечного долота (США, инженер Хьюз). Это механизм, который вращательное движение корпуса долота преобразует в ударное воздействие на забой рабочих элементов (зубьев шарошек) с высокой частотой, что являлось принципиально новым решением.
20-е годы XX в. — создание кольцевых буровых коронок, армированных твердосплавными резцами.
40-е годы XX в. — создание мелкоалмазных буровых коронок и долота. Это особый инструмент, его рабочая часть – мягкая металлокерамическая матрица, в которой запрессованы мелкие кристаллы алмазов, которые способны разрушать любые твердые породы.

Что касается создания мелкоалмазных коронок, они позволили завершить целый этап технологии бурения: перестало существовать дробовое бурение, которое представляло собой разновидность механического вращательного. При этом бурение крепких пород производилось вдавливанием в поверхность забоя стальных и чугунных дробинок. Это был один из самых трудоемких и малопроизводительных видов бурения.

Что касается породоразрушающего инструмента, то, несмотря на постоянное его совершенствование, технические решения его основных типов принципиальным изменениям не подвергались.

Решению поставленных в настоящее время задач разведки и освоения минеральных ресурсов не препятствуют ни состояние современной техники, ни технологии бурения. 
На первом месте – поиски и разведка месторождений. Современные средства позволяют достичь достаточной глубины бурения - рядовые поисково-разведочные скважины достигают глубины 2-2,5 км — что полностью соответствует тому пределу, при котором возможна добыча твердых полезных ископаемых современными средствами. Что касается нефтяного бурения, то тут часто глубина скважин достигает 5 км и более. Начиная с 70-х годов, в нашей стране ведется бурение серии сверхглубоких скважин, первая из которых — Кольская сверхглубокая — к 1992 г. её рекордная глубина соответствовала 12 263 м.

Источник