1.1. Развитие технологий бурения
Бурение является одной из древнейших специальностей. Вся та история бурения, которая с легкостью доходит до наших дней, постоянно переплетается с главной проблемой, суть которой в уничтожении диссонанса между имеющейся у нас технологией (в данный этап развития человечества) и желанием постоянно увеличивать глубину скважин.
На основании археологических находок и исследований установлено, что первобытный человек около 25 тыс. лет назад при изготовлении различных инструментов сверлил в них отверстия для прикрепления рукояток. Рабочим инструментом при этом служил кремневый бур.
Так же известно, что египтяне около 6000 лет назад уже были знакомы с принципами алмазного бурения. Они использовали бронзовые бурильные инструменты с наконечниками, армированными драгоценными камнями, в ходе создания пирамид.
Рис. 1.1. Бурение скважин в Древнем Китае [12]
Достаточно высокой степени совершенства буровая технология достигла в Древнем Китае при добыче воды и соляных растворов (рис.1.1). Первые сообщения о китайских скважинах содержатся в работах философа Конфуция, написанных около 600 г. до н.э. Скважины сооружались методом ударного бурения и достигали глубины 900 м (диаметром 12–15 см). Это свидетельствует о том, что до этого техника бурения развивалась в течение, по крайней мере, еще нескольких сотен (или тысяч) лет.
Процесс бурения проходил так: на пеньковом канате буровой инструмент поднимался над забоем скважины и сбрасывался вниз с высоты. При этом горная порода разрушалась, мелкораздробленные частицы горной породы смешивались с водой, после чего они вычерпывались из скважины небольшим (меньшим по диаметру) ведром. В истории сохранилось имя великого китайского инженера и ученого Ли Бина, который придумал и внедрил такую технологию бурения.
Иногда при бурении китайцы натыкались на нефть и газ. Так в 221–263 гг. н.э. в Сычуане из скважин глубиной около 240 м добывали газ, который использовался для выпаривания соли. Документальных свидетельств о технике бурения в Китае мало. Однако, судя по древней китайской живописи, барельефам, гобеленам, панно и вышивкам на шелке, эта техника находилась на довольно высокой стадии развития.
В 1126 Картезианецы (члены католического монашеского ордена, основанного в XI в. во Франции) занимались бурением на воду, получая воду с глубины 304.3 метра.
Великий итальянец Леонардо да Винчи, гениальный художник, а так же инженер-изобретатель, оставил в качестве наследия множество рисунков и схем различных инструментов и приспособлений для бурения и сверления, без которого было не обойтись при реализации проекта водоснабжения долины реки Луары во Франции. Кстати, этот проект также был разработан великим Леонардо, который последние годы своей жизни провел во Франции под покровительством короля Франциска I.
1495 год – Леонардо да Винчи изобретает и конструирует первую переносную машину для горизонтального бурения. Она служит для рассверливания деревянных бревен при изготовлении деревянных водопроводных труб. Предположительно при жизни да Винчи были построены 10 машин для горизонтального бурения. В его документах, датированный 1500 годом, имеется чертеж буровой установки с треногой.
Одна из замечательных придумок Леонардо да Винчи – «ложковый» («ложечный») бур. Он с успехом применялся при ручном и механическом бурении неглубоких скважин с извлечением разбуриваемой породы. В Россию эта конструкция пришла из Франции в 40-е годы XIX века и называлась она «сверлящим снарядом-желонкой». Поначалу бурение с применением «ложкового» бура активно применялось нефтяниками.
Бурение первых скважин в России относится к 9 в. и связано с добычей растворов поваренной соли (Старая Русса). Затем соляные промыслы развиваются в Балахне (12 в.), в Соликамске (16 в.). На русских соляных промыслах издавна применялось ударное штанговое бурение. Во избежание ржавления буровые штанги делали деревянными; стенки скважин закрепляли деревянными трубами. В 17 в. в рукописном труде «Роспись, как зачать делать новая труба на новом месте» («Известия императорского археологического общества», 1868, т. 6, отд. 1, в. 3, с. 238–55) подробно описаны методы этого периода.
Первый буровой колодец, закрепленный трубами, был пробурен на воду в 1126 в провинции Артуа (Франция), отсюда глубокие колодцы с напорной водой получили название артезианских.
Развитие методов и техники бурения в России начинается с 19 в. в связи с необходимостью снабжения крупных городов питьевой водой. В 1831 в Одессе было образовано «Общество артезианских фонтанов» и пробурены 4 скважины глубиной от 36 до 189 м. В 1831–32 бурили скважины в Петербурге (на Выборгской стороне), в 1833 в Царском Селе, в Симферополе и Керчи, в 1834 в Тамбове, Казани и Евпатории, в 1836 в Астрахани. В 1844 была заложена первая буровая скважина для артезианской воды в Киеве. В Москве первая артезианская скважина глубиной 458 м пробурена на Яузском бульваре в 1876. Первая буровая скважина в США пробурена для добычи соляного раствора близ Чарлстона в Западной Виргинии (1806).
Рис. 1.2. Бурильная установка на основе паровой машине [12]