Покорители земных недр

Блинов Геннадий Александрович

Махновецкий Эрнст Соломонович

Авторы этой книги — горный инженер по технике разведки и геолог-разведчик — знакомят молодежь с одной из ведущих технических профессий в геологоразведочном деле — с работой первых помощников геолога: бурильщиков и буровых мастеров. Рассказывают о роли бурения скважин в различных отраслях народного хозяйства. Прослеживают развитие техники бурения от простейшего ручного бура до автоматизированных буровых установок. Раскрывают романтику и реальность профессии первооткрывателей земных недр.

Для учащейся молодежи, выбирающей будущую профессию, а также для работников, занимающихся вопросами профориентации школьников.

 

 

Почему мы написали эту книгу

Когда в Ленинградском отделении издательства «Недра» нам предложили написать книгу о специальности буровика — проходчика земных недр, доказывая нужность такой книги, мы засомневались, а нужно ли? Специальность редкая, по-своему трудная и тяжелая, «заземленная» как казалось нам. Ну, например: пишут ли о нас в газетах так часто, как о металлургах или механизаторах сельского хозяйства? «Конечно, нет!» — сказали мы и решили удостовериться в этом. Для «эксперимента» выбрали три газеты: «Правду», «Социалистическую индустрию» и «Ленинградскую правду» — и два журнала: «Вокруг света» и «Техника — молодежи». Результаты развеяли все наши сомнения. Практически не было дня, а тем более недели, чтобы в одной из трех газет не была опубликована краткая информация, корреспонденция или обстоятельная статья о труде, достижениях, жизни буровиков, геологов, разведчиков, об их проблемах, мечтах, планах.

Не верите? Просмотрите, ради интереса, центральные галеты за любой месяц, ну хотя бы за неделю! — и вы убедитесь, как много места уделяется разведчикам и проходчикам недр — буровикам, горнякам, шахтерам. К слову сказать, статьи и корреспонденции из газет и журналов о профессии буровика — проходчика недр, о геологоразведочном деле сыграли большую роль в написании некоторых разделов этой книги, они явились источником приведенных в ней интересных фактов.

А сколько есть интересных статей в журналах, сколько брошюр и книг написано о бурении и буровиках в последние годы. Это и научные произведения, и научно-популярные, и популярные, и даже художественные. Одни из них мы упоминаем или цитируем в нашей книге, другие рекомендуем читателю в списке, помещенном в конце этой книги.

Итак, наша книга об одной из современных технических профессий.

А что такое профессия? Словари и энциклопедии определяют это понятие так: «Профессия (лат. professio) — постоянная специальность; род трудовой деятельности, занятий человека, владеющего комплексом специальных теоретических знаний и практических навыков, приобретенных в результате специальной подготовки, опыта работы». И дают синонимы: «Специальность, ремесло (разг.)». Исходя из этого и мы будем иметь в виду специалистов-профессионалов, т. е. «хороших знатоков ремесла» (В. М. Гаршин). «Специалист — кто особенно занялся какою-либо частью науки, знаний» (Толковый словарь живого великорусского языка Владимира Даля).

 

Какое место занимает бурение в геологии

Если вас попросят изобразить некую «геологическую эмблему», то вы наверняка нарисуете ее примерно так (рис. 1): мужественный бородач в болотных сапогах, в штормовке, непременно с молотком в руке и с рюкзаком за плечами стоит на вершине высокой сопки и смотрит куда-то в голубую даль. Картинка красивая, привлекательная, заманчивая, но, к сожалению, совершенно не соответствующая действительности. «Бродячих» геологов сейчас осталось не так уж и много. Один на сотню. Не более. Да и геологический молоток, увы, скоро сохранится только как исторический символ в эмблемах и значках Международного геологического конгресса (МГК). Латинская надпись на эмблеме МГК «Мепte et malleo» («Разумом и молотком») — девиз конгресса (рис. 2).

Рис. 1. «Геологическая эмблема».

Рис. 2. Эмблема Международного геологического конгресса.

А что же вложить в руки геологу сейчас? Выбрать это, даже символически, очень сложно. Пришлось бы вкладывать микроскоп и электронно-вычислительную машину, стереоскоп и фотоаппарат, химическую посуду, реагенты и сложнейшие геофизические приборы. А высоко над ним — мощные вертолеты и самолеты, искусственные спутники Земли. Всем этим и многим другим оснащен и вооружен современный геолог.

Но должно же быть что-то самое главное, самое основное, самое-самое?.. Есть и главное. Это, конечно же, буровой станок, который вполне можно считать универсальным геологическим молотком на всех этапах и стадиях изучения и освоения недр. На всех!

Так что сегодня на эмблеме надо изображать геолога, а рядом с ним обязательно буровой станок. А если уж демонстрировать истинные соотношения, то «буровая эмблема» будет выглядеть примерно так (рис. 3): внушительная буровая вышка (сталь, тросы), просторное здание для оборудования, колонны обсадных и бурильных труб, а рядом со всем этим крошечный, но могущественный человек — геолог-буровик. Кстати, наверняка он будет в своем обычном костюме, правда, в коротких резиновых сапогах и с защитной каской на голове, но, что уже совершенно точно, без молотка и без рюкзака.

Рис. 3. «Буровая эмблема».

Что же такое бурение? И кто такие буровики?

Бурение есть не что иное, как проходка в горных породах земной коры отверстий цилиндрической формы, называемых буровыми скважинами. Коротко, но не очень-то понятно. Какие отверстия? Зачем они? Как проходятся? Однако если мы попытаемся расшифровать это лаконичное определение, ну хотя бы (как и положено в таких случаях) уточнить, чем и для чего это делается, то оно тут же расплывается на десятки страниц, мы утонем в терминах и определениях и окончательно запутаемся. Так что давайте удовлетворимся пока этой самой общей формулировкой, а к вопросам «зачем», «как» и «чем» вернемся чуть позже.

Во всех случаях буровая скважина — это своеобразный перископ, через который мы исследуем земные недра. Через обычный полевой перископ, как известно, из укрытия осматривается свободное пространство; у нас совсем наоборот — из свободного пространства, с земной поверхности, изучается все то, что спрятано глубоко под землей, что скрыто от глаз. Кстати, по своей форме почти все скважины телескопичны: диаметр их постепенно уменьшается и в разрезе они выглядят так, как показано на рис. 4.

Рис. 4. Буровая скважина — «перископ» в глубь Земли.

Ну а буровики (или бурильщики) — это люди, которые занимаются столь необычным и, прямо скажем, очень увлекательным делом. Они высверливают либо выдалбливают скважины в земной коре (глубиной в сотни и тысячи метров), они первыми заглядывают в подземные перископы, первыми узнают о строении и составе Земли, первыми рассматривают образцы поднятых из земных глубин пород и руд. Впрочем, ради только простого любопытства разумными людьми никогда ничего не делается. В любой работе должен быть смысл, конечный результат. Есть он и в бурении. Всегда. У геологоразведчиков — рудное тело либо благоприятная структура, у нефтяников — залежь нефти, у горняков — массовый взрыв в карьере, лаве, забое, у гидрогеологов — линза чистейшей (либо, наоборот, целебно-минерализованной) артезианской воды, у строителей — сведения о грунтах, на которых будет стоять сооружение.

Ну вот, волей-неволей сразу же пришлось заговорить о применении бурения, и надо, хотя бы бегло, ответить на вопрос —

 

Зачем нужно бурение

Где оно используется и применяется? Недаром мы начали с геологической эмблемы. Действительно, геология, а точнее геологоразведка, является самой мощной, самой развитой ветвью раскидистого бурового дерева (рис. 5). Собственно в геологии это дерево родилось, на геологической почве выросло, и сейчас бурение здесь является основой основ. С его помощью ведутся поиски и разведка всех месторождений полезных ископаемых, выполняется геологическая съемка для составления геологических карт, проводятся самые разнообразные (и в первую очередь геофизические) исследования земной коры. Так что в современной геологии буровик — первый человек.

Рис. 5. «Буровое дерево».

А у нефтяников? Здесь буровик — основной исполнитель и истинный хозяин. Без бурения вообще нет ни нефти, ни газа. Единственный простой и надежный способ извлечения этих бесценных полезных ископаемых — через буровую скважину. Других способов нет и вряд ли когда-нибудь будут… (Сразу оговоримся, — за очень редкими исключениями. Так, в районе Ухты нефть добывают не из скважин, а из шахт. Но там особый случай — тяжелая нефть, которая ни самотеком, ни под давлением не может подняться по скважине на поверхность.)

Формально и исторически нефтегазоразведка должна входить в общегеологическую ветвь, но фактически она давно уже превратилась в самостоятельную отрасль. Здесь свои особые методы и своя специфика, здесь самые глубокие скважины и самые мощные станки, здесь разведка и добыча неразрывно связаны между собой. И недаром у нас существуют три отдельных министерства: Министерство геологии (Мингео), ведающее поисками и разведкой в основном твердых полезных ископаемых, Министерство нефтяной промышленности (Миннефтепром) и Министерство газовой промышленности (Мингазпром); последние два занимаются только горючими жидкими и газообразными полезными ископаемыми и всем, что с ними связано. На буровом дереве эти две отрасли правильнее изображать примерно так, как на рис. 6.

Рис. 6. Ветвь «бурового дерева».

О геологии и геологоразведке нам предстоит говорить более подробно, поэтому давайте пока отвлечемся от них и посмотрим на другие ветви бурового дерева.

Вот, например, строительная ветвь. Любое крупное строительство, любое сооружение, будь то высотное здание, дамба, канал, тоннель, мост, гранитная набережная, аэропорт, железная дорога… (далее может следовать перечень на несколько страниц), начинается не с проекта. Нет. Оно начинается с исследовательского бурения, с буровых скважин, которые выясняют все инженерно-геологические условия в заданном районе: физические свойства грунтов и коренных горных пород, их крепость и устойчивость, баланс подземных вод, наличие каверн в породах и многое другое. Десятки, сотни скважин… Только они могут дать однозначный ответ на главный вопрос — быть сооружению или не быть, а если быть, то где именно и каким. По их результатам устанавливают допустимые параметры сооружения. Лишь после этого можно приступать к проектированию. В противном случае любой самый грандиозный проект может оказаться радужным мыльным пузырем, а скажем, высотное здание может уподобиться падающей башне в итальянском городе Пиза.

Кстати, до сих пор эта башня (точнее, колокольня) продолжает «падать». Ежегодно она накреняется еще на 8 угловых минут, и уже возникла реальная угроза разрушения этого уникального памятника архитектуры (начало строительства ее относится к 1174 г.). По одному из проектов спасение башни будет осуществляться также с помощью бурения. Спустя восемь веков предполагается выполнить тот обязательный комплекс работ, который не был сделан перед началом строительства (как говорится, «лучше поздно, чем никогда»). Правда, сейчас перед бурением стоят уже не исследовательские, а аварийно-спасательные задачи. По проекту намечено пробурить систему дренажных скважин (рис. 7). После откачка воды понизится давление в порах подстилающего глинистого пласта. По расчетам колокольня хоть и не выровняется, но угол наклона стабилизируется.

Далее, прокладывание всевозможных трасс: автомобильных, железнодорожных, нефтеперегонных. Здесь тоже всегда и везде впереди идут буровики. Идут на мобильной самоходной технике: автомобилях, вездеходах, тракторах. Идут небольшими так называемыми «летучими» отрядами. Они намечают будущие трассы своеобразными и не совсем обычными вехами — вехами, направленными не только вверх, но и (что гораздо важнее) вниз (рис. 8). Они отыскивают профили надежности и прокладывают «дорогу»… строителям дорог. Кстати, буровики-дорожники на каждом отрезке отбуривают в заданном направлении не один, а два-три различных профиля, а потом уже специалисты (при проектировании) выберут наилучший из них.

Аналогичные работы ведутся и при строительстве магистральных газопроводов; например, при прокладке газопровода Уренгой — Помары — Ужгород («Восток— Запад») протяженностью 4451 км. Стройка, которую называют «проектом века», на своем пути из Западной Сибири пересекает два горных хребта и 561 реку. На протяжении 121 км газопровод следует по вечной мерзлоте, более 1000 км — по болотам и топям. Чтобы достичь Западной Европы, он пересекает пять часовых поясов. Стройка велась в сложнейших условиях на огромной территории Тюменской области (размером с Испанию, Францию и Италию вместе взятые). С Уренгойского газового месторождения начинается трасса.

Рис. 7. Вариант «спасения» Пизанской башни.

Рис. 8. «Провешивание» скважинами железнодорожной трассы или шоссе.

Этот трансконтинентальный газопровод — только часть создаваемого комплекса: в СССР сооружается шесть ниток газопроводов протяженностью от трех до четырех тысяч километров. Темпы строительства газопроводов, а они самые высокие в мире, обеспечиваются самой современной технологией, уникальной техникой и… заблаговременной и тщательной инженерно-геологической подготовкой трассы, которая проходит по болотным топям, горным кручам, по дну рек (например, по дну Волги на глубине 16 м).

А строительство плотин — красивейших и ответственнейших из творений рук человеческих, строящихся на века, меняющих лик Земли — ее климат и географию. Сколько инженерных и технических знаний вкладывается в их сооружение! В то же время имеется и печальная статистика: за последние 50 лет в странах Западной Европы и Америки было прорвано более тысячи плотин. 3 декабря 1959 г. во Франции в результате прорыва одной такой плотины, подпиравшей водохранилище объемом более 50 млн. м3 воды, практически был уничтожен город Фрежюс.

В Советском Союзе не было ни одной подобной катастрофы с плотинами благодаря тому, что советские строители, прежде чем строить такие ответственные сооружения, проводят тщательные и в большом объеме инженерно-геологические изыскания с отбором из скважин образцов грунта и горных пород. Эти образцы детально изучаются и подвергаются всесторонним нагрузочным испытаниям; межскважинное пространство исследуется радиоактивными, акустическими и другими методами.

Тоннели. Сложнейшие горно-технические сооружения. Наиболее известные из них: 20-километровый горный Симплонский тоннель между Швейцарией и Италией — самое длинное из существующих сооружений такого рода, проложенных на суше; тоннель Сейкан протяженностью 53,8 км — самый длинный в мире, он соединяет японские острова Хонсю и Хоккайдо, только подводная его часть (23,3 км) уже превосходит по длине Симплон.

Важность при строительстве тоннелей тщательной инженерно-геологической подготовки, базирующейся на данных бурения скважин, подтверждают следующие примеры.

Строительство тоннеля Сейкан было начато с проходки вспомогательной выработки, сечение которой составляло четверть главного. Вспомогательный тоннель помог сократить время сооружения главного. Строительство велось стандартным способом крепления штрека стальными арками (на их изготовление ушло 16 800 тонн металла) с последующим бетонированием стенок. Объем земляных работ составил 6,3 млн. м3, было израсходовано 1,5 млн. м3 бетона.

В процессе работ приходилось предугадывать геологическое строение толщ горных пород и степень их водопроницаемости, а также предупреждать обвалы. Единственным способом получения точных данных о лежащей впереди породе на участке морского дна являлось бурение горизонтальных опережающих проходку тоннеля скважин. Такие скважины требуют гораздо большего умения, чем вертикальные, поскольку под действием веса бурового снаряда ствол скважины искривляется и, если породы мягкие и неустойчивые, то стенки скважины могут обвалиться.

Когда была начата первая пробная выработка, удавалось пробуривать скважины длиной максимум 300 м. В дальнейшем этот показатель был увеличен до 2150 м. Такой результат представлял собой большое достижение, поскольку позволял заранее знать строение пород, которые строителям предстояло проходить через два (!) года.

Мягкие или трещиноватые породы надо было укреплять перед началом проходки тоннеля. Технология укрепления заключалась в цементации трещин. Для этого бурилось множество неглубоких скважин-отверстий, куда под большим давлением закачивался быстротвердеющий раствор, проникавший в трещины и пустоты. В результате получалась прочная бетонная оболочка, предохранявшая от обвалов во время проходки тоннеля. И все же невозможность в ряде случаев закачать достаточное количество вяжущего раствора привела к четырем крупным обвалам.

Во время самого большого из них, происшедшего в 1976 г., вода поступала из геологического разлома в горных породах во вспомогательный тоннель со скоростью 70 м3 в минуту. Все, что смогли сделать строители, — это заблокировать аварийный участок тоннеля и ждать, пока ситуация стабилизируется сама. Такое решение оправдалось: инженерам помогло горное давление (между тоннелем и дном моря было 100 м породы), сжавшее стенки разлома и трещины, через которые проникала вода.

Если первоначально стройку тоннеля Сейкан предполагалось осуществить за 10 лет, то из-за различных геологических неожиданностей времени потребовалось вдвое больше, а стоимость тоннеля более чем утроилась. Этот крупнейший проект японские инженеры и рабочие завершили в апреле 1985 г.

Другой пример.

На трассе Байкало-Амурской магистрали строителям предстояло пробить на участке в районе Байкала подземные коридоры общей протяженностью около 30 км — тоннели Байкальский (6700 м), Северомуйский (15 300 м), Кодарский (1940 м), Нагорный (1200 м) и другие (5400 м). Сложность заключалась в том, что надо было пройти вечную мерзлоту, горячие и ледяные подземные реки, твердейшие граниты и предательские сыпучие разломы. Все это усугублялось повышенной сейсмичностью зоны; например, при землетрясении в 1957 г. Северомуйский хребет сместился на 1,5 м. В таких условиях тоннели не сооружались нигде в мире.

Полученный при разведочном бурении керн предупреждал: наряду с породами гранитной твердости в ряде мест будущего Северомуйского тоннеля встретятся породы перемятые, крошащиеся, есть зоны плывунов, разломов, трещиноватых пород. Но все осложнения предусмотреть не удалось. В результате проходчики тоннеля неоднократно оказывались в труднейших ситуациях. Так, однажды в тоннельную выработку хлынул селевой поток — смесь воды с каменной массой, который все смел на своем пути, а 8-тонную породопогрузочную машину выбросил из тоннеля, точно щепку. Позднее выяснилось, что проходчики вышли под дно огромного подземного озера — 600 м в диаметре и 200 м в глубину. Это было, по мнению ученых, древнее русло реки Ангаракан, разорванной землетрясением миллион лет назад и запрятанной в гору.

В конечном счете тоннельщики укротили и этот разрыв, и другие осложнения (не раз они оказывались в неожиданно хлынувшем потоке горячей воды). В преодолении всех трудностей сложился коллектив, равного которому по уровню профессионализма отечественное тоннелестроение не знало.

Самым же длинным тоннелем в Европе (протяженность свыше 23 км) станет Архотский тоннель, который будет сооружен при строительстве Кавказской перевальной железной дороги от Орджоникидзе до Тбилиси. Трасса будущей дороги проходит среди угрюмых скал, головокружительных обрывов, бездонных ущелий. И поэтому второй уникальной особенностью этого тоннеля является то, что он пройдет на отметке 1400 м над уровнем моря.

По всей трассе дороги уже ведутся изыскательские работы, в которых участвуют топографы, проектировщики, сейсмологи, геофизики, геологи и, конечно, буровики. С помощью вертолетов подняты в горы, за облака, буровые установки. Работая в чрезвычайно сложных условиях, буровики прошли уже первые метры инженерных скважин. Получены ценные данные о геологической структуре горного массива, через который проляжет Архотский тоннель.

Архотский тоннель будет самым крупным, но далеко не единственным на трассе Кавказской перевальной дороги. Хотя от Тбилиси до Орджоникидзе всего 180 км, строительство будет нелегким — надо пробиться через Главный Кавказский хребет. Горные толщи прорежет еще 21 тоннель общей протяженностью почти 42 км. Кроме тоннелей буровикам и геологам предстоит разведать на трассе и подготовить основания под 72 железнодорожных моста и виадука с опорами высотой с 20-этажный дом, 26 автодорожных и железнодорожных путепроводов, три автодорожных моста, 26 противолавинных и противообвальных галерей, свыше 11 км подпорных стенок…

А чтобы обеспечить такой фронт работ, необходимо проложить автомобильные дороги, провести линии электропередачи, построить подстанции, карьеры стройматериалов, бетонные заводы, поселки для строителей, склады, гаражи. Все это предстоит соорудить в ущельях, в горах, где каждый метр бурильщикам, взрывникам, проходчикам придется брать с боем. И при этом надо будет не повредить неповторимую красоту высокогорной природы.

Сколько трудной, но интересной работы!

Непосредственно при строительстве зданий и сооружений бурение применяется не только в исследовательских целях. В некоторых случаях (например, в районах с заболоченными либо слабоустойчивыми почвами) специально оборудованные скважины заменяют фундаменты и являются основой всей конструкции. Особое значение такие скважины имеют на Крайнем Севере, за Полярным кругом. Раньше (еще два-три десятилетия назад) считалось, что крупное строительство на Севере практически невозможно. «Вечная» мерзлота. Летом в верхних слоях она оттаивает, образуя талики, зимой же вспучивается от мороза (как говорят, «взрывается»), и кирпичное здание может разрушиться подобно карточному домику. Поэтому испокон веков там строили только бревенчатые избы высотой в один-два этажа. Не больше. А сейчас?

Сейчас в Заполярье и Сибири продолжают расти вполне современные, европейского облика города, такие как Норильск, Талнах, Якутск, Тикси, Певек, Сургут. Высотные здания, бетон, стекло, алюминий. И все это исключительно благодаря бурению. На месте фундаментов заранее отбуривают скважины. Десятки, сотни скважин диаметром около полуметра каждая. Скважины заливают бетоном и оставляют года на два на проморозку. Потом на этих вмороженных в грунт сваях возводят дома.

В результате получаются «висячие» дома (рис. 9) без массивных оснований в соответственно без подвалов. Ветер, свободно обдувающий пространство между подошвой дома и поверхностью земли, не позволяет почве прогреваться и оттаивать, т. е. таликовые зоны здесь просто не возникают. В остальном же это обычные дома. Крепкие дома любых размеров, любой высоты. Они стоят и будут стоять десятилетия и века. Так что северные города сейчас — это города на скважинах, победивших вечную мерзлоту — этого «северного сфинкса», как называют ее ученые.

В таком городе, как Норильск, существует специальная организация под названием «Фундаментстрой». Она имеет на вооружении больше 40 тяжелых станков ударного бурения; 40 буровых бригад (по четыре смены в каждой) работают круглосуточно и круглогодично только на строительстве жилых и производственных зданий.

Рис. 9. Многоэтажные дома на скважинах — сваях.

Подобная технология успешно применена и при строительстве мостов на Байкало-Амурской магистрали. Как известно, трасса, проходящая в горных районах с многочисленными пересечениями рек, потребовала сооружения более 2500 мостов. Первые мосты, построенные по традиционной технологии, потребовали огромных затрат на сооружение фундаментов и опор. Кроме того, это вело к нарушению природной среды — оттаивали многолетнемерзлые грунты, изменялся режим поверхностных и грунтовых вод. Сроки строительства мостов значительно удлинялись.

Необходимо было создать принципиально новые конструкции опор, новую технологию их установки. И соответствующие технические решения были найдены. Наиболее существенными звеньями в опорах мостов стали фундаменты из железобетонных цилиндрических столбов-свай, заделываемых в скважины, заранее пробуренные в грунте с помощью высокопроизводительных станков. Все операции по установке и сборке опор механизированы. Улучшилось качество строительства, сведены до минимума нарушения окружающей среды.

А есть ли работа для буровика-строителя в городе, который стоит уже века? Ответ на этот вопрос мы нашли в московском репортаже журналиста Н. Коршуновой, озаглавленном «На чем город стоит».

В разных концах столицы работают буровые установки и изыскательские группы специалистов «Мосгоргеотреста». Геологические условия города необычайно сложны и разнообразны, но нет такого места, где бы не поработали геологи, буровики, гидрогеологи, геофизики. Они бурят скважины, зондируют почву, ведут исследования грунтов, ищут подземные воды, которые могут преподнести сюрпризы.

В результате стало известно, что в Люблино, Марьино, Нагатино имеются слабые грунты (торф, водонасыщенные пластичные глины), которые требуют специальных инженерных решений при закладке многоэтажных зданий. А в районе Дорогомилова, Кутузовского проспекта, Яузского бульвара, Замоскворечья залегают известняки — устойчивые, прочные породы, которые служат идеальным фундаментом. Но подземные воды точат и эту опору города, да и Москва-река иногда добирается до нее, вымывая пустоты — каверны и пещеры, которые могут дать о себе знать обрушением верхнележащих слабых грунтов, возникновением провалов на поверхности. Редко, но бывает такое…

Несколько лет назад случилось ЧП, взволновавшее специалистов-геологов и градостроителей. На одной из улиц на глазах оторопевшего постового милиционера и изумленных прохожих начал медленно погружаться в землю, стоя как свеча, тополь, пока не скрылся весь в глубине недр.

Чтобы подобное не повторилось, бурят скважины, изучают несущую способность подстилающих грунтов и горных пород под фундаментами памятников истории и архитектуры, под зданиями, которые предстоит надстроить, передвинуть, реконструировать. Ни один жилой дом, заводской корпус, памятник, мост, ни одна гранитная набережная, эстакада, линия метро, теплотрасса, транспортная артерия не могут быть возведены или проложены без заключения геологов, основанного на результатах инженерного бурения.

Далее, гидрогеология и подземное водоснабжение. Ни для кого не секрет, что земная кора буквально насыщена подземными водами. Запасы грунтовых вод на площади в один квадратный километр измеряются сотнями тысяч кубических метров. На любой доступной нам глубине, в любых (даже самых засушливых) районах по крупным и мельчайшим трещинам в породах постоянно циркулирует вода. Вода различной степени минерализации, с различным напором. Кое-где она скапливается в огромных полостях-линзах… И даже небольшое нарушение подземного водяного баланса может привести к очень тяжелым последствиям на земной поверхности. Именно поэтому вся территория нашей страны покрыта густой сетью наблюдательных гидрогеологических скважин. Особенно в крупных городах. Эта сеть постоянно развивается и совершенствуется.

Впрочем, дело не только в наблюдениях. Подземные воды — это и ценные полезные ископаемые, которые сейчас успешно добываются, так же как нефть, газ, минерализованные рассолы. И точно так же подсчитываются запасы этих вод в том или ином месте. Для этого отбуриваются новые и новые скважины, которые находят все новые источники.

Издавна известна удивительная целебная сила минеральной или, как ее еще называют в народе, «живой» воды. Курортов, славящихся своими минеральными водами, в нашей стране более шестидесяти. И все же побывать на них человеку удается в лучшем случае лишь один раз в году, во время отпуска. А этого для лечения порой бывает недостаточно.

Между тем крупные бассейны минерализованной воды открыты в Сибири, на Урале, Дальнем Востоке, в Закарпатье, даже в заполярных широтах. Так, например, в Закарпатской области разведано 360 минеральных источников. И почти четыре пятых из них не уступают по исцеляющим свойствам знаменитым Нарзану, Ессентуки, Боржоми, Арзни. Отсюда встает задача перед специалистами — приблизить такие минеральные источники к потребителю, содействовать созданию в городах и селах бальнеологических лечебниц, заводских профилакториев и здравниц.

Так, несколько лет назад в трех километрах от Мончегорска геологи, бурившие скважины, обнаружили на глубине 400 м солоноватую на вкус воду. Пробы воды отправили для исследований в Центральный научно-исследовательский институт курортологии и физиотерапии. Специалисты определили: найденный источник — целебный. Сейчас воду из местного источника получают отдыхающие в санаториях-профилакториях комбината «Североникель».

А вот как это было в Москве. Слава бальнеологических курортов не давала ей покоя еще в прошлом веке. «Первые в России искусственные минеральные воды… открыты над Москвой-рекой, близ Крымского брода», — сообщается в книге, изданной в то время. А вот строки из письма П.А.Вяземского к А.С.Пушкину (17 июня 1831 г.): «Жуковский… говорят, очень болен. Убеди его куда-нибудь съездить, хоть в Москву к искусственным водам». Еще в одной старой книге, посвященной столице, читаем: «Долго ли продержится эта страсть к водопитию, но предсказываю, что воды наши год от года будут все славнее и славнее…»

Эти предсказания оказались прозорливыми. Москва сейчас — одна из известных бальнеологических здравниц, использующая не только искусственные, но в первую очередь природные целебные воды. Многие пробовали «Московскую минеральную воду», но не все знают, что «черпают» ее из Московского артезианского бассейна, занимающего территорию не только столицы, но и ряда примыкающих к ней областей. Площадь этого «подземного моря» 700 тыс. км2, центр его — город Москва, улица Талалихина. Выводят эти воды из подземных источников на поверхность путем бурения скважин.

Так, в частности, поступили в Центральном институте курортологии и физиотерапии, на территории которого пробурили (всего в нескольких шагах от оживленного проспекта Калинина) две скважины. Из одной скважины, глубиной 350 м, лечебная вода поступает в специальную галерею, где ее пьют пациенты, Из другой, с глубины 1100 м, бьет также целебная вода, но не питьевая, а для наружного применения (слишком высока ее минерализация): из нее готовят лечебную иловую грязь, наполняют ванны, заливают в бассейн. Меняя минерализацию воды, медики могут имитировать условия Северного Кавказа, Черного моря, Прибалтики…

Воды этого полностью закрытого и избавленного от каких-либо загрязнений, т. е. в сущности законсервированного, резервуара могут не только лечить, но и отапливать или охлаждать помещения, давать ценные соли, не говоря уже о снабжении питьевой водой. Работы по изучению и освоению этого уникального моря продолжаются.

Продолжаются они не только в Московском бассейне. Во всех, даже самых глухих и отдаленных, уголках нашей страны отбуриваются гидрогеологические скважины. Скажем, в совхозах и колхозах они используются для снабжения животноводческих комплексов чистой и прохладной водой. В засушливых районах с помощью скважин получают напорные артезианские воды. А на прославленных курортах, таких как Боржоми, Ессентуки, для добычи минеральной воды пройдены целые шахты. И не просто пройдены — обычным способом, а именно пробурены (!) мощными буровыми установками.

Еще сравнительно недавно запасы воды на Земле считались неограниченными. Но за последние 30–40 лет это представление изменилось коренным образом. Во всем мире значительно возрос расход воды промышленностью, сельским хозяйством и на коммунальные нужды. Из неисчерпаемого дара природы вода стала фактором, лимитирующим развитие не только отдельных стран, но и более обширных территорий земного шара. Вот почему столь велико внимание к изучению водных ресурсов.

Сколько же на Земле воды?

Согласно полученным данным общие запасы воды на Земле составляют 1386 млн. км3. Из них пресных вод — всего около 2,5 %, включая труднодоступные для использования воды ледниковых покровов в Антарктиде и Арктике. В озерах содержится 0,25 % всей пресной воды, а в реках — лишь 0,006 %. Но зато 30 % пресных вод залегает в поверхностных слоях Земли (остальное — в более глубоких слоях и в ледниках). Это наибольшие запасы из наиболее доступной их части. Доступной — при умелом строительстве и оборудовании гидрогеологических водозаборных скважин.

В июне 1931 г. газета «Правда» писала: «Москва является крайне отсталым городом по сравнению со столицами Западной Европы и Америки как в отношении общего потребления воды, так и в отношении расхода воды на одного жителя. Если в Париже на одного жителя в сутки приходится 400, в Лондоне — 200, в Берлине — 200 литров, то Москва дает всего лишь 128 литров на человека. К водопроводной сети присоединено лишь 42 % всех домов».

Давно отошли в прошлое колонки, у которых вереницами стояли люди с ведрами. Ныне в Москве создана крупнейшая в мире система централизованного водоснабжения. На одного жителя приходится теперь более 600 литров воды.

С каждым годом все большее значение приобретает использование подземных вод как источника хозяйственного и технического водоснабжения городов, промышленных центров и сельскохозяйственных районов, а также в бальнеологических (лечебных) целях. В нашей стране с 1937 г. (со времени проведения в Москве XVII сессии Международного геологического конгресса) разведано более 2000 месторождений пресных вод и свыше 400 месторождений термальных, минеральных и промышленных вод. Водоснабжение городов страны обеспечивается преимущественно за счет подземных вод.

Но без буровых скважин подземной воды для нас как бы и нет. Без скважин она может только покоиться в своих резервуарах либо бессмысленно циркулировать по трещинам в породах. Без смысла, без толку, без пользы для нас.

Особую роль гидрогеологические исследования играют при разведке и добыче полезных ископаемых. Отработка любого месторождения невозможна без самых тщательных исследований. Сколько воды в данном месте, куда девать излишки, как их удалять из горных выработок? Все это не праздные вопросы, а целые проблемы, иногда практически трудноразрешимые. Так что при эксплуатации месторождений бурение также стоит на правом фланге. Впрочем здесь оно применяется не только для гидрогеологических целей.

При открытой разработке месторождений буровики проходят серии скважин или камер для массовых взрывов, для отваливания стенок карьеров. Кстати, аналогичные взрывные камеры нужны при строительстве плотин и дамб, при создании уступов на склонах гор и при других монументальных сооружениях. Буровзрывное дело — мощная и раскидистая ветвь бурового дерева.

При подземной добыче полезных ископаемых отбуриваются особые — инженерные — скважины для вентиляции выработок, отвода подземных вод, корректировки направления и для других целей. Так что в штреках, штольнях, квершлагах практически на всех рудниках и шахтах можно увидеть самые разнообразные буровые станки (рис. 10). Рама их обычно упирается в кровлю выработки, блок крепится в стенке, а рядом — бригада вездесущих и незаменимых бурильщиков.

Собственно, горняк или шахтер-проходчик, в тех случаях когда выработки идут по крепким, скальным породам, является не кем иным, как бурильщиком. В руках у него пневматический бурильный молоток — буровой станок в миниатюре. Снова разрушение горных пород, снова цилиндрические отверстия в них. Цель — проходка шпуров-камер для закладки взрывчатого вещества — патронированного аммонита либо детонита.

Где еще необходимо бурение? В районах активной вулканической деятельности, в частности на Камчатке, Курилах, Сахалине. Использование скважин идет здесь по трем основным направлениям.

Во-первых, прогнозирование землетрясений. Сеть наблюдательных скважин. Исследования, проведенные на Курильских островах, дали любопытные результаты. Оказалось, что за несколько суток до начала землетрясения уровень воды в наблюдательных скважинах неизменно падает (как будто земные недра делают глубокий «вдох»), а за несколько часов до первого толчка уровень воды начинает быстро подниматься («выдох»). По интенсивности подъема можно определять силу предстоящих колебаний земли и своевременно предупреждать население городов и сел, расположенных в опасной близости от эпицентра. Метод прост, достаточно надежен и поэтому очень необходим.

Рис. 10. Бурение из подземных горных выработок.

Во-вторых, гидротермальная энергетика. Не следует забывать, что в недрах Земли таятся не только такие источники энергии, как нефть и газ, но и колоссальные энергетические ресурсы в виде горячих вод и пара. Пароводяная смесь, поступающая по скважинам, пробуренным в районе горячих источников, может служить для отопления жилых и производственных зданий, может обеспечивать работу довольно крупных термальных электростанций (ТЭС). Так, много лет горячей водой из скважин снабжается все коммунальное хозяйство Рейкьявика — столицы Исландии. У нас же, на юге Камчатки, построена и около 20 лет действует первая в СССР Паужетская ГеоТЭС. Здесь вода и пар (с температурой около 200 °C) поступают по скважинам и приводят в движение турбины электростанции. Удобно и выгодно. Затраты необходимы только на бурение и на монтаж вспомогательного оборудования. «Топливо» бесплатное. Здесь же создан теплично-парниковый комбинат, круглый год обогреваемый горячим источником.

Велики запасы энергии недр в полосе Байкало-Амурской магистрали. Так, председатель комиссии по изучению подземных вод Сибири и Дальнего Востока при Сибирском отделении Академии наук профессор Е. Пиннекер в интервью корреспонденту газеты «Правда» сказал: «Стальная магистраль будто по заказу строится там, где можно извлечь глубинное тепло недр. По обе стороны дороги обнаружено около 100 месторождений».

Но эти месторождения залегают в разных по сложности геологических условиях, в ряде случаев ставящих перед бурением новые проблемы и трудности. Так, на многих участках вдоль трассы БАМ горячие моря скрыты под мощным панцирем вечной мерзлоты. В этом случае проблемой для бурения является проходка мерзлых горных пород, вскрытие которых скважиной приводит к их растеплению, оплыванию стенок скважины. Для бурения таких скважин нужно иметь специальное буровое оборудование и породоразрушающий инструмент, специальные незамерзающие промывочные жидкости, необходимо владеть специальной технологией проходки.

В других случаях, как, например, в Амуро-Зейской межгорной впадине, горячие воды залегают под 2 — 3-километровой толщей осадочных и вулканических пород. Здесь появляются уже две другие проблемы для буровиков: бурение скважин глубиной более 2–3 км пока освоено еще не повсеместно, и бурение в среде агрессивных вод (а такими являются высокоминерализованные горячие воды) вызывает дополнительные трудности для работы бурового оборудования и инструмента, предъявляет дополнительные требования к технике безопасности для бурильщиков.

Мощные источники горячих вод с температурой до 75 °C обнаружены на северо-востоке Станового нагорья — на правом берегу Олёкмы. Значит, здесь есть и месторождения таких вод. Они перспективны, так как БАМ пройдет всего в 30 км отсюда. Горячие ключи бьют у берегов Байкала, в долинах Верхней Ангары, Бурей, Чары; богаты гидротермами межгорные впадины — Баргузинская, Куандннская, Кичерская, Муйская.

Но использование этого богатства пока еще далеко не отвечает возможностям и потребностям этих мест. Ученые подсчитали, что в полосе БАМ только от Байкальского хребта до долины Бурей из открытых источников выделяется за год столько же тепла, сколько его можно получить при сжигании 170 тыс. тонн угля. И когда удастся комплексно разведать и наладить комплексное освоение этих колоссальных геотермальных ресурсов, каков же будет народнохозяйственный эффект! Ради этого стоит потрудиться буровикам и гидрогеологам. Но надо стремиться именно к комплексности в данном вопросе, ибо термальные воды — это, как правило, крепкие рассолы или «жидкие руды».

Первые работы по освоению термальных вод в этих районах уже начаты. Институтом земной коры Сибирского отделения АН СССР выданы рекомендации по использованию подземных термальных вод для отопления поселков Дзелинда и Тансимо, расположенных на магистрали, а специалистами «Главбамстроя» подготовлен проект теплофикации. Итак, в районах БАМ первые шаги по освоению геотермальных ресурсов сделаны. Но сколько еще не открыто не менее экзотических в этом отношении районов.

А бывает и так… Итальянские бурильщики были весьма разочарованы, когда вместо ожидавшейся нефти из скважины, пробуренной ими близ города Феррара, забил фонтан обыкновенной горячей воды. Но в наши дни, когда в Италии цены за отопление кзартир резко подскочили, горячая вода из огромного подземного резервуара оказалась более чем кстати для населения этого города.

И наконец, в-третьих, бурение в зоне действующих вулканов, проникновение в очаги с температурой свыше 100 °C. Такое бурение пока что относится к числу очень дерзких проектов. Но технически оно вполне осуществимо, и буровые вышки на вулкане — это уже реальность. Предполагается из безопасного места пробурить наклонные скважины и провести комплекс необходимых исследований, в том числе для предсказания возможных извержений. Если же в одну из таких скважин закачать воду, то образующийся перегретый пар можно будет отводить через соседние скважины и использовать для технических нужд, в частности для обеспечения ГеоТЭС, подобных Паужетской.

Насколько мы убедились, буровики необходимы повсюду: в городах и поселках, в тайге и тундре, в экзотических районах действующих вулканов. Где еще может оказаться бурильщик? В Арктике и Антарктике? Конечно. Гляциологические исследования. Бурение под водой подошв айсбергов, ледовое бурение в районе Северного полюса и во льдах Антарктиды.

Где еще есть бурение? На воде? Разумеется. Морское бурение — буровые станки на судах, на сваях, погружные и полупогружные установки. Толща воды достигает нескольких сотен метров и даже несколько километров, а под ней буровой инструмент углубляется в породы дна еще на 1000 м и более. Кстати, морские буровые установки относятся к числу самых крупных искусственных сооружений, созданных когда-либо человечеством (за всю его историю). Стационарные конструкции, даже для средних глубин, по размерам в два-три раза превосходят самые грандиозные здания и сооружения на поверхности.

А космические исследования? Первые астронавты на Луне — члены экспедиций «Аполлон-11, -12, -14» — были по совместительству и космическими буровиками. В экспедиции «Аполлон-12» из трех часов, проведенных на Луне, астронавты занимались бурением 35–40 минут (четверть лунной жизни!) и отобрали пробы грунта с глубины 70 см. А наши космические установки «Луна-16, -20 и -24»? Это уже не просто космические корабли, а буровые станки с ракетными двигателями. Здесь буровая техника опережает на планете даже людей. Полная автоматика, безотказность в работе и заслуженный успех.

Более подробно о бурении во льдах, о морском и космическом бурении как о перспективах развития профессии бурильщика мы поговорим отдельно, а сейчас ответим на вопросы —

 

Кто и что делает в бурении

Вы обратили внимание? Во всех перечисленных случаях буровики идут в первых рядах. Отбуривают ли они для геологов поисковые и разведочные скважины, исследуют ли для инженеров-строителей грунты под здания, прокладывают ли наземные трассы или создают подземные галереи метро — они всегда в авангарде. Первопроходец — существенная, но не главная особенность в профессии бурильщика. Не менее важны и интересны вторая и третья особенности: широта рабочего диапазона и неограниченные возможности для перемещений. Не ясно? Сейчас поясним.

Буровик — всегда специалист весьма широкого профиля. Эта профессия не имеет узкой специализации. Во-первых, буровой мастер может работать на самых разнообразных станках — от ручного мотобура до стационарного гиганта. Достаточно лишь стажировки для приобретения навыков. А во-вторых, опытный буровик одновременно является и шофером, трактористом, токарем, сварщиком, плотником, электриком, монтажником-верхолазом… Короче, хороший буровик — всегда мастер на все руки. Разумеется, все свои многочисленные умения он приобретает не на подготовительных курсах. Отнюдь нет. Такое и невозможно.

В процессе работы, сталкиваясь с теми или иными проблемами, постепенно буровик поневоле овладевает смежными профессиями. Скажем, работает он на самоходной буровой установке, смонтированной на автомобиле либо на тракторе. Месяц, два, три. И постепенно рулевое колесо машины либо рычаги трактора становятся инструментами его второй профессии. Получить после этого права шофера либо тракториста не составит никаких проблем.

Или, допустим, приезжает на буровую электросварщик. Естественно, ему нужно помочь, показать, где и что варить. Раз, другой, третий… И через какое-то время буровик осваивает электросварку не хуже классного специалиста. Еще, к примеру, выбило на буровой электропредохранители, где-то замыкание. Поначалу вызывается электрик. Но буровик, разумеется, не сидит в сторонке, а активно помогает, одновременно вникает в схему, начинает разбираться сам. Со временем ему и электрик не нужен. Зачем? Ждать его долго, скучно да и невыгодно. Проще сдать квалификационный экзамен и делать это самому. Ну и так далее.

Попросите опытного бурильщика показать вам все его допуски и права, и он достанет целую пачку удостоверений. Так что опытный буровик в любой момент, при желании, может с легкостью сменить профессию — перейти на завод, в совхоз, в механический цех, на стройку… Однако у настоящего буровика такого желания никогда не возникает. Ему нравится эта сложная, но очень разнообразная, задающая каждый раз новые задачи, а потому интересная работа.

И наконец, возможности для разнообразных перемещений, если есть «охота к перемене мест». Человек любой другой профессии привязан к своему рабочему месту: к кабинету, цеху, а значит — к одному поселку, городу. Врач — к больнице, учитель — к школе, токарь — к заводу, механик — к мастерской. За десять-двадцать лет жизни они могут два-три, ну четыре раза сменить место работы, переехать в другой город или поселок. И даже шофер, тракторист, водитель вездехода и другие представители наиболее подвижных и неугомонных профессий не имеют тех возможностей, которые есть у буровика.

Буровик за свою жизнь может побывать в хребтах Тянь-Шаня и в тундре Ямала, на Чукотке и в древней Бухаре, на Кавказе и в странах Африки, может оказаться в Арктике и Антарктиде. А если он достаточно молод, его вполне может занести (вернее, вознести) на Марс или другую планету. Конечно, все эти места доступны людям и других профессий, например, тому же шоферу-вездеходчику либо авиатору. Да, но многие ли из них могут оказаться в подземных выработках либо на плавучей установке, в открытом океане? А буровик может. И везде он будет нужным и желанным человеком.

А теперь вернемся к вопросу — что есть бурение? Каким способом оно осуществляется? Допустим, вам потребовалось сквозное отверстие в куске твердого камня, например гранита. Как и чем его сделать?

Ну, во-первых, можно взять зубило, молоток и начать долбить. Долбить и долбить в одном и том же месте, при каждом ударе чуть-чуть поворачивая зубило вокруг оси. Времени и усилий на эту операцию потребуется много, но отверстие в конце концов все-таки получится. Как говорится, «терпение и труд…»

А можно пойти другим путем — взять крепкий штырь (типа пробойника для бетонных стен), закрепить его в ручной дрели, надавить на дрель как можно сильнее (лучше всего — навалиться грудью) и начать вращать. Крутить и крутить. Снова «терпение и труд», и камень (через сколько-то там часов) будет просверлен. Главное, чтобы наконечник штыря был с твердыми сплавами. Иначе ничего не получится — любая, самая твердая сталь мягче гранита, она будет просто скользить и заполировываться.

Есть и третий способ. Для нашего случая, пожалуй, наиболее простой и производительный; к тому же, как и предыдущий, он хотя бы частично механизирован. Этот способ тоже вращательный. Надо взять полую трубку, закрепить ее в головке той же дрели, потом насыпать на камень немного абразивного порошка и опять-таки начать вращать трубку. Крутить и крутить, постоянно подсыпая порошок под торец трубки и смачивая этот порошок небольшим количеством воды. Постепенно в камне начнет появляться кольцевой пропил, а внутри трубки — цилиндрический столбик породы, который носит официальное название «керн» (от немецкого слова Kern — ядро, сердцевина). У нас в России этот столбик породы в трубке раньше называли колонком, отсюда и способ бурения с керном называется колонковым.

Вот вам наглядная иллюстрация к вопросу о принципах бурения. Правда, ударное бурение осуществляется не зубилом, не молотком и даже не кувалдой, а цельнометаллическим снарядом массой в несколько тонн, имеющим массивное долото в качестве наконечника. Такой «снарядик» дробит породу собственным весом как свободно падающее тело. При вращательном бурении вместо дрели применяются мощные, мощнейшие станки, которые не только вращают бурильные трубы, но и передают на них огромную нагрузку. И «штыри» или трубки здесь имеют длину в сотни, тысячи метров. Да и в качестве истирающего материала применяется не абразивный порошок, а специальные буровые коронки, оснащенные твердыми сплавами либо (что гораздо более эффективно) природными или синтетическими алмазами — самым твердым материалом на Земле. А так… основные принципы ударного и вращательного бурения остаются теми же самыми, как и при долблении или при сверлении куска камня.

Теперь заглянем в глубь веков —

 

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. 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).

Рис. 11. Так бурили в древности.

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.

Рис. 12. Русский «буровой журавль» для ударного бурения.

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.

Рис. 13. Буровой станок Леонардо да Винчи для вращательного бурения.

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.

Рис. 14. Современная буровая установка типа УКБ-500/800.

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. 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.

Рис. 15. Наиболе глубокие буровь скважины.

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 —

 

Насколько заглянули внутрь Земли

«Бросок к недрам», «Штурм геокосмоса», «Старт в глубь Земли», «В глубь за тайнами», «К глубинам планеты» и даже «Окно в преисподнюю» — в этих необычных, звонких журналистских названиях статей своеобразно отразилось и продолжает отражаться удивление грандиозностью программы сверхглубокого бурения. Стало уже привычным высказывание видного советского геолога В. В. Белоусова о том, что создалось положение, когда мир звезд и галактик — далекое космическое пространство оказалось известным нам в некоторых отношениях лучше, чем глубины нашей собственной планеты. Такое положение не могло не ускорить практическое созревание идеи сверхглубокого бурения. Эпоха сверхглубокого бурения началась с конца 50-х годов (именно тогда появилась техническая возможность пробиться к большим глубинам), когда советские ученые начали разрабатывать программу такого бурения.

В 1961 г. начал реализовываться американский проект «Мохол» — бурение на мантию Земли. Скважину заложили на дне Тихого океана около острова Гуадалупе под 4-километровой толщей воды. Ожидалось, что буровой снаряд, пройдя тонкий слой рыхлых донных осадков, погрузится в 5,5-километровую толщу твердых пород, преодолеет их — и в руках исследователей окажется таинственное и долгожданное вещество мантии. Однако… все сложилось не так, как было задумано в проекте. Пробурив 36 метров и подняв снаряд с породой-керном на борт судна, специалисты-буровики затем не смогли снова попасть бурильной колонной в скважину на дне океана; устье скважины потеряли навсегда.

Но не потеряли надежду. Предельно отработав и отшлифовав технику и технологию нефтеразведочного бурения на шельфе, американские инженеры и ученые построили специальное судно для морского бурения грузоподъемностью 10 тыс. тонн. Судно назвали «Гломар Челленджер», что в переводе означает «Морской гигант, бросающий вызов». В 1968 г. «Гломар Чашленджер» вышел в океан и к 1975 г., когда был завершен этот проект сверхглубокого бурения, на дне под 1000-метровой толщей воды была пробурена скважина, которая хотя и вскрыла породы верхних слоев океанского дна, однако ни слова не сказала о нижних его этажах. Вызов, брошенный «Морским гигантом», недрами не был принят.

Американский проект глубоководного бурения скважин в океанах превратился позднее в международный с участием ряда других стран, в том числе и Советского Союза. С борта судна «Гломар Челленджер» за 96 рейсов было пробурено около 600 скважин во всех океанах. Теперь (в январе 1985 г.) на смену ему вышло в свое первое плавание новое научно-исследовательское буровое судно «Джойдес Ресолюшн» («JOIDES Resolution»). Скважины, пробуренные с этого судна в районе Багамских островов, достигли отметки 1600 м под дном океана. Дальнейшие планы предусматривают бурение в Норвежском и Тирренском морях, Баффиновом заливе, других морях и океанах. С особым интересом ждут ученые результатов бурения в рифтовых зонах срединно-океанических хребтов.

Нет сомнения в большой ценности для науки океанического проекта глубокого бурения, что и обусловило участие в нем советских ученых. Но, будучи самым обширным материковым государством, наша страна особенно заинтересована в выяснении закономерностей строения и развития континентальной земной коры, чтобы иметь научную основу для прогноза полезных ископаемых. В связи с этим и была разработана комплексная программа изучения глубинного строения земных недр территории нашей страны.

Первенцами среди отечественных сверхглубоких скважин были Аралсорская СГ-1 (6805 м) и Биикжальская СГ-2 (6028 м), если считать их в порядке заложения. Но по значимости, по ценности научных геологических и технических результатов лидером, безусловно, стала Кольская СГ-3 (рис. 16). Нам посчастливилось побывать на этом «заводе в тундре». Да и было бы странно, работая в геологии на северо-западе страны, не посетить это одно из современных технических чудес света! Многое удивляет, поражает и восхищает здесь специалиста, наполняет гордостью за отечественную научную и инженерную мысль. Еще большее удивление вызывает эта грандиозная программа у неспециалистов, например журналистов. Вот как отразились вехи истории Кольской сверхглубокой в хронике нашего времени.

Рис. 16. Буровая вышка Кольской сверхглубокой скважины.

«Мы плохо знаем, как устроена Земля, а нам, ее обитателям, это непростительно. При радиусе Земли в 6370 км человек проник в глубь ее шахтами на три, а скважинами — на семь километров, что составляет соответственно 0,05 и 0,1 процента. Это в немалой степени и определяет весьма низкий уровень наших знаний о строении Земли…

Мы рассчитываем и на прямое более глубокое проникновение в земные недра буровыми скважинами, в первую очередь до 10–15 км, а затем и глубже. Такие скважины уже бурятся» (Академик В. Смирнов. 7 октября 1975 г. «Правда»).

«Преодолеть земное притяжение и уйти в заманчивую бесконечность космоса… оказалось легче, чем пробиться на 10—15-километровую глубь Земли. Хотя прежде всего недра таких глубин обещают человечеству реальные богатства. Пока что максимум, который достигнут буровым инструментом, — 9583 м в США и около 8 тыс. м у нас в стране, на Кольском полуострове. Бурение Кольской скважины продолжается» (5 февраля 1978 г. «Социалистическая индустрия»).

«До 1979 г. самой глубокой в мире скважиной была скважина, пробуренная в США, — 9583 м. В июне 1979 г. проходчики Кольской сверхглубокой пересекли рубеж абсолютного мирового рекорда. В прошлом году скважина достигла отметки 10 500 м, а в начале нынешнего — 10 780 м.

В результате наша страна стала лидером в сверхглубоком бурении и комплексном исследовании слоев земной коры, сложенных самыми твердыми кристаллическими породами. Получены уникальные образцы горных пород, представляющих каждый дециметр вскрытого скважиной разреза» (14 июля 1981 г. «Ленинградская правда»).

Хотите подарок с глубины 11000 м? Он к вашим услугам. Его можно потрогать руками… Камень еще тепленький. Его только что достали с этой сумасшедшей глубины заполярные геологи. Впервые так далеко забралось долото бурильщиков.

Одиннадцатый километр — рекордный. Прежде считалось фантастикой так «забуриться». А сейчас не только бурят, но и получают информацию о происходящем в сверхглубоком забое.

Бурение продолжается. И девиз геологов, начинавших свой поход во главе с академиком Ферсманом на Кольском полуострове, все тот же: «Вперед, за камнем!» (10 ноября 1981 г. «Комсомольская правда»).

«С места события: На глубину свыше 11 км в недра Земли проникли буровики Кольской сверхглубокой скважины. Таких горизонтов не достигал никто еще в мире.

Данные, получаемые с неведомых отметок геологами, геофизиками и другими специалистами Кольской геологоразведочной экспедиции, позволяют уточнять, корректировать ранее сложившиеся представления о строении и свойствах коры нашей планеты.

Другая сторона эксперимента — совершенствование технического арсенала, научных методов проходки и изучения сверхглубин» (26 мая 1982 г. «Правда»).

«И вот 27 декабря в 16 часов алмазное долото буровой пронзило 12-й километр земной коры. Так глубоко внутрь Земли еще никто в мире не проникал…

Балтийский кристаллический щит на протяжении многих сотен миллионов лет подвергался разрушительным силам эрозии. Специалисты считают, что ледниками и водой „слизано“ примерно 5—15 км его верхней части. С учетом этого глубина проникновения Кольской скважины по существу должна составлять не 12, а 15–25 км…

Конечной цели—15 км — планируется достичь к концу следующей пятилетки» (2 января 1984 г. «Правда»).

Как вы заметили, наиболее часто употребляемые в приведенных репортажах («ключевые») слова — это «впервые в мире». Чем это вызвано? Только ли удивлением достигнутым рекордом? Конечно, нет!

Поражает грандиозность поставленной цели и полученных результатов.

Цель? Комплексная программа изучения глубинных недр предусматривает бурение глубоких и сверхглубоких скважин в сочетании с геологическими, геохимическими и геофизическими исследованиями. В результате появляется возможность планомерно выяснять закономерности строения и развития континентальной земной коры, решать проблему научного прогнозирования поисков месторождений, которые залегают глубоко. И одновременно создаются новые технические средства бурения, проникновения на глубины до 15 км. А это уже по нашей теме; то, что интересует нас, — будущее бурения, бурового дела.

А результат? Его оценка?

«Уникальные результаты получены при изучении глубинного строения земных недр. Мы гордимся тем, что благодаря Кольской сверхглубокой скважине в Советском Союзе впервые в мире изучен 12-кнлометровый непрерывный разрез древнейших пород земной коры и получены представления о их физических и химических свойствах. Раньше мы были склонны предполагать, что там могут быть какие-то другие, чем на поверхности, образования. Но это не подтвердилось. Проверены и некоторые гипотезы, связанные со строением земной коры, с процессами образования руд. Словом, итоги исключительно важные.

Отдельного и большого разговора достойны те, кто конструировал оригинальную автоматизированную буровую установку „Уралмаш-15000“, кто во ВНИИ буровой техники разработал проект проходки скважины и создал такие турбобуры, которые способны разрушать любые породы, и многие другие, обеспечившие невиданный прорыв в недра» (Е. А. Козловский, министр геологии СССР. «Геология: взгляд вперед»).

Как же достигнуты эти цель и результаты? Каким оборудованием, машинами, станками, инструментом выполнено это уникальное дело?

Сложный научно-технический эксперимент по бурению Кольской скважины осуществлен с применением только отечественной техники и технологии. Созданы и внедрены породоразрушающие инструменты, забойные двигатели с соответствующей глубинным условиям характеристикой, средства контроля за работой турбобура на забое (крайне необходимые при работе двигателя на глубинах более 8 км), высокопрочные и термостойкие бурильные трубы из легких сплавов (обеспечившие практически безаварийную работу при высоких скоростях спуска и подъема бурового инструмента). Весьма высоки научно-технический уровень и эффективность созданных средств: большинство из них выполнены на уровне изобретений (новизна! впервые в мире!), о чем говорят более 40 авторских свидетельств.

Оригинальная автоматизированная буровая установка «Уралмаш-15000» уникальна своей меньшей грузоподъемностью — 300 тонн — в сравнении с 600—800-тонными зарубежными установками для сверхглубокого бурения и 1000-тонной лебедкой на скважине «Берта Роджерс».

Турбобур — первый свидетель глубокоземных тайн — и по замыслу и по исполнению также оригинален и высокоэффективен. Вращается при бурении не весь многокилометровый вал бурильных труб с долотом на конце (как это было — помните? — у американцев при проходке скважины «Берта Роджерс»), поглощая колоссальную мощность, а лишь несколько метров самого бурового устройства — турбобура.

Следующее уникальное устройство — керноприемный снаряд. Следует иметь в виду, что на забое сверхглубокой скважины горная порода, из которой выбуривают керн, находится при температуре 200 °C и давлении 300 кгс/см2 (1 кгс/см2 ≈ 105 Па). Выбуренный из такого горного массива образец породы, мгновенно сбрасывая горное давление, освобождается от воздействовавших на него сил. В результате керн растрескивается, деформируется и на земную поверхность поступает образец не в его естественном залегании (состоянии), а в виде отдельных бесформенных кусков. Но поскольку на сверхглубокой скважине отбор керна — главная работа, а сам керн — основная продукция, для его получения требовались принципиально новая техника и технология. И эта задача была решена. Специалисты разработали оригинальное керноприемное устройство, в котором в качестве транспортного средства использован поток промывочной жидкости, постоянно циркулирующей по скважине.

Техническую эффективность глубоких скважин оценивают, как правило, по конструкции скважины, т. е. по числу колонн труб, опущенных в ствол: чем их больше, тем скважина сложнее и дороже. Кольская скважина сломала эту традицию. И действительно, что может быть проще: всего две (!) колонны труб только до глубины 2 км и открытый, необсаженный ствол 10-километровой длины (рис. 17). При обычной же технологии, когда очередную обсадную колонну труб опускают через каждые 2 км, в Кольской скважине должно было бы находиться одна в другой шесть колонн труб.

Наибольшая трудность при бурении глубоких скважин — это сохранение вертикальности ее ствола. Эта проблема была решена с помощью специального турбинного отклонителя с телеметрической системой, улавливающей малейшее отклонение от вертикали. В результате Кольская скважина, как ни одна другая сверхглубокая скважина в мире, удивительно прямолинейна: отклонение ствола на каждой 1000 м не превышает одного градуса, т. е. вся скважина отклонилась примерно на 12°. Для сравнения опять обратимся к скважине «Берта Роджерс». Ее 9,5-километровый ствол отклонился от вертикали на 25°. В два с лишним раза «точнее» оказалась работа наших буровиков по сравнению с результатами их заокеанских коллег!

О технических новинках, находках и изобретениях на Кольской сверхглубокой, как и о ней самой, можно рассказывать долго. И если кто-либо из читателей заинтересовался этой темой, мы можем порекомендовать обратиться к статьям А. Маликова и А. Перевозчикова, интересно и технически квалифицированно описавших свои журналистские впечатления в журналах «Вокруг света» (1982 г., № 1) и «Техника — молодежи» (1984 г., № 1). Если же вы хотите получить более строгое научное описание состояния и перспектив изучения глубинного строения земных недр, то небезынтересно и полезно прочитать статью профессора Е. А. Козловского в журнале «Разведка и охрана недр» (1984 г., № 7, 8); кстати, это ежемесячный отраслевой журнал Министерства геологии СССР, регулярно и широко освещающий кроме научно-технических проблем также жизнь и работу буровых бригад.

Что же дальше? Перспективы сверхглубокого?

Предусматривается, что после завершения бурения Кольской сверхглубокой скважины она будет превращена в уникальную природную лабораторию, где будут исследоваться глубинные процессы, протекающие в земной коре, проводиться долговременные наблюдения за температурным режимом, испытываться приборы и методы различных скважинных исследований.

В нашей стране планируется и дальнейшее значительное увеличение объемов глубокого и сверхглубокого бурения. Намечено начать проходку Тюменской, Анастасьевско-Троицкой и Уральской сверхглубоких скважин (до 12–15 км). Начнется бурение и шести глубоких скважин (6–8 км): трех в нефтегазоносных провинциях (Днепровско-Донецкая, Прикаспийская, Тимано-Печорская) и трех в рудных районах (Криворожская, Мурунтауская, Норильская).

Мечтают (но реально!) и о больших глубинах: создается специальный стенд, который позволит моделировать условия бурения скважин глубиной до 20 км при температуре на забое 300–400 °C и давлении 2000–3000 кгс/см2.

Рис. 17. Конструкция Кольской сверхглубокой скважины.

/ — колонна стальных труб для крепления ствола скважины; 2 — открытый ствол; 3— колонна бурильных труб; 4 — турбобур; 5— керноотборный снаряд; 6 — буровое шарошечное долото.

А теперь вернемся из рекордных сверхглубин на земную поверхность и поговорим о типовом, самом распространенном бурении. Для начала надо остановиться на способах бурения и хотя бы бегло ответить на вопросы —

 

Как и чем разрушают горные породы

Мы показали, что есть ударный способ бурения и есть вращательный. Они существуют испокон веков и будут преобладать в обозримом будущем. Правда, в последнее время уже появились принципиально новые методы бурения скважин, такие как термический, взрывной, лазерный (о них мы поговорим чуть позже), но все они находятся в экспериментальной стадии и широкого распространения пока не имеют.

Так что удар либо вращение, а если уж вращение, то с полным разрушением породы в скважине (бурение «сплошным забоем» — бескерновое) или с выбуриванием ее по кольцу (колонковое бурение). Вот и все. А дальше можно бесконечно совершенствовать и комбинировать между собой те или иные виды бурения, можно модернизировать оборудование и создавать все новые и новые конструкции буровых станков, т. е. делать именно то, что успешно осуществляется в наше время.

Для наглядности наиболее распространенные способы бурения можно изобразить в виде упрощенной схемы. На той же схеме укажем и основные области применения того или иного способа.

Ударно-канатное бурение

Как мы уже говорили, этот способ проходки настолько прост и эффективен, что не утратил своего значения и в нашу атомно-электроннуго эпоху. Как и тысячелетия назад, раскачивание тяжелого снаряда, удары по забою, вверх — вниз, вверх — вниз, без особых премудростей, без лазеров, зарядов и разрядов. Правда, станки, оборудование и соответственно скорости проходки существенно изменились и вполне отвечают требованиям нашего скоростного века.

Как и в старину, порода в скважине разрушается под действием свободнопадающего массивного снаряда (с заостренным долотом на нижнем конце), но раскачивание снаряда сейчас уже производится не упругим бревном и не коромыслом журавля, а металлической рамой, называемой «балансиром». Балансир приводится в действие от шатуна, который в свою очередь эксцентрично связан с маховиком, вращающимся от двигателя. Принцип тот же, что и у ведущих колес старого паровоза, но конструкция здесь намного проще: один маховик, один шатун, одна балансирная рама, движение только вверх — вниз. Ход балансира от верхней точки до нижней невелик и не превышает 40–50 см, т. е. именно на такую высоту и приподнимается снаряд над забоем и с той же высоты он падает. Да, высота, казалось бы, ничтожная, но вовремя вспомним, что капля камень долбит не силой, а частым падением. Так и здесь: снаряд падает на забой почти с частотой человеческого пульса — раз 40–50 в минуту. Упорно, методично, безостановочно. К тому же общая масса снаряда с долотом составляет несколько тонн, и ему совершенно не обязательно падать с высоты небоскреба, вполне достаточно и полуметра.

Современный станок ударного бурения, в отличие от своих громоздких и неподвижных прародителей, предельно компактен и мобилен. Все его агрегаты и узлы смонтированы на единой раме, которая по своим размерам не превышает рамы небольшого грузового автомобиля. При переездах со скважины на скважину колесные станки обычно подцепляются к трактору, гусеничные двигаются самостоятельно, своим ходом.

Кроме простоты и надежности ударные станки имеют еще одно важное преимущество перед вращательными: ими отбуриваются скважины больших диаметров, самых больших среди других видов бурения. Снаряды для ударного бурения представляют собой длинные цельнолитые цилиндры. Чем больше их диаметр, тем больше масса и соответственно выше производительность. При вращательном бурении наоборот: чем меньше диаметр, тем меньше расход истирающих материалов в коронках и тем большую нагрузку можно передать через инструмент на забой. Разумеется, в том и в другом случае есть свои допуски и ограничения, есть и оптимальные параметры. В частности, при ударном бурении максимальные скорости проходки достигаются в скважинах диаметром 200–250 мм. Ударным способом можно пробурить скважины диаметром и более 600 мм, но зато при диаметрах менее 100 мм проходка вообще нецелесообразна — в них снаряд не имеет достаточной массы.

Но если есть преимущества, то должны быть и недостатки (иначе других видов бурения просто не существовало бы). И недостатки есть. Они-то и ограничивают применимость ударно-канатного способа.

Во-первых, свободнопадающий снаряд может перемещаться лишь в одном направлении — строго вниз, и поэтому ударно-канатным способом отбуривают только вертикальные скважины; проходка наклонных стволов этим способом физически невозможна. Именно поэтому в подземных выработках, при разведке твердых полезных ископаемых (кроме россыпей) канатное бурение не применяется.

А во-вторых, ударное бурение возможно лишь в рыхлых, слабоустойчивых грунтах и вообще в породах небольшой твердости: в песках, мергелях, известняках и доломитах. В очень твердых скальных породах, таких как граниты, диабазы, кварцевые песчаники, заостренное долото очень быстро «садится», превращается в округлую болванку и углубка скважины прекращается. Так что монолитные скальные породы гораздо проще «стереть в порошок» (вращением да еще под давлением), чем раздолбить в своеобразной ступе.

Ударно-вращательное бурение

Канатное бурение в какой-то мере является и вращательным. Снаряд здесь находится в подвешенном состоянии; естественно, он закручивается либо раскручивается и при каждом ударе поворачивается вокруг своей оси. Но вращение при канатном бурении неуправляемое, стихийное и снаряд в процессе работы может по нескольку раз попадать в одну и ту же трещину, все больше заклинивая самого себя. С подобными осложнениями достаточно легко справляется долото крестовидной формы, которое не в состоянии попасть даже в открытую трещину — одна из двух поперечин креста всегда удерживает его в плоскости забоя и одновременно разрушает стенки трещины.

Но есть и другой, более эффективный, способ борьбы с трещиноватостью — удар с одновременным принудительным вращением долота, т. е. сочетание дробления с истиранием. Именно этот принцип и использован в бурильном молотке — главном орудии производства проходчика подземных горных выработок. Сразу заметим, что имеются в виду горные выработки в крепких, скальных породах, в тех породах, которые можно разрушить только взрывчаткой. В породах же невысокой крепости — при разработке угольных пластов, прокладке тоннелей метрополитена и т. д. — применяются врубовые машины, проходческие комбайны, щиты и другая мощная техника. Но речь не о ней, а о простом бурильном молотке.

Вернемся на минутку к отверстию в камне. Его можно проделать кувалдой, а можно и молоточком.

В первом случае — большой груз с редкими ударами, во втором — малый груз с очень частыми ударами. Какой же способ более эффективен? Конечно, все зависит от прочности камня. В крепких скальных породах эффективен именно второй. В этом легко можно убедиться опытным путем.

Так вот, разница между канатным станком и бурильным молотком и заключается прежде всего в соотношении массы с частотой удара. В бурильном молотке боёк имеет массу всего-то полтора-два килограмма, не больше, зато ударяет он с большой частотой. Работает молоток от сжатого воздуха (потому и называется пневматическим), подаваемого по трубам и шлангам от компрессора. Следует отметить, что в подземных горных выработках используются механизмы только с электрическим либо с пневматическим приводом. Других нет. Система вентиляции в выработках под землей настолько сложна и громоздка, что применять там бензиновые или дизельные двигатели — непозволительная роскошь. Поэтому насосы, лебедки, поезда под землей — только электрические, все проходческие механизмы — как правило, пневматические, а потребляемый ими сжатый воздух заодно используется для дополнительной вентиляции.

Принцип работы бурильного молотка несложен. В чугунном корпусе находится камера для цилиндрического бойка. Камера снабжена системой воздушных клапанов, и боёк бегает в ней подобно маленькому поршню. При движении вперед боёк с силой ударяет по хвостовику направляющей штанги (или бура) и тут же отскакивает назад для новой атаки. На конце бура находится съемная коронка с запрессованной в ней пластиной из твердого сплава. Вот и вся конструкция.

Надо только добавить, что измельченная в пудру порода с силой выдувается из скважины (точнее, из «шпура») отработанным в молотке сжатым воздухом. Тот же воздух постоянно проворачивает штангу вокруг ее оси. Вращение штанги происходит очень медленно, всего несколько оборотов в минуту, и служит оно здесь не столько для истирания породы, сколько для изменения направления удара коронки, для равномерного кругового скалывания материала на забое.

Бурильный молоток является самым компактным и миниатюрным из всех типов буровых станков.

Правда, его старший брат — отбойный молоток — еще меньше, еще миниатюрнее. Да, да, тот самый отбойный молоток, которым при необходимости вскрывают асфальт, разрыхляют мерзлый грунт. Тот молоток, который мы видим в кадрах довоенного кино на плечах или в руках героев-стахановцев. Теперь в угольных шахтах он полностью вытеснен врубовой машиной.

Отбойный молоток действует так же, как и бурильный (частые удары бойка, приводимого в движение от сжатого воздуха), но в качестве наконечника здесь применяется короткая стальная пика, которая может разрушить лишь относительно мягкие породы: уголь, известняк, мерзлый грунт — и не более того. Бурильный же молоток сам по себе ничего не разрушает, он пробивает длинные цилиндрические отверстия для заложения взрывчатки в любых, самых твердых породах: в мелкозернистых гранитах, железистых кварцитах и даже в сливном кварце.

При столь удивительных способностях бурильного молотка его размеры сравнительно невелики (масса около 30 кг), и при работе проходчик вполне может держать его в руках. Правда, долго удерживать в руках такую прыгающую двухпудовую игрушку — занятие не из приятных. Поэтому при работе с бурильным молотком применяется еще одно приспособление — пневмоподдержка.

Рис. 18. Бурильный молоток на пневмоподдержке.

Пневмоподдержка — это полая труба с поршнем, которым выталкивается из этой трубы (либо наоборот — втягивается в нее) длинный шток, упирающийся свободным концом в бурильный молоток (рис. 18). Пневмоподдержка действует от того же сжатого воздуха, который подается на молоток. При работе с пневмоподдержкой проходчик, регулируя подачу воздуха, без особых усилий ведет бур в заданном направлении.

Бурильный молоток очень оперативен. К примеру, двухметровый бур пробивает самую крепкую породу на всю свою длину за 10–15 минут. Поразительная скорость при таких размерах. Габаритные размеры установки, на которой размещается бурильный молоток, и жесткость конструкции (стальной бур вместо гибкого каната) позволяют широко использовать главное преимущество этого вида бурения — отсутствие ограничений в углах наклона и в направлениях скважин. Так, бурильным молотком можно проходить шпуры в любой плоскости, под любым углом: вниз, вправо, влево, куда угодно, хоть вертикально вверх — в кровлю выработки. Всепроникающий трудяга, имеющий столько достоинств одновременно! Он и прост, и компактен, и универсален, да еще и обеспечивает высокие скорости проходки…

А недостатки? Есть и они. Это прежде всего малые диаметры бурения (не более 33 мм) и незначительные глубины скважин-шпуров (не более 2–2,5 м). Именно поэтому бурильный молоток почти не применяется на поверхности. Зато в подземных выработках он вне конкуренции. Здесь его недостатки решительно никакой роли не играют.

Ударно-вращательный способ получил дальнейшее развитие в виде гидроударного бурения. Созданы забойные машины, приводимые в действие гидравлической энергией промывочной жидкости.

Вращательное бескерновое бурение

Применимость ударно-канатного бурения лимитируется твердостью пород, пневматического — глубиной скважин, не превышающей первых сотен метров. А более глубокие, многокилометровые скважины в разных породах? Они проходятся вращательным способом и, как правило, «сплошным забоем», т. е. с полным истиранием пород в скважине.

Надо сказать, что во всех случаях бескерновое бурение, т. е. бурение сплошным забоем, является самым производительным, самым скоростным. Размолотить в скважине твердыми сплавами, на высоких частотах вращения да еще под большой нагрузкой можно все что угодно: любые самые твердые породы, даже случайно уроненный в скважину металлический буровой или другой инструмент, скажем, кувалду, цепной ключ или стальную плашку. Силища у вращательного снаряда такая, что, как говорится, «черта в ступе» разотрет. И при том довольно быстро.

Выпилить столбик керна в горной породе, закрепить его в колонковой трубе и поднять на поверхность — гораздо более хлопотное и трудоемкое занятие. Именно поэтому керновое (колонковое) бурение применяется только в самых ответственных случаях: в сверхглубоких скважинах, при разведке рудных полезных ископаемых, при инженерно-геологических исследованиях, когда необходимо совершенно точно знать все текстурные и структурные особенности пород, характер их взаимоотношений, контакты между ними и многое другое, т. е. в тех случаях, когда нужно видеть (!) весь разрез и иметь ненарушенные образцы пород.

Ну а при разведке и отработке наиболее глубинных месторождений земной коры — нефтяных и газовых залежей? Основное назначение нефтяной скважины состоит в том, чтобы как можно быстрее пробиться сквозь многокилометровую толщу, отыскать залежь и после всего этого превратиться в надежный и долговечный вертикальный нефтепровод. Цель оправдывает средства, а самое эффективное средство здесь — это бескерновое бурение. Что же касается разреза по скважине, то иметь его, разумеется, тоже важно, но видеть вовсе не обязательно, вполне достаточно представить его себе по ряду косвенных признаков и данных. Для получения этих сведений есть масса различных методов.

Во-первых, разрушаемая в скважине порода поднимается вместе с промывочной жидкостью на земную поверхность. Эту породу (шлам) можно собрать, просушить, потом просмотреть под микроскопом-бинокуляром, проанализировать и получить совершенно определенные сведения о составе (только о составе, но не о строении и структурных особенностях) горных пород на той или иной глубине.

Во-вторых, в нефтяных скважинах проводится обширнейший комплекс разнообразных геофизических исследований — так называемый «каротаж». Здесь применяются электрический, магнитный, радиоактивный, термический, газометрический, акустический и многие другие виды каротажа (всего существует около 40 методов скважинной геофизики). Кроме того, применяется фотографирование стенок скважин — наиболее достоверный способ их документации.

Полученный по данным всех этих исследований разрез вдоль нефтяной скважины выглядит вполне представительно. Он содержит все сведения о составе и строении пород, пересеченных скважиной, об их пористости, проницаемости, о наличии в них углеводородных газовых включений, об электрических, магнитных, радиоактивных и других свойствах пород.

Какова же оснащенность нефтяной вышки? Поскольку нефтяное бурение является наиболее глубинным и самым ответственным среди остальных видов (за исключением сверхглубоких исследовательских скважин), то совершенно естественно, что здесь применяется самая передовая технология, используются самые мощные и производительные станки, самое современное оборудование.

Достаточно сказать, что в комплект среднеглубинной буровой установки для нефтяного бурения входят: пять дизелей мощностью по 400 л. с. каждый, две дизель-электростанции, лебедка грузоподъемностью до 300 тонн, стальная 40-метровая вышка (та самая, которую мы изображали на геологической эмблеме), два огромных насоса массой до 20 тонн каждый, солидные глино- и бетономешалки и еще множество всевозможного оборудования. На сменную вахту здесь одновременно выходят шесть опытных бурильщиков (это не считая геологического и обслуживающего персонала). Для сравнения заметим, что сменная вахта на колонковом поисково-разведочном бурении обычно состоит всего из двух человек — мастера-бурильщика и его помощника.

Так что нефтяная буровая — это по существу небольшое промышленное предприятие, месяцами и годами работающее в одном и том же месте, «на одной точке» — как говорят геологи.

Как осуществляется нефтяное бурение? На полую трубу небольшого диаметра (называемую направляющей или ведущей) навинчивают долото с запрессованными в нем твердыми сплавами либо алмазами, трубу закрепляют в роторе станка и начинают вращать. Для передачи нагрузки на долото ротор-вращатель снабжен специальной системой.

Рис. 19. Промывочная система при бурении скважины.

1 —насос; 2 — бурильная колонна; 3 — долото; 4 — емкость для промывочной жидкости.

Одной из самых существенных составляющих процесса бурения является промывочная жидкость — вода либо глинистый раствор. Вода при вращательном бурении (так же как воздух при пневматическом) служит универсальным совместителем и выполняет несколько функций одновременно: вода охлаждает буровое долото, которое при таких скоростях и давлениях вполне может расплавиться от трения; вода выносит на поверхность разрушенную породу — шлам, а при достижении нефтяной залежи вода своей массой нейтрализует огромное внутри-пластовое давление, т. е. усмиряет рвущуюся из недр «нечистую силу» (вспомните апшеронский выброс, о котором мы говорили чуть раньше).

Промывочная жидкость при бурении подается внутрь бурильных труб, опускается по ним до забоя, омывает там буровое долото, забирает шлам и вместе с ним поднимается на земную поверхность (рис. 19). На поверхности раствор проходит через систему сит и отстойников, очищается в них от шлама, затем насыщается до нужной концентрации глиной и другими реагентами и снова насосами закачивается внутрь скважины. В итоге получается замкнутая циркуляционная система (очень напоминающая кровеносную), которая обеспечивает жизнеспособность скважины.

И вообще, буровой агрегат в целом подобен живому организму: двигатель станка с ротором — его сердце, гидравлическая система — мышцы, промывочная жидкость — кровь, колонна бурильных труб — своеобразная очень длинная рука. А буровое долото? Ну, это универсальное сверло в руках мощного и умного организма.

Поскольку горные породы по своим физико-механическим свойствам однообразием отнюдь не отличаются, то, естественно, и породоразрушающий инструмент (буровые наконечники) имеет великое множество самых разнообразных модификаций, различающихся по форме, размерам, оснащенности. Мягкие породы (такие как вязкие глины, пески, лёссы) разбуриваются лопатками и шнеками, напоминающими наконечник ручного ледобура; более твердые (сланцы, известняки, доломиты) — стальными пиками с запрессованными в них твердыми сплавами; самые твердые (граниты, габбро-диабазы, кварциты) — коническими шарошками либо долотами, в торце которых находятся те же твердые сплавы или матрица с техническими алмазами (рис. 20). В середине наконечника любого типа обязательно есть сквозное отверстие для прохода промывочной жидкости.

Наибольшим распространением при бескерновом бурении пользуется долото, снабженное несколькими (от двух до шести) вращающимися конусами — шарошками, поверхность которых усеяна закругленными сверху штырями твердых сплавов. Вершины конусов направлены внутрь — к продольной оси бурового снаряда (рис. 21). При бурении долото вращается с частотой до 800–900 оборотов в минуту, еще быстрее крутятся его шарошки (кстати, буровики в обиходе этим ласковым словом называют все шарошечное долото, а не только его конусы); в результате сферические твердые сплавы с силой истирают забой. На долото, а вместе с ним на шарошки передается сверху такая огромная нагрузка (десятки тонн), что устоять против такого натиска не может никакая самая твердая порода.

Рис. 20. Алмазное долото.

1 — корпус; 2 —матрица с техническими алмазами.

При забуривании скважины первое долото имеет очень внушительные размеры: диаметр его около полуметра, а иногда и поболее того. Приходится учитывать, что в процессе бурения потребуется не раз и не два закреплять стенки скважины трубами для перекрытия встречаемых на различной глубине неустойчивых пород и при различных геологических осложнениях. Каждое же очередное крепление неминуемо должно сопровождаться уменьшением диаметра долота, в противном случае долото просто не пройдет сквозь обсадные трубы и не сможет отбуривать нижележащие породы. Так что любая нефтяная скважина в разрезе телескопична, и чем больше начальный диаметр бурения, тем длиннее можно составить телескоп из труб и тем больше шансов, что скважина (при любых неожиданностях и осложнениях) выполнит стоящую перед ней задачу. Вот зачем нужен большой диаметр при забуривании.

Рис. 21. Шарошечное долото.

1 —корпус; 2 — шарошки с твердосплавными штырями.

Однако всему есть предел. И так уж полуметровое зубастое долото трудно даже представить себе, впрочем, работать с ним еще труднее, поднимать его приходится многотонной лебедкой, а привинчивать к буровому снаряду — с помощью другого, не менее мощного механизма. И таким вот долотом производится углубка скважины примерно до 100–200 м, во всяком случае, до тех пор, пока не будут пройдены приповерхностные, самые рыхлые и обводненные отложения (так называемые «наносы»). В пробуренное отверстие опускается первая колонна толстостенных обсадных труб диаметром около 400 мм (16 дюймов). Нижний конец этой колонны «приваривается» к монолитным породам скального основания.

Далее диаметр скважины уменьшается до 394 мм. Долото такого диаметра свободно проходит через поставленные выше обсадные трубы и пробуривает породы уже до глубины порядка 1000 м, после чего в скважину опускается вторая колонна обсадных труб, внутренний диаметр которых не превышает 300 мм. Соответственно уменьшается диаметр долота для последующего бурения. Ну и так далее. К концу бурения скважины диаметр ее уменьшается до 150–200 мм, а в пробуренном стволе стоят четыре-пять колонн обсадных труб, верхние торцы которых выходят на земную поверхность.

Начиная со второго диаметра (394 мм) скважина, как правило, проходится турбобуром. Турбобур представляет собой турбину, лопасти которой приводятся в действие промывочной жидкостью, подаваемой в скважину под большим давлением. Вместе с турбиной вращается и соединенное с ней буровое долото. Таким образом, на глубине вода (подобно воздуху при пневматическом бурении) становится основной движущей силой самого процесса бурения, выполняя и прочие свои обязанности: охлаждение инструмента, очистку скважины от шлама и т. д.

Турбинный способ бурения экономичен и эффективен по всем показателям. При обычном же бурении для вращения ротора, а вместе с ним и всей колонны бурильных труб требуются значительные затраты энергии, причем затраты эти по мере углубления скважины неуклонно возрастают. Добавим, что с глубиной увеличиваются скручивающие усилия на трубы, повышается их износ и уменьшается жесткость всей системы. Поэтому роторное бурение обычно применяется до сравнительно небольшой глубины.

При турбинном способе ротор неподвижен (!) — вращается только то, что и должно вращаться, а именно буровое долото. А бурильные трубы? Они тоже неподвижны и служат лишь для доставки породоразрушающего инструмента на забой, для передачи на него необходимой нагрузки, и по совместительству выполняют обязанности водопровода. Все просто и надежно.

Почему же не применить турбинный способ на малых глубинах, скажем, сразу при забуривании? Дело в следующем: вода на турбину подается в таком количестве и под таким давлением, что при малой глубине скважины вода будет фонтанировать, и работать на буровой вышке придется под проливным глинистым дождем. На достаточной же глубине фонтанирующая энергия гасится столбом жидкости, которую просто так уже не вытолкнуть на поверхность.

Мы говорим: «вода охлаждает», «вода выносит», «вода вращает», однако чистая вода в качестве промывочной жидкости при нефтяном бурении практически не применяется. Только растворы. Чаще всего глинистые либо глинистые с полимерами. Такие растворы лучше захватывают шлам, а следовательно, быстрее и качественнее очищают забой. Кроме того, глина постепенно оседает на стенках скважины, замазывает поры и трещины в породах, временно (до обсадки трубами) удерживая их от осыпания. Ну и наконец, главная задача глины в промывочном растворе — это повышение его плотности. Зачем?

Скважина отбуривается на нефть, и мы ожидаем (и не просто ожидаем, а очень хотим) встретить залежь. Чем крупнее, тем лучше. Так вот, на глубине, скажем, 3000 м внутрипластовое давление в залежи будет составлять примерно 330 кгс/см2. Компенсировать такое давление можно лишь достаточно плотным раствором, например глинистым с плотностью 1,2 г/см3. Менее плотный раствор давление выбьет из скважины, как пробку из шампанского. Чем выше плотность раствора, тем надежнее закупорка скважины и тем больше есть времени для почетной встречи нефти на поверхности. Именно поэтому с самого начала бурения, и особенно после 1000-метровой глубины, ведется непрерывный и очень тщательный контроль за параметрами промывочной жидкости. Расчеты, анализы, проверки-перепроверки.

И вообще, нефтяное бурение — это весьма напряженный и ответственный труд. Буровики-нефтяники постоянно, ежеминутно работают как бы на огромной пороховой бочке — на нефтяной или газовой залежи.

Их основная задача и состоит в том, чтобы проникнуть в эту «бочку», осторожно вскрыть ее, причем «бочка» находится обычно на неопределенной глубине. Внимательным и осторожным должен быть буровик всегда и во всем, ибо в любой момент клокочущая энергия кедр может вырваться в тонкий, «волосяной», ствол скважины. И тогда, как спички, полетят в воздух многотонные трубы, прочий инструмент, на десятки метров взметнется фонтан промывочной жидкости, а следом за ней — и нефти с газом.

Некоторые журналисты с восторгом сообщают, что в таком-то месте «забил новый мощный фонтан черного золота!». Фраза красива, но у специалиста она не вызовет радости или удовлетворения, ибо вырвавшийся газонефтяной фонтан — это бедствие, катастрофа, сложнейшая авария, и по разрушительным последствиям такой выброс можно сравнить разве что с извержением малого вулкана. Подобные аварии ликвидируются месяцами, иногда годами, с применением мирных атомных взрывов небольшой мощности или самой современной военной техники, но, к сожалению, не всегда успешно. Поэтому никакие просчеты при нефтяном бурении категорически нe допускаются. Любые упущения здесь чреваты слишком тяжелыми последствиями.

«Кроваво-черное пламя взметнулось в небо. Оно разрасталось, устремлялось ввысь, и там, на высоте 30 м, бурлило плотными клубами едкого дыма. Ревела земля. На расстоянии 50 м жар был невыносимый. Пятеро в серебристых скафандрах, очень похожих на космические, шагнули в огонь. Это был второй день схватки с открытым фонтаном…

Самыми первыми на скважину пошли бойцы военизированного отряда по предупреждению и ликвидации открытых нефтяных и газовых фонтанов Миннефтепрома. Из устья с пронзительным шипением и свистом вырывается газ…

Фонтанщики действуют под защитой водной завесы. Это тоже суровая необходимость: в любую секунду огонь может завладеть устьем…

Замечаю: люди действуют неторопливо, даже как-то слишком спокойно. Такова специфика их работы. Фонтанщикам нельзя торопиться. Всё они должны делать надежно, без суеты, без ошибок. В этом они схожи с саперами.

Операция по глушению открытого фонтана — тяжелый и кропотливый труд в экстремальных условиях. Фонтанщик обязан в совершенстве знать буровую технику и оборудование, иметь в запасе несколько профессий — монтажника, тракториста, газосварщика, такелажника — вплоть до умения оказать первую медицинскую помощь…

А на утро над скважиной все же взметнулся огненный смерч. Теперь надо быстрее освободить устье от оборудования и металлоконструкций. Этим опасным делом и занялись пятеро в серебристых скафандрах.

Наконец, устье свободно. И тут же к гулу фонтана прибавился не менее мощный рев сдвоенной турбореактивной установки. Еще мгновение — и специальная смесь врезалась в огненный столб. Все выше и выше поднимают пламя могучие струи. И там, лишенный „пищи“, огонь, наконец, выдыхается.

И снова в работе фонтанщики. Последний этап — наведение запорного оборудования. Теперь стихия укрощена окончательно. Выброс больше не грозит скважине…» (С. Подгайц. «Схватка с фонтаном»).

К приему нефти всегда готовятся тщательно и, главное, заблаговременно. Как именно? Прежде всего, при достижении 1000-метровой глубины на скважине оборудуется «превентор» — устройство для надежного, глухого и быстрого перекрытия устья в случае неожиданного выброса нефти или газа. Далее, постоянно рассчитываются плотность и состав промывочной жидкости. Промывочный раствор всегда должен соответствовать расчетному и иметь достаточный запас «прочности» на непредвиденные условия и обстоятельства, поскольку именно раствор в первую очередь должен сдерживать напор, пока не будут приняты надежные меры предосторожности.

При достижении проектной глубины, т. е. когда по всем имеющимся данным до залежи остается лишь тонкое перекрытие из вмещающих пород, в скважину опускают последнюю — эксплуатационную — колонну обсадных труб. Все полости между обсадными трубами и стенками скважины, так называемое «затрубное пространство», целиком, от забоя до устья, цементируются. В нефтяных скважинах, пройденных в устойчивых монолитных породах, иногда цементируется только нижняя часть за эксплуатационной колонной. При цементации в скважину закачивается раствор (на его приготовление уходит до 200 тонн цемента), который потом промывочной жидкостью выдавливается в затрубное пространство. После цементации ствола на устье скважины устанавливают фонтанную головку, связывающую между собой все колонны обсадных труб (точнее, их верхние концы). Итак, скважина готова к приему; нефти,

Далее специальными направленными взрывами (патронами с кумулятивными зарядами) простреливают перегородку из вмещающих залежь пород. Затем в скважину опускают насосно-компрессорные трубы и воздухом либо чистой водой начинают постепенно выдавливать тот плотный раствор, который все еще сдерживает рвущуюся на поверхность нефть. Теперь уже в нем нет необходимости, ибо устье скважины надежно закрыто фонтанной головкой с множеством задвижек и отводов и поток нефти в любой момент может быть перекрыт либо направлен в нужную емкость. Теперь скважина уже окончательно подготовлена к эксплуатации.

Таково нефтяное бурение — сложная, трудоемкая, но совершенно необходимая отрасль промышленности. Не удивительно, что морские буровые установки, которые, как мы уже отмечали, являются самыми грандиозными искусственными сооружениями за всю историю человечества, создаются для разведки и добычи именно нефти и газа.

Вращательное колонковое бурение

Если бескерновое нефтяное бурение является наиболее глубинным и фундаментальным, то колонковое, пожалуй, самым распространенным. Все геологические и инженерные исследования, на всех этапах и стадиях — от геологической съемки для составления геологических карт до эксплуатационной разведки — проводятся с применением именно колонкового способа. Керн — основа современной геологии, только с его помощью можно получить самые достоверные сведения о строении земных недр, о составе и характере залегания в них твердых полезных ископаемых; керн используется также для разнообразных анализов и испытаний.

Вот, скажем, первые скважины на Луне. Они пробурены, разумеется, керновым способом. Просто дырки в лунной поверхности совершенно бессмысленны. Нам нужны были образцы, и мы их получили. Точно так же и в сверхглубоких скважинах: здесь важен не рекорд глубины (только ради него нет смысла нести многомиллионные расходы), а прежде всего материал для исследований — керн горных пород!

Впрочем, лунные и сверхглубокие скважины являются как бы крайними звеньями длиннейшего колонкового ряда. Мы же говорим сейчас о самом распространенном бурении — о золотой середине между космосом и сверхглубинами, о том бурении, которым займется большинство из тех, кто захочет стать бурильщиком.

Колонковыми скважинами исследуются обычно верхние, приповерхностные части земной коры — твердая оболочка в диапазоне глубин от нуля до 1,5, реже до 2–3 км, т. е. именно та часть, которая (пока что) обеспечивает нас всеми твердыми полезными ископаемыми. При столь небольших глубинах важна не только скорость самого бурения, но и оперативность при перемещении буровой установки со скважины на скважину, с точки на точку. Поэтому агрегаты для колонкового бурения в сравнении с монументально-громоздкими нефтяными сооружениями отличаются компактностью, мобильностью, простотой.

Все механизмы и приспособления буровой установки, включая двигатель, буровой станок, насос и даже легкую складную вышку, обычно монтируются на тракторных санях либо на раме грузового автомобиля или трактора. Вот, например, самоходная установка УКБ-4СТ (расшифровывается это как «установка колонкового бурения четвертого класса, самоходная на тракторе»). Все снаряжение размещается на транспортной базе трелевочного трактора ТТ-4 (рис. 22). В походном положении установка весьма компактна и в любой момент может выехать на заданную точку, в течение нескольких дней отбурить там 500-метровую скважину; потом «пять минут на сборы», и она уже направляется на новую точку, снова за десятки километров. Легкий десант с весьма существенными результатами. Подобные установки незаменимы при бурении опорных картировочных скважин и профилей, т. е. в тех случаях, когда исследования проводятся единичными скважинами, но на больших площадях.

Рис. 22. Самоходная буровая установка типа УКБ-4СТ.

При поисково-разведочном бурении на рудные тела, когда десятки и даже сотни скважин отбуривают в одном месте, на пятачке в несколько квадратных километров, применяют более тяжелые станки. Но и они вместе со всем оборудованием обычно располагаются под единой крышей (в отапливаемом помещении, называемом «буровым зданием» или «тепляком»), на общем основании с полозьями из толстых труб или из широкого швеллера. В пределах участка работ такие установки перетаскиваются тракторами, а на большие расстояния перевозятся автомобилями на специальных подкатных тележках или трейлерах.

Компактность, мобильность, относительная простота — все это, так сказать, внешние атрибуты, взгляд со стороны. А сам принцип колонкового бурения? По сути своей он ничем не отличается от роторного бурения нефтяных скважин. Те же три главные составляющие единого процесса: вращение, нагрузка на инструмент, промывка, а если говорить точнее, то вращение под нагрузкой с промывкой.

Основное отличие колонкового бурения от бескернового заключается не в конструктивных особенностях станка, не в размерах его и не в способе передачи нагрузки, а прежде всего в специфике бурового снаряда и его породоразрушающего инструмента (наконечника). Собственно, при роторном нефтяном бурении в любой момент можно заменить шарошечное долото на колонковую трубу с кольцевой коронкой и пройти тот или иной интервал с керном. Никаких переоборудований в двигателе, станке, бурильной колонне для этого не требуется. И наоборот, при поисково-разведочном бурении зачастую (при забуривании; при некоторых осложнениях; в тех случаях, когда геологический разрез в районе скважин достаточно хорошо изучен) на конец бурильной колонны ставится шарошка и определенный интервал глубины для скорости проходится «сплошным забоем» — без керна.

При колонковом бурении буровой снаряд (рис. 23) представляет собой полую трубу длиной от 3 до 9 м, которая по мере углубки скважины постепенно заполняется выбуренным столбиком породы. На нижнем конце этой колонковой трубы закрепляется кольцевая коронка, диаметр ее на 2–3 мм больше диаметра трубы, а верхний конец колонковой трубы соединяется с бурильными трубами. Вот и вся конструкция.

Рис. 23. Колонковый снаряд в скважине.

/ — переходники;

2 — колонковая труба;

3 —керн; 4— буровая коронка.

В качестве дополнительных приспособлений применяют специальные кернорвательные кольца — для отрыва столбика керна от монолита и для удержания его в колонковой трубе во время подъема на поверхность, а также расширители, которые обрабатывают и калибруют стенки скважины и не допускают уменьшения ее диаметра по мере изнашивания коронки. Однако эти приспособления существенно не усложняют конструкцию.

Как мы отметили, колонковая труба соединяется бурильными трубами, которые связывают буровой снаряд с земной поверхностью, с вращателем бурового станка. Через эти трубы передаются вращение и нагрузка на буровую коронку, по ним же поступает на забой промывочная жидкость.

Идет процесс бурения… Но вот пробурен определенный интервал, и по сигналу мастера бригада приступает к подъему бурового снаряда из скважины. Труба за трубой извлекается на поверхность лебедкой или гидравлическим подъемником бурового станка. Бурильную колонну разбирают на составные части — свечи, которые аккуратно устанавливают в буровой. Наконец, поднимают колонковую трубу, в которой и заключена драгоценная колонка горной породы, ради которой и был затрачен весь этот труд. Этой колонке керна горной породы, поднятой с неведомых ранее глубин и впервые увиденной именно буровиками, и надлежит раскрыть секреты недр Земли.

Керн будет изучен геологами-петрографами, минералогами, геохимиками. В опытных руках исследователей ему предстоит дать ответ: можно ли ожидать полезные ископаемые, сколько еще бурить до них, каковы перспективы дальнейшей разведки. А геологу-буровику керн подскажет, какой инструмент для бурения лучше применить, какие принять меры, чтобы обеспечить 100 %-ное получение выбуренной породи. Поэтому так осторожно обращаются геологи с этим керном, так тщательно укладывают его в специальные ящики, гак бережно содержат в кернохранилищах.

В большинстве буровых станков вращатель (в колонковом бурении он обычно называется «шпинделем») можно наклонить вправо или влево па угол до 30° и зафиксировать в таком положении, т. е. можно осуществлять бурение под строго заданным углом наклона. Надо сказать, что в разведочной геологии, в отличие от нефтяной, чаще отбуривают именно наклонные скважины. Такие скважины имеют кратчайший путь до рудного тела и пересекают его под прямым углом, как говорят геологи, — «вкрест падения». В результате наиболее эффективно решаются стоящие перед бурением задачи.

По способу истирания пород и соответственно по типу бурового породоразрушающего инструмента современное колонковое бурение бывает трех видов: дробовое, твердосплавное и алмазное. Правда, бурение дробью к настоящему времени практически отошло в прошлое.

Тяжелое это было бурение, малопроизводительное и хлопотное. Инструмент и все оборудование — массивное, громоздкое. Буровой снаряд, например, собирался шарнирными ключами, весящими с десяток килограммов каждый. Коронка и колонковая труба имели диаметр 90—130 мм. Не меньше, ибо в скважинах меньшего диаметра керн размолачивался дробью почти полностью.

На смену дроби пришли скачала твердые сплавы, а потом алмазы и сверхтвердые материала. Эти истирающие вещества совершили переворот в технологии колонкового бурения, вывели его на уровень, соответствующий современным требованиям, предъявляемым к механизмам и оборудованию. Прежде всего диаметры скважин, а вместе с ними диаметры труб и прочего вспомогательного оборудования уменьшились вдвое и втрое. Сейчас большинство керновых скважин отбуривают коронками диаметрами 46, 59 и 76 мм. Поскольку уменьшились диаметры скважин, то сократились и площади пород, подлежащих истиранию, и существенно возросли скорости бурения.

А результаты? При алмазном бурении выход керна (независимо от диаметра скважины) повысился до 80—100 %. Здесь ведь нет грубого разрушения пород, здесь осуществляется только направленное пропиливание. Керн из скважин, пройденных алмазными коронками, приятно взять в руки. Это тонкие монолитные цилиндры с пришлифованной боковой поверхностью — готовые музейные образцы, не очень-то нуждающиеся в дополнительной обработке.

Малые диаметры скважин, высокие скорости бурения, экономичность и образцово-показательный керн — все это прекрасно. Но ведь алмазы! Драгоценные камни, ценящиеся либо на вес золота, либо даже дороже. Оправдана ли подобная роскошь?. А как насчет соотношения цели и средств? Вопросы правомерны. Но надо иметь в виду, что в бурении применяются не ювелирные, а технические алмазы — мелкие, непрозрачные, неограненные, а в последние годы — не только природные, но и искусственные, синтетические. Цены на такие камни, хотя и высокие, но вполне доступные для массового их применения, в частности для бурения.

При современном колонковом бурении в равной мере применяют как твердые сплавы, так и алмазы. Достаточный запас коронок того и другого типа всегда есть на буровой. Твердосплавными коронками проходятся наносы при забуривании скважин, а также участки с трещиноватыми породами; алмазные коронки наиболее эффективны в плотных монолитах, в массивах изверженных и метаморфических окварцованных пород.

Рис. 24. Твердосплавная коронка.

1 — корпус; 2 — твердосплавные резцы.

Твердосплавные коронки (рис. 24) в работе достаточно неприхотливы, и никаких проблем с ними обычно нe возникает. Ни состояние забоя, ни характер разреза их применение особо не лимитируют. Опускай да бури, не забывая, разумеется, следить за промывкой. Они могут отбуривать любые породы — от вязких глин до достаточно твердых пород; правда, в таких разновидностях приходится слишком уж часто поднимать буровой снаряд и заменять изношенную коронку на новую.

Алмазы в бурении по своим свойствам — стойкости, выносливости, отдаче — не имеют конкурентов. И естественно, что как и все уникальные создания, они капризны и своенравны. Они требуют особого отношения к себе: заботы, внимания, терпения и даже любви. Иначе работать не будут. Не заставишь.

Во-первых, алмазы очень болезненно реагируют на присутствие посторонних предметов в скважине, особенно металлических. Любая крошка металла на забое, будь то кусочек изношенной трубы, случайно уроненный болтик или обломок твердого сплава, мгновенно выводит из строя даже новую коронку. Поэтому перед спуском алмазной коронки скважину приходится очень тщательно промывать сильной струей жидкости. Алмазы требуют совершенно чистого забоя — только горная порода и ничего более.

Рис. 25. Конструкция алмазной коронки.

/ — корпус; 2 — матрица; 3 — алмазы-резцы.

Аналогична их реакция на резкие удары и на сильную вибрацию. При неритмичной работе бурового инструмента (а такое случается при проходке трещиноватых пород либо при наличии в породах каверн и полостей) алмазы быстро крошатся и выпадают из коронки. Для борьбы с вибрацией приходится применять либо сложные приспособления (различные центраторы, амортизаторы, утяжеленные бурильные трубы), либо антивибрационные смазки, которыми покрываются поверхности бурильных труб и всех сочленений, либо специальные эмульсии.

В СССР история развития алмазного бурения, основанного на широком применении отечественных якутских алмазов, исчисляется неполными тремя десятилетиями. Научно-исследовательские работы по этой проблеме, начатые практически с нуля, ведутся также на протяжении очень короткого времени по сравнению с историей алмазного бурения в западных странах. И тем не менее наша наука об алмазном бурении и техника для его осуществления находятся па современном мировом техническом уровне.

Основная сложность при работе с алмазами состоит в том, что для каждой разновидности пород необходимо очень тщательно подбирать соответствующую ей марку коронки. Почему? Для начала давайте посмотрим, что представляет собой керновая алмазная коронка (рис. 25). Короткий тонкостенный цилиндр-корпус в верхней части имеет ленточную резьбу для соединения с расширителем либо непосредственно с колонковой трубой; в нижней торцевой части находится матрица — кольцевой металло-керамический сплав, включающий в себя мелкие технические алмазы. В матрице делаются прорези-каналы для выхода промывочной жидкости.

Диаметры таких коронок меняются от 26 до 112 мм (всего выпускаются коронки семи стандартных размеров). Коронки малых размеров применяют для лабораторных исследований и при поисковом бурении, средние — при разведке месторождений на глубинах до 1000–3000 м, большие — при проходке скважин на уголь и при различных инженерных исследованиях.

По крупности алмазов, а также по способу размещения их в матрице алмазные коронки бывают двух типов: однослойные с поверхностной вставкой алмазов в матрице и импрегнированные, в которых очень мелкие зерна алмазов равномерно рассеяны по всей массе матрицы. Во всех случаях по мере углубки скважины матрица постепенно снашивается, все более обнажая алмазы.

Крупность и масса алмазов измеряются в каратах. Название произошло через итальянское carato от греческого названия стручков рожкового дерева keration. Масса сухих косточек плода этого растения, удивительно идентичных друг другу, служила в древности единицей массы сначала для жемчуга, а затем и для других драгоценных камней. Международной единицей карат стал в 1913 г., после того как Международный комитет мер и весов в Париже предложил принять метрический карат, равный 200 мг (или 0,2 г), в качестве официальной единицы измерения.

Масса алмазов, встречающихся в природе, изменяется от тысячных долей карата до нескольких сотен и тысяч карат. Самый крупный найденный на Земле алмаз, названный «Куллинан», весил 3106 карат. Чаще же всего попадаются мелкие кристаллы и их обломки массой от 0,05 до 0,4 карата.

В технике сейчас применяют алмазы в количествах, измеряемых тысячами и миллионами карат, поэтому для перевода полезно запомнить: 1 г = 5 карат; 1 кг = 5000 карат; 1 тонна = = 5 000 000 карат.

Однослойные коронки армируются алмазами крупностью от 2–5 до 90 штук на один карат. В импрегнированных коронках применяются такие алмазы, которых на один карат приходится от 120 до 600 штук (!) и более (до 2000); в сущности, это уже тонкий алмазный порошок, разглядеть отдельные зерна в нем можно только под микроскопом. Общая масса всех алмазов в коронке колеблется от 3 до 24 карат, т. е. обычно не превышает одного-пяти граммов.

Импрегнированные алмазные коронки предназначаются для бурения особо твердых и трещиноватых пород с высокими абразивными свойствами, однослойные — менее твердых разновидностей. В мягких породах, таких как известняки, мергели, доломиты, применяются специальные коронки с крупными (от 2 до 12 штук на один карат) алмазами.

Весьма существенную роль играет и прочность самой матрицы. По твердости и износоустойчивости матриц выпускаемые сейчас коронки подразделяются на три типа. Если в твердых, абразивных породах поставить коронку с мягкой матрицей, то она быстро износится — алмазы выпадут, коронку придется заменять. И наоборот, — очень твердые матрицы в неабразивных породах почти не стачиваются (как говорят в таких случаях, — «коронка заполировалась») и алмазы перестают работать.

Таким образом, алмазные керновые коронки имеют семь разновидностей по размерам, две — по характеру распределения зерен, три — по твердости матриц и множество — по крупности алмазов и по общей их массе. Если же представить, что все эти разновидности еще сочетаются между собой (например, коронки диаметром 59 мм могут быть однослойными и импрегнированными, каждая из них имеет три типа матриц, которые в свою очередь армированы различными алмазами…), то получим длинный ряд коронок различных марок. И все они выпускаются промышленностью, и все находят себе применение. Главное — подобрать для отбуриваемой породы соответствующую ей марку коронки. Тогда и отдача от алмазов будет максимальной, не сравнимой с возможностями никакого другого материала на Земле, ни природного, ни искусственного. Таковы алмазы.

Насколько мы убедились, осложнений при работе с алмазным инструментом бывает более чем достаточно. Однако если набраться терпения и исполнить все прихоти этого капризного материала (хорошо вычистить забой, избавиться от вибрации, подобрать нужную коронку и тщательно следить за режимом работы станка), то алмазы с лихвой оправдают себя пробуренными метрами скважины, причем пройдена она будет на большой скорости при высокой стойкости (высоком ресурсе) коронок, а следовательно, с малым числом трудоемких подъемов бурового снаряда на поверхность.

Запасы природных технических алмазов, как и любого другого минерала на Земле, ограниченны. А бурно развивающиеся из года в год геологоразведочные работы требуют для бурения все большего и большего количества алмазных коронок. Поэтому в пашей стране успешно используются в буровом инструменте синтетические алмазы.

Попытки синтезировать алмазы начались практически сразу же после того, как стало известно, что графит и алмаз состоят лишь из углерода, но синтезирован алмаз был только в 50-х годах текущего столетия. Однако создать алмаз в лаборатории — это полдела. Главное — наладить его производство в промышленности. В наши дни во многих странах (СССР, ЧССР, Англия, США, Япония, Франция и др.) выпускаются искусственные алмазы. Постоянно совершенствуются и методы синтеза алмаза, так как развитие техники и промышленность непрерывно требуют новых видов сверхтвердых материалов повышенного качества.

Кроме монокристаллов были синтезированы поликристаллические алмазы типа «баллас» и «карбонадо». Алмазы этого типа, встречающиеся и среди природных алмазов, состоят из мелких кристаллов, соединенных между собой. Для применения в технике поликристаллические материалы в ряде случаев предпочтительнее, поскольку их свойства по различным направлениям одинаковы. Искусственные баллас и карбонадо по прочности не уступают природным алмазам. Буровые коронки из дробленого синтетического карбонадо по работоспособности даже лучше коронок, оснащенных естественными алмазами.

Ради справедливости следует отметить, однако, что для бурения в особо сложных геологических условиях (твердые, раздробленные, трещиноватые, абразивные породы) по-прежнему используют природные алмазы. Но связано это не со свойствами синтетических карбонадо, а скорее, с применяемыми ныне способами изготовления буровых коронок. Матрица этих коронок, в которой размещаются алмазы, делается из весьма тугоплавких металлов, значит, для изготовления коронок нужен длительный нагрев при очень высоких температурах. Синтетический же карбонадо включает в себя значительное количество примесей металлов, применяемых при синтезе алмаза. При нагревании эти примеси взаимодействуют с алмазными зернами и поликристаллический материал теряет свою прочность. К сожалению, при остывании прочность уже не восстанавливается.

Низкая термопрочность синтетических карбонадо, т. е. уменьшение его прочности после нагревания, заставила ученых искать новые способы получения подобных материалов, но обладающих высокой термопрочностью. И такой способ был найден, это — спекание тонких алмазных порошков при высоких давлениях. Спекаемые алмазные материалы называют «спёками» или «компактами».

В настоящее время синтетическими алмазами все настойчивее вытесняются технические природные. Росту доли применения синтетических алмазов в технике способствует в значительной степени меньшая их стоимость. Например, в мире (без СССР) синтетические алмазы составляют в технике по массе около 80 % всех алмазов, тогда как их стоимость выражается всего лишь 25–30 % от общей стоимости всех алмазов.

Основными потребителями синтетических алмазов является не только машиностроение (станко-, самолето-, кораблестроение), но и геологоразведка, где отдача от одного карата применяемого при бурении алмаза особенно велика.

А теперь давайте поговорим об использовании, бурения в геологии и постараемся уяснить,—

 

Что дает бурение при поисках месторождений

Каждое месторождение обычно проходит через три вполне определенные стадии: геологическая съемка — поиски — разведка. Постепенно месторождение, подобно автомобилю при его изготовлении на гигантском конвейере, переходит из рук в руки, вес более обрастая новыми деталями — сведениями. И на каждом этапе бурение играет весьма существенную, если не главную, роль.

Первую страницу открывают съемщики. А что такое геологическая съемка, или геологическое картирование? На этот вопрос отвечает член-корреспондент АН СССР Е. Е. Милановский: «У каждой науки есть свой язык, своя терминология, свои исторически сложившиеся формы и приемы фиксации и графического выражения накопленных ею фактов, вскрытых закономерностей. Имеется свой „графический язык“ и у геологии… Геологическая карта».

Большое внимание к составлению геологических карт и значительные средства, выделяемые на проведение геологической съемки, обусловлены не только их огромным научным значением для познания истории и структуры Земли, но и в первую очередь тем, что геологическая съемка и составляемые в ее, процессе карты служат важнейшим средством поисков месторождений полезных ископаемых, выходящих на земную поверхность или залегающих вблизи нее. Карты содержат необходимые данные для научного прогноза вероятного присутствия месторождении в тем или ином районе, на что указывает распространение в его пределах потенциально рудоносных, угленосных, нефтеносных, соленосных горизонтов, тел или других геологических образований.

Составление геологических карт различных масштабов, зародившись в середине XIX века, остается до наших дней основным методом геологических исследований крупных регионов. Методика геологической съемки постепенно совершенствовалась, правила составления геологических карт унифицировались, В частности, были разработаны единая шкала условных цветовых обозначений и система индексов-символов для показа на картах крупнейших геологических образований. Эта шкала была предложена в 1881 г. делегацией русских геологов во главе с А. П. Карпинским на II сессии Международного геологического конгресса (МГК) в Болонье. С незначительными изменениями она используется во всех странах до сих пор.

За полтора века, прошедших со времени появления первых карт, геологическое картирование распространилось на все страны и континенты и проводится все в более широких масштабах. По существу на Земле не осталось участков суши (за исключением Антарктиды и Гренландии, покрытых ледниковыми щитами), не охваченных геологической съемкой и не изображенных на геологических картах.

В последние годы геологические карты стали составляться и для дна морей и океанов, и в первую очередь для их шельфовых), мелководных участков. Так, на геологической карте, подготовленной советскими геологами к XXVII сессии МГК (август 1984 г., Москва), впервые показано геологическое строение не только территории нашей страны, но и дна омывающих ее морей.

В развитии геологического картирования бурение сыграло качественно новую роль. Так, долгое время задачей создания карт оставалось геологическое изображение земной поверхности, а не глубинного строения Земли. В результате научно-технического прогресса последних десятилетий, выразившегося в геологии мощным развитием техники и технологии глубокого бурения; разработкой новых, дистанционных, методов исследований (геофизических, геохимических, аэрокосмических), появилась возможность решать задачи «объемной» геологической съемки. Сущность такой съемки заключается в том, что данные детального геологического картирования земной поверхности, полученные с помощью бурения и геофизических исследований, последовательно распространяются на все большие глубины.

Съемщики работают на больших площадях и приходят, в сущности, на «белый лист»… Нам могут, тут же возразить: что, мол, «белых пятен» давно нет, что вся территория Советского Союза уже покрыта геологической съемкой двухсоттысячного масштаба, что поверхность суши нашей страны полностью исхожена через 1–2 км и, следовательно съемщики выходят не на «белый лист», а на достаточно пестро раскрашенную геологическую карту.

Отсюда правомерен вопрос: зачем переделывать уже проделанную работу? Есть ли смысл в подобном дублировании?

Есть и смысл, есть и необходимость. Во-первых, не следует забывать, что любая геологическая карта со временем морально стареет. Срок ее жизни 15–20 лет. Не более. За это время появляются новые методы исследований: геофизические, геохимические, радиометрические; открываются и ранее не известные полезные ископаемые: редкоземельные, радиоактивные и другие. В результате съемку приходится проводить заново, с новой аппаратурой, с новой оснащенностью, имея па вооружении все современные достижения науки и техники.

А во-вторых, сейчас в корне изменились требования и сам подход к геологической съемке. Если раньше при картировании изучалась только земная поверхность и строение Земли изображалось в одной плоскости, то теперь съемщики исследуют объем, они создают огромные блок-диаграммы, построенные не на домыслах, а на надежных фактических материалах.

Поясним: раньше съемщик ходил по земле (как говорится, — «исхаживал площадь») и тщательно изучал все, что он мог увидеть глазами и обстукать молотком: коренные породы, развалы горных пород, отдельные обломки, и по этим разрозненным данным рисовал геологическую карту. О том, что есть в недрах, на глубине (особенно на площадях, закрытых болотами и мощными наносами), ему приходилось домысливать. Теперь же съемщик не только ходит, но и надолго приостанавливается. Он внимательно рассматривает недра в «подземные перископы» — скважины. С этой целью на узловых участках отбуривают ряды глубоких скважин (так называемые «опорные профили»), а на закрытых площадях — сотни более мелких (здесь уже проводится «бурение по сетке»). В схеме все это выглядит примерно так, как показано на рис. 26.

При двухсоттысячной съемке опорные скважины обычно располагаются на расстоянии 30–40 км одна от другой. Как правило, они вертикальны и глубина их не превышает 400–500 м. Отбуривают эти скважины подвижными установками, смонтированными на автомобиле либо на тракторе. Для бурения мелких картировочных скважин созданы легкие переносные станки с двигателем от мотовелосипеда. Таким станком два человека за одну смену отбуривают несколько скважин, а за весь полевой сезон могут покрыть солидную площадь.

Роль бурения на съемочной стадии, разумеется, не ограничивается только картировочными, познавательными целями. С помощью скважин решаются и более конкретные, сугубо практические задачи. Когда мы говорили о том, что съемщик начинает с «бело! о листа», то подразумевали прежде всего, что он выходит на площадь, где месторождений пока не обнаружено, но они вполне могут быть. Так что основная обязанность съемщика — по ряду косвенных признаков установить, какое и где именно ожидать месторождение. Одним словом, съемщик должен сказать: «копайте здесь!» Собственно, он говорил это и раньше, но тогда добавлял: «здесь может быть», а сейчас он совершенно твердо заявляет: «здесь есть!», ибо сразу же на месте проверяет скважинами все свои догадки и предположения.