Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

Известный библейский эпизод с избавлением от жажды евреев, странствовавших по Синайской пустыне, можно с определенной долей оптимизма также объяснить использованием буровых работ для целей водоснабжения. Согласно тексту Библии источник прозрачной холодной воды хлынул из недр земных в том месте, куда ударил своим посо­хом пророк Моисей, возглавлявший исход евреев из тысяче­летнего египетского рабства. Именно таким способом — с по­мощью специальных ударных штанг — бурят скважины для добычи воды и по сей день. Впрочем, библейская история да­леко не единственное свидетельство использования буровых работ в древности. Она имеет многочисленные подтвержде­ния.

Сохранились многочисленные гидрогеологические сква­жины-колодцы, пробуренные еще до нашей эры в долине ре­ки Нил в Египте. Иногда эти памятники буровой технологии имеют высеченные на камне тексты, в которых указывается дата сооружения скважины. Некоторые из них продолжают снабжать людей водой в пустыне спустя более чем 2000 лет. Известны и технические средства, посредством которых древними египтянами осуществлялось бурение скважин. Пер­воначально бурение скважин выполнялось грубыми камен­ными (кремнёвыми) долотами, крепившимися к деревянному шесту. С развитием металлургии на смену каменному долоту пришло металлическое сверло-зубило. Египтяне использовали для бурения ручное сверло-зубило. Найдены буровые инст­рументы, имеющие возраст 5000 лет.

Бурение скважин для добычи воды применялось и в древ­нем Китае, где буровая технология достигла высокой степени совершенства. Литературные источники следующим образом описывают технологию бурения в древнем Китае. Для разру­шения горной породы на забое скважины использовались тяжелые металлические зубила, прикрепленные к бамбуко­вым шестам. С помощью пеньковых канатов буровой инстру­мент поднимался над забоем скважины и сбрасывался с вы­соты вниз. При падении на забой тяжелое долото дробило горную породу. Частицы мелко раздробленной горной породы смешивались с водой и периодически вычерпывались из скважины ведром малого диаметра. Основоположником тако­го способа бурения в Китае был великий инженер древности Ли Пэн.

До настоящего времени существует и широко применяется на практике способ ударно-канатного бурения, схема реали­зации которого точно соответствует схеме технологии буре­ния древних китайцев.

Первая из известных на европейском континенте скважи­на была пробурена в 1126 г. на юге Франции в провинции Па-де-Кайес, известной так же как Артойс, отсюда пошло со­временное общее название самоизливающихся водозаборных скважин — артезианские скважины.

В 1818 г. по предложению физика Араго французское ми­нистерство земледелия учредило специальный фонд бурения скважин.’ В 1830 г. парижский буровой мастер Дегуссе пробу­рил в Туре артезианскую скважину глубиной 120 м. В 1833 г. муниципалитет Парижа начал бурение скважины на воду, которая к 1839 г. достигла глубины 492,5 м, после чего было выполнено крепление стенок скважины обсадными трубами, а затем продолжено ее бурение, и 26 февраля 1841 г. на глу­бине 548 м был вскрыт водоносный пласт, из которого вода хлынула фонтаном на высоту 33 м. Буровой мастер Мюло специальным королевским указом был награжден высшей наградой Франции — орденом Почетного Легиона. В 1855 г. в Париже была пробурена скважина глубиной 528 м с дебитом 15 000 м3/сут.

Бурение скважин для добычи воды — наиболее распро­страненная область применения буровых работ в доиндустри — альное время во многих странах мира. Однако отработанная при проходке гидрогеологических скважин технология посте­пенно распространялась и на решение других задач по добы­че и разведке полезных ископаемых. Особенно заметно это проявилось в России, где бурение водоподъемных скважин в крепостях и городских кремлях Москвы (XV в.), Троице — Сергиевой лавры (1654 г.), Переславле-Залесском (1691 г.), Мценске (1669 г.), Белозере (1674 г.) сопровождалось сква­жинной добычи минеральных солей из подземных залежей. Соляные варницы упоминались еще в грамоте князя Свято­слава Олеговича, которая была пожалована им Софийскому собору в 1137 г. Известен первый рукописный русский учеб­ник по технологии бурения скважин для разведки и добычи каменной соли — «Роспись как зачать делать новую трубу на новом месте». Написанный в XVII в. этот свод правил обоб­щил многовековую практику бурения скважин в России. В нем подробно описаны буровой инструмент, его установка и приемы бурения; приведены рекомендации по методике взя­тия проб грунта и рассолов, сведения о способах ликвидации аварий, ведении записей при бурении, об изготовлении буров и других частей бурового инструмента. О высоком уровне технологической культуры бурения скважин в России свиде­тельствует и тот факт, что в Росписи содержится 128 специ­альных буровых терминов русского происхождения и не со­держится ни одного иностранного термина. В дополнительной тетради, приложенной к Росписи, приводились описания наи­более удачно пробуренных скважин и отмечалось, в частно­сти, что одна из скважин («труб», как они именуются в руко­водстве) достигла глубины 88 саженей (~ 188 м).

В XVII в. в Русском государстве было уже много высоко­классных специалистов по бурению. Их приглашали то на один, то на другой соляной промысел для проходки буровых скважин. История сохранила имена Анисима Тарасова из Старой Руссы, Николая Жигулева из Тотьмы и др.

Качественный скачок в технологии бурения был связан с первой промышленной революцией — началом эпохи индуст­риализации, что обусловило использование паровых машин, двигателей внутреннего сгорания и электродвигателей высо­кокачественных конструкционных сталей и твердых сплавов, новых химических реагентов и новых способов разрушения горной породы.

К середине XIX в. в разных частях России были пробуре-

ны десятки глубоких скважин, решавших разнообразные за­дачи.

Резкое увеличение объемов геологоразведочных работ, со­провождавшееся ростом промышленности и прежде всего тяжелой индустрии, а также большие масштабы месторожде­ний, вовлекаемых в производственный процесс, потребовали существенного пересмотра методов поисков и разведки ме­сторождений полезных ископаемых. Появились новые систе­мы разведки, основным элементом которых были сети буро­вых скважин. Взамен дорогостоящих и малопроизводитель­ных горно-разведочных работ при разведке твердых полез­ных ископаемых все в больших объемах стало применяться бурение. Изменился и характер технологических задач буро­вых работ: обеспечение полноты и достоверности веществен­ного опробования полезного ископаемого, формирование не­обходимых условий для постановки в глубине недр геофизи­ческих исследований, поддержание заданных параметров пространственных сетей — новые задачи существенно изме­нили содержание технологии бурения, обогатили ее новыми техническими средствами и приемами работы. Очень боль­шое влияние на развитие средств и способов бурения оказали успехи нефтяной геологии, в результате чего бурение стало главным средством поисков, разведки и добычи нефти и при­родного газа.

В 1889 г. Г. Д. Романовский впервые в России использовал паровую машину для проходки скважины в г. Подольске. В 1897 г. в Крыму при помощи паровой машины им была про­бурена скважина глубиной 790 м.

Преимущества, обеспечиваемые применением буровых ра­бот при освоении недр, позволили крупным горнорудным компаниям США, Австралии, Южной Африки, Европы вкла­дывать значительные средства в развитие буровой техники и технологии. В индустриальных странах появились крупные фирмы, специализирующиеся на разработке и выпуске буро­вого оборудования и инструмента: «Крелиус» (Швеция), «Атлас-Копко» (США), «Лонгир» (Бельгия) и ряд других.

Главным достижением комплексной механизации буровых работ явилось создание большого класса новых механических >

систем, соответствующих уровню индустриального машинно­го производства — буровой техники.

Механический привод, позволивший использовать тепло­вую и электрическую энергию в бурении резко повысил ско­рости проходки скважин, в результате чего увеличилась про — 1

изводительность бурения. Последовательное совершенствова­ние буровых механических систем решало главным образом задачу повышения надежности работы, улучшения регулиро­вания параметров режима бурения и увеличения мощности, передаваемой на забой.

Первые буровые станки представляли собой чисто меха­нические системы, в основных технических решениях кото­рых использовались элементы металлообрабатывающих стан­ков: шпиндель сообщал колонне бурильных труб вращение, а в качестве механизма подачи, создающего осевое усилие (нагрузку на забой), применялись дифференциально-винто — вые, цепные и рычажные системы.

Впоследствии буровые станки стали оснащаться гидравли­ческой подачей, системами плавного регулирования частоты вращения, вспомогательными механизмами. Постепенно бу­ровой агрегат превратился в сложную электро-гидромехани — ческую систему с индивидуальным дизель-гидроэлектриче — ским приводом различных механизмов и электронными сис­темами управления. Однако последовательное совершенство­вание поверхностного комплекса буровых машин и механиз­мов не могло решить всех технологических задач бурения.

Процесс буровой технологии во многом определяется соз­данием совершенных видов породоразрушающего инструмен­та, более эффективно воздействующего на забой скважины, а также забойного погружного оборудования и технологичных веществ, материалов и реагентов. Создание инструмента, оборудования и материалов практически неразрывно связано между собой, и все-таки можно выделить основные вехи или поворотные пункты в развитии каждого из этих ключевых элементов буровой технологии.

В развитии породоразрушающего инструмента могут быть отмечены следующие основные вехи:

1909 г. — появление шарошечного долота (США, инженер Хьюз), принципиально нового призабойного устройства — ме­ханизма, преобразующего вращательное движение корпуса долота в ударное высокочастотное воздействие на забой ра­бочих элементов — зубьев шарошек.

20-е годы XX в. — появление кольцевых буровых коронок, армированных твердосплавными резцами.

40-е годы XX в. — появление мелкоалмазных буровых ко­ронок и долот — особого инструмента, рабочая часть которого представляет собой сравнительно мягкую металлокерамиче­скую матрицу с запрессованными в ней мелкими кристаллами алмазов, разрушающими самые твердые породы.

С появлением мелкоалмазных коронок завершился целый

этап технологии бурения: прекратила существование одна из разновидностей механического вращательного бурения — дробовое бурение, при котором бурение наиболее крепких пород осуществлялось вдавливанием в поверхность забоя стальных и чугунных дробинок. Дробовое бурение было весьма трудоемким и малопроизводительным.

Породоразрушающий инструмент непрерывно совершен­ствуется, но принципиальные технические решения основных его типов остаются неизменными.

С первых шагов развития современной буровой техноло­гии инженеры пытались решить задачу создания призабойно­го привода, позволяющего транспортируемую гидравличе­скую или электрическую энергию легко преобразовывать в разрушающее воздействие на горную породу непосредствен­но на забое скважины, сведя наземный комплекс буровых машин к силовым энергетическим гидро — или электроуста­новкам. Первые попытки решения этой задачи связывались с использованием энергии потока очистного агента, закачивае­мого в скважину промывочными насосами. Так, русский ин­женер В. Вольский в 1900 г. предложил использовать явление гидравлического удара, возникающего при резком перекры­тии потока жидкости в трубопроводе, для создания приза­бойного гидроударника — генератора ударных импульсов, разрушающих горную породу на забое. Посредством разра­ботанного им гидроударника в начале XX в. на Кавказе было пробурено несколько глубоких скважин. Простую конструк­цию высокочастотного гидроударника в 1949 г. предложил американский инженер Бэссинджер. И хотя надежды изобре­тателей гидроударных машин не оправдались в полной мере — они не смогли заменить механические системы поверхност­ного привода, но эти машины позволили существенно интен­сифицировать процесс разрушения породы на забое и поло­жили начало современной технологии гидроударного буре­ния.

Позже появились и нашли широкое применение на прак­тике аналогичные пневмоударные машины, использующие энергию сжатого воздуха при бурении скважин с продувкой.

В 1923 г. русский инженер Капелюшников разработал и внедрил принципиально новую конструкцию забойного дви­гателя, использующего кинетическую энергию потока промы­вочной жидкости — турбобур. Так возникло турбинное буре­ние, являющееся до настоящего времени одним из эффек­тивных способов проходки нефтяных и газовых скважин большого диаметра в горных породах невысокой твердости.

ю

Расширение круга задач, решаемых средствами бурения, привело к возникновению в последние 50 лет разнообразных специальных скважинных снарядов. Это снаряды направлен­ного бурения, позволяющие изменять направление трассы скважины в процессе бурения; специальные пробоотборники: эжекторные и пакерные снаряды, формирующие замкнутый поток циркуляции промывочной жидкости на забое и улавли­вающие частицы разбуриваемой породы с целью повышения точности опробования; двойные и тройные колонковые тру­бы, изолирующие пробу от разрушающих воздействий.

Разработка некоторых буровых снарядов привела к ради­кальному изменению общей схемы технологического процес­са бурения. Созданные в конце 60-х — начале 70-х годов сна­ряды со съемными керноприемниками позволили бурить скважины без подъема породоразрушающего инструмента на поверхность; при этом пробы вещества (керна) периодически поднимаются на поверхность с помощью керноприемника, транспортируемого внутри колонны бурильных труб.

В 70-е — 90-е годы в практику буровых работ вошел высо­копроизводительный способ бурения с гидротранспортом кер­на.

В настоящее время техника и технология бурения позво­ляет решать разнообразные задачи разведки и освоения ми­неральных ресурсов.

Прежде всего это поиски и разведка месторождений. Обе­спечиваемая современными средствами глубина бурения — рядовые поисково-разведочные скважины достигают глубины 2-2,5 км — соответствует тому пределу, при котором возмож­на добыча твердых полезных ископаемых современными средствами. В нефтяном бурении нередки глубины скважин 5 км и более. В России с 70-х годов ведется бурение серии сверхглубоких скважин, первая из которых — Кольская сверх­глубокая — к 1992 г. достигла рекордной глубины 12 263 м.

Средствами бурения в настоящее время ведется добыча полезных ископаемых методами скважинного выщелачива­ния — таким образом добывают медь из проницаемых медистых песчаников, редкоземельные элементы из древних кор вывет­ривания, галогены из погребенных соленосных отложений.

Бурение используется в настоящее время и для проходки шурфов, шахтных стволов, а также вентиляционных и транс­портных каналов на рудниках и шахтах.

Особую роль бурение играет и в обеспечении природоохран­ных работ и работ, связанных с обеспечением безопасной до­бычи полезных ископаемых подземным способом: проходкой скважин вокруг горных выработок формируются гидравличе­ские завесы и депрессионные воронки, осуществляется кон­троль режима движения и изменения состава подземных вод.

Чем дальше развивается человеческая цивилизация и чем больше возрастает потребность в минеральном сырье, тем большую актуальность приобретает развитие технологии буре­ния — важнейшего способа эффективного, ресурсосберегаю­щего и наносящего минимальный ущерб окружающей природ­ной среде, проникновения человека в глубь земных недр.

Комментарии запрещены.