История развития бурения: музейный ракурс

Размещено на http://www.allbest.ru/

История развития бурения: музейный ракурс

Аннотация

бурение музей ударный станок

История развития технологии бурения, основные моменты которой представлены в статье, проиллюстрирована информацией о предметах и коллекциях из собраний нескольких отечественных музеев. Первые скважины для добычи рассолов проходились ударным способом. Инструменты и оборудование, демонстрирующие такую технологию бурения, хранятся в коллекциях музея Санкт-Петербургского горного университета, Государственного исторического музея и Политехнического музея. Дальнейшее развитие бурения связано с его применением для добычи нефти. На этом этапе стали использовать специальные буровые станки, модели которых также представлены в коллекциях ряда музеев. В начале XX в. начался переход от ударного к роторному бурению, развитие которого связано с изобретением шарошечного долота и забойного двигателя - турбобура. Образцы первых советских турбобуров М.А. Капелюшникова и П.П. Шумилова и документы об их создателях хранятся сегодня в Политехническом музее.

Annotation

The paper covers the milestones in the development of drilling technology that are illustrated by the information about the objects and collections from several museums in Russia. The earliest brine extraction wells were drilled using the percussion method. The tools and equipment used in this drilling technology are stored in the museum of the St. Petersburg Mining University, State Historical Museum and Polytechnic Museum. Further development of drilling was determined by its use in oil production. Special drilling rigs began to be used at this stage. The models of such rigs are also present in the collections of several museums. In the early 20th century, percussion drilling began to be replaced by rotary drilling due to the invention of roller-cone drill bit and turbodrill downhole motor. The samples of the first Soviet turbodrills and the documents concerned with their creators, M.A. Kapelyushnikov and P.P. Shumilov, are stored in the Polytechnic Museum.

Бурение - одна из основных технологий освоения недр, история которой насчитывает не одно столетие. События и факты этой истории зафиксированы в архивных документах, списках патентов и привилегий, на страницах книг и журналов. В собраниях отечественных музеев также можно увидеть предметы и коллекции, являющиеся наглядной иллюстрацией развития технологии бурения.

Согласно историческим источникам бурение скважин для добычи рассолов с последующей выпаркой соли было широко распространено на Севере России еще в XII в. На протяжении нескольких веков соляной промысел занимал существенное место в общем доходе России и рассматривался как дело государственной важности. В 1867 г. Д.Н. Прозоровский опубликовал интереснейший исторический документ «Роспись как зачать делать новая труба на новом месте», содержащий подробное описание «русского способа» бурения, при котором скважина для добычи рассолов (рассолоподъемная) проходилась с использованием ручного бура с металлическим наконечником, закрепленного на деревянных штангах [1]. Благодаря консервирующему воздействию рассолов остатки таких скважин (труб) сохранились на территории Вологодской, Костромской областей, а оборудование и инструменты представлены в музейных коллекциях.

В 1872 г. на Апшеронском полуострове, который являлся в то время основным регионом добычи нефти, было пробурено всего две скважины, в 1873 г. заложено еще пять, в то время как количество нефтяных колодцев в этот период превышало 1000.

Так, в 1822 г. в музей Петербургского Горного института поступила коллекция c Леденгского солеваренного завода, часть которой сохранилась до настоящего времени. В состав коллекции входили две модели рассолоподъемных скважин (труб), модель соляной варницы и модель «употребляемому для проходки новых и расчистки старых рассолоподъемных труб земляному буру» [2]. Сегодня в музее можно увидеть породоразрушающий инструмент, приспособления для выравнивания стенок скважин, ловильный инструмент, который использовался для подъема из скважины оборвавшихся труб и долот. В экспозиции Государственного исторического музея (Москва) представлен практически полный технологический комплекс соледобычи второй половины XIX в. (Вологодская губерния), в состав которого также входят разрушающие и очистные инструменты, буровые и обсадные трубы, фрагмент насоса для выкачивания рассола. Представлена технология бурения и в Политехническом музее. Здесь хранится коллекция моделей бурового инструмента, поступившая в музей с Московской Политехнической выставки 1872 г. В коллекцию вошли 28 моделей, среди которых есть различные виды буров, долот, желонок, буровые и переводные металлические штанги, подъемные крюки, вертлюки, подкладные вилки, обсадные трубы, специальные инструменты - «счастливый крючок» и двойной штопор (рис. 1). Сравнивая эти коллекции, охватывающие полувековой период, можно заметить, что за данное время принципиальных изменений в технологии бурения не произошло.

Делались попытки применить ударно-канатное бурение, для чего в Баку были приглашены американские специалисты. Однако, для Апшеронского полуострова, где распространены более рыхлые породы, этот способ оказался неподходящим. В результате для бурения нефтяных скважин стали использовать технологию ударного бурения на металлической штанге, аналогичную технологии бурения рассолоподъемных скважин.

Дальнейшее развитие бурения связано в первую очередь с тем, что оно стало применяться для добычи нефти. Ручное разведочное бурение на нефть было впервые опробовано в 1846 г. на Биби-Эйбате. В одной из скважин были обнаружены признаки нефти, но т.к. ее приток был небольшим, об этом опыте вскоре забыли. Первая скважина для добычи нефти была пробурена предпринимателем А.Н. Новосильцевым в 1864 г. около Анапы, однако она оказалась безрезультатной. В 1865 г., по рекомендации горного инженера Ф.Г. Кокшуля, Новосильцев начал бурение пяти скважин на левом берегу р. Кудако (Таманский полуостров) и в 1866 г. одна из скважин дала мощный нефтяной фонтан [3]. В 1868 г. предприниматель И.М. Мирзоев пробурил в бакинском районе скважину, которая на глубине 20 саженей дала нефтяной фонтан, сопровождавшийся таким сильным выбросом газов и песка, что ее было решено закрыть, а следующую скважину начали бурить только в 1872 г. [4].

В 1872-м на Апшеронском полуострове, который являлся в то время основным регионом добычи нефти, было пробурено всего две скважины, в 1873 г. заложено еще пять, в то время как количество нефтяных колодцев в этот период превышало 1000.

Ситуация начала меняться после отмены в 1872 г. откупной системы распределения нефтяных участков, давшей мощный толчок развитию отечественной нефтяной промышленности. В ходе первых торгов в декабре 1872 г. казенные нефтяные участки были распроданы нескольким десяткам предпринимателей и товариществ, среди которых следует отметить «Закаспийское торгово-промышленное товарищество» В.А. Кокорева и П.И. Губонина. В 1874 г. это товарищество было преобразовано в первую в мире акционерную вертикально-интегрированную нефтяную компанию - «Бакинское нефтяное общество», имевшее собственные промыслы, нефтеперерабатывающий завод и небольшой флот для транспортировки нефтепродуктов. Привлечение в нефтяную промышленность акционерного капитала создало основу для ее технического перевооружения. Сначала делались попытки применить ударно-канатное бурение, для чего в Баку были приглашены американские специалисты. Однако для Апшеронского полуострова, где распространены более рыхлые породы, этот способ оказался неподходящим. В результате для бурения нефтяных скважин стали использовать технологию ударного бурения на металлической штанге, аналогичную технологии бурения рассолоподъемных скважин. Количество скважин постоянно росло, достигнув в 1900 г. на Апшеронском полуострове 1911, а в Грозненском районе - 343 [5]. При этом скважины в Грозном бурились ударно-канатным способом, заимствованным у американцев и более подходящим для местных геологических условий, так как нефтесодержащие породы здесь были плотными и твердыми.

Среди отечественных буровых станков наиболее известными были станки горного инженера А.Н. Соколовского и бакинского механика-самоучки Муртузы Мухтарова. В их основе лежала конструкция австрийского горного инженера А. Фаука, приспособленная к местным технико-геологическим условиям.

Материальными свидетелями этого этапа развития технологии бурения являются предметы коллекции бурового и вспомогательного инструмента из собрания музея Санкт-Петербургского горного университета. Коллекция, насчитывающая более 60 предметов, была передана в музей упомянутым ранее «Бакинским нефтяным обществом» (БНО) после завершения Всероссийской художественно-промышленной выставки 1896 г. в Нижнем Новгороде. На этой выставке БНО получило серебряную медаль «за правильную и расчетливую разработку нефтеносных земель и за образцовую коллекцию буровых снарядов и приспособлений для вычерпывания нефти» [6]. В коллекции представлены модели различного вида долот, самопадов, расширителей, буровых штанг, приспособлений для спускоподъемных операций, ловильных инструментов и др. Нововведением, по сравнению с бурением рассолоподъемных скважин, стало использование самопадов («фрейфалов»), представляющих собой специальную тяжелую штангу, которая вкручивалась между долотом и подъемной штангой. В этом случае долото в момент подъема к высшей точке освобождалось и свободно падало на забой, а штанга опускалась вслед за долотом со скоростью движения балансира. В коллекции представлены самопады конструкции Фабиана и Кинда, однако следует отметить, что в России широко использовалось и отечественное оборудование - самопады конструкции Романовского, Ленца и др.

Дальнейшее развитие технологии бурения связано с его механизацией, т.е. использованием специальных буровых станков с приводом от паровой машины. Буровой станок обеспечивал спуск и подъем инструмента и обсадных труб (при помощи цепного барабана); работу долбления (с помощью балансира); очистку скважины желонкой (при помощи отдельного барабана). О внутреннем обустройстве такой скважины и реальных размерах бурового оборудования и инструментов можно судить по почтовой открытке из собрания музея ПАО «ЛУКОЙЛ», на которой изображено ударное долото с самопадом и буровыми ножницами, буровые штанги и обсадные трубы (рис. 2).

Среди отечественных буровых станков наиболее известными были станки горного инженера А.Н. Соколовского и бакинского механика-самоучки Муртузы Мухтарова. В их основе лежала конструкция австрийского горного инженера А. Фаука, приспособленная к местным технико-геологическим условиям. Модели станка Мухтарова представлены в коллекциях Политехнического музея, музея Санкт-Петербургского горного университета, музея Российского государственного университета нефти и газа (НИУ) им. И.М. Губкина, а также музея ПАО «ЛУКОЙЛ» (рис. 3). Модель станка Мухтарова из собрания музея Горного университета датируется концом XIX в., в то время как модель этого станка из собрания Политехнического музея была изготовлена в мастерских им. Буденного (Баку) в 1920-е гг. Такой разброс в датировке моделей подтверждает имеющуюся в литературе информация о том, что станки системы Мухтарова использовались на бакинских промыслах вплоть до середины 1930-х гг.

Оригинальную конструкцию бурового станка для ударно-канатного бурения разработал инженер О.К. Ленц. Суть его нововведения заключалась в использовании небалансирного станка с перекидным шкивом, а также в замене клапана (парашюта), служащего для ручного сбрасывания ударного снаряда в забой скважины на упорный фонарь, устанавливающийся в обсадной трубе. В результате сбрасывание ударного снаряда производилось автоматически при достижении глубины, на которой в скважине был установлен упорный фонарь. Модель станка для ударно-канатного бурения системы Ленца в масштабе 1:8 хранится в собрании музея Санкт-Петербургского горного университета [7].

Нововведением, по сравнению с бурением рассолоподъемных скважин, стало использование самопадов («фрейфалов»), представляющих собой специальную тяжелую штангу, которая вкручивалась между долотом и подъемной штангой. В этом случае долото в момент подъема к высшей точке освобождалось и свободно падало на забой, а штанга опускалась вслед за долотом со скоростью движения балансира.

Использование буровых станков позволило увеличить глубину бурения с 40 м (1873 г.) до 340 м (1903 г.), а к 1910 г. каждая десятая скважина имела глубину 500 - 600 м. Однако, вследствие того, что процесс бурения прерывался для очистки и крепления скважины, скорость проходки была низкой и для скважины диаметром 26 дюймов (0,65 м) в 1908 г. составляла от 20 до 60 м в месяц в зависимости от глубины бурения [8].

Значительное увеличение скорости бурения дал переход от ударного к вращательному (роторному) бурению, при котором одновременно производилась и проходка скважины, и ее очистка глинистым буровым раствором. Роторное бурение на нефть впервые было применено в США в 1894 г. в Техасе. В России этот способ был опробован в 1902 г. в Грозном на одном из участков фирмы «Товарищество нефтяного производства братьев Нобель». Они же, а также «Каспийско-Черноморское нефтепромышленное и торговое общество» в 1906 г., применили роторное бурение в Баку.

Внедрение роторного бурения потребовало замены основного породоразрушающего инструмента - долота типа «рыбий хвост», конструкция которого без существенных изменений сохранилась со времени первых рассолоподъемных скважин. Изменение конструкции первых долот для роторного бурения можно проследить на примере предметов из собрания Политехнического музея. Первоначально в роторном бурении использовались долота типа «рыбий хвост», лезвия которых отгибались в сторону вращения. В породах средней твердости использовались дисковые долота, однако диски часто ломались. Видимо, использование таких долот натолкнуло изобретателей на идею долота, в котором рабочий орган представлял собой зубчатый цилиндр или конус - шарошку. В 1909 г. Уолтер Шарп и Говард Хьюз получили патент на долото с двумя коническими шарошками, которое при вращении совмещало действие резания и удара [9]. Это изобретение, считающееся революционным в истории бурения, представлено в собрании Политехнического музея (рис. 4). Именно долото Шарпа-Хьюза стало прототипом для шарошечных долот различных конструкций, которые используются и сегодня.

Вместе с тем, в начале XX в. широкого применения роторный способ бурения не нашел. В 1913 г. на промыслах Апшеронского полуострова работало только 20 установок роторного бурения, в то время как число станков ударно-штангового бурения достигало 900. Одной из причин, тормозившей внедрение роторного бурения, было сильное искривление скважин. Кроме того, вращение колонны труб, особенно при большой глубине скважины, вызывало частые аварии. Все это актуализировало разработку такой технологии бурения, при которой двигатель располагался бы в забое скважины, вращая непосредственно долото, т.е. бурения с использованием забойного двигателя. Варианты такого двигателя (гидравлического и электрического) предлагали К.Г. Симченко (1895), В. Вольский (1898), В.Н. Делов (1899). Однако работоспособный гидравлический забойный двигатель - турбобур - был разработан в 1922 - 1924 гг. инженерами М.А. Капелюшниковым, С.М. Волохом и Н.А. Корневым. Единственный сохранившийся образец турбобура Капелюшникова хранится в Политехническом музее, куда он поступил в 1934 г. на выставку «Наши достижения». Хотя к этому времени турбобур был снят с производства из-за частых поломок. В 1935 г. состоялось первое испытание многоступенчатого безредукторного турбобура системы П.П. Шумилова, который был им разработан вместе с Р.А. Ионесяном, Э.И. Тагиевым и М.Т. Гусманом в Экспериментальной конторе турбинного бурения (Баку). В собрании Политехнического музея хранится турбобур Т12М конструкции Шумилова, выпущенный в 1949 - 1954 гг., уже после смерти изобретателя, трагически погибшего в 1943 г. Есть в музее и личный фонд Петра Павловича Шумилова, содержащий книги, документы, в том числе и авторское свидетельство на турбобур.

Литература

Прозоровский Д.Н. Старинное описание солеваренного снаряда // Известия Императорского археологического общества. 1868. Т. 6. Вып. 3.?1.

Тараканова Е.С. Бурение скважин на Леденгских соляных промыслах в начале XIX века // История науки и техники. 2006. № 3. С. 62-72.?2.

О разведках нефти на Кавказе и о прочем (рапорт Горному департаменту горного инженера Гилева) // Горный журнал. 1866. № 2. С. 282-285.?3.

Монография бурения и эксплуатации скважин на бакинских нефтяных промыслах. Баку, 1902. 276 с.?4.

Глушков И.Н. Краткая история буровых скважин // Уральский техник. 1912. № 10. С. 9-10.?5.

Указатель всероссийской промышленной и художественной выставки 1896 года в Нижнем Новгороде. М.: 1986. 542 с.?6.

Тараканова Е.С. Бурение скважин в XIX в. // История науки и техники. 2008. № 4. С. 42-53.?7.

Близнюков В.Ю. Основные периоды развития техники и технологии бурения и совершенствования конструкций скважин в г. Грозном (с 1893 по 1934 гг.) // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. 2004. № 7. С. 18.?8.

Groundbreaking inventions that revolutionized the petroleum industry. [Электронный ресурс]. URL: https://www.bakerhughes.com/company/about/history (дата обращения 10.10.2017).?9.

Размещено на Allbest.ru