Глубокое бурение | ТМ 1939-02

А. АНГАРСКИЙ, Рисунки А. КАТКОВСКОГО

Затерянный среди зеленых холмов в глухой малонаселенной бездорожной местности западной Пенсильвании крохотный американский городок Тайтусвилл в мае 1858 г. был сильно взволнован странным событием.

Ранним весенним утром прибыл и остановился в единственной в городе гостинице высокий сорокалетний человек. В большой, хранившейся в запыленной конторке книге, где расписывались приезжие, появилась новая запись: полковник Эдвин Лорентайн Дрейк.

Не прошло и нескольких часов, как весь Тайтусвилл, где приезд каждого нового человека был событием, уже знал, что полковник Дрейк прибыл из Нью-Йорка, что он представитель «Пенсильваниа Рок Ойл Компани», т. е. «Пенсильванской компании горного масла», и что компания эта собирается добывать в окрестностях Тайтусвилла нефть, или, как тогда говорили, горное масло.

В западной Пенсильвании нефть часто была спутником растворов соли, которые извлекались из колодцев. Но темная жидкость с резким запахом только портила качество соли. Правда, лет за десять до этого в соседнем городке Тарентуме предприимчивый американец Самюэль Кир начал собирать из соляных колодцев и скважин горное масло, этот неприятный спутник рассолов. Кир рекламировал темную жидкость как универсальное средство против всевозможных болезней и продавал ее в аптеках. В 1855 г. Кир, впервые в Америке, начал перерабатывать нефть и получать из нее осветительное масло — керосин. Керосин этот получался в ничтожных количествах и тоже продавался в аптеках.

Все это было прекрасно известно жителям Тайтусвилла, и приезд в их город нового искателя нефти, вызвав обычное для маленьких городков любопытство, никого, однако, не удивил. Но завсегдатаи кабачка при гостинице были глубоко изумлены, когда в разговоре с новым посетителем выяснилось, что он собирается добывать нефть при помощи специально пробуренных скважин.

Этого еще, как будто, никто не делал. Бурили скважины для добывания рассолов, вычерпывали нефть из колодцев; но бурить скважины для получения нефти — что за странная идея! Это должно очень дорого стоить, и как знать, где надо искать нефть. Не окажется ли бурение напрасным?

Все эти сомнения были выложены Дрейку новыми его знакомыми. Удивление и недоверие жителей маленького городка еще более усилились, когда Дрейк с невозмутимым спокойствием сообщил, что бурить придется, может быть, на глубину в 150 и даже 300 м.

*

Для того чтобы добывать из земли жидкие ископаемые или газ, вовсе не нужно рыть такую широкую яму, какую роют, когда делают колодец. Колодцы делают большого диаметра, так как в них для рытья приходится спускаться рабочим. Но если рыть яму не спускаясь, можно сделать ее узкой, как труба, а жидкость на поверхность подавать ведром. Такая яма называется скважиной, а рытье ее называется бурением.

При бурении скважин землю долбят острым долотом, подвешенным на канате или на специальных стержнях — штангах. Время от времени, когда на дне скважин (или, как говорят бурильщики, забое) скапливается много измельченного грунта, долото вытаскивают. Вместо него спускают на канате узкое ведро, которым забирают из забоя измельченный грунт. Затем опять опускают в забой долото.

Примерно такое же ручное бурение существовало в Китае еще свыше двух тысяч лет назад.

Так бурили скважины китайцы еще две тысячи лет назад. Перекинутый через перекладину канат уходит в скважину (слева). На конце каната — долото. Канат связан с гибкой наклонной доской. Рабочие — кули — взбирались на помост и с него прыгали на наклонную доску. Доска опускалась и тянула за собой канат, а долото в скважине подымалось. Когда кули спрыгивали с доски, гибкая доска выпрямлялась, и долото падало. Слева — желонка. Канат от нее переброшен через верхнюю перекладину и намотан на барабан. В скважину желонка опускалась под действием собственного веса. Когда вол или лошадь вращали барабан, на него наматывался канат, и желонка подымалась на поверхность.

В Америке и Европе до XIX в. бурение скважин применяли только для добычи соли. Идея добывать нефть при помощи скважин впервые пришла в голову нью-йоркскому журналисту и дельцу Джорджу Бисселлу. Он и организовал ту самую «Пенсильванскую компанию горного масла», представителем которой был Эдвин Дрейк.

В Тайтусвилле непоколебимое упорство Дрейка, с которым он доказывал, что бурение скважин — это единственный правильный способ добычи нефти, заставило окружающих отвернуться от него. Стоит ли иметь дело с таким фантазером!

В соседнем городке Тарентуме Дрейк свел знакомство со старым опытным бурильщиком Вильямом Смитом — стариком Билли, как его все называли. Старый Билли приехал в Тайтусвилл вместе с двумя своими сыновьями и принялся за дело: идея Дрейка его заинтересовала.

Выбрали наугад место для скважины (в те времена представления о нефтяной геологии были весьма туманные) и сколотили из бревен высокую четырехгранную буровую вышку. Рядом с вышкой выстроили сарай, в котором установили паровую машину, барабан для наматывания каната и балансир — толстое лежачее бревно. Балансир установили на шарнире на вертикальных стойках. С одной стороны его прикрепили канат с долотом на конце, другую сторону соединили при помощи передаточного механизма с паровой машиной.

Буровая скважина Дрейка.

Чтобы удар долота о грунт был сильней, к нему привинчивали тяжелую железную штангу, а штангу привязывали к канату.

Паровая машина во время бурения заставляла балансир попеременно наклоняться то в одну, то в другую сторону. Когда конец бревна, к которому был прикреплен канат с долотом и штангой, подымался, вместе с ним подымались со дна скважины и долото со штангой. Когда же этот конец бревна спускался, долото падало и дробило грунт.

На верху вышки был устроен блок. Канат, перекинутый через ролик блока, одним концом наматывался на барабан, а другой его конец свисал над устьем скважины.

Когда на дне скважины собиралось много буровой грязи, бурение приходилось приостанавливать. Канат, на котором висело долото, отцепляли от балансира и присоединяли к канату, свешивающемуся с верха вышки. Паровую машину также отключали от балансира и приключали к барабану. Барабан вращался, наматывал канат и вытаскивал из скважины долото с тяжелой штангой. А затем на этом же канате спускали в скважину желонку — длинное узкое ведро, на дне которого устроен клапан, наподобие тех, какие бывают в дачных рукомойниках. Когда этот клапан упирался в дно скважины, буровая грязь через открывшееся отверстие заполняла желонку. Затем желонку подымали, при этом клапан опускался и закрывал отверстие. Так извлекали буровую грязь на поверхность. После этого в скважину опять опускали долото со штангой. Бурение продолжалось.

Однако за целый день работы Дрейку удавалось углубить скважину не больше чем на 1 м. Стенки скважины обваливались, из рыхлого грунта вытекало много воды — очевидно, скважина пересекла какой-то водоносный грунт. Работа осложнялась.

Дрейк решил тогда спустить в скважину железные трубы. Они не давали обсыпаться стенкам и проникать воде в скважину. Когда одна труба целиком уходила в скважину, сверху приклепывали к ней вторую трубу и продолжали опускать в скважину такую сдвоенную трубу. Ко второй приклепывали третью, и так далее. Дело пошло несколько лучше. Потерявший уже надежду и истративший почти все деньги своих компаньонов Дрейк воспрянул духом.

Природа все-таки благоприятствовала первому искателю нефти: ему не пришлось бурить ни до 300, ни даже до 150 м — нефть оказалась в том месте на глубине всего лишь 21 м.

Перед вечером 27 августа — через два с половиной месяца после начала бурения — Смит со своим старшим сыном Сэмом стали подымать долото, чтобы очистить забой скважины от измельченного грунта. Вытащили долото, остановили паровую машину, и вдруг в воцарившейся тишине совершенно ясно услышали, как в глубине скважины что-то булькает и кипит. Казалось, кто-то большой тяжело вздыхает внизу, придавленный землей. Вместе со вздохами из скважины доносился резкий запах нефти. Дрожащими от волнения руками Смит стал спускать в скважину желонку. Через четверть часа желонка, наполненная черной нефтью, показалась на поверхности земли.

С быстротой молнии весть о находке облетела городок. Все население Тайтусвилла было в великом волнении.

Рано утром следующего дня Дрейк едва мог протиснуться к скважине через толпу обступивших ее окрестных фермеров и рабочих, которые с изумлением смотрели, как из скважины беспрерывно вычерпывали черную густую нефть.

Сорок бочек нефти в день давала скважина Дрейка.

Так в пенсильванской глуши, в окрестностях маленького городишка, родилась одна из самых мощных и важных отраслей промышленности.

*

С тех пор прошло 80 лет. За это время пробурены сотни тысяч нефтяных скважин, и техника бурения давно уже не та, какой пользовался Дрейк. Сперва разрабатывали нефтяные пласты, которые были ближе к поверхности земли, а потом пришлось искать нефть глубже. Уже не на десятки, а на сотни и тысячи метров уходило долото в глубь земли. А в апреле 1938 г. в Соединенных штатах была пробурена самая глубокая в мире скважина: ее глубина — 4572 м. Глубже в землю человек никогда не проникал.

В 1938 г. в Соединенных штагах была пробурена самая глубокая в мире скважина. Ее глубина — 4572 м. Это немного меньше высоты Казбека (5043 м).

Бурение глубоких скважин стало возможным благодаря тому, что ударное бурение заменили вращательным, при котором долото сверлит породу, срезает слой за слоем. При этом долото спускается в скважину на соединенных между собой стальных бурильных трубах. Самая верхняя труба — не круглая, а квадратная. Она проходит через отверстие в плоском металлическом столе и плотно в нем зажимается. Этот стол находится на поверхности, в буровой вышке. Он называется ротором-вращателем, потому что приводит во вращение всю колонну труб и находящееся на ее конце долото.

Современная буровая вышка, Двигатель 1 вращает барабан лебедки 2, которая при помощи цепи 3 (обычно эта цепь закрыта кожухом) заставляет вращаться ротор 4. Через ротор проходит полая квадратная штанга 5. Конец каната, намотанного на барабан лебедки, перекинут через кронблок 6 и соединен с подвижным блоком 7. Подвижной блок соединен с крюком 8, на котором висит вертлюг 9. Нижняя часть вертлюга соединена с квадратной штангой, Грязевой насос 10 накачивает глинистый раствор в вертлюг 9 из чана 11 по трубе 12 и гибкому рукаву 13. Выходящий из скважины глинистый раствор попадает обратно в чан по трубе 14.

Неподалеку от ротора, тут же, в буровой вышке, находится лебедка, которую приводит в действие электромотор, паровая машина или двигатель внутреннего сгорания. Лебедка в свою очередь вращает ротор, а ротор — колонну бурильных труб и долото.

Долото и колонну бурильных труб спускают в скважину и подымают оттуда при помощи лебедки. На барабан лебедки намотан стальной канат, конец которого перекинут через блок на верхушке вышки (этот блок называется кронблоком) и соединен с подвижным блоком и крюком. К крюку подвешен вертлюг-аппарат, верхняя части которого неподвижна, а нижняя соединена с самой верхней, квадратной трубой бурильной колонны и может свободно вращаться вместе с долотом и всей колонной труб.

Механизм вращательного бурения: 1 — кронблок, 2 — подвижной блок. 3 — крюк, 4 — вертлюг, 5 — квадратная труба, 6 — ротор.

На крюке, таким образом, висит вся колонна бурильных труб с долотом. А колонна эта имеет нередко длину в несколько тысяч метров.

При глубине скважины в 2—3 тыс. м колонна весит примерно столько же, сколько большой мощный паровоз вместе с тендером. Поэтому и крюк, и вышка, и канат должны быть очень прочными. Прочными должны быть и сами трубы — ведь на каждой бурильной трубе висят все ниже расположенные трубы.

Но как вытаскивать со дна скважины измельченный долотом грунт? Неужели при помощи желонки, как это делал еще Дрейк? Конечно, нет. Это потребовало бы слишком много времени, так как пришлось бы останавливать бурение, вытаскивать на поверхность и постепенно развинчивать всю колонну бурильных труб, спускать желонку и т. д.

Теперь забой очищают иначе.

В трубы, на которых держится долото, через горловину в верхней части вертлюга насосом накачивают жидкость. Она проходит через специальное отверстие в долоте и с силой вытекает на забой. Затем жидкость под давлением начинает подыматься по кольцевому пространству между бурильными трубами и стенками скважины. Поднявшись на поверхность, жидкость от устья скважины течет по желобам в чан, где она фильтруется, и снова накачивается насосом через бурильные трубы в скважину.

В чем смысл такой циркуляции жидкости?

Сильная струя непрерывно промывает забой, захватывает измельченный грунт и уносит его с собой на поверхность. Благодаря этому долото работает все время в чистом забое. Но самое главное заключается в том, что не надо останавливать бурение и вынимать долото, чтобы очистить дно скважины. Бурение и промывка производятся одновременно и не только не мешают друг другу, но даже помогают: сильная струя жидкости размывает рыхлую породу под долотом и облегчает бурение.

Промывают забой не водой, а глинистым раствором. Вода очень быстро размыла бы стенки скважины, и они начали бы обваливаться. Глинистый же раствор не только не размывает, а наоборот, закрепляет стенки скважины: он их как бы штукатурит, образует на них корку и не дает обваливаться.

При бурении скважины нередко приходится пересекать водяные пласты, — глинистая корка не позволяет воде проникнуть в нефтяной пласт. Не будь этой глиняной штукатурки, вряд ли удалось бы спускать в скважину на глубину в сотни и тысячи метров обсадные трубы, окончательно закрепляющие стенки скважины.

Часто для большей надежности узкую кольцевую щель между обсадными трубами и стенками скважины заливают цементом. Такая цементировка гарантирует от проникновения поды в нефтяной пласт.

Чтобы смена долота отнимали как можно меньше времени, вышку делают очень высокой (выше восьмиэтажного дома) и развинчивают каждые несколько труб. Такой сустав из нескольких труб называют свечой. Свеча имеет в длину больше 25 м.

Чем глубже скважина, тем труднее ее бурить. Главная трудность в том, что долото все дальше и дальше удаляется от двигателя и ротора, которые его приводит в движение. При этом колонна труб теряет свою прочность, легко скручивается.

Известный советский изобретатель, инженер Капелюшников, разработал новый способ бурения, который даст возможность приблизить двигатель к долоту.

Этот двигатель — специальная гидравлическая турбина, которая помещается в особом цилиндрическом кожухе и прикрепляется к самой нижней трубе бурильной колонны. Вал турбины соединен с долотом. Таким образом, вся колонна бурильных труб неподвижна. Это избавляет и от скручивания, и от поломок труб.

Что же приводит во вращение гидравлическую турбину? Грязевой насос накачивает глинистый раствор в бурильные трубы. Пройдя всю колонну бурильных труб, раствор попадает на лопасти турбины; турбина начинает вращаться, а вместе с ней и долото.

Грязевой раствор, пройдя через турбину, попадает на забой, а оттуда, как обычно, на поверхность. Он делает здесь два дела; вращает турбину и очищает забой скважины от измельченной породы.

Лебедка при турбинном бурении служит только дли подъема и спуска труб и турбины. Ротора же здесь вообще нет,

*

Впервые вращательное бурение появилось и Америке в 1889 г., через 30 лет после того, как полковник Дрейк пробурил свою первую скважину. Однако широкое распространение оно получило только в начале XX в. В России первые попытки бурить вращательным способом были сделаны в 1911 г. в Баку. Но только после Октябрьской революции вращательное бурение стало широко применяться. Теперь это единственный способ бурения на всех нефтяных промыслах СССР

Скважины глубиной в несколько сот метров бурили ударным способом по 1,5—2 года, а теперь наши стахановцы заканчивают такие скважины в несколько дней.

По мере того, как истощаются верхние пласты, нефть приходится искать все глубже и глубже. Поэтому глубина скважин постепенно увеличивается. 25 лет назад средняя глубина скважины в Бакинском нефтяном районе равнялась 375 м, а сейчас она уже равна 1300 м. Многие же скважины имеют глубину в 2000—2500 м. Ежегодно на советских промыслах бурят около двух тысяч скважин, это свыше 2 млн. м.

За последние годы скорость бурения на наших промыслах резко возросла. Еще совсем недавно — в 1930 г. — скорость бурении скважины равнялась 100 м в месяц; сейчас же в среднем эта скорость превосходит 600 м в месяц. Лучшие же стахановцы пробуривают скважины глубиной в 1000 м за несколько дней. Всесоюзный рекорд скорости бурения установлен в районе Баку (Миаджик). Скважину глубиной в 900 м бригада мастера-стахановца Гапоненко пробурила за 65 часов 30 минут, т. е. немногим больше, чем за 2,5 суток

Каким же образом нашим мастерам удается добиться таких небывалых скоростей бурении?

В процессе бурения скважины очень много времени уходит не на самое бурение. т. е. сверление породы, а на неизбежные вспомогательные операции. Каждый раз, когда долото надо сменить, — а менять его надо, как только оно затупится, — приходится останавливать бурение, подымать и разъединять десятки и сотни свечей бурильных труб, а затем, сменив долото, вновь соединять и спускать их в скважину.

Еще не так давно долото, пробурившее несколько метров, нужно было менять. Теперь же на режущие части долота наваривают различные твердые сплавы, которые хорошо сопротивляются истиранию. Благодаря этому одним долотом удается пробурить скважину на глубину нескольких десятков и даже сотен метров. Кроме того, долото, наваренное твердыми сплавами, много быстрее высверливает породу, чем обыкновенные долота.

В 1935 г. в Баку скважину глубиной в 1000 м пробурили всего тремя долотами, а скважина в Миаджике (900 м). где был установлен всесоюзный рекорд скорости бурения, была пройдена одним долотом.

Стахановцы-бурильщики ускорили вращение ротора, увеличили нажим на долото, сделали более интенсивной подачу глинистого раствора в скважину — все это повысило скорость бурения.

Тогда оказалось, что подсобные работы — постройка вышки, монтаж бурового оборудовании и разборка его после окончания скважины — стали отнимать больше времени, чем само бурение. Но стахановцы сумели значительно ускорить и эти работы. Вместо 2 недель вышки строят сейчас 1—2 дня. На состоявшемся весной прошлого года в Баку с участием Л. М. Кагановича Всесоюзном совещании нефтяников стахановец треста Ворошиловнефть в Узбекистане т. Саушкин рассказал о том, как он, вместо того чтобы разбирать вышку по окончании бурения и вновь собирать ее для новой скважины перетаскивает ее в готовом виде. Вышку устанавливают на железных листах и тянут при помощи трактора на новое место.

Все это еще больше увеличивает скорости бурения нефтяных скважин.