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.[4] 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.
