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.[5] 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.
