CC BY
194
УДК 622.24
https://doi.org/10.24411/2226-2296-2019-10108
I
Развитие техники и технологии бурения до середины XX столетия
Г.А. Тептерева1, С.Ю. Шавшукова1, И.А. Четвертнева2
1 Уфимский государственный нефтяной технический университет, 450062, г. Уфа, Россия E-mail: teptereva.tga@yandex.ru
E-mail: sshavshukova@mail.ru
2 ООО «Сервисный центр СБМ», 119330, Москва, Россия E-mail: chetvertneva@ufa.scsbm.ru
Резюме: В статье проведен анализ исторических аспектов зарождения собственно процесса бурения, развития техники и технологии
бурения скважин от ударного (ударно-канатного, ударно-штангового) до вращательного (турбинного и роторного) способа. Рассмотрено
развитие техники бурения скважин в IX—XIX веках для добычи воды и рассолов. Проанализированы исторические этапы создания,
развития и совершенствования техники и технологии бурения скважин для добычи углеводородов в XIX - первой половине XX века.
Приведены имена ученых-конструкторов, внесших значительный вклад в совершенствование конструкций турбобура. Выделены
исторические аспекты начала промышленного бурения в России, начала морской добычи углеводородов. Показана важность
применения химических реагентов для повышения эффективности процессов бурения и нефтегазодобычи.
Ключевые слова: бурение, скважина, сверление, ударный способ, вращательный способ, турбобур, наклонное бурение.
Для цитирования: Тептерева Г.А., Шавшукова С.Ю., Четвертнева И.А. Развитие техники и технологии бурения до середины XX
столетия // История и педагогика естествознания. 2019. № 1. С. 41-44.
D0I:10.24411/2226-2296-2019-10108
DEVELOPMENT OF TECHNOLOGY AND TECHNOLOGIES OF DRILLING TO THE MIDDLE OF THE XX CENTURY Galina A. Teptereva1, Svetlana Yu. Shavshukova1, Irina A. Chetvertneva2
1 Ufa State Petroleum Technological University, 450062, Ufa, Russia E-mail: teptereva.tga@yandex.ru
E-mail: sshavshukova@mail.ru
2 LLC SBM Service Center, 119330, Moscow, Russia E-mail: chetvertneva@ufa.scsbm.ru
Abstract: The article analyzes the historical aspects of the origin of the actual drilling process, the development of technology and technology of drilling from shock (shock-rope, shock-rod) to rotary (turbine and rotor) methods. The development of technology of drilling wells in the IX-XIX centuries for the extraction of water and brines is described. The historical stages of creation, development and improvement of equipment and technology of drilling wells for hydrocarbon production in the XIX- first half of the XX century are analyzed. The names of scientific designers who have made a significant contribution to the improvement of the turbo-drill design are given. The historical aspects of the beginning of industrial drilling in Russia, the beginning of offshore production of hydrocarbons are discussed. The importance of the use of chemical reagents to improve the efficiency of drilling and oil and gas production is shown. Keywords: drilling, well, drilling, shock way, rotary way, turbo-drill, inclined drilling.
For citation: Teptereva G.A., Shavshukova S.Yu., Chetvertneva I.A. DEVEL-OPMENT OF TECHNOLOGY AND TECHNOLOGIES OF DRILLING TO THE MIDDLE OF THE XX CENTURY. History and Pedagogy of Natural Science. 2019, no. 1, pp. 41-44. DOI:10.24411/2226-2296-2019-10108
Техника и технология бурения скважин совершенствовались в соответствии с развитием научно-технического прогресса и ростом потребностей человечества в добываемых из земных недр ресурсах - воды, соляных растворов, нефти и газа, твердых полезных ископаемых, а также для размещения зарядов взрывчатых веществ в строительстве и горном деле.
Временем зарождения буровой техники можно назвать эпоху позднего палеолита, когда были освоены процессы резания камня и сверления его путем вращения, что ознаменовало новый этап в изготовлении более сложных орудий труда. Техника сверления
совершенствовалась, со временем бур-сверло с ременным приводом сменил коловорот [1].
Интересно отметить, что в ряде языков нет различия между терминами «бурение» и «сверление». Так, например английское drilling или немецкое bohren означают и то, и другое, в то время как в русском языке эти понятия различны.
Собственно бурение зародилось в Китае в III-IV веке до н. э., когда для добычи соляных растворов пробуривали скважины диаметром 12-15 см и глубиной до 900 м. Буровой инструмент (долото и бамбуковые штанги) опускался в скважину на свитых из тростника канатах толщиной около 4 см. Однако
в трудах Конфуция, еще за 600 лет до н. э., есть упоминания о скважинах глубиной до 500 м [2].
Скважины бурили с целью добычи питьевой воды и соляных растворов, нефть и газ чаще всего являлись побочными продуктами процесса. С древних веков, более 2000 лет, применялся способ ударного бурения, когда разрушение пород в забое достигалось за счет ударной нагрузки, осуществляемой штангой с подвешенным к ней разрушающим инструментом (долотом). Инструмент подвешивался на канате и углублялся в породу за счет силы удара [3-5].
В России история бурения скважин берет начало с IX века (табл. 1), и
1 ■ 2019 История и педагогика естествознания
способ ударно-канатного бурения для добычи воды и рассолов сохраняется вплоть до XIX века.
Длительную эксплуатацию ударного бурения обеспечивало совершенствование его технологии, что позволило увеличить глубину бурения до 200 м.
В 20-е годы XIX века буровую технику стали использовать сначала в Америке, а затем и в России для добычи нефти (табл. 2). Для России дата первого нефтяного фонтана или обильного притока нефти, полученного в результате машинного бурения скважины, связана с именем А.Н. Новосильцева (1816-1878). В августе 1865 года под его руководством началось бурение пяти скважин в районе притока реки Кубани - Кудако (вблизи Анапы), в результате которого были получены значительные объемы нефти: две скважины давали в первые сутки около 3 т нефти. В 1866 году из скважины № 1 с глубины 37,6 м ударил мощный нефтяной фонтан, высота которого достигала 5 м, а средний дебит составлял около 20 т в сутки. Углубление скважины до 74 м позволило получить нефтяной фонтан с дебитом около 180 т в сутки. Это стало событием исторического масштаба, отправной точкой развития российской нефтяной промышленности [6, 7].
Таким образом, с начала XX века вращательное бурение для добычи углеводородов вытесняет ударное. Однако в ряде мест, например в Грозненском районе, до 1930-х годов все еще применялось ударно-канатное бурение, также оно находит применение в разведочном бурении при инженерно-геологических изысканиях на россыпных месторождениях.
Принципиальным отличием вращательного способа бурения от ударного является то, что разрушение горной породы и формирование профиля скважины образуется не в результате хаотичных ударов пары долота и штанги, а за счет вращения прижатого к забою породоразрушающего инструмента: долота, бурильной головки, коронки. Передача вращения бурильному инструменту осуществляется через шпиндель ротором, верхним приводом, забойным двигателем (рис. 1).
Существует две разновидности вращательного бурения - роторный и с забойными двигателями [4, 5]. Важным этапом развития вращательного бурения является поэтапное совершенствование конструкций турбобура (табл. 3).
Таким образом, в 1938-1941 годы в СССР были разработаны основы непрерывного наклонного регулируемого турбинного бурения при неподвижной колонне бурильных труб. Этот способ, при котором стало возможным осуществлять
Таблица 1.
Развитие техники бурения скважин в период 1Х-Х1Х вв.
Век Способ бурения Назначение Особенности терминологии и конструкции География буровых работ
IX Ударно-штанговое Добыча соляных растворов (рассолов) Деревянные штанги, деревянные обсадные трубы Старая Русса
XII Ударно-канатное Добыча соляных растворов (рассолов) Создание отечественной ремесленной терминологии Балахна
XVI Ударно-канатное Добыча соляных растворов (рассолов) Первое рукописное руководство из 128 наименований Соликамск, Тотьма (Вологодская обл.)
XIX Ударно-канатное Добыча соляных растворов (рассолов), артезианской воды для питья Появление иноземной терминологии. Применение обсадных труб из металла, увеличение глубины бурения до 180 м С.-Петербург, Одесса, Царское Село, Симферополь, Керчь Тамбов, Казань Евпатория Астрахань, Киев, Москва
Таблица 2.
Развитие способов бурения для добычи углеводородов
Год Способ бурения Назначение скважины Особенности процесса и конструкции География буровых работ
1826 Ударное Первая нефтяная скважина При бурении на воду получена нефть Америка, штат Кентукки
1859 Ударное Скважина на нефть Нефть получена на глубине 20 м Америка, штат Пенсильвания
1864 Ударное с применением паровых машин Первая Российская нефтяная скважина Применение машинного бурения пяти скважин с получением первого нефтяного фонтана Россия, Северный Кавказ
1901— 1902 Ударное с применением электрических машин Скважина на газ для отопления завода Впервые применено бурение с промывкой, газ получен на глубине 207 м Россия, Баку, завод Кокорева в Сураханах
1907 Вращательное бурение Скважины на нефть и газ Проходка скважин сплошным забоем с промывкой глинистым раствором Россия, Баку, завод Кокорева в Сураханах
1922 Вращательное бурение Скважины на нефть и газ Турбобур на базе одноступенчатой турбины и многоярусного планетарного редуктора (применялись до 1934 года) СССР, Баку, завод в Сураханах
19241925 Вращательное бурение Первая морская скважина на нефть Нефть получена на глубине 461 м СССР, Баку, бухта Ильича
19341935 Вращательное бурение Скважина на нефть Кустовое бурение с общей площадки, впоследствии первое морское металлическое основание для бурения в море СССР, Баку, остров Артема
бурение до 20 скважин с одного основания при пересеченном рельефе местности и на морских месторождениях, стал основным при бурении наклонных скважин как в СССР, так и за рубежом.
В 1949 году в СССР в Каспийском море была пробурена первая морская скважина, началась добыча углеводородов на морских месторождениях. Создавались эстакады, плавающие
История и педагогика естествознания
1 ■2019
Рис. 1. Станки и инструмент вращательного бурения: а - схема станка шнекового бурения:
1 - резец, 2 - платформа, 3 - лебедка, 4 - направляющая стойка, 5 - штанга с ребордой, 6 - электродвигатель; б - колонковый снаряд: 1 - кольцевая коронка, 2 - колонковая труба, 3 - переходная муфта, 4 - вращающаяся штанга станка; в - кольцевые коронки армированные: 1 - резцы, армированные твердыми сплавами, 2 - алмазные резцы; г - схема станка роторного бурения: 1 - бурильная труба, 2 - лебедка, 3 - вращатель-ротор, 4 - вертлюг, 5 - вышка, 6 - рабочая труба, 7 - соединительная труба, 8 - насос, 9 - бак с глиняным раствором, 10 - долото; д - рабочие наконечники: 1 - шарошечное долото, 2 - лопастное уступчатое долото, 3 - лопастное долото «рыбий хвост»
Таблица 3.
Этапы совершенствования конструкций турбобура
Годы Особенности конструкции Разработчики конструкции
1935-1939 Многоступенчатый безредукторный турбобур П.П. Шумилов, Р.А. Иоаннесян, Э.И. Тагиев, М.Т. Гусман
1936 Электробур с редуктором Г.Б. Квитнер, Н.В. Александров
1938 Электробур, долото которого приводится во вращение погружным электродвигателем А.П. Островский, Н.В. Александров
1951-1952 Электробур знакопеременного вращения А.А. Минин, А.А. Погарский, К.А. Чефранов
буровые установки с затапливаемыми понтонами, специальные буровые суда, были разработаны методы динамической стабилизации буровых установок при бурении на больших глубинах [8].
В 1930-1940-х годах неотъемлемой составляющей процесса добычи углеводородов становится применение целого комплекса химических реагентов. Эффективный состав буровых растворов, содержащих понизители водоотдачи, разжижители, эмульгаторы, ингибиторы гидратации глин, пено-гасители и другие реагенты, позволяет наиболее полно использовать технические возможности долот и забойных двигателей, улучшить срок их службы, повысить скорость бурения, улучшить качество вскрытия продуктивных пластов, сократить затраты на борьбу с осложнениями и в результате снизить стоимость бурения [9-12].
В настоящее время целый комплекс машин, механизмов, предназначенных для выполнения основных и вспомогательных работ при строительстве скважин, носит название «буровая установка». Эта установка включает буровую вышку, оборудование для проведения спуско-подъемных операций, наземное оборудование, непосредственно используемое при бурении, силовой привод, циркуляционная систему для промывки скважины, привышечные сооружения. В России буровые установки делятся на 12 классов и выпускаются по ГОСТ 16293-90 на Волжском заводе буровой техники («Баррикады»-ВЗБТ) и Уральском заводе тяжелого машиностроения (УЗТМ).
Таким образом, процесс бурения эволюционировал на протяжении веков от самого примитивного к современному технически оснащенному и технологически сложному многоступенчатому промышленному процессу.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Лисичкин С.М. Очерки по истории развития отечественной нефтяной промышленности. М.: Гос. науч-тех. изд-во нефтяной и горно-топливной литературы. 1954. 401 с.
Буровое ремесло. URL: http://burovoeremeslo.ru/burenie/chto-takoe-burenie/istoriya-bureniya/ (дата обращения 21.02.2019). Все о бурении скважин. URL: http://www.semireche.ru/page7.html (дата обращения 21.02.2019). Волков С.А., Сулакшин С.С., Андреев М.М. Буровое дело. М.: Недра, 1965. 492 с.
Скрыпник, С.Г., Данелянц С.М. Механизация и автоматизация трудоемких процессов в бурении. М.: Недра, 1968. 256 с. Матвейчук А.А. Первый нефтяной фонтан России. URL: http://www.oilru.com/nr/153/3328/ (дата обращения 21.02.2019). Пономарев Б.Б. Кудако - первый нефтяной промысел России // Нефтяное хозяйство. 2009. № 8. С. 122-125. Мовсумзаде Э.М., Мастобаев Б.Н., Мастобаев Ю.Б., Мовсумзаде М.Э. Морская нефть. Развитие технических средств и технологий / под ред. А.М. Шаммазова. СПб.: Недра, 2005. 236 с.
Рахманкулов Д.Л., Злотский С.С., Мархасин В.И. и др. Применение химических реагентов в области добычи и транспорта нефти. М.: Химия, 1987. 144 с.
10. Мовсумзаде Э.М., Мастобаев Б.Н., Зорина С.Р. и др. Некоторые химические препараты для подготовки нефти к переработке и транспорту // Нефтепереработка и нефтехимия, 2000. № 12. С. 38-43.
11. Мастобаев Б.Н., Дмитриева Т.В., Мовсумзаде Э.М. История создания и производства химреагентов для трубопроводного транспорта нефти и нефтепродуктов // Нефтяное хозяйство, 2000. № 11. С. 107-108.
12. Тептерева Г.А., Шавшукова С.Ю., Удалова Е.А. и др. Исторические опыт применения поверхностно-активных веществ в отечественной нефтедобывающей промышленности в 1930-1970-х гг. // История науки и техники, 2018. № 2. С. 21-27.
REFERENCES
1. Lisichkin S.M. Ocherkipo istoriirazvitiya otechestvennoy neftyanoy promyshlennosti [Essays on the history of the domestic petroleum industry]. Moscow, Gos. nauch-tekh. neftyanoy i gorno-toplivnoy literatury Publ., 1954. 401 p.
2. Burovoye remeslo (Drilling craft) Available at: http://burovoeremeslo.ru/burenie/chto-takoe-burenie/istoriya-bureniya/ (accessed 21 February 2019).
1 ■2019
История и педагогика естествознания
ш
yse obureniiskvazhin (All about drilling wells) Available at: http://www.semlreche.ru/page7.html (accessed 21 February 2019). Volkov S.A., Sulakshln S.S., Andreyev M.M. Burovoye delo [Drilling business]. Moscow, Nedra Publ., 1965. 492 p.
Skrypnlk, S.G., Danelyants S.M. Mekhanizatsiya i avtomatizatsiya trudoyemkikh protsessov vburenii [Mechanization and automation of labor-intensive processes in drilling]. Moscow, Nedra Publ., 1968. 256 p.
Matveychuk A.A. Pervyy neftyanoy fontan Rossii (The first oil fountain of Russia) Available at: http://www.oilru.com/nr/153/3328/ (accessed 21 February 2019).
Ponomarev B.B. Kudako is Russia's first oil field. Neftyanoye khozyaystvo, 2009, no. 8, pp. 122-125 (In Russian).
Movsumzade E.M., Mastobayev B.N., Mastobayev YU.B., Movsumzade M.E. Morskaya neft'. Razvitiye tekhnicheskikh sredstv i tekhnologiy [Sea oil. Development of technical means and technologies]. St. Petersburg, Nedra Publ., 2005. 236 p.
Rakhmankulov D.L., Zlotskiy S.S., Markhasin V.I. Primeneniye khimicheskikh reagentov v oblasti dobychii transporta nefti [The use of chemicals in the field of oil production and transportation]. Moscow, Khimiya Publ., 1987. 144 p.
10. Movsumzade E.M., Mastobayev B.N., Zorina S.R. Some chemical compounds for the preparation of oil for processing and transportation. Nefteper-erabotka ineftekhimiya, 2000, no. 12, pp. 38-43 (In Russian).
11. Mastobayev B.N., Dmitriyeva T.V., Movsumzade E.M. The history of the creation and production of chemicals for pipeline transportation of oil and petroleum products. Neftyanoye khozyaystvo, 2000, no. 11, pp. 107-108 (In Russian).
12. Teptereva G.A., Shavshukova S.YU., Udalova Ye.A. Historical experience in the use of surface-active substances in the domestic oil industry in the 1930-1970-ies. Istoriyanaukii tekhniki, 2018, no. 2, pp. 21-27 (In Russian).
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ / INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Тептерева Галина Алексеевна, к.х.н., доцент кафедры общей, аналитической и прикладной химии, Уфимский государственный нефтяной технический университет.
Шавшукова Светлана Юрьевна, д.т.н., проф. кафедры общей, аналитической и прикладной химии, Уфимский государственный нефтяной технический университет.
Четвертнева Ирина Амировна, к.т.н. руководитель, ООО «Сервисный Центр СБМ» Волго-Уральского региона.
Galina A. Teptereva, Cand. Sci. (Chem.), Assoc. Prof. Ufa State Petroleum Technological University
Svetlana Yu. Shavshukova, Dr. Sci. (Tech.), Prof. Ufa State Petroleum Technological University
Irina A. Chetvertneva, Cand. Sci. (Tech.), Head of the Volga-Ural region of LLC SBM Service Center.
[44
История и педагогика естествознания
1 ■2019
