CC BY
478
УДК 622
https://doi.org/10.24411/2226-2296-2019-10307
Становление и развитие способов бурения скважин в России и за рубежом
И.А. Четвертнева1, Г.А. Тептерева2, С.Ю. Шавшукова2
1 ООО «Сервисный Центр СБМ», 119330, Москва, Россия
ORCID: https://orcid.org/0000-0002-6798-0205, E-mail: chetvertneva@ufa.scsbm.ru
2 Уфимский государственный нефтяной технический университет, 450062, г. Уфа, Россия
ORCID: https://orcid.org/0000-0003-2328-6761, E-mail: teptereva.tga@yandex.ru, sshavshukova@mail.ru
Резюме: В статье проведен анализ исторических фактов, посвященных развитию технических приспособлений, позволяющих сделать
процесс бурения более технологичным, приведены факты и примеры усовершенствования конструкционных элементов и конструкций
буровых станков и систем от ударных к вращательным. Показаны и обоснованы причины многолетних расхождений специалистов
России и США в вопросах бурения роторным или турбинным методом. Рассмотрены достоинства и недостатки технологий. Дан
краткий обзор термических, плазменных и других перспективных на современном этапе методов.
Ключевые слова: ударное бурение, вращательное, роторное, турбобур, наклонное бурение..
Для цитирования: Четвертнева И.А., Тептерева Г.А., Шавшукова С.Ю. Становление и развитие способов бурения скважин в России
и за рубежом // История и педагогика естествознания. 2019. № 3. С. 33-39.
D0I:10.24411/2226-2296-2019-10307
FORMATION AND DEVELOPMENT OF DRILLING METHODS IN RUSSIA AND ABROAD Irina A. Chetvertneva1, Galina A. Teptereva2, Svetlana YU. Shavshukova2
1 LLC SBM Service Center, 119330, Moscow, Russia
ORCID: https://orcid.org/0000-0002-6798-0205, E-mail: chetvertneva@ufa.scsbm.ru
2 Ufa State Petroleum Technological University, 450062, Ufa, Russia
ORCID: https://orcid.org/0000-0003-2328-6761, E-mail: teptereva.tga@yandex.ru, sshavshukova@mail.ru Abstract: The article analyzes the historical facts on the development of technical devices to make the drilling process more technological, provides facts and examples of improvement of structural elements and structures of drilling rigs and systems from cable shock to rotational ones. The reasons of long-term divergences of specialists of Russia and the USA in questions of drilling by rotary or turbine methods are shown and proved. Advantages and disadvantages of technologies are considered. A brief review of thermal, plasma and other promising methods at the present stage is given.
Keywords: cable drilling, rotary, rotary, mud motor, directional drilling.
For citation: Chetvertneva I.A., Teptereva G.A., Shavshukova S.Yu., Konesev V.G. FORMATION AND DEVELOPMENT OF DRILLING METHODS IN RUSSIA AND ABROAD. History and Pedagogy of Natural Science. 2019, no. 3, pp. 33-39. DOI:10.24411/2226-2296-2019-10307
Согласно историческим источникам, начиная с первобытных времен велись работы по бурению скважин для добычи воды, рассолов с последующей выпаркой соли, которые были широко распространены в Египте, Китае, России [1, 2]. Бурение скважин для добычи рассолов с последующей выпаркой соли было широко распространено на Севере России еще в XII веке, так как на протяжении нескольких веков соляной промысел занимал существенное место в общем доходе России и рассматривался как дело государственной важности. Благодаря консервирующему воздействию рассолов остатки таких скважин (труб) сохранились на территории Вологодской, Костромской областей России [2].
Добыча нефти началась значительно позднее - с XIX века, и работы сначала велись примитивными способами: сбор нефти с поверхности водоемов,
при помощи колодцев, обработка известняка или песчаника, пропитанных нефтью. Учет объемов добычи нефти начался с 1833 года, когда впервые были документально зафиксированы факты добычи нефти колодезным способом на Тамани (Россия). При этом разведочные работы проводились с помощью специального приспособления - бурава [1-7]. Очевидец оставил следующее описание: «Когда предполагают выкопать в новом месте колодец, то сначала пробуют буравом землю, вдавливая оный и подливая немного воды, дабы он ходше входил и по вынятию оного, есть ли будет держаться нефть, то на сем месте начинают копать четырехугольную яму».
Впервые в мире бурение скважины для добычи нефти было проведено русским инженером Василием Семеновым в 1846 году в поселке Биби-Эйбат, близ Баку ударным способом с применени-
ем деревянных штанг. Как признавал сам В.Н. Семенов, эту идею подсказал ему управляющий бакинских и ширван-ских нефтяных и соляных промыслов горный инженер Н.И. Воскобойников [2-5]. В том же 1846 году Министерство финансов Российской империи выделило необходимые средства для начала буровых работ, о результатах которых говорилось в докладной записке наместника Кавказа графа Воронцова от 14 июля 1848 года: «...на Биби-Эйба-те пробурена скважина, в которой найдена нефть».
Это была первая нефтяная скважина в мире.
Примечательно, что незадолго до этого, в 1846 году, французским инженером М. Фовеллем был предложен способ промывки - непрерывной очисткой скважины циркуляцией промывочной жидкости. Появился термин «промывка», применяемый и в настоящее
время при бурении скважин, сущность его заключается в том, что с поверхности земли по полым трубам в скважину насосами закачивалась вода, выносящая кусочки породы наверх. Безусловное достоинство данного способа заключается в том, что он не требовал остановки бурения. В совокупности указанные факторы привели к широкому распространению бурения на нефть и в других странах. В 1859 году в США была пробурена первая нефтяная скважина в районе г. Тайтесвилл (штат Пенсильвания) Э. Дрейком, работавшим по заданию фирмы «Сенека Ойлкомпа-ни». Нефть была получена на глубине 22 м после двух месяцев буровых работ, и вплоть до недавнего времени эта скважина считалась первой в мире, но найденные документы о работах под руководством В.Н. Семенова восстановили историческую справедливость.
Сегодня многие страны связывают рождение своей нефтяной промышленности с бурением первой скважины, давшей промышленную нефть. Так, в Румынии отсчет ведется с 1857 года, в Канаде - с 1858-го, в Венесуэле - с 1863 года (табл. 1).
Исторически сложилась несколько парадоксальная ситуация: в России отсчет первой нефтяной скважины начат с 1864 года и дата связана с именем Ардальона Николаевича Новосильцева - российского предпринимателя, пробурившего пять скважин в районе Кудако, близ города Анапы, по рекомендации горного инженера Ф.Г. Кокшуля [3]. Однако нефть была добыта только в 1865 году, скважины имели дебит от 3 до 180 т в сутки, а нефтяной фонтан достигал 5 м. В 1868 г. предприниматель И.М. Мирзоев пробурил в бакинском районе скважину, которая на глубине 20 саженей дала нефтяной фонтан, сопровождавшийся столь мощным выбросом газов и песка, что ее было решено законсервировать до времени бурения следующей скважины, что состоялось только в 1872 году [4].
Крупный вклад в развитие способов бурения внесли русские горные инженеры Г.Д. Романовский и С.Г. Войслав, предложившие переход от ручного штанго-вращательного к механическому ударному способу бурения скважин с использованием буровых станков. Использование буровых станков позволило увеличить глубину бурения с 40 (1873) до 340 м (1903), а к 1910 году каждая десятая скважина имела глубину 500-600 м.
Среди отечественных буровых станков наиболее известными были станки горного инженера А.Н. Соколовского и бакинского механика-самоучки Мур-тузы Мухтарова. В их основе лежала
Таблица 1.
Анализ динамики буровых работ для добычи нефти
Период, годы Характер изобретения Авторы изобретения и место применения
1833 Первые упоминания о применении предварительной разведки бурением буравом для поисков нефти Упоминание в летописи, Тамань (Россия)
1846 Первое в мире бурение скважины для целей нефтедобычи ударным способом с применением деревянных штанг Инженер В. Семенов, пос. Биби-Эйбат, г. Баку (Россия)
1848 Впервые предложил способ непрерывной очистки скважин - их промывку. Инженер Фовель (Франция)
1859 Первая в США нефтяная скважина пробурена на глубину 22 м Полковник Э. Дрейк, окрестности г. Тайтесвилла, штат Пенсильвания (США)
1864 Первая эксплуатационная скважина, пробуренная для добычи нефти Полковник А.Н. Новосильцев, Кубань, с. Киевское, долина р. Кудако (Россия)
1865 В Урало-Волжском районе впервые начато бурение на нефть, пробурено несколько неглубоких шахт, из которых добыто 80 ведер нефти и около 33 т асфальта Помещик Н.Я. Малокиенко, п. Бугульма (Россия)
1867 Первые подробные описания проявлений нефти на берегах р. Белой Геолог В.И. Меллер, село Ишимбаево (Россия)
1868 На Ухтинском нефтяном месторождении впервые начались буровые работы в скважине глубиной 12,2 м ручным вращательным способом. При бурении выяснилось, что в твердых горных породах необходимо применить ударный способ Купец М.К. Сидоров, п. Ухта (Россия)
1872 На заводе К.Я. Соколова изготовили долото, штанги и уравнительный винт, с помощью которого опускались по мере углубления скважины прикрепленные к балансиру штанги Архангельский крестьянин А.В. Лебедев, Петербург(Россия)
1887 Применено вращательное бурение с промывкой глинистым раствором Новый Орлеан, шт. Луизиана (США)
1892 Стенки скважин стали укреплять железными трубами взамен деревянных г. Баку (Россия)
1893 Скважины стали бурить с приводом от паровых машин ударно-штанговым (бакинским) способом, из пробуренной скважины № 1 глубиной 133 м был получен мощный фонтан качественной нефти с дебитом 500 тыс. пудов в сутки Предприниматель Т. Ахвердов, Ермоловский участок Старогрозненского района (Россия)
1901 Впервые при бурении скважин были применены электродвигатели, заменившие собой паровые машины Бакинские нефтепромыслы (Россия)
1902 Впервые применен метод бурения вращательным способом с промывкой глинистым раствором, нефть нашли на глубине 345 м Близ г. Грозного (Россия)
1907 Впервые была пройдена первая скважина вращательным бурением сплошным забоем с промывкой глинистым раствором г. Баку (Россия)
1922 Запатентован турбобур, представляющий собой многоярусный планетарный редуктор и одноступенчатую гидравлическую турбину, которая приводилось во вращение промывочной жидкостью М. А. Капелюшников, С. М. Волох и Н.А. Корнев (Россия)
1938 Турбобуром пробурена первая в мире нефтяная скважина глубиной около 600 м М.А.Капелюшников, Сураханы (Россия)
Таблица 2.
Анализ пионерских открытий в развитии способов добычи воды, рассолов и нефти вращательным способом
Период, век, год Пионерские открытия в истории добычи воды, рассолов и нефти Применяемые способы
4 тыс. лет до н.э. Гидрогеологические сооружения в долине реки Нил (Египет) Колодец
600 г. до н.э. Китайские скважины глубиной до 900 м для добычи воды и соляных рассолов Ударный способ при помощи долота и бамбуковых штанг, которые опускались в скважину на канатах из тростника
IX Бурение первых скважин в России относится к IX веку и связано с добычей растворов поваренной соли в районе г. Старая Русса Ударный способ бурение
XI Первая скважина для получения чистейшей подземной воды была сооружена во Французской провинции Артуа, отсюда и пошло название артезианских скважин Ударный способ бурение
XV-XVII В окрестности г. Соликамска (Россия) были построены скважины для добычи растворов соли глубиной 100 м при начальном диаметре 1 м Ударно-штанговый способ, буровые штанги и трубы для крепления стенок скважины изготавливали из дерева
1806 Первая скважина для поиска соляного раствора в США была пробурена, недалеко от города Чарлстон (США) Ударный способ
1833 Первые упоминания о применении бурения для поисков нефти - на Тамани. До рытья нефтяных колодцев, производили предварительную разведку буравом. Колодезную добычу нефти начали учитывать с 1833 года Колодец, метод вдавливания бурава
1846 Первое в мире бурение скважины для нефтедобычи было проведено русским инженером В. Семеновым в поселке Биби-Эйбат близ Баку Ударный способ с применением деревянных штанг
1857 Первая нефтяная скважина была пробурена (Румыния) Ударный способ
1858 Первая нефтяная скважина была пробурена (Канада) Ударный способ
1859 Первая в США нефтяная скважина пробурина на глубину 22 м полковником Э. Дрейком в окрестностях г. Тайтесвилл, (Пенсильвания, США) Ударный способ
1863 Первая нефтяная скважина была пробурена (Венесуэлла) Ударный способ
1864 Первая эксплуатационная скважина была пробурена на Кубани, в с. Киевском, в долине реки Кудако, под руководством полковника А.Н. Новосильцева. Ударный способ
1865 В Урало-Волжском нефтяном районе впервые бурение на нефть начал Н.Я. Малокиенко Ударный способ
1867 Первые подробные описания проявлений нефти на берегах р. Белой против с. Ишимбаева и в 4 км вверх от него, напротив дер. Нижнее Буранчино, дал геолог В.И. Меллер. Ударный способ
1868 На Ухтинском нефтяном месторождении впервые начались начались буровые работы по инициативе купца М.К. Сидорова. Глубина скважины 12,2 м Вращательный способ, далее ударный
1872 По чертежам архангельского крестьянина А.В. Лебедева на заводе К.Я. Соколова в Петербурге изготовили долото, штанги и уравнительный винт, с помощью которого в скважину опускались прикрепленные к балансиру штанги Ударный способ
1887 Вращательное бурение с промывкой глинистым раствором применено в Новом Орлеане, шт. Луизиана Вращательный способ
1892 Первые скважины в г. Баку бурились вручную, при углублении стали применять металлические трубы, которые продвигали вслед за буровым инструментом Ударный способ
1893 Скважины стали бурить с приводом от паровых машин Ударно-штанговый (бакинский) способ
1896 Мензелинский городской голова Д.Ф. Дубинин пригласил бурового мастера из Грозного и пробурил пять скважин глубиной от 10 до 72 м около деревень Нижнее Буранчино и Кусяпкулово Ударный способ
конструкция австрийского горного инженера А. Фаука, приспособленная к местным технико-горно-геологическим условиям. Оригинальную конструкцию бурового станка для ударно-канатного бурения разработал инженер О.К. Ленц [5-7].
Широкое распространение ударно-штанговый способ бурения с использованием буровых станков получил на нефтяных промыслах Азербайджана, но скорость проходки была низкой, поскольку процесс бурения прерывался для очистки и крепления ствола: для скважины диаметром 26 дюймов (0,65 м) скорость проходки в 1908 году составляла от 20 до 60 м в месяц [8]. Однако, для Апшеронского полуострова, где распространены более рыхлые породы, и этот способ оказался неподходящим, он был заменен на ударное бурение на металлической штанге, что позволило увеличить скорость проходки до 100-120 м в месяц.
Далее, к концу XIX столетия, количество пробуренных скважин достигло (к 1900 году) 343 - в Грозненском районе и 1911- на Апшеронском полуострове [5-7]. При этом скважины в Грозном бурились ударно-канатным способом, заимствованным у американцев и более подходящим для местных геологических условий, где нефтесодержащие пласты представлены плотными и твердыми горными породами, что также способствовало увеличению скорости проходки до 120-200 м в месяц.
Значительное увеличение скорости бурения было достигнуто при переходе от ударного к вращательному бурению, при котором одновременно производилась и углубление скважины, и ее очистка буровым раствором. К тому же усовершенствование бурения и переход с ударного способа на вращательный дали возможность вскрывать все более и более глубоко залегающие слои земной коры.
К 1920 году была достигнута рекордная глубина 2000 м и к 1930 году - 3000 м, а в настоящее время фактической является глубина более 5000 м, например, сверхглубокая Кольская скважина (СГ-3) - самая глубокая параметрическая (разведочная) скважина в мире (12 262 м) пробурена вращательным способом (табл. 2).
Впервые вращательное бурение было применено в 1911 году в Сураха-нах, близ Баку. В отличие от ударного способа, при котором горные породы дробятся ударами долота, при вращательном бурении породы растираются вращением долота в тонкий порошок; углубление скважины при этом осуществляется методом высверливания. Вращение труб с долотом производит-
ся с помощью специального приспособления - ротора. Долото опускается в скважину на металлических трубах. Для спуска и подъема труб устанавливают вышку. Вынос выбуренной породы наверх достигается за счет энергии струи воды с растворенной в ней глиной (глинистым раствором), которая закачивается насосом в буровые трубы непрерывно во время вращения труб и долота.
Впервые роторное бурение на нефть было применено в США в 1894 году в Техасе. В России этот способ был опробован только в 1902 году в Грозном на одном из участков Това-риществоа нефтяного производства братьев Нобель. Ими же совместно с Каспийско-Черноморским нефтепромышленным и торговым обществом в 1906 году, применено роторное бурение в Баку. Роторное бурение по скорости значительно превосходит ударное, при котором скважина глубиной 1000 м бурилась годами. Скважину, пройденную роторным бурением, бакинский мастер А.Д. Кербалай пробурил до глубины 1407 м всего за четверо суток. При роторном бурении вращение долота на забое достигается вращением всей колонны тяжелых бурильных труб, вес которых при больших глубинах скважины превышает 100-150 т, при помощи ротора. При этом энергия в основном тратится не на углубление скважины, а на вращение труб, которые к тому же сильно изнашиваются.
Одной из труднейших проблем, возникших при бурении скважин, особенно при роторном способе, была проблема герметизации затрубного пространства между обсадными трубами и стенками скважины. Решил эту проблему русский инженер А.А. Богушевский, разработавший и запатентовавший в 1906 году способ закачки цементного раствора в обсадную колонну с последующим вытеснением его через низ (башмак) обсадной колонны в затрубное пространство. Этот способ цементирования быстро распространился в отечественной и зарубежной практике бурения.
Внедрение роторного бурения потребовало замены основного породо-разрушающего инструмента - долота типа «рыбий хвост», конструкция которого без существенных изменений сохранилась со времени первых рас-солоподъемных скважин. Термин «долото» сохранился от раннего периода развития техники бурения, когда единственным способом проходки скважины было ударное бурение, а буровое долото имело сходство с плотничным инструментом того же наименования. Первоначально долота типа «рыбий хвост», лезвия которых отгибались в
Оклнчание табл. 2.
Период, век, год Пионерские открытия в истории добычи воды, рассолов и нефти Применяемые способы
1899 На месторождении Карашунгул из скважины № 3 глубиной 40 м ударил первый фонтан нефти с суточным дебитом 22-25 т, всего добыто 5000 т нефти Ударный способ
1901 Впервые на Бакинских нефтепромыслах при бурении скважин были применены электродвигатели, заменившие собой паровые машины Ударный способ
1902 Впервые близ г. Грозного применен метод бурения вращательным способом с промывкой глинистым раствором; нашли нефть на глубине 345 м Вращательный способ
1907 Впервые была пройдена первая скважина вращательным бурением сплошным забоем с промывкой глинистым раствором Вращательный способ
1922 М.А. Капелюшниковым, С.М. Волохом и Н.А. Корневым был запатентован турбобур, представляющий собой многоярусный планетарный редуктор и одноступенчатую гидравлическую турбину, которая приводилось во вращение промывочной жидкостью Вращательный способ
1938 Турбобуром М.А. Капелюшникова в Сураханах пробурена первая в мире нефтяная скважина глубиной около 600 м Вращательный способ
1970-1990 Впервые пробурена сверхглубокая Кольская скважина (СГ-3) - самая глубокая параметрическая скважина в мире (12 262 м) Вращательный способ
сторону вращения, использовались и в роторном бурении, в породах средней твердости применяли дисковые долота, частые поломки которых обусловили создание долот, где рабочий орган представлял собой зубчатый цилиндр или конус - шарошку. В 1909 году У. Шарп и Г. Хьюз получили патент на долото с двумя коническими шарошками, которое при вращении совмещало действие резания и удара [9]. Именно долото Шарпа-Хьюза стало прототипом для шарошечных долот различных конструкций, которые используются и сегодня. Появление в 1935 году трех-шарошечных долот с опорами качения и смещенными осями шарошек завершило формирование нового роторного способа бурения, что можно расценить как техническую революцию в бурении, равную по влиянию с изобретением ударного способа бурения в Китае.
Вместе с тем в начале XX века широкого применения в России роторный способ бурения не нашел. В 1913 году на промыслах Апшеронского полуострова работало только 20 установок роторного бурения, в то время как число станков ударно-штангового бурения достигало 900 единиц. Одной из причин, тормозивших внедрение роторного бурения, было сильное искривление скважин. Кроме того, вращение колонны труб, особенно при большой глубине скважины, вызывало частые аварии. Вращение долота осуществлялось вращением всей колонны бурильных труб с поверхности земли. Поэтому
появились предложения по созданию забойных двигателей, размещаемых в нижней части бурильных труб непосредственно над долотом. Варианты такого двигателя (гидравлического и электрического) предлагали К.Г. Сим-ченко (1895), В. Вольский (1898), В.Н. Делов (1899). Однако работоспособный гидравлический забойный двигатель - турбобур - был разработан в 1922-1924 годах русскими инженерами М.А. Капелюшниковым, С.М. Волохом и Н.А. Корневым В 1935 году состоялось первое испытание многоступенчатого безредукторного турбобура системы П.П. Шумилова, который был им разработан вместе с Р.А. Ионесяном, Э.И. Та-гиевым и М.Т. Гусманом в Экспериментальной конторе турбинного бурения (Баку).
Пионерской стала технология строительства наклонных скважин, первая из которых была пробурена турбинным способом в 1941 году в Азербайджане, что позволило ускорить разработку месторождений, расположенных под дном моря или под сильно пересеченной местностью (болота Западной Сибири). Техническая сущность способа заключается в бурении нескольких наклонных скважин с одной небольшой площадки, на строительство которой требуется значительно меньше затрат, чем на сооружение площадок под каждую буровую при бурении вертикальных скважин. Такой способ сооружения скважин получил наименование кустового бурения.
Рис. 1. Сравнительная характеристика объемов применения ударного и вращательных способов бурения в мировой практике
1846-1920 гг.
1920-1940 гг.
1940-1955 гг.
1955-2019 гг.
99
0 20 40
■ Ударный способ бурения
60 80 100 120 ■ Вращательный способ бурения
США
92
Россия
12
88
20 40 60
■ Турбинный ■ Роторный
80
100
Рис. 3. Современное положение объемов применения различных способов бурения в России
Россия
85
0 10 20 30 40 50 60 70 80 я Забойный двигатель I Электробур ■ Турбинный "Роторный
90
Рис. 2. Сравнительная характеристика объемов бурения скважин турбинным и роторным способами в США и России
Примечательно, что в 1964 году в США разработанли однозаходный гидравлический винтовой забойный двигатель, а уже в 1966-м в России был разработан многозаходный винтовой двигатель, позволяющий осуществлять бурение наклоннонаправленных и горизонтальных скважин на нефть и газ.
С течением времени соотношение количества скважин, пробуренных ударным и вращательным способами, изменилось (рис. 1).
Видно, что примерно за 150 лет ударное бурение практически полностью уступило вращательному способу бурения.
Одновременно интенсивно развивалось внедрение турбинного способа бурения: в 1937-1940 годы А.П. Островским, Н.Г. Григоряном, Н.В. Александровым и др. была разработана конструкция принципиально нового забойного двигателя - электробура. В 1940-1941 годы П.П. Шумиловым, Р.А. Иоаннесяном, Э.И.Тагиевым и М.Т. Гусманом был создан многоступенчатый турбобур с гуммированными подшипниками. В 1941 году в Баку была пробурена первая в мире скважина с помощью электробура, предложенного А.П. Островским, Н.В. Александровым, Н.Г. Григорьяном, А.А. Богдановым.
Важным является, что разработки и внедрение турбинного способа бурения позволили увеличить скорости бурения на 45-70%.
Однако сегодня лидирующую позицию в нефтяной индустрии занимают США, где ежегодно пробуривается около 2 млн скважин, в основном роторным способом. Россия занимает пока второе место, и основным способом бурения является турбинный способ бурения (рис. 2).
В России в отличие от других стран основные объемы бурения осуществляются турбобурами (80...85%). Бурение винтовыми забойными двигателями (6%), роторным способом (7...12%) и электробурами (2%) производится в значительно меньших объемах. В США основные объемы бурения на нефть и газ осуществляются роторным способом, а в случае необходимсти бурить скважину забойным двигателем используют винтовые забойные двигатели. Такое положение объясняется многими причинами, главными из которых являются многолетние традиции, укоренившиеся в странах при бурении нефтяных и газовых скважин (рис. 3).
В целом практическими и научными исследованиями на протяжении ряда десятилетий показано, что бурение скважин можно осуществлять механическим, термическим, электроимпульсным и другими способами (несколько
0
десятков), однако промышленное применение находят только способы механического бурения - ударное и вращательное [5-8]. Остальные пока не вышли из стадии экспериментальной разработки (табл. 3).
Из табл. 3 видно, что наличие и использование такого количества способов бурения обусловливает проведение научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ в области создания новых методов бурения, технологий, техники углубления в горных породах с использованием взрывов, разрушение пород при помощи ультразвука, с помощью лазера, вибрации и других способов как в России, так и за рубежом.
Так, в Японии начат выпуск углекис-лотных газовых лазеров (лазеробуров), которые при использовании повышают скорость проходки в бурении до 10 раз, по сравнению с данными середины XX века. Основу буров составляет мощный лазер, размещенный в герметичном корпусе, способном выдержать высокое давление. Лазеробуры и термобуры, способные расплавить любой материал и любую горную породу, определенно станут одной из топовых позиций бурового оборудования и бурильного инструмента в будущем [8].
В отечественных работах есть предложения о создании лазероплазмен-ных установок для термического бурения скважин. Однако транспортировка плазмы к забою скважины пока затруднена, хотя и ведутся исследования по возможности разработки световодов («световодных труб») [8-10].
Первые проекты и образцы термобуров появились в 60-х годах, а наиболее активно теория и практика плавления горных пород начали развиваться с середины 70-х годов. Эффективность процесса плавления определяется в основном температурой поверхности пенетратора и физическими свойствами горных пород и мало зависит от механических и прочностных свойств. Это обстоятельство обусловливает определенную универсальность метода плавления в смысле применимости его для проходки различных пород. Температурный интервал плавления этих различных полиминеральных многокомпонентных систем в основном укладывается в диапазон 1200-1500 °С при атмосферном давлении. Одним из наиболее интересных методов воздействия на горные породы, обладающих критерием «универсальность», является метод их плавления при помощи непосредственного контакта с тугоплавким наконечником - пенетрато-
Таблица 3.
Характеристика современных способов бурения скважин
Способ бурения Принцип работы
Вращательный Механическое бурение, при котором разрушающее усилие создаётся непрерывным вращением породоразрушающего инструмента с приложением осевой нагрузки
Роторный Вращательное бурение, при котором буровой снаряд вращается станком с вращателем роторного типа
Турбинный Вращательное бурение, при котором породоразрушающий инструмент вращается турбобуром
Объемный Вращательное бурение, при котором породоразрушающий инструмент вращается винтовым (объемным) двигателем
Электробуром Вращательное бурение, при котором породоразрушающий инструмент вращается электробуром
Алмазный Вращательное бурение, при котором горная порода разрушается породоразрушающим инструментом, армированным алмазами
Твердосплавный Вращательное бурение, при котором горная порода разрушается породоразрушающим инструментом, армированным твёрдыми сплавами
Дробовой Вращательное бурение, при котором горная порода разрушается дробью
Ударный Механическое бурение, при котором разрушающее усилие создаётся воздействием ударов породоразрушающего инструмента
Ударно-канатный Ударное бурение, при котором возвратно-поступательное движение, создаваемое станком, передаётся породоразрушающему инструменту канатом
Ударно-штанговый Ударное бурение, при котором возвратно-поступательное движение, создаваемое станком, передаётся породоразрушающему инструменту бурильными трубами
Ударно-вращательный Механическое бурение, при котором разрушающее усилие создаётся в результате совместного воздействия ударов и вращения породоразрушающего инструмента
Гидроударный Ударно-вращательное бурение, при котором удары сообщаются породоразрушающему инструменту гидроударником
Вибрационный Механическое бурение, при котором внедрение бурового снаряда осуществляется виброударником
Гидродинамический Бурение, при котором горная порода разрушается высоконапорной струёй жидкости
Термический Бурение, при котором горная порода разрушается тепловым воздействием
Электрофизический Бурение, при котором разрушается горная порода под воздействием сил, возникающих в результате электрического разряда
Взрывоударный Бурение, при котором горная порода разрушается под воздействием сил, возникающих в результате взрыва
Химический Бурение, при котором горная порода разрушается под действием реагентов, вступающих с ней в химическую реакцию
С продувкой Бурение, при котором продукты разрушения горных пород удаляются потоком газа
ром. Значительные успехи в создании термопрочных материалов позволили перенести вопрос о плавлении горных пород в область реального проектирования. Уже при температуре примерно 1200-1300 °С метод плавления работоспособен в рыхлых грунтах, песках и песчаниках, базальтах и других породах кристаллического фундамента. В породах осадочного комплекса проходка глинистых и карбонатных пород требует, по-видимому, более высокой температуры.
Метод бурения плавлением позволяет получить на стенках скважины достаточно толстую ситалловую корку с
гладкими внутренними стенками и высоким уровнем энергетического воздействия на горную породу (до 80-90 %).
Таким образом, проведен обзор практики российского и зарубежного опыта применения различных способов бурения нефтяных скважин. Показано, что выбор наиболее эффективного способа бурения обусловлен задачами, которые должны быть решены при разработке или совершенствовании технологии бурения в конкретных геолого-технических условиях. Рассмотрены инновационные направления развития буровой технологии.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Прозоровский Д.Н. Старинное описание солеваренного снаряда // Известия Императорского археологического общества, 1868. Т. 6. Вып. 3.
2. Тараканова Е.С. Бурение скважин на Леденгских соляных промыслах в начале XIX века // История науки и техники, 2006. № 3. С. 62-72.
3. О разведках нефти на Кавказе и о прочем (рапорт Горному департаменту горного инженера Гилева) // Горный журнал, 1866. № 2. С. 282285.
4. Монография бурения и эксплуатации скважин на бакинских нефтяных промыслах. Баку, 1902. 276 с.
5. Глушков И.Н. Краткая история буровых скважин // Уральский техник, 1912. № 10. С. 9-10.
6. Указатель всероссийской промышленной и художественной выставки 1896 года в Нижнем Новгороде. М.: 1986. 542 с.
7. Тараканова Е.С. Бурение скважин в XIX в. // История науки и техники, 2008. № 4. С. 42-53.
8. Близнюков В.Ю. Основные периоды развития техники и технологии бурения и совершенствования конструкций скважин в Грозном (с 1893 по 1934 г.) // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море, 2004. № 7. С. 18.
9. Groundbreaking inventions that revolutionized the petroleum industry. URL: https://www.bakerhughes.com/company/about/history (дата обращения 10.08.2019).
10. Вадецкий Ю.В. Бурение нефтяных и газовых скважин: учеб. для нач. проф. образования. М.: Академия, 2003. 352 с.
11. Вадецкий Ю.В. Справочник бурильщика: учеб. пособ. для нач. проф. образования. М.: Издательский центр «Академия», 2008. 416 с. Баграмов Р.А. Буровые машины и комплексы: Учеб. для вузов. М.: Недра,1988. 501 с.
12. Болденко Д.Ф., Болденко Ф.Д., Гноевых А.Н. Винтовые забойные двигатели. М.: Недра, 1999. 375 с.
REFERENCES
1. Prozorovskiy D.N. An ancient description of a salt projectile. Izvestiya Imperatorskogo arkheologicheskogo obshchestva, 1868, vol. 6, no. 3 (In Russian).
2. Tarakanova Ye.S. Drilling wells at the Ledengsky salt fields at the beginning of the 19th century. Istoriya nauki i tekhniki, 2006, no. 3, pp. 62-72 (In Russian).
3. On oil exploration in the Caucasus and other things (report to the Mining Department of mining engineer Gilev). Gornyyzhurnal, 1866, no. 2, pp. 282-285 (In Russian).
4. Monografiya bureniya i ekspluatatsii skvazhin na bakinskikh neftyanykh promyslakh [Monograph of drilling and operation of wells in the Baku oil fields]. Baku, 1902. 276 p.
5. Glushkov I.N. A brief history of boreholes. Uralskiy tekhnik, 1912, no. 10, pp. 9-10 (In Russian)
6. Ukazatef vserossiyskoy promyshlennoy i khudozhestvennoy vystavki 1896 goda v Nizhnem Novgorode [Index of the All-Russian Industrial and Art Exhibition of 1896 in Nizhny Novgorod]. Moscow, 1986. 542 p.
7. Tarakanova YE.S. Well drilling in the 19th century. Istoriya naukii tekhniki, 2008, no. 4, pp. 42-53 (In Russian).
8. Bliznyukov V.YU. The main periods of development of drilling equipment and technology and improvement of well designs in Grozny (from 1893 to 1934). Stroitelstvo neftyanykh i gazovykh skvazhin na sushe ina more, 2004, no. 7, p. 18 (In Russian).
9. Groundbreaking inventions that revolutionized the petroleum industry Available at: https://www.bakerhughes.com/company/about/history (accessed 10 August 2019).
10. Vadetskiy YU.V. Bureniye neftyanykh igazovykh skvazhin [Drilling oil and gas wells]. Moscow, Akademiya Publ., 2003. 352 p.
11. Vadetskiy YU.V. Spravochnikburifshchika [Reference for a driller]. Moscow, Akademiya Publ., 2008. 416 p. Bagramov R.A. Burovyye mashiny i kompleksy [Drilling machines and complexes]. Moscow, Nedra Publ., 1988. 501 p.
12. Boldenko D.F., Boldenko F.D., Gnoyevykh A.N. Vintovyyezaboynyye dvigateli [Screw downhole motors]. Moscow, Nedra Publ., 1999. 375 p.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ / INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Четвертнева Ирина Амировна, к.т.н., руководитель, ООО «Сервисный Центр СБМ» Волго-Уральского региона. 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.
Irina A. Chetvertneva, Cand. Sci. (Tech.), Head of the Volga-Ural region of LLC SBM Service Center.
Galina А. Teptereva, Cand. Sci. (Chem.), Assoc. Prof., Ufa State Petroleum Technological University.
Svetlana YU. Shavshukova, Dr. Sci. (Tech.), Prof., Ufa State Petroleum Technological University.
