М.Н.Гайказов "Ударно-канатное бурение первой скважины в твердых породах "

Уважаемые господа, отвечая на призыв к читателям содействовать отражению на страницах журнала наиболее значительных достижений отечественной (в границах бывшего СССР) и зарубежной техники и технологии бурения, предлагаю Вашему вниманию статью с изложением истории ударно-канатного бурения первой скважины в твердой породе в поисках рассола в США в 1806-1808 гг. По существу, это, как оказалось, была первая "обсаженная" и оснащенная "эксплуатационной колонной с использованием подручных средств скважина, а примененная техника и отработанная по ходу операции технология ее бурения и эксплуатации послужили прототипами стремительно развившихся впоследствии в США техники и технологии бурения и освоения скважин.

Ранняя китайская установка ударно-канатного бурения, на которой ударно-разрушительное действие подвешенного к канату долота осуществляется подпрыгиванием двух операторов в сидячем положении на свободном конце упругой жерди. (Иллюстрации из книги Текленбурга в переводе Р.Б.Вудворта “эволюция буровых установок” 1916 г.)

Бурение долотом и оснащение первой в США скважины были осуществлены братьями Давидом и Иосифом Раффнер, твердо унаследовавшими предсмертное напутствие отца в 1803 г. довести до конца задуманное им дело. Отец продал свою ферму и на вырученные деньги приобрел участок в долине реки Грейт Канава, изобиловавшей множеством солевых источников. Решительность отца подстегивал все увеличивавшийся спрос на соль, фунт которой продавался по 6-8 центов и за день примитивного труда по выпариванию естественного рассола - рапы старатели получали не менее 150 фунтов соли, доход от продажи которой доходил до 12 долларов, по тем временам деньгам значительным.

Художественное изображение установки ударно-канатного бурения солевых скважин в долине реки Гран Канава, США в начале 1800-х гг. - в период, когда в том же районе страны с 1806 по 1808 гг. была пробурена солевая скважина братьями Раффнер. (иллюстрация из книги Дж. Брентли “История бурения нефтяных скважин”, 1971 г., США)

Задавшись целью докопаться до подпочвенного солевого отложения и имея в качестве подручных средств лишь кирку, лом, лопату и пилу, братья предварительно отобрали и спилили ствол крупного эвкалиптового дерева, вся внутренняя полость которого была изъедена дикими медоносными пчелами. Диаметр дупла достигал трех футов (1,2 м). Получив таким образом некоторое подобие трубы, они установили этот пустотелый ствол корневой частью на специально выбранную площадку речного дна, из под которого бил солевой ручей. Спиленным концам ствола предварительно была придана квадратная форма, а ствол подперт брусьями. К верхнему торцу по периметру была прилажена площадка, на которой могли разместиться два человека, вес которых обеспечивал вертикальное усилие по оси "трубы". Внутрь был спущен землекоп с заступом и киркой. Непосредственно над отверстием "трубы" располагался вздернутый конец жерди (балансира) - некоторое подобие колодезного журавля, изготовленного из нетолстого упругого ствола хвойного дерева длиной 9 м. У основания жердь опиралась на вильчатую стойку и в отличие от колодезного журавля ее ближайший конец был надежно придавлен к поверхности земли огромным бревном. К вздернутому концу упругой жерди на морском канате подвешивали сосуд, который оттягивающим усилием рабочих на площадке опускался в глубь "трубы", наполнялся там почвой, вырытой землекопом и силой упругого последействия жерди-балансира извлекался на поверхность. По мере извлечения почвы "труба" под действием веса стоявших на помосте рабочих погружалась в глубь почвы, ограждая орудовавшего в ней землекопа от возможного разрушения стенок колодца и от внешней воды, проникновение которой предотвращалось изнутри дополнительной изоляцией. На глубине 5 м торцы "трубы" уперлись в подстилающую грунт твердую породу. По этой причине работы были приостановлены. Однако после неудачной попытки найти поблизости удобные мягкие породы на большей глубине братья вернулись к первой точке.

Добившись полной изоляции колодца от проникновения наружней речной воды, братья обнаружили просачивающийся сквозь твердое дно рассол несравненно более высокой концентрации. Это лишь усилило их решимость вскрыть солевые отложения. Неведомую толщу твердой породы первоначально предполагалось взорвать при помощи взрывных шпуров и пороха. Но эта мысль была отклонена из-за рассола, постоянно просачивавшегося в колодец из под дна. Вместе с тем мысль о взрывном шпуре надоумила братьев, отклонив идею взрыва, ограничиться лишь бурением более глубокого шпура для преодоления окаменелой породы для этого в ближайшей каменоломне были повзаимствованы долота пригодных длины и массы, обеспечивавшие надежное разрушение твердой породы при длине хода балансира в 12-15 дюймов (30-38 см). Были отобраны долота длиной 8-10 футов (2,44-3 м) с плоской режущей кромкой шириной 3,5 дюйма (9 см). Через кольцо в верхнем конце долото морским канатом подвешивалось к вздернутому концу балансира. Длина каната наращивалась по мере углубления скважины. Бурильщики, стоявшие на торцевой площадке "трубы", функционально превращенной в обсадную колонну, через равные промежутки времени ритмично педалируя на стремена, подвешенные к жерди-балансиру, обрушивали удары острия долота на каменное дно по центру колодца, дюйм за дюймом углубляя скважину. Для извлечения измельченной породы, предположительно, использовалась либо желонка с откидным створчатым клапаном, либо широко применявшийся на каменоломнях так называемый сваб - полая штанга с плунжером. Таким образом, с помощью созданной установки ударно-канатного бурения ручного (ножного) действия, пробурив в каменной породе скважину диаметром 9 см и глубиной 40 футов (12,19м), братья Раффнер 15.01.1808 г. вскрыли мощный солевой пласт. Однако возникла новая сложность. Нужно было срочно изолировать интенсивную струю высококонцентрирванного рассола, бьющую с общей глубины 57 футов (17,37м), от струй слабоконцентрированных потоков и от самой реки, которые угрожали свести на нет результаты успешного труда. Возникшую задачу можно было решить лишь с использованием трубы. Но в ближайших окрестностях не было ни трубы, ни кузницы, ни жести, из которой можно было изготовить некоторое подобие трубы и, изолировав бьющий поток естественного рассола, направить его в нужном русле к заблаговременно сооруженным печам для выпаривания. Высверлить же в полевых условиях продольное отверстие в стволе дерева длиной в 40 футов при максимальном наружном диаметре ствола 9 см было практически невозможно. Все, что подсказывал братьям изобретательный ум, свелось к подбору прочного ствола дерева соответствующих диаметра и длины, который был подогнан по наружному диаметру, распилен на две равные половинки по длине. Сердцевина каждой половинки была аккуратно выстрогана и выдолблена по всей длине, а две полученные "полутрубы" вновь аккуратно сложены и обмотаны по всей длине тонкой бечевой. Низ полученной "трубы" был обернут ветошью. Полученная таким образом деревянная "эксплуатационная колонна" была успешно спущена в пробуренную "фонтанирующую" скважину. Использованная при этом ветошь весьма надежно уплотнила зазор между эксплутационной колонной и породой. Братьям сопутствовала удача. По этой плотно пригнанной "трубе" рассол под действием пластового давления устремился в колодец глубиной 5 м, откуда накапливавшийся объем вычерпывался подвешенным на свободный конец жерди-балансира черпаком и сливался в сосуды для выпаривания. Цель была достигнута.

Буровые долота, находившиеся в применении с начала 1800-х гг. до 1830 г.

№ 3 и 31 - конструкции, применявшиеся братьями Раффнер при бурении первой скважины в 1806 - 1808 гг. (Иллюстрации из книги Брентли)

На подготовку, бурение, обсаживание кондуктором и сдачу под ключ скважины глубиной 17,7 м понадобилось 18 мес, с июля 1806 г. по 15 января 1808 г.

Исследователей удивляет не то, что вся работа, включая подготовку к бурению, преодоление неудачных попыток, собственно бурение и оснащение пробуренной скважины, до начала ее эксплуатации растянулась на 18 мес, но, что она вообще была осуществлена в конкретных условиях того далекого времени. Сегодня не легко представить все те трудности, неудачи, неожиданности, разочарования и постоянный риск, которые неотступно сопровождали братьев на всем протяжении их неустанного труда. Без какого-либо предварительного опыта и специальной подготовки по бурению скважин в твердой породе, без знаний механики, специального инструмента, подходящих средств и материалов, в отсутствие прецедента в стране, братьев Раффнер по праву должны были преследовать лишь неудачи и никак не успех. Их предпринимательский успех вдохновил соседей.

Американские нефтяники очень бережно относятся к памяти братьев Раффнер, целеустремленные и вдумчивые действия которых по бурению скважины в каменистой породе и созданию для этой цели орудий труда послужили действенным импульсом пытливой мысли следующих поколений, к созданию все более современного бурового инструмента и других технических средств, а также к разработке современных технологических решений для бурения и эксплуатации нефтяных и газовых скважин. В США это общепризнанный факт, так как специалисту очевидно, что базовое оборудование и основополагающие знания, которыми пользовались при бурении первых нефтяных и газовых скважин были технические средства, навыки и опыт, заимствованные от специалистов по бурению солевых скважин и артезианских колодцев.

Бельгийская установка ударно-канатного бурения с ручным приводом, использованная в Брюсселе в 1828 г. для бурения артезианских скважин. (Иллюстрация из книги Текленбурга)

Интерес же у добытчиков рассола и пресной воды к нефти и газу возник не сразу. Для них внезапное появление нефти и/или газа при поиске желанного продукта было абсолютной неудачей. Как правило, работы после этого сворачивались. И если газ находил применение в солеварнях в качестве топлива, то нефть относительно незначительно использовалась в качестве медицинских мазей, смазки и топлива. Применение выходящей на поверхность нефти в медицинских целях в Америке было впервые обнаружено в начале XVII в. испанскими миссионерами среди индейцев. Следует отметить, что первые описания фармацевтической ценности нефти в Европе были осуществлены еще в I веке нашей эры Плинием. Появившиеся в США в XVIII в. несовершенные осветительные лампы заправлялись либо растительным маслом, либо животным жиром, постоянно применявшимися в качестве лампадного масла приблизительно с XVII в. Но китовый жир стоил 2,5 долл. за галлон, что было очень дорог. К середине XIX в. в США для освещения обычные лампы заправлялись небезопасной смесью скипидара со спиртом. Так продолжалось до тех пор, пока все применявшиеся осветительные средства, включая, завоевавшее рынок в 1850-х гг. "угольное масло" из-за недостаточности и дороговизны были повсеместно вытеснены дешевым продуктом переработки нефти - керосином. Важным толчком для этого послужило начало промышленной добычи нефти. Обычно историки увязывают его с бурением нефтяной скважины, осуществленным в августе 1859 г. в лесной глуши северо-западной Пенсильвании в США на берегу небольшого ручья Ойл Крик (в переводе - "Нефтяной ручей") неизвестным до той поры железнодорожным кондуктором Эдвином Дрейком. Подробно об этом в следующей статье.

С получением высококонкурентного керосина из обильной нефти и с появлением в продаже экономичных и надежных осветительных ламп мир вступил в новую эпоху. Нефть из побочного продукта превратилась в повсеместно востребываемое сырье, в самый большой бизнес переживаемый промышленной революцией, а преуспевающие пионеры этого бизнеса стали богатейшими людьми планеты.