АНАЛИЗ РАЗВИТИЯ ТЕХНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ «БУРЕНИЕ»

Этапы и возможные направления развития технической системы «Бурение»

Исторические аспекты становления и развития, возможностей технической системы «Бурение»

Термин «Бурение» определяет существо самого процесса проникновения бура в земную твердь и это слово по звучанию и смыслу близко к слову «борение» - преодоление.

Бурение несет в себе айсберговый принцип: самое значительное - бурильная колонна с буром, находятся на глубине, определяя существо и смысл бурового процесса, его техническое своеобразие. Бурение имеет глубокие исторические корни и относится к наиболее древним техническим системам.

Используя результаты исследований и разработки ведущих специалистов бурения, а также учитывая результаты исторических исследований,

Рис. 3.1. Сверление в эпоху неолита

представленные в работах проф. Б. М. Ребрика [25] и проф. В. Е. Копылова [17], можно в виде схематичного наброска представить этапы

развития технической системы «Бурение» с выделением некоторых новых перспектив

развития.

1. Появление бурения связано с древнейшим периодом развития человеческого общества - 13-7 тысячелетие до н. э. Первые опыты человека в сверлении известны по древнейшим находкам пластинчатых кремниевых сверл и изделий, в которых делались отверстия: бусы, блоки породы, каменные сосуды и др.

Технология сверления [25, рис. 3.1], очевидно, возникла в развитие методов и средств добывания огня трением с применением лучкового привода.

Добывая огонь путем трения торцов палочек о дерево, человек заметил, что со временем на месте трения появляется выемка и стал этот опыт использовать для формирования углублений, а затем и отверстий, сначала в древесине, а затем в камне и других материалах, решая свои технические задачи.

Поэтому вполне уместно наиболее близким к буровикам считать мифического героя бесстрашного титана Прометея, подарившего огонь людям. О принадлежности Прометея к сословию геологов-буровиков говорит и его имя. Например, в книге проф. Б. М. Ребрика [25] указано, что имя Прометей, возможно, произошло от слов «праманте, праманта» - кручение, или поворачивание, погружение, палки, штанги. И еще там же приводятся слова Прометея из трагедии Эсхила (около 525-456 гг. до н. э.) «... А богатства, скрытые в подземных недрах, - серебро и золото, железо, медь - я... их обнаружил первым и на свет извлек».

Таким образом, одним из первых изобретений человека можно считать изобретение сверлильного (бурового) станка вслед за изобретением устройства для добывания рукотворного огня.

Интересна связь бурения - первого бурового станка в виде лучкового сверлильного устройства, как уже было сказано, прототипом которого было устройство добывания огня трением (рис. 3.1), с символами религии и веры человеческой цивилизации. Как считают исследователи древности, устройство для добывания огня в виде крестовины стало прообразом такого общечеловеческого символа веры, как крест.

Действительно, если внимательно рассмотреть рис. 3.1, то можно отметить два характерных места работы сил трения: в точке 1 осуществляется образование отверстия, в точке 2 нагрев, тление и возгорание. Очевидно, что при сверлении требовалось гасить возможное тление и возгорание водой.

Слово «крест» происходит от древнеславянского слова «крес» - огонь. Слово огонь же происходит от более древнего санкритского слова agn, которое обозначает понятие естественный огонь, тогда как словом крес обозначался огонь добытый, т. е. искусственный. Отсюда возникло широко известное слово кресало - карманное устройство для добывания огня. Слово «крес» означает видимо «кр - есть», т. е. сам огонь это собственно буквенное сочетание «кр». Это становится понятным, если вспомнить, что есть такое красивое славянское слово «искра», что значит «из кра», т.е. видимо летящие из огня. Буква «т» в слове «крест» на древнеславянском - «твердь», т. е. основа устройства добывания огня.

Священный огонь - появляющийся в месте трения пересекающихся вертикальной стойки и горизонтального бруса. Поклонение огню привело к тому, что люди стали поклоняться и средству добывания огня - кресту. Поэтому в древнерусском наречии «крес»-огонь и «крест» - средство его добывания, оказались однокоренными. Впоследствии обобщенная и стилизованная схема устройства для добывания огня стала символом веры, вечности и бесконечности, божественным знаком.

Этимологический, лингвистический и исторический анализ показывают, что и технические термины - крест, бур, имеют древнейшее происхождение и связаны с процессом добывания огня-креса древним человеком. Бур - это, вероятно, нечто иное, как элемент устройства для добывания огня, а именно вертикальный деревянный стержень, который нагружался и вращался, вызывая процесс трения, нагрев и возгорание под торцом (см. рис. 3.1). Бур мог опираться на горизонтальное перекрестие, (необходимое для устойчивости) двух брусков - крест [21].

Таким образом, крест как божественный знак несет в себе черты облика первых устройств, созданных человеком для добывания огня и сверления, т. е. прообраза бурового станка.

В данном случае символично, что огонь даст тепловую энергию, а бурение во все времена применялось, прежде всего, для энергетического обеспечения человеческой цивилизации.

Очевидно основное направление развития сверления - удлинение просверливаемых отверстий. Появился привод в виде лука (тетива обвивается вокруг сверла, и сверло вращается слева направо и затем справа налево перемещением лука).

Решив в основном задачу сверления отверстий использованием кремниевых сверл, а также абразива, засыпаемого под торец деревянных брусков или медных трубок, человек сделал попытки сверлить углубления в земной поверхности и достиг в этом значительных результатов.

• 2. Второй этап развития сверления-бурения с использованием длинных колонн-сверл, очевидно, из бамбука. Проблемой являлось ограничение глубины сверления.
• 3. Китайский способ бурения III—IV в. до и. э. Ударно-канатное бурение скважин глубиной до 500 м.
• 4. Возврат к вращательному бурению, в том числе дробью и алмазами, с использованием стальных колонн. Совершенствование конструктивных схем буровых станков от агрегатов с кремальерой с приводом от паровых машин и двигателей внутреннего сгорания к станкам шпиндельного типа с электроприводом и гидрофицированным, к полностью гидрофицированным станкам с подвижным вращателем.

> Кремальера - механизм подачи бурового станка через зубчатое зацепление рычага с корпусом вращателя.

5. Попытка отказа от вращения колонны бурильных труб, так как с ростом глубины снижается эффективность передачи энергии к забою. Появляются турбобуры, электробуры, винтовые забойные двигатели.

Внедрение электробуров сдерживается проблемой передачи электроэнергии с поверхности через составную и периодически разбираемую бурильную колонну.

6. С появлением забойных двигателей возникает стремление специалистов отказаться от жесткой составной бурильной колонны. Появляются шлангокабсль вместо составной бурильной колонны (1970-е г.г.) и позднее (в 1990-е г.г.) колтюбинг и эффективные телеметрические системы с набором датчиков способных получить и передать ряд основных параметров процесса на поверхность с целью решения задач управления бурением.

> Шлангокабель - бурение скважин с использованием гибкой неразъемной трубы, изготовленной с использованием резины, пластика и стальной несущей арматуры, навиваемой на катушку-барабан, взамен традиционной разъемной бурильной колоны.

> Колтюбинг - (англ, coiled tubing - катушка-труба) - бурение скважин с использованием стальной длинномерной безмуфтовой гибкой грубы, навиваемой на катушку-барабан, взамен традиционной разъемной бурильной колонны.

Внедрение колтюбинга решает проблему, связанную с внедрением электробуров, так как появляется возможность подачи электроэнергии к забою по сплошному электронесущему кабелю.

• 7. С появлением неограниченных по качеству возможностей подачи к забою электрической энергии реально намечаются пути совершенствования способов разрушения горных пород. К таким способам можно отнести :
  • - термомеханическое бурение,
  • - бурение плавлением,
  • - разрушение породы лазером.
• 8. С появлением нового работоспособного способа разрушения горных пород, для которого уже не потребуется промывочная жидкость, а значит и канал для ее подачи, могут появиться условия для отказа от колонны гибких труб, которая будет заменена несущим кабелем.
• 9. Далее возможны варианты исполнения бурового агрегата, в котором снаряд будет двигаться в скважине самостоятельно:
  • - имея канал связи в виде кабеля;
  • - вовсе без кабеля, управляемый посредством радиосвязи.

Второй вариант предполагает использование мощного автономного источника энергии для работы подземного агрегата, возможно, ядерного.

10. Далее возможен переход к созданию нового направления в науке и технике: глубинного подземного транспорта. Необходимость данного направления связана с освоением недр для размещения разнообразных и экологически небезопасных производств, прежде всего горно-обогатительных подземных фабрик и металлургических предприятий, энергетических станций, использующих тепло Земли, транспортных артерий, получения новых источников энергии, выявления и добычи полезных ископаемых.

Технология и техника бурения, пройдя свой путь развития от способов сверления отверстий устройствами с ручным приводом до технологий бурения современными буровыми агрегатами, позволила получить выдающиеся практические результаты.

В настоящее время глубина самой глубокой скважины в мире (СГ-3, Россия) равна 12 262 м, скважины в автоматическом режиме пробурены на Луне и Марсе.

Ежегодно в мире бурятся десятки миллионов скважин различного назначения и сложности. Например, бурение многоствольных скважин с десятками дополнительных стволов, создающих развитую многоярусную «корневую» систему исследования недр. В настоящее время широко практикуется бурение уникальных по сложности вертикально-горизонтальных и разветвленных скважин с целью добычи нефти и газа в пределах нефтегазоносного пласта, мощность которого может быть всего несколько метров. В Калифорнии (США) пробурена уникальная глубокая вертикально-горизонтальная скважина с горизонтальным участком в пределах нефтегазоносного пласта длиной 3 865 м.

В 2010 г. компания Exxon Neftegas Limited (ENL) сообщила о том, что на шельфе Сахалина пробурена самая протяженная вертикально-горизонтальная скважина - длина ствола 12 345 м.

Скважины бурятся как на суше - с поверхности и в подземном пространстве, так и на шельфах морей и океанов с плавучих и стационарных платформ.

При этом в практике бурения нефтяных и газовых скважин в последнее время прослеживается любопытная тенденция: буримые скважины постоянно удлиняются, но в основном не за счет проникновения в глубину, а за счет горизонтального расположения и самого причудливого разветвления в пределах имеющихся пластов - коллекторов, с целью повышения дебита и нефтегазоотдачи месторождений.

В связи с развитием вертикально-горизонтального бурения появились и развиваются новые направления в технологии и технике буровых работ:

• - новые способы разрушения горных пород;
• - применение буровых установок нового поколения, так называемого колтюбинга;
• - бурение и вскрытие продуктивных горизонтов на депрессии;
• - строительство сложных многозабойных и разветвленных скважин.

> Бурение на депрессии — проходка скважин в условиях, когда гидростатическое давление - давление столба очистного агента, равняется или меньше пластового давления.

Буровые технологии в настоящее время получают новое применение. Например, используется так называемое горизонтальное направленное бурение (ГНБ) для прокладки трубопроводов и других коммуникаций под природными и техногенными объектами без создания траншей. В России выполнены значительные работы по технологии ГНБ при переходах через реки Тобол, Обь и Иртыш (прокладка электрических и оптоволоконных кабелей). В Китае проведена работа по прокладке трубопровода под рекой Янцзы у города Нанкин длиной 1 688 м, диаметром 406 мм. Все работы произведены всего за 15 дней.

В настоящий момент технологии прокладки коммуникаций позволяют бурением формировать не только скважины, но и микротоннели, выполнять замену изношенных труб без раскапывания траншей.

Буровые технологии становятся все более востребованными при создании новых возобновляемых источников энергии (ВИЭ). Создаваемые скважинные системы, как показывает анализ, могут быть весьма разнообразны и способны уже в настоящее время заменить традиционные источники энергии на основе углеводородного сырья.

В настоящее время в связи развитием альтернативной энергетики появляются новые идеи и разработки возобновляемых источников энергии (ВИЭ). В таких странах как Германия, Япония, Норвегия, страны северной Европы и др., уделяется большое внимание использованию таких разработок. И в данном случае рядом возможных вариантов ВИЭ могут являться источники энергии скважинного типа, некоторые из которых можно реализовать только методами направленного бурения. Например, бурение скважин для получения тепловой энергии Земли. В данном случае необходимо осуществить проходку двух достаточно глубоких скважин выдержанного направления, по одной из которых с поверхности Земли будет подаваться вода низкой температуры, а из другой будет извлекаться теплоноситель - горячая вода или пар, нагретые горячими горными породами.

Другой вариант применения направленного бурения связан с созданием электростанций воздушно-тягового типа, или деривационных ГЭС. В этом случае потребуется бурение вертикально-горизонтального ствола строго заданного направления, через который в первом случае будет осуществляться перемещение воздуха за счет естественной тяги вследствие перепада температур (скважина, например, бурится с вершины горы с выходом на её южный слон у подножия), а во втором через ствол будет отводиться из водоема, например, реки, часть воды и сбрасываться в ту же реку, но ниже по течению. В обоих случаях энергия движущихся через скважину потоков воздуха или воды будет преобразована в электроэнергию посредством установленных в скважинах генераторов, вращаемых этими потоками.

> Деривационная ГЭС - гидроэлектрическая станция, напор которой обеспечивается посредством отведения от речного русла по созданным каналам (скважине) некоторого объема воды к станционному узлу, где за счет естественного уклона местности создается перепад уровней между верхним и нижним бьефом. После использования отведенная вода вновь направляется в реку или к следующей ГЭС. Строятся в основном на горных реках.