БУРЕНИЕ НА НЕФТЬ

Академик М.В. Ломоносов в середине XVIII в. писал: «Велико есть дело достигать во глубину земную разумом, куда рукам и оку досягнуть возбраняет натура; странствовать размышлениями в преисподней, проникать рассуждением сквозь тесные расселины, и вечною ночью помраченные вещи и деяния выводить на солнечную ясность». Его слова относятся к геологическим исследованиям, когда на основе изучения земной поверхности и горных выработок судят о том, что находится на сравнительно небольших глубинах. Однако для практических нужд необходимы максимально точные данные, а для теории – сведения о строении и свойствах недоступных бурению недр; тем более, что нередко там расположены очаги разрушительных землетрясений. Вот почему очевидна ценность геофизических методов, позволяющих с помощью приборов проникать «во глубину земную разумом».

Идея «проникнуть во глубину земную разумов» овладела Жюлем Верном, и он написал научно-фантастический роман «Путешествие к центру Земли». Роман был опубликован в 1864 г. и рассказывает о путешествии, совершенном группой исследователей в земных недрах. Однако достигнуть «центра Земли» героям не удается, и они возвращаются назад через кратер вулкана Стромболи, расположенного у берегов Италии в Тирренском море, в результате совершив переход через всю Европу под землей.

Интересные факты:

• Роман основан на гипотезе о полой земле, которая в XIX веке ещё не была отвергнута.
• Повествование в романе ведется от лица Акселя. Несмотря на то, что роман написан французом, повествование ведется от лица немца.
• Верн сообщает читателю много информации о строении Земли, основанной на тогдашних научных знаниях.
• В романе описана пещера, содержащая огромные кристаллы, на момент написания книги (1864 г.) они не были известны науке. Однако в 1999 г. в Мексике была открыта Пещера кристаллов, уникальная наличием гигантских кристаллов селенита.

Истоки нефти

Китай, 4 век нашей эры. Здесь впервые пробурили нефтяную скважину, используя полые стволы бамбука. Нефть применялась в качестве топлива – ее жгли, чтобы вскипятить соляной раствор из природных источников, выпарить воду и добыть соль. Самые глубокие скважины достигали 240 м. Более того, китайцы создали трубопроводы из бамбуковых трубок, ведущие от места добычи к соляным источникам. Тем не менее, основоположником нефтяной промышленности считается Эдвин Дрейк по прозвищу полковник.

27 августа 1859 г. скважина, которую Эдвин Дрейк пробурил недалеко от города Тайтесвилл, штат Пенсильвания дала первую нефть. Этот день принято считать днем начала нефтяной эры.

Надо сказать, что за 15 лет до этого эпохального события, в 1844 г. американский химик Абрам Геснер получил из угля осветительное масло, которое он назвал «керосином». Но впоследствии название «керосин» закрепилось за очищенной нефтью. Способ получения керосина из нефти был открыт в 1857 г. Феррисом. В отличие от сырой нефти (которую тоже пытались применять для освещения) керосин горел намного лучше, причем без копоти и чада, что и обеспечило успех новому изобретению. С этого времени темпы добычи нефти стали неуклонно возрастать.

Вернемся к скважинам и полковнику Дрейку. Эдвин Лаурентин Дрейк родился 11 марта 1819 г. в городе Гринвиле, штат Нью-Йорк. До того, как связать свою судьбу с нефтью, Эдвин Дрейк переменил множество профессий.

В 1846 г. французский инженер Фовель изобрел способ промывки скважин водяной струей. Он начал употреблять полые штанги и нагнетать в них воду, которую затем выкачивали между стенок бура и скважины вместе с обломками размельченной породы. Изобретение определило эру в истории буровой техники. При такой технологии бурения исключалось скопление грязи в забое скважины, и не было надобности в постоянном подъеме долота. Трудности бурения и стоимость уменьшались во много раз, и оно сразу начало бурно развиваться.

В Нью-Йорке было основано общество для разработки нефтяных источников в штате Пенсильвания. У одного из руководителей общества, Джорджа Бисселя, явилась мысль добывать нефть при помощи буровых скважин. Идея представляется простой, однако прежде она никому не приходила в голову. Биссель узнал, что с помощью бурения уже много лет добывают воду из глубинных соляных источников (из этой воды потом выпаривали соль), причем многие из этих источников были брошены, потому что вместе с водой содержали нефть. Можно было заключить, что нефть и вода находятся под землей поблизости друг от друга и ничто не мешает выкачивать из скважины нефть с помощью насосов точно так же, как это делали с водой. Многие, впрочем, отнеслись к этому предложению с недоверием.

Искусство бурения земли к середине XIX века прошло долгий путь развития, но стояло еще на достаточно примитивном уровне. Преобладающим способом было ударное бурение, при котором скважина выдалбливалась в породе ударами клинообразного разрушающего инструмента – плоского долота или бура. Бурение происходило следующим образом. Сначала выбирали место под скважину. Затем строили вышку и тщательно устанавливали направляющую трубу. Буровая вышка служила станком для подъема бура. Бурение осуществлялось ударами. На конце шеста укреплялась тяжелая головка с резцами: при помощи каната, перекинутого через блок, ее опускали, а затем снова поднимали. Силой своей тяжести она дробила породу. Чтобы скважина получила правильную форму, долото перед каждым ударом поворачивали на определенный угол. Когда бур углублялся в землю на всю свою длину, к нему прикручивали штангу длиной около 3 м.

В пробуренную скважину для крепления стенок опускали железные трубы. Для извлечения раздробленных частиц породы их смачивали водой и превращали в грязь, которую периодически извлекали наверх при помощи желонки – длинного ведра с клапаном на конце. Понятно, что каждый раз для этого приходилось вынимать из скважины бурильный инструмент и развинчивать его на части. На эту работу уходило огромное количество рабочего времени. Если грунт был мягкий, за день можно было пройти до 18 м, но обычно успевали пробурить не более 3-4 м.

В таком положении находились дела, когда Биссель решил применить буровую технику для поиска и добычи нефти. Тогда он еще не подозревал, какой переворот в экономике совершит его идея. Проведение бурения было поручено инженеру Дрейку. Отправляя Дрейка в Пенсильванию, его работодатели мудро позаботились о верительных грамотах для своего посланца. Желая впечатлить местное население, они заблаговременно отправили в место назначения несколько сопроводительных писем, в которых Дрейк именовался как полковник Эдвин Дрейк. Так был изобретен несуществующий полковник, имевший весьма ценное достоинство – упорство. Работодатели поручили полковнику установить можно ли путем бурения получить доступ к большому количеству нефти, это должно было послужить развитию новой отрасли промышленности – производству керосина для освещения.

Площадку для бурения выбрали на искусственном острове в долине реки Ойл Крик. Для буровой машины Дрейк использовал старый паровой двигатель. Некоторое время бур продвигался через слои гравия. На глубине 16 футов (5 м) стенки скважины стали смыкаться. Долгая и бесплодная работа могла привести в отчаяние кого угодно, но не Эдвина Дрейка. Ему пришла в голову идея забивной или обсадной трубы. Забивная труба состояла из сегментов длиною 3 м каждый. В процессе бурения труба погружалась в грунт. Буровой инструмент теперь опускался в скважину через обсадную трубу.

Когда бурильщики достигли глубины в 21 м, из скважины пошла нефть – опыт удался! Установили насос, он стал выкачивать по 8 бочек нефти в день. Спустя неделю это количество выросло до 20 бочек. Итак, 160 лет назад, в июне 1859 г., никому не известный Эдвин Дрейк по прозвищу Полковник пробурил первую нефтяную скважину, основав тем самым новую отрасль промышленности. Чуть позже уже признанный авторитет нефтедобычи Эдвин Дрейк стал первым маклером Нью-йоркской фондовой биржи, специализирующимся на акциях нефтяных компаний. Чтобы стать настоящим нефтяным генералом, Дрейку оставалось лишь научиться делать на нефти деньги. Но сливки достались другим.

Дрейк активно играл на повышение курса акций нефтяных компаний. Но поскольку неумолимая логика жизни диктовала обратное, маклер Дрейк разорился. От нищеты его спасла лишь заслуженная слава основателя и неутомимого популяризатора новой отрасли промышленности . Законодатели. Пенсильвании подавляющим большинством голосов решили выделить ему пожизненную пенсию в размере $1,5 тыс. в год. От глубокой тоски по упущенным возможностям Дрейка спасло только виски. Умер пионер нефтедобычи в 1880 г., когда у всех на устах были имена уже совершенно других людей, сделавших состояния на торговле нефтью. Одним из них был Джон Рокфеллер – американский предприниматель, филантроп, первый официальный долларовый миллиардер в истории человечества, который еще мальчиком, в конце 50-х годов, приезжал к Дрейку посмотреть, как рождается новая отрасль промышленности.

Техника нефтедобычи совершенствовалась. Большое значение имел переход к более производительному роторному бурению. При этом способе бурения цилиндрическое отверстие как бы высверливалось непрерывно вращающимся долотом, а раздробленные частицы в процессе бурения выносились на поверхность постоянно циркулирующей струей промывочной жидкости, беспрерывно закачиваемой в скважину специальным насосом.

Умер Эдвин Дрейк 8 ноября 1880 г. К концу жизни Дрейк пытался отметить свое место в истории. «Я заявляю, что это я изобрел забивную трубу, и я забивал ее, без этого никто не смог бы бурить в низинах, где земля подтоплена. И я заявляю, что пробурил первую скважину для нефти в Америке, и могу показать эту скважину». Он был категоричен: «Если бы я этого не сделал, то этого не сделали бы до сегодняшнего дня».

Это подтверждает Музей скважины Дрейка. Реклама музея гласит: «Запланируйте провести день в Национальном нефтяном парке музея Дрейка в Пенсильвании и вам откроются тайны нефтяных промыслов США». Примечательно, что в этом музее есть большая коллекция аудио и видеоматериалов, экспозиции инструментов и выставки поисковых и буровых машин, помогающих найти месторождения нефти. Посетителям предлагаются уникальные по разнообразию и форме подаче специальные мероприятия и образовательные и познавательные программы. Здесь также вам предложат членство в профессиональных сообществах и участие в жизни музея на общественных началах.

Российская нефтянка

• Рождение российской нефтяной промышленности принято отсчитывать от 1864 г., когда на Кубани в долине реки Кудако полковник Ардалион Николаевич Новосильцев (1816 –1878) участник Кавказской и Крымской войны начал бурить первую скважину на нефть (глубиной 55 м) с применением механического ударно-канатного бурения.
• День работников нефтяной, газовой и топливной промышленности, отмечаемый ежегодно в первое воскресенье сентября, — это профессиональный праздник представителей разнообразных газовых и нефтяных специальностей: геологов и буровиков, разработчиков и строителей, транспортников, технологов; всех тех, кто связал свою судьбу с нефтяной и газовой промышленностью.

Зная об успешном опыте американцев по бурению скважин, Ардалион Новосильцев выписал из США буровую бригаду. В 1864 г. специалисты приступили к работе, но дело как-то не пошло. Одна неудача следовала за другой: простои, неоднократные поломки инструмента, значительные искривления стволов скважин… Как результат – большинство пробуренных скважин недалеко от Анапы оказались сухими. Лишь некоторые из них дали нефть, но приток ее был невелик, так что об окупаемости не могло быть и речи. При этом американцы объясняли: они все делают правильно, виноваты, мол, сложные климатические условия, тяжелый грунт, некачественные трубы, отсутствие цивилизованных условий и прочее.

Новосильцев расторгнул контракт. «Если нет результата, зачем платить большие деньги заморским умельцам?» – рассудил полковник и пригласил отечественных специалистов – инженеров, механиков, слесарей, которые с интересом взялись за новое дело. По рекомендации горного инженера Фридриха Кокшуля было принято решение о сосредоточении разведки на нефть в районе притоков Кубани – рек Кудако и Псиф. В августе 1865 г. начали бурить 5 скважин, в результате чего были получены значительные притоки нефти, две скважины даже фонтанировали, давая в первые дни около 3 т нефти в сутки. А 15 февраля 1866 г. из скважины №1 глубиной 37,6 м ударил первый в истории России нефтяной фонтан, ознаменовавший начало индустриального этапа в истории нефтяной промышленности.

Сегодня на окраине станицы Киевской Краснодарского края стоит металлическая конструкция, которую местные жители называют «Бабушка-вышка». Подошедший поближе путник может увидеть внутри ее скромный обелиск с несколькими потрескавшимися от времени мемориальными досками.

Это событие получило большой резонанс. О нем писали в газетах, доложили императору. «Начало» нефтяной промышленности крепко связали с такой фигурой, как Новосильцев, который стал олицетворением нефтяника-первопроходца.

Дальнейшая судьба Новосильцева сложилась трагично. Вдохновленный полученным результатом, он развернул дело на широкую ногу: организовал масштабные разведочные работы, начал строить нефтеперегонный завод недалеко от Тамани. И вскоре у него начались серьезные финансовые затруднения. С чем только не пришлось столкнуться Новосильцеву: попытки ареста имущества, назначение специального попечительства для управления делами, неурядицы с земельными правами и так далее. Надеясь получить отсрочку по кредитам, он обратился к Александру II.

«В стремлении к развитию столь важной отечественной промышленности, как нефтяное дело, – писал он императору, – я принес в жертву не только все свое состояние, не только увлек значительные капиталы частных лиц, но даже дерзнул прибегнуть к августейшей поддержке Вашего императорского Величества. Удовлетворение этого священного для чести дворянина обязательства составляло цель моей жизни, но в настоящую минуту многолетними тяжкими пожертвованиями дело это, доведенное до благотворного конца, может совершенно погибнуть для меня».

Эти отчаянные строчки были написаны в октябре 1878 г., а 6 декабря 1878 г. Ардалион Новосильцев скончался. Все работы на Кубани были свернуты. Главным местом действия нефтяной лихорадки было суждено стать совсем другому району Российской Империи – Баку.

«Кольская сверхглубокая»

Подземные исследования 1960-х годов напоминали космическую гонку – ведущие страны старались опередить друг друга. Высказывалось мнение о том, что на большой глубине находятся богатейшие залежи полезных ископаемых, в том числе и золота. Первыми сверхглубокие скважины стали бурить американцы. Их ученые выяснили, что земная кора гораздо тоньше под океанами. Поэтому в качестве наиболее перспективного места для работ выбрали район вблизи острова Мауи (Гавайские острова), где земная мантия находится на глубине примерно 5 км (плюс 4-км толща воды). Увы, две попытки исследователей из США закончились неудачно.

Советскому Союзу необходимо было достойно ответить. Наши исследователи предложили создать скважину на континенте – несмотря на то, что бурить надо было дольше, результат обещал быть успешным. Кольская экспериментальная опорная сверхглубокая скважина (СГ-3) стала самой глубокой горной выработкой в мире, имеющей научное значение. В 1997 г. она занесена в Книгу рекордов Гиннесса, как «самое глубокое вторжение человека в земную кору», и является таковой до сих пор.

Бурением скважины и анализом полученных материалов занималась специально созданная для этого Кольская комплексная геолого-разведывательная экспедиция глубокого бурения (1968-1991, с 1992 г. преобразована в Научно-производственный центр «Кольская сверхглубокая»), работавшая под руководством академика Давида Губермана.

Легендарная Кольская сверхглубокая с 1990-х годов остается непревзойденной, уходя в толщу Земли более чем на 12 километров! Её бурили из чисто научного интереса – узнать, какие процессы происходят внутри планеты. Скважина находится в Мурманской области в 10 км к западу от города Заполярный. В результате бурения, которое с перерывами велось с 1970 по 1991 год, глубина скважины составила 12262 м; диаметр верхней части – 92 см, диаметр нижней части – 21,5 см.

С конца XIX века известна теория о том, что наша планета состоит из коры, мантии и ядра. Но где именно кончается один слой и начинается следующий, ученые могли только предполагать. По наиболее распространенной версии, до 3 км вниз идут граниты, далее базальты, а на глубине 15-18 км начинается мантия. Это предстояло проверить на практике. Скважину заложили в 1970 г. в честь 100-летия со дня рождения В.И. Ленина. Выбор места не был случайным – именно здесь, на территории Балтийского щита, на поверхность выходят древнейшие породы, возраст которых насчитывает три миллиарда лет .

На скважине работало 16 научно-исследовательских лабораторий. Устроиться сюда было не менее трудно, чем попасть в отряд космонавтов. Рядовые сотрудники получали тройную зарплату и квартиру в Москве или Ленинграде. Неудивительно, что текучки кадров не было вообще, а на каждое место претендовало не менее 50 кандидатов.

До глубины 7263 м проходка велась с помощью обычной серийной установки, которую в то время использовали при добыче нефти или газа. Этот этап занял четыре года. Потом был годичный перерыв для строительства новой вышки и монтажа более мощной установки «Уралмаш-15000», получившей название «Северянка». В её работе использовался турбинный принцип – когда вращается не вся колонна, а только буровая головка.

С каждым пройденным метром вести проходку становилось сложнее. Ранее считалось, что температура породы даже на глубине 15 км будет не выше 150°С. Но оказалось, что на глубине 8 км она доходила до 169°С, а на глубине 12 км и вовсе составила 220°С!

Оборудование быстро выходило из строя. Но работы продолжались без остановки. Задача первыми в мире достигнуть 12-километровой отметки была политически важной. Её удалось решить в 1983 г. – как раз ко времени начала Международного геологического конгресса в Москве. Делегатам конгресса показали образцы грунта, взятого с рекордной глубины 12 км, для них была организована поездка к скважине. Но главное – специально к конгрессу подготовили сенсацию. Выяснилось, что образцы пород, взятые на 3-километровой глубине Кольской скважины, полностью идентичны лунному грунту (он был впервые доставлен на Землю советской автоматической космической станцией «Луна-16» в 1970 г.). Фотографии и статьи о Кольской сверхглубокой обошли все ведущие мировые газеты и журналы. В нескольких странах в её честь выпустили почтовые марки.

Работы на Кольской сверхглубокой были приостановлены. Их возобновили только в сентябре 1984 г. И первый же запуск привел к крупнейшей аварии. Сотрудники словно забыли о том, что внутри подземного хода постоянно идут изменения. Скважина не прощает остановку работ – и заставляет начинать всё сначала. В результате произошёл обрыв буровой колонны, в глубине осталось 5 км труб. Их пытались достать, но через несколько месяцев стало понятно, что сделать это не удастся. Буровые работы снова начались с 7-километровой отметки. К глубине 12 км второй раз подошли только через шесть лет. В 1990 г. достигли максимум – 12262 м. А дальше на работе скважины сказались как неудачи локального масштаба, так и происходившие в стране события. Возможности имеющейся техники были исчерпаны, государственное финансирование резко уменьшилось. После нескольких серьезных аварий бурение в 1992 г. прекратили.

Научное значение Кольской сверхглубокой сложно переоценить. Прежде всего, работы на ней подтвердили догадку о богатых залежах полезных ископаемых на больших глубинах. Конечно, драгоценных металлов в чистом виде там не нашли. Но на отметке 9 км были обнаружены пласты с содержанием золота 78 граммов на тонну (активная промышленная добыча ведется, когда такое содержание составляет 34 грамма на тонну). Кроме того, анализ древних глубинных пород позволил уточнить возраст Земли – оказалось, что она на полтора миллиарда лет старше, чем было принято думать.

Считалось, что на сверхглубинах нет и быть не может органической жизни, но в поднятых на поверхность образцах грунта, возраст которого составлял три миллиарда лет, обнаружили 14 ранее неизвестных видов окаменевших микроорганизмов.

Интересные факты о СГ-3:

• За время бурения скважины было использовано более 50 км бурильных труб.
• Масса бурильной колонны в скважине составляла более 200 т.
• В процессе сооружения скважины использовались бурильные трубы из легкосплавного материала. Если бы использовались стальные трубы, то они бы оборвались под собственным весом.
• Проходка за рейс составляла от 7 до 10 мм, а время на бурения составляло в среднем 4 ч, что обусловлено продолжительностью «жизни» буровой коронки. Несмотря на это, ввиду множества осложнений и аварий в скважине, за месяц бурилось в среднем 60 м.
• Время проведения спускоподъемных операций до отметки 12 км составляло порядка 18 ч.
• При обрывах инструмента, производилось забуривание новых стволов над местом обрыва. Всего было забурено 12 таких стволов, четыре из которых длиной до 5000 м.

---

Алексей РЕНКЕЛЬ,
Москва
Для “PA NY”