Парадокс: человек исследует самые отдалённые уголки Солнечной системы, побывал на Луне, но о том, что таится в недрах родной планеты, не знает практически ничего. Нам известен только один достоверный способ это узнать — бурение.

Эта статья была опубликована в журнале OYLA №5(33). Оформить подписку на печатную и онлайн-версию можно здесь.

Миниатюрные буры для сверления отверстий в камнях существовали ещё в Древнем Египте. Однако первые настоящие буровые инструменты для грунта появились в Китае более 2 тыс. лет назад и использовались для добычи воды и соляных растворов с глубин более полукилометра. В те времена соль была стратегическим ресурсом и люди тратили много сил на её добычу. Китайцы в поисках солёной воды под землёй применяли ударно-канатное бурение: твёрдое кремневое долото с прикреплённой бамбуковой штангой пробивало скважину диаметром до 15 см, а сам бурильный инструмент привязывали к канату, выходящему из устья скважины.

Таким примитивным способом удавалось пробить лишь относительно мягкие грунт и горные породы, при этом в процессе бурения китайцы нередко находили нефтяные и газовые месторождения. К примеру, в центральной части Китая, в провинции Сычуань, добытый таким образом газ сжигали для выпаривания соли из водных растворов. Позже благодаря использованию домашних животных и простейших буровых вышек из стеблей бамбука скважины получилось углубить до 1200 м. Затем в развитии буровых технологий наступил длительный застой.

Современная реконструкция техники бурения, династия Северной Сун (960–1127)

Новый подъём случился только в начале XX века и был связан с ростом спроса на нефтепродукты и изобретением двигателя внутреннего сгорания. Мощные моторы позволили быстро пробивать глубокие скважины для добычи полезных ископаемых. Появились технологии роторного бурения (с использованием вращающегося инструмента), и человек смог углубиться в земную кору на несколько километров. В 1930 году бурильщики достигли отметки 3 км, а к концу 50‑х пробурили 7 км.

Бурение скважин начинается с выбора породоразрушающего инструмента, или, говоря проще, бурового долота. Горных пород много, и они различаются по твёрдости, поэтому подбор долота может стать непростой задачей. Наиболее распространённым является шарошечное долото вращательного бурения: его крутящиеся шарошки оснащены сверхпрочными шипами из карбида вольфрама (WC) и буквально измельчают твёрдые горные породы, в результате чего образуется так называемый буровой шлам.

Вершиной буровой техники считаются PDC-долота (Polycrystalline Diamond Bits), изготовленные из высококачественный стали с вкраплениями алмазных резцов. PDC-долото, в отличие от дробящей шарошечной головки, разрезает горную породу, а это гораздо быстрее, энергетически выгоднее и не сопряжено с разрушающими буровую установку вибрациями.

Если же на глубине встречаются мягкие песчаники, в дело идут лопастные и штыревые долота, недорогие и отлично работающие в этих условиях.

Что делать с раздробленной горной породой в скважине? Если её не извлечь, она смешается с грунтовыми водами, что в итоге приведёт к засорению скважины и заклиниванию бура. Когда-то эту проблему решали, заливая в скважину сотни тысяч литров воды, которая выносила на поверхность кашеобразную массу перемолотой горной породы. Этот метод, предложенный в 1833 году французским инженером Фовелем, существенно упростил процедуру ударно-канатного бурения. Сегодня используются особые буровые растворы, циркулирующие в замкнутой бурильной установке. Шлам из раствора удаляется вибрационными фильтрами.

Если же необходимо добыть нетронутый кусок породы — керн, бур заменяют колонковым снарядом, бурящим породу кольцевым фрезом. Как только керн заполняет внутреннюю часть снаряда, кернорватель отделяет образец, и оператор буровой благополучно вытаскивает его наружу.

Но что приводит в движение, заставляет работать всю эту систему? Конечно же, вращатель. На полу буровой у самого устья скважины устанавливают ротор, который и вращает буровую колонну на скорости от 40 до 320 оборотов в минуту.

Более экономичным выглядит решение с забойным двигателем, опущенным на самое дно скважины. Такой мотор вращает непосредственно бурильное долото в забое, а необходимая для этого энергия передаётся либо через электросеть, либо с помощью бурильного раствора, вращающего лопатки турбины или винт в гидравлическом забойном двигателе. Последняя технология является одной из наиболее распространённых в современной нефтегазодобыче.

Скважины бурят не всегда вертикально. Помимо того что створ скважины постоянно искривляется под действием внешних факторов, нередко это делают умышленно, и тогда бурение становится горизонтальным. Преимуществ здесь много: горизонтальные скважины увеличивают отдачу нефти, а также позволяют буровикам добираться до труднодоступных залежей. Например, над нефтяным месторождением нависает слой чрезвычайно твёрдого гранита, и обычное вертикальное бурение будет очень непростым. В этом случае за пределами гранитного слоя строится установка, которая бурит скважину хитрой формы: долото «подныривает» под гранит и дальше движется в горизонтальном направлении. Для такого «кривого» бурения используют стальной клин (уипсток), с каждым оборотом долота отклоняющий ось вращения от вертикали, а также шарнирные отклонители и компьютеризированные системы с дистанционно управляемыми буровыми долотами. Технологии горизонтального бурения позволяют строить разветвлённые скважины, похожие на корневую систему дерева.

Почти безграничные запасы углеводородов скрыты под тонкой оболочкой морского дна. Но их добыча — крайне сложное и рискованное предприятие. Если месторождение расположено недалеко от берега, сооружается стационарная морская буровая платформа массой в несколько сотен тысяч тонн, которую не могут сдвинуть ни яростные штормы, ни ледовые массы. На глубинах до 500 м буровая устанавливается на гигантские стальные фермы-опоры, прочно забетонированные в морском дне.

Когда нужно организовать добычу на больших глубинах, строят гибкую и относительно лёгкую стальную колонну, напоминающую башенный кран, с буровой платформой на вершине. «Гибкая башня» может качаться на воде, но её конструкция не позволит ей разрушиться.

Платформа TLP (Tension Leg Platform) — это следующий шаг, уже на многокилометровые глубины. Такая буровая не прикреплена жёстко к дну, а зафиксирована тросами и оснащена райзерами — стальными трубами, внутри которых ходят буровые колонны. Устье морской скважины располагается на дне и в обязательном порядке оснащается противовыбросовым превентором — огромным устройством, которое должно перекрыть скважину при аварийном обрыве колонны. Нефть, спрятанная в недрах земли, чаще всего находится под большим давлением и поэтому способна долгое время изливаться через незапечатанную скважину.

Бурить морское дно можно также cо специально оборудованных судов, способных активно перемещаться в поисках оптимального места. С помощью таких кораблей учёные собираются добраться по мантии, пробурив скважину в тонкой земной коре (7–8 км) морского дна. Международная программа по исследованию океана IODP, стартовавшая в 2003 году, возложила эту почётную обязанность на японское буровое судно «Тикю» и американское JOIDES Resolution.

Неисследованная бездна под нашими ногами с каждым годом становится ближе и понятнее — без буровых технологий это было бы невозможно. Они позволяют горнякам извлекать из недр углеводороды, а учёным совершать открытия, одно из которых — подлёдное озеро Восток — стало величайшим географическим открытием второй половины XX века.