Буровые инструменты - история

ОТ ДРЕВНЕГО ЕГИПТА ДО СРЕДНЕВЕКОВЬЯ

Уже Древний Египет среди множества документов, свидетельствующих о развитии его культуры, оставил нам изображения операции сверления каменных (не глиняных!) сосудов (см. рис. 10). Сверло вращалось коловоротом. Подвески груза из двух мешков с песком создавали необходимое давление на сверло. Для рассверливания использовались сменные буры-полумесяцы из кремния. Они крепились в пропиле на конце стержня. Находки таких полумесяцев неоднократно отмечались археологами. В процессе расточки полость сосуда заполнялась водой для охлаждения и удаления продуктов разрушения породы.

Среди музейных экспонатов 5000-летнего возраста имеется медный прут с трубкой на конце. Этот древнейший буровой инструмент применялся для получения отверстий в строительных каменных блоках. Монолит разрушался абразивным песком, находящимся под ¹⁰Рцом медной трубки. Трубка вращалась вручную и заливалась водой.

Роль сверления в древнеегипетской каменной культу.ре постепенно росла. Сверленые отверстия находят в ювелирных изделиях, в Отдельных элементах скульптур и пирамид. Без них не обходится военное дело, в частности при сверлении отверстий в крепостных стенах.

Есть указания о совершенствовании техники бурения (именно бурения, а не сверления) в Древнем Риме. Так, для инженерно- геологических изысканий при строительстве дворцов применялся ложковый бур, мало чем отличающийся от современного.

Зарождение собственно бурения, т. е. получения глубокого отверстия в недрах Земли, обычно относят к 111—VI в. до н. э. на территории Китая. Примечательно, что технологические особенности китайского бурения почти не имеют каких-либо общих черт с описанными выше способами сверления. Отличие заключается в том, чго скважины бурились без вращения, инструмент для разрушения породы углублялся за счет удара. Подвешивалсн он на канате. Много позднее такое бурение назвали ударно-канатным, оно существует и поныне.

Успехи ударно-канатного способа поначалу были настолько велики, что вращательное бурение, известное в далекой древности, надолго — на несколько столетий — было забыто. Возрождение его отмечается во времена Леонардо да Винчи.

Философ Конфуций за 600 лет до н. э. уже сообщал о китайских скважинах глубиной до 500 м. Этот рекорд глубины был перекрыт только в XIX в.

Скважины бурились для добычи соляных растворов и питьевой воды. Иногда вместе с ними получали газ н даже нефть. Общее представление о наиболее ранних конструкциях буровых установок дано на рис. 11. Ударный импульс на инструмент создавался упругим качанием балансира, зажатого в земле.

Дальнейшее совершенствование китайской техники бурения привело к появлению более сложных установок, где кроме рабочей живой силы использовались животные (см. рис. 11). Опоры буровой вышки изготовлялись из бамбука. Впрочем, из бамбука делалось все: трубы, инструменты, даже буровое долото. Устье скважины во избежание обрушения закрывалось каменной плитой с отверстием. Для аварийных случаев были созданы многочисленные конструкции различных вспомогательных инструментов. Максимальная глубина скважины достигала 1200 м.

Однако самое странное состояло в том, что изобретение китайцев с веками почти не изменялось. Французы Г. Имберт и А. Гумбольдт, побывавшие в Китае в начале XIX в., описывали китайский метод бурения таким, каким он был около 2,5 тыс. лет назад.

Китайский способ бурения стал известен в Европе спустя много столетий, поэтому возможность независимого его изобретения европейцами почти исключена. Есть сведения, что во времена татарского

Ряс. 12. Бурение под рассолоподъемную трубу на Балахонском Усолье: 1 — канат; 2— очап; 3— коромысло; 4— соха; 5—переклад; 6—развилка для привязных блоков; 7 — лестница; 8, 9 — ворот с блоками для буровых операций и спуска труб; 10—веслая труба; 11— изба; 12 — обсрчная труба; 13 — матица

господства, простиравшегося до юга России, сведения о китайском бурении проникли к русским, а затем — на Запад. По другим дан» ным, определенная заслуга приписывается знаменитому путешественнику Марко Поло (1291 г.) — уроженцу острова Корчула.

В России в XI—XI11 вв. в районах Усолья, Соли-Камской Балахны зародилась своя, отличная от китайской, технология бу рения скважин на рассолы. Первые рукописные упоминания о соляных промыслах относятся к 1332—1370 гг., но бурение началось много раньше. До сих пор масштабы буровых сооружений тех лет поражают наше воображение (рис. 12). Как много знали и умели наши далекие предки! Для того времени подобная техника была уникальной. В России была создана своя техническая терминология, самобытная и совершенно не подверженная иностранному влиянию.

Диаметр соляных скважин был и 1 м, а глубина превышала 100 м. Даже для современной техники бурение таких стволов* шахт дело далеко не простое.

Соляной раствор добывался через рассолоподъемпые трубы. Они имели трехступенчатую конструкцию: верхняя называлась матицей, вторая — обсадной, третья — веслой. Трубы были деревянными, металлические трубы (сначала клепаные) появились в бурении только в XIX в.

Поначалу матицы делались из цельных деревьев с выбранной серединой. Потом они составлялись из отдельных брусков, скрепленных просмоленным холстом, а позднее—железными оковами.

Высота журавля (он назывался очапом), достигала 18 м, т. е. по высоте буровое устройство достигало современных размеров. Это позволяло спускать в скважину отдельное секции труб длиной до двух десятков метров. Коромысло журавля имело длину 20 м. На одном из его концов укреплялся контргруз. Ручной ворот оригинальной конструкции с вертикальным расположением ос si служил для получения качательных движений инструмента.

Буровой инструмент доставлялся в скважину на деревянных шестах, по современной терминологии — штангах. Отдельные инструменты того времени имели весьма примечательные, чисто русские названия: шелом, подгубное долото, трезубец и др.

В Балахонском Усолье в XIV—XVI вв. буровое оборудование было еще более усовершенствовано. Усложнения конструкции, при* чиной которых стала необходимость бурения иа глубину до 250 м, в первую очередь коснулись способа принудительного спуска обсадных труб и устройств, необходимых для подъема тяжелых узлов. Стали раздельными подъемные устройства для бурения и спуска труб.

Такая техника применялась в Балахне и Соликамске вплоть до 70-х годов XIX в. До йих пор в Балахнинском краеведческом музее (Горьковская область) хранится часть деревянной солеподъемной трубы.

Следует упомянуть. одну из интереснейших исторических находок, сделанных в 60-х годах прошлого столетия. В г. Тотьма (Волэ- годская обл.), было найдено одно из первых рукописных руководств по бурению скважин, датированное XVI в. Оно называлось «Роспись как зачать делать новая труба на новом месте».

По материалам рукописи был составлен словарь старорусских технических терминов по бурению, содержащий 128 названий. В основе их — коренные русские слова. Интересно, что буровики Назывались тогд$ трубными мастерами, а скважины — трубами.

Бурение рассолоподъемных скважин было весьма дорогой, тяжелой и продолжительной операцией. Такце работы были не под ^силу отдельному владельцу или даже монастырю. Поэтому юрицп-

2-109.3

ческие права на бурение скважин и откуп земли давались в те времена на государственном уровне — грамотой от царя.

Бурение в России широко применялось в XVI—XVII вв. для водоснабжения. Так, в писцовой книге 1545 г. Старая Русса в списке жителей города числятся: трубные соляные мастера — 8; ру- кавщики — 3; трубники — 1; бочары — 1; ведериики — 2.

Трубные мастера работали не только в Центральной России, ио и на Урале и восточнее его.

В 1568 г. в купчей Кириллова монастыря Двинского уезда упоминаются площади «с варницами... и с трубами, ...да шестнадцать буравов железных, трубы вертят». Запись весьма примечательная. Она свидетельствует о размахе буровых работ — шестнадцатью буравами можно пробурить множество скважин. На соляных месторождениях Руси возобновился вращательный способ бурения, отличный от ударно-канатного. Таким образом, оба способа бурения развивались параллельно примерно в одно и то же время.

На Урале в петровские времена широко использовались специалисты из Германии. Они разработали не только технологию, но и сделали все возможное, чтобы вытеснить русскую терминологию. Именно тогда в русскую речь вошли термины «борование — буро- ванне — бурение».

Вероятно, первое описание бурения на рассолы с рисунками было дано В. де Генннн в 1734 г. Им описаны соляные заводы в Дедюхине н у Солм-Камской по речке Усолке. Он пишет: «...на оных местах проходят землю буром до росолу и в действе одного бура, егда выннмаетца земля, усматриваетца прилежно, дабы не пройти жилы росолу, которым буром оной росол сыскиваетца в разных мерах сажен от 20 до 30». Далее следует подробное описание размеров труб, «опущаемых в землю».

В. де Геннин попытался провести исторический экскурс и выяснить, откуда на Руси появился столь необычный способ бурения: «А откуду таково искание издревле произошло, такого буро- вания с разными инструментами нигде в описании сыскать невозможно, и признаваетца больше, чем оное искуство от других краев достато. А для виду куриозитегу, как оное бурование произво- дитца, приллгаетца профиль на... странице».

Не смог В. де Геннин допустить и мысли о возможности изобретения русскими своего, самобытного способа бурения! Прием не только не новый, но и повторяющийся позднее в адрес русских из века в век, всякий раз, когда они удивляли мир необыкновенными открытиями.

Старый опыт русского бурения, конечно, не мог остаться полностью потерянным и помогал быстро и надежно осваивать немс/1* кую технику и технологию. На уральских рудниках и заводах Демидовых к середппе XVIII в. специальность бурильщика была широко распространена иа буровзрывных работах в шахтах и карьерах, о чем свидетельствуют многие архивные документы. Так, в Нижне-Тагильских архивах записано: «Бурелыцик Иван Петров, родом из Московской губернии,... пришел на завод... работает иа заводе рудным бурельщиком, плату получает 8 коп. в день».

Буровзрывное дело с тех пор стало на уральских рудниках основным видом горных работ.

До сих пор в книге рассматривались наиболее характерные узлы бурового устройства, непосредственно связанные с разрушением горной породы. Но буровой станок, как и всякая машина, содержит механизмы общетехнического назначения: передаточный механизм (коробка скоростей, как ее назвали бы теперь), тормозное устройство, талевую систему, вышку и т. д.

Еще в Древнем Риме существовали подъемные устройства, содержащие все современные элементы подъемной вышки, включая многоблоковые полиспасты. Подъемные машины принципиально ничем не отличались от современных. Известны даже одноопориые устройства вышек, по изяществу инженерного исполнения вполне соперничающие с самыми новейшими современными подъемными кранами. Все машины были деревянными, металл начали применять много позже, ио общее инженерное решение подъемников было Достаточно совершенным и ушедшие века мало нх изменили. В бурении, как и в других областях техники, основы технологии, нли принцип работы, как правило, не меняются многие десятки и сотни лет. Чаще всего наблюдается постепенное улучшение отдельных элементов, способствующее облегчению условий труда нли транспортировки объекта, механизации или автоматизации отдельных трудоемких операций и т. д.

Эта общая закономерность в развитии большинства направлений техники, а отдельные революционные решения скорее подтверждают общее правило, чем исключают его.

В машинах средневековья мы встречаемся с остроумно разработанными цевочными, реже — зубчатыми передаточными механизмами, с фрикционным тормозом — узлами, обязательными для Современных буровых устройств.

В качестве привода использовали животных и энергию падающей воды. Уже тогда были сконструированы необычные сверлильные ^станки, например для высверливания каналов в пушечных стволах. Станок приводился в движение, водяным колесом. Характерной Деталью станка, роднящей его с более поздними конструкциями буровых и сверлильных устройств, является механизм принуди
тельной подачи сверла. Он выполнен в виде ворота, канат которою привязан к скользящей тележке.

Таким образом, отдельные общетехнические элементы машин, в том числе буровых, появлялись и развивались значительно раньше и быстрее, чем комплексные устройства узкоцелевого назначения. В противном случае техника не развивалась бы столь успешно как в прошлом, так и теперь.