Третий прорыв в бурении

Бурение скважин — одна из древнейших технологий, созданных человеком. Известны описания древних китайских скважин для добычи глины, воды, газа. Но вплоть до 1880-х годов метод бурения везде был примерно одним — ударным. Ударный метод — это когда в забой обрушивается тяжелый буровой снаряд, своим весом дробящий породу, которая затем вычерпывается. Сегодня такой подход тоже используется, но является скорее вспомогательным — например, его применяют при бурении сверхглубоких скважин. Он не слишком эффективен, зато максимально прост технически. Достаточно поднять тяжелый снаряд и отпустить его. И снова поднять. И отпустить.

Огромный шаг в технике бурения сделали в 1840-е годы французы. В 1833 году инженер Пьер-Паскаль Фовель заметил, как отработанная порода выносится подземным ручьем, в который случайно попал буровой снаряд. К 1844 году Фовель на собственные средства пробурил 219-метровую скважину для артезианской воды под Перпиньяном и испытал там систему искусственной промывки. Получив патент, он триумфально продемонстрировал технологию 31 августа 1846 года: в его системе вода под давлением подавалась прямо через снаряд и вымывала раздробленную породу на поверхность через отводной канал. В тот же год патент на аналогичную технологию получил англичанин Роберт Бирт, но он так и не нашел средств для воплощения идеи в жизнь. Промывка скважин стала прорывом в первую очередь потому, что позволила удалять породу без остановки бурения. И это был первый шаг к турбобуру.

Следующий прорыв произошел в 1880-е годы в США, где впервые применили не ударное, а вращательное бурение, то есть что-то вроде принципа сверла. Буровая колонна с долотом или коронкой на конце опускалась в скважину и приводилась во вращение паровым двигателем. Такой метод был намного эффективнее ударного бурения, но позволял работать только на относительно небольших глубинах. Впрочем, уже вполне достаточных для активно растущей в те годы добычи нефти.

Основным недостатком вращательного бурения была необходимость крутить всю буровую колонну, то есть длинный, тяжелый, трущийся о стенки скважины снаряд. Предпринимались попытки разработать отдельный привод для наконечника, и в результате в конце XIX века появилась еще одна разновидность бурения — роторное, когда вращение инструмента осуществляется от ротора в буровой вышке через привод, проходящий через всю колонну.

Лопастное долото, похожее на рыбий хвост, прикреплялось на резьбе к нижней части колонны бурильных труб и приводилось во вращение с поверхности специальным механизмом — ротором. Этот способ передачи мощности долоту через длинную и гибкую бурильную колонну позволил значительно увеличить скорость бурения, хотя и имел очевидные недостатки, главным из которых была частая поломка труб. Аварии с бурильными трубами значительно участились с увеличением глубин бурения. Примерно в то же время возникла идея установить двигатель для передачи вращения непосредственно над долотом. Попытки создания гидравлического забойного двигателя, использующего энергию потока промывочной жидкости, для вращательного привода долота при бурении скважин предпринимались как у нас в стране, так и за рубежом. Но к серьезным практическим результатам они поначалу не приводили. Оригинальные изобретения забойных гидравлических вращательных механизмов швейцарца А. Брандта, американцев Х. Г. Кросса и Дж. Вестингауза, российских инженеров К. Г. Симченко и П. В. Балицкого и других изобретателей, сделанные в период с 1873 по 1900 год, не получили практического применения. Та же участь постигла и забойные механизмы гидроударного действия — так называемые тараны, разработанные инженерами Вольским и Прушковским.

Турбобур, об изобретателе которого российском и советском инженере Матвее Капелюшникове мы собираемся рассказать, стал третьим прорывом.

 

Нефть для нового правительства

Матвей Капелюшников родился 12 сентября 1886 года в Тифлисской губернии в семье военного кавалериста. Он не пошел по стопам отца и сначала получал образование в железнодорожном училище Елисаветполя (ныне Гянджа, Азербайджан), потом — в реальном училище Кутаиси, затем отправился за высшим образованием в Томск. И в 1914 году окончил механический факультет Томского технологического института.

Получив специальность инженера-механика, в 1914 году он поступил работать в технический отдел фирмы «Бакинское общество русской нефти» (БОРН), принадлежавшей англичанам и имевшей штаб-квартиру в Лондоне, где стал конструктором технического отдела. Он разрабатывал системы вращательного бурения, резервуары для хранения нефти, бензиновые установки и т. д.

Революция и Гражданская война практически не коснулись Капелюшникова: нефть была значительным финансовым ресурсом страны, и новому правительству требовалась бесперебойная работа отрасли. В 1920 году нефтяная промышленность была национализирована, а бакинские заводы объединены в трест «Азнефтеком». Капелюшников нашел место в новой структуре: он работал членом коллегии управления нефтеперегонными заводами третьей группы треста, а затем, в 1923–1933 годах, заместителем начальника технического бюро «Азнефтекома».

Именно здесь Матвей Алкунович начал работать над практическим осуществлением революционной для того времени идеи создания гидротурбинного забойного двигателя для бурения скважин.

 

Рождение турбобура

Став замначальника техбюро, Капелюшников задумался над вопросом, который ставил в тупик не одного инженера. Можно ли эффективно вращать инструмент на конце буровой колонны, не затрачивая энергию на вращение всей колонны и даже просто привода ротора? На движение всех этих дополнительных деталей уходила львиная доля мощности, и КПД всей установки был крайне мал.

Он привлек к работе двух подчиненных — инженеров Семена Волоха и Николая Корнева. Всего за несколько месяцев они втроем полностью рассчитали и разработали систему, позволяющую решить проблему. На конце колонны располагался цилиндрический кожух-утолщение, внутри которого находилась одноступенчатая турбина. Промывочная жидкость, проходившая под давлением через ствол колонны, заодно вращала турбину, от которой приводился наконечник бура. Идея казалась настолько простой, что непонятно было, почему никто не реализовал ее на десять, двадцать или даже тридцать лет раньше.

Однако руководство «Азнефти» не заинтересовалось этой технологией, а поддержал изобретателя Сергей Киров, на тот момент первый секретарь ЦК Компартии Азербайджана, к которому Капелюшников обратился за помощью. По указанию Кирова на Мальцевском механическом заводе была изготовлена пробная партия турбобуров по проекту Капелюшникова, И в 1923 году новое устройство успешно показало себя на испытаниях. А в 1924-м в Сураханах турбобуром была пробурена первая в истории турбинного способа бурения скважина глубиной около 600 метров.

Конечно, не обошлось без проблем. С одной стороны, в 1923–1924 годах было проведено несколько успешных бурений, в том числе в присутствии Кирова, и эффективный КПД при этом оказался заметно выше, чем при обычном роторном бурении. С другой — турбобур был технически сложным приспособлением, он перегревался, турбина часто выходила из строя, и в производстве подобный механизм стоил значительно дороже простой колонны.

В 1922 году Капелюшников, Волох и Корнев подали заявку на совместное изобретение. Годом позже Капелюшников, уже почему-то в одиночку, подал заявку на патент в Великобритании. Волох и Корнев неожиданно отказались от своего первенства, написав официальное письмо в советское патентное ведомство. Возможно, какую-то роль в этом сыграла политика, но история об этом умалчивает. Таким образом, Капелюшников получил последовательно два индивидуальных патента — английский и советский.

 

Всемирный успех

Одиннадцатого сентября 1923 года Капелюшников подал заявку и на американский патент, который получил в итоге в 1928-м. Заметки о технологии стали появляться в ведущих технических изданиях мира, и уже в 1924 году американец Чарльз Шарпенберг, основатель компании Scharpenberg, получил первый сторонний патент на турбобур. В его системе использовалась многоступенчатая турбина — более эффективная, но и менее надежная; в 1926 году при бурении в Калифорнии Шарпенберг впервые применил эту схему на практике.

Иностранная пресса, а также компании, занимающиеся разработкой буровой техники, стали проявлять пристальный интерес к разработкам советских ученых. В 1928 году немецкий журнал «Петролеум» обратился к изобретателю с просьбой дать описание своего турбобура. В 1929 году Капелюшникова пригласили в США сделать доклад на Всемирной выставке нефтяного оборудования в г. Талса. А американские компании «Стандарт Ойл оф Нью-Йорк» и «Тексас Ойл» предложили продемонстрировать бурение скважины турбобуром. С этой целью в Америку были доставлены два турбобура и направлена специальная буровая бригада. В США Матвей Капелюшников сделал доклад о принципах работы турбобура. Затем под его руководством советская буровая бригада провела бурение турбобурами скважины компании «Тексас Ойл». И турбобур с огромным отрывом выиграл соревнование у роторного аналога. При этом советское руководство отказалось продавать технологию, хотя предложения поступали от самых разных нефтяных компаний.

Идея получила развитие. Следующим этапом стали многоступенчатые роторы, независимо появившиеся по обе стороны океана. В СССР адептом системы и ее спасителем стал молодой инженер Петр Павлович Шумилов из Государственного исследовательского нефтяного института. В первой половине 1930-х годов он разработал турбобур с многоступенчатой аксиальной гидравлической турбиной — устройство было испытано в 1935 году и внедрено к началу 1940-х. В 1942 году Шумилов получил за свои разработки Сталинскую премию.

 

Профессор бурения

В 1934–1937 годах Капелюшников был директором Азербайджанского научно-исследовательского института им. В. В. Куйбышева. В 1937 году за большие заслуги в развитии нефтяной науки и техники и по совокупности научных трудов ему была присвоена ученая степень доктора технических наук. В этом же году он был назначен заведующим лабораторией нефтяного пласта Института горючих ископаемых АН СССР, впоследствии преобразованного в Институт нефти, где он проработал до последних дней своей жизни.

В 1939 году Матвей Алкунович Капелюшников был избран членом-корреспондентом Академии наук СССР (Отделение технических наук, горное дело). С 1938 по 1941 год и с 1943-го по 1954-й по совместительству был профессором кафедры бурения Московского нефтяного института (ныне — Российский государственный университет нефти и газа им. И. М. Губкина). В последние годы жизни Капелюшников работал также в Центральном научно-исследовательском институте механизации и организации труда в нефтяной промышленности. Он получил еще несколько авторских свидетельств, разработал множество устройств и технологий в своей отрасли.

Умер Матвей Алкунович Капелюшников 5 июля 1959 года в Москве.

Сегодня различные методы вращательного бурения используются в 80% всех буровых работ в нефтегазовой отрасли. Это и многократно усовершенствованный роторный метод, и турбинный, и комбинированный роторно-турбинный, и реактивно-турбинное бурение с применением одновременно нескольких турбобуров, и электробурение.

Знаменитая Кольская сверхглубокая скважина была пробурена именно с помощью турбобура.