Развитие техники и технологии добычи нефти

До 1875 г. основной объем нефти в России добывался из колодцев. Колодцы проходились примитивным ручным способом, нефть вычерпывалась бурдюками и деревянными ведрами. Начало промышленного бурения на нефть положила скважина, пробуренная в 1848 г. вблизи Баку в районе Биби-Эйбата по инициативе директора Ширванских промыслов горного инженера Н.И. Воскобойникова. Эта скважина на целых 11 лет опередила первую зарубежную скважину, пройденную Дрейком в Пенсильвании в США лишь 1859 г. Первый фонтан нефти в России дала скважина, пробуренная в 1866 году на Кубани в районе реки Кудако А.Н. Новосильцевым. Это окончательно подтвердило перспективность нового метода нефтедобычи, и бурение стало быстро распространяться на промыслах. Если в 1870 г. в России эксплуатировалось всего 15 скважин, то в 1875 г. количество скважин выросло до 255 и, несмотря на все еще существующее большое число колодцев (1032), из скважин добывалось 88,6% нефти. В 1882 г. эта цифра выросла до 97,3%, т.е. бурение стало основным способом добычи нефти в стране. Однако, даже при условии, что в 1886 г. на территории Бакинского района действовало уже 400 скважин, в Америке этот показатель составлял 24000.

Первоначально бурение нефтяных скважин осуществлялось ручным вращательным способом. Технология бурения заключалась в том, что буровой инструмент (долото) на конце штанги опускали в углубление, рабочие захватывали ее ключами и ходили вокруг, вращая концы последних. Этот способ бурения давал хорошие результаты только в мягких породах и при бурении на незначительных глубинах, поэтому вскоре был вытеснен ударно-канатным способом бурения, так называемым канадским или пенсильванским.

В условиях конкуренции различные фирмы соперничали между собой в использовании различных способов и оборудования для бурения скважин. Так, «Товарищество нефтяного производства братьев Нобель» выписала для организации бурения бригаду мастеров из США. Бурение осуществлялось ударно-канатным способом без расширения скважины. Однако горные породы на Апшеронском полуострове более рыхлые, чем в Пенсильвании, стенки скважин постоянно осыпались, и от этого способа бурения вскоре пришлось отказаться и перейти на ударно-штанговый.

Технология ударно-штангового способа заключалась в следующем. На месте бурения скважины сооружалась деревянная вышка высотой до 11 м. Внутри нее закладывался неглубокий колодец (до 2,5 м), который перекрывался деревянным настилом с отверстием посредине для прохождения штанги. Вверху буровой вышки укреплялся блок, через который перекидывался канат. Один конец каната присоединялся к лебедке, к другому концу прикреплялась металлическая штанга, увенчанная долотом. Штангу с долотом на конце с помощью лебедки сначала поднимали, а затем бросали, создавая тем самым ударный импульс на забое скважины. Разрушение породы производилось с помощью ударного долота (типа «рыбий хвост»). По окончании дробления разрушенную породу вычерпывали специальным инструментом – желонкой (своеобразным ведром с клапаном). Этот процесс получил название тартание. Спуск и подъем бурового инструмента повторялся через каждые 0,3–0,5 м. Затраты времени на операцию спуска-подъема увеличивались по мере увеличения глубины бурения, поэтому скорость ударного способа бурения была довольно низкая. В начале 1880-х гг. фирма Нобелей пробовала использовать для бурения метод Фовелля, т.е. бурение с промывкой скважины водой. Опыт оказался неудачным, т.к. опять же из-за рыхлости пород промывочная жидкость уходила из скважины.

В середине XIX в. ударное бурение стало вытесняться бурением с помощью механических станков вращательного типа. Однако для бурения более глубоких скважин необходимо было увеличить мощность привода и усилить вращательный механизм. Эта задача была решена в 1889 г. в США инженером Чепменом, создавшим первую роторную буровую установку, и на смену ударному способу пришло вращательно-роторное бурение. Несомненным достоинством этого метода было то, что подъем разрушенной породы производился с помощью бурового раствора по ходу бурения без его прерывания, что значительно ускоряло время прохождения скважины. Роторное бурение на нефть впервые было применено в США в 1901 г. В России этот способ был опробован в 1902 г. в Грозном, на одном из участков фирмы братьев Нобель. Они же, а также «Каспийско-Черноморское общество» Ротшильдов в 1906 г., применили роторное бурение в Баку. Первоначально в роторном бурении, как и в ударном, использовались долота типа «рыбий хвост», только лезвия их отгибались в сторону вращения. В породах средней твердости использовались дисковые долота, однако диски часто ломались. Видимо, использование таких долот натолкнуло изобретателей на идею долот, в которых рабочий орган представлял зубчатый цилиндр или конус. В 1909 г. Говард Юз сконструировал долото с коническими шарошками, которое при вращении позволило совместить действие резания и удара. Шарошечные долота различных конструкций используются и сегодня. Однако широкого применения роторный способ не нашел из-за сильного искривления скважин.

Переход от колодезного способа добычи нефти к скважинному стимулировал применение на промыслах паровых машин, а также бензиновых и электрических двигателей. На предприятиях «Товарищества нефтяного производства братьев Нобель» были впервые применены паровые машины, а затем газовые и нефтяные двигатели. Для выработки газа был построен газовый завод. Первая электрическая станция для снабжения энергией буровых и заводских установок также была построена товариществом «Бранобель».

Требовала совершенствования и техника подъема нефти. В большинстве случаев скважины фонтанировали, т.е. нефть поднималась самотеком. Когда фонтанирование прекращалось, оставшуюся часть нефти поднимали с помощью желонки. Работа с желонкой требовала большого числа рабочих и была очень опасной в пожарном отношении, кроме того, при использовании желонки наиболее легкие фракции нефти улетучивались в атмосферу. Замена желонки глубинным насосом обеспечила бы закрытую эксплуатацию скважин, уменьшение их диаметра, упрощение конструкции, сокращение расходов материалов, энергии, рабочей силы.

Задача создания скважинного насоса привлекала многих инженеров. Первым ее успешно решил инженер А.Б. Иваницкий (1811–1872)в 1865 г. Пытался решить эту проблему и наш известный соотечественник, «инженер № 1», как называли его американцы, – Владимир Григорьевич Шухов ( 1853–1939). В 1890 г. он разработал простую и эффективную конструкцию инерционного поршневого насоса для откачки из скважины жидкости(воды и нефти). Шухов являлся также автором компрессорного способа добычи нефти из скважины с использованием сжатого воздуха (эрлифт). Этот метод стал предтечей современной газлифтной эксплуатации скважин. Русским изобретателем И.Н. Стрижовым (1872–1953)в 1902 г. было предложено нагнетание газа в нефтяной пласт с целью поддержания пластового давления. Однако широкого применения все эти способы не нашли. В 1911 г. фирма Нобелей имела на своих промыслах 15 компрессоров, приводимых в действие паровыми машинами.

С именем В.Г. Шухова связаны и многие другие изобретения в области нефтяной промышленности. Теория и практика строительства нефтепроводов, расчет и сооружение металлических резервуаров для хранения нефти, нефтеналивных барж, форсунка для сжигания мазута, эрлифт и скважинные насосы, крекинг нефти в трубчатой печи – все эти шуховские разработки заложили основу современной нефтяной отрасли страны.