Геннадий Блинов - Покорители земных недр

• Название: Покорители земных недр
• Автор: Геннадий Блинов
• Издательство: Недра
• Жанр: Техническая литература
• Год: 1986

Авторы этой книги — горный инженер по технике разведки и геолог-разведчик — знакомят молодежь с одной из ведущих технических профессий в геологоразведочном деле — с работой первых помощников геолога: бурильщиков и буровых мастеров. Рассказывают о роли бурения скважин в различных отраслях народного хозяйства. Прослеживают развитие техники бурения от простейшего ручного бура до автоматизированных буровых установок. Раскрывают романтику и реальность профессии первооткрывателей земных недр.

Для учащейся молодежи, выбирающей будущую профессию, а также для работников, занимающихся вопросами профориентации школьников.

---

Вопрос: А что можно сказать о проблемах бурения на Мapce и Венере?

Ответ: Поверхности планет земной группы могут стать доступными для автоматических разведчиков уже в ближайшие десятилетия. Эти разведчики будут иметь на борту грунтозаборные устройства, буровые станки и другие установки для исследования свойств и состава горных пород. Чем более изучена планета, тем разнообразнее предлагаемые технические проекты для освоения ее поверхности.

На рис. 41 приведен один из этих проектов — установка, предназначенная главным образом для биологического анализа грунта Марса. Как показали первые исследования, в настоящее время жизни на Марсе нет, но это не исключает, что она процветала в ранние периоды существования планеты. И в этом плане находка ископаемых остатков жизни с помощью автоматического бурения была бы равнозначна открытию самой жизни.

Рис. 41. Один из проектов буровой установки для анализа грунта на Марсе. 1,2 — дистанционные пробоотборники; 3 — контейнеры для хранения грунта; 4 — бур для отбора глубинных проб; 5 — анализирующая камера.

Будущее бурение скважин на Венере осложняется суровыми условиями ее поверхности. Мы знаем, что она твердая и поэтому способна нести тяжелую буровую установку. Однако при плотности атмосферы, превышающей земную в десятки раз, даже небольшие ветры со скоростью 1 —12 м/с носят характер урагана и опасны для любых сооружений, в том числе и для буровых установок.

Возможно, освоение Венеры будет существенно отличаться от освоения других планет. О сроках отправки на Венеру экспедиции с участием человека говорить трудно. В первую очередь на Венере побывают автоматические «геологи». Например, опубликованы проекты запуска в плотную атмосферу этой планеты плавающих установок типа аэростатов. Вполне вероятен плавный спуск автоматической станции с буровым станком на поверхность планеты, отбор образцов горных пород в кратчайшее возможное время, ограниченное нагревом станции. После надувания аэростата будет осуществлен подъем контейнера с образцами горных пород на безопасную высоту, где уже без спешки может быть проведен анализ образцов при приемлемых температурах окружающей среды, с последующей передачей данных на орбитальную станцию или на Землю.

Экстремальные условия на Венере рождают немало неожиданных и непростых задач, поэтому ее грунт, по крайней мере в ближайшем будущем, целесообразно исследовать на месте, без доставки его на Землю, так как возвращение аппарата через мощную толщу атмосферного газа Венеры с давлением у ее поверхости около 90 кгс/см2 — слишком сложная задача. При высоких давлениях и температурах возможны интенсивные химические реакции, приводящие к явлениям, характер которых трудно предсказать. В целом совокупность интенсивных механических, химических и электрических воздействий на любое буровое устройство будет неблагоприятным. Это заставит конструкторов проектировать совершенно необычную установку.

Насколько же сбылись эти прогнозы?

Пять лет спустя после выхода книги В. Е. Копылова состоялось бурение на Венере после мягкой посадки на эту планету спускаемого аппарата советской автоматической станции «Венера-13».

Из сообщения ТАСС от 2 марта 1982 г.: «Важное место в программе полета отводилось принципиально новой задаче — взятию пробы грунта для определения элементного состава пород Венеры. С этой целью на борту спускаемого аппарата было установлено грунтозаборное устройство, которое произвело бурение, взятие пробы и ее транспортировку для рентгенофлюоресцентного анализа в герметичный отсек».

Чтобы полнее оценить эту новую победу советской науки и техники в мирном освоении космоса, еще раз напомним те экстремальные условия, тот неблагоприятный для исследований «климат», который господствует на Венере. Так, температура на поверхности планеты в месте посадки составила 457 °C (столько же, сколько в топках паровых котлов!); в такой «жаре» моментально плавится свинец. Давление — 89–90 кгс/см2 (это примерно соответствует давлению в океане на километровой глубине). Научные данные передавались на Землю, удаленную от Венеры на 65 млн. км. Системы и научные приборы спускаемого аппарата продержались в этих условиях 127 минут — в четыре раза дольше, чем предполагалось, подтвердив высокую квалификацию специалистов, которые создали станцию и отправили ее к цели.

Бурение продолжалось всего 2 минуты, но нельзя забывать, что именно буровое устройство находилось все время за пределами спускаемого аппарата (в самом пекле!). В этом буровом устройстве невозможно применить смазку и охлаждение; особые требования предъявляются к электродвигателям; неизвестен характер грунта (пыль? гранит?), который предстоит бурить; бурильный инструмент надо опустить к поверхности вне зависимости от положения, в котором окажется спускаемый аппарат (а оно могло быть любым!).

И снова сообщение ТАСС: «Выполнен важный этап комплексных научных исследований в атмосфере и на поверхности планеты Венера. 15 июня 1985 г. автоматическая межпланетная станция „Вега-2“[9] доставила в атмосферу планеты посадочный аппарат…

Посадочный аппарат совершил мягкую посадку на ночную сторону Венеры в районе равнины Русалки. С помощью установленного на аппарате грунтозаборного устройства на поверхности планеты в условиях температуры окружающей среды 452 °C и давления 86 атмосфер (86 кгс/см2) проведены бурение поверхностного слоя грунта планеты, взятие проб и их анализ с целью определения элементного состава пород в новом районе. С использованием выносного прибора определены физико-механические свойства поверхностного слоя грунта».

Чем же новым дополнила «Вега-2» наши знания о Венере, выполнив бурение на поверхности этой планеты?

В самом деле, предшественницы станций «Вега» — автоматические межпланетные станции «Венера-13 и -14» уже провели основательную рекогносцировку «Утренней звезды». Они сообщили на Землю первые геологические данные о нашей небесной соседке. На базе этих данных учеными были сделаны выводы об условиях формирования там геологических структур, о процессах эрозии и т. д. Но для более полного понимания эволюции планеты и ее сопоставления с геологической жизнью Земли нужны более тонкие и точные исследования. А это возможно выполнить только с помощью более точных приборов.

Такие задачи и были поручены специальной аппаратуре посадочного комплекса станции «Вега-2»: определить в выбуреных образцах венерианского грунта концентрацию основных породообразующих элементов (магния, железа), ряда более тяжелых редких элементов; провести гамма-спектрометрию, т. е. установить содержание в породе радиоактивных элементов (урана, тория и др.).

Итак, штурм космоса и… бурение вне Земли продолжаются. Интересно,—

Над чем думают ученые и инженеры

Все нововведения и экспериментальные разработки, известные в буровом деле, невозможно не только рассмотреть, но и просто перечислить. Сейчас те или иные усовершенствования уже не в состоянии охватить весь процесс бурения в целом; они затрагивают, как правило, отдельные составляющие этого процесса.

Одна серия разработок относится к поискам принципиально новых методов разрушения горных пород, другая — к усовершенствованию бурового инструмента, третья — к внедрению электронно-вычислительной техники, четвертая — к созданию контрольно-измерительной аппаратуры и т. д. и т. п. Каждый ряд исследований необозрим сейчас и бесконечен в будущем. Поэтому говорить, что бурение через 50 — 100 лет будет таким-то и только таким — очень трудно. Ясно одно: бурение будет и разнообразнее, и производительнее, и совершеннее, чем сейчас.

И все же давайте отметим хотя бы некоторые современные разработки и изобретения в буровом деле. Например, новые способы разрушения пород. Как и чем — кроме долбления и истирания — их можно разрушить? И можно ли отказаться от традиционных долот и кольцевых коронок?

Да, можно, причем не только теоретически, но и практически. В частности, сейчас уже применяется взрывной метод. Он заключается в том, что скважина бомбардируется капсулами-зарядами (заключенными в пластмассовую оболочку), которые подаются на забой потоком промывочной жидкости. Метод пока еще слишком дорог и экономически не оправдывает себя, но скорость бурения при таком способе в несколько раз выше, чем при вращательном.

Известен также метод, основанный на кавитации — образовании пустот в движущейся жидкости. Если опустить на забой скважины полые стеклянные шарики и раздавить их там, то в буровом растворе возникнет огромное давление, энергия которого многократно превысит даже энергию капсул-зарядов.