А теперь вернемся к вопросу — что есть бурение? Каким способом оно осуществляется? Допустим, вам потребовалось сквозное отверстие в куске твердого камня, например гранита. Как и чем его сделать?

Ну, во-первых, можно взять зубило, молоток и начать долбить. Долбить и долбить в одном и том же месте, при каждом ударе чуть-чуть поворачивая зубило вокруг оси. Времени и усилий на эту операцию потребуется много, но отверстие в конце концов все-таки получится. Как говорится, «терпение и труд…»

А можно пойти другим путем — взять крепкий штырь (типа пробойника для бетонных стен), закрепить его в ручной дрели, надавить на дрель как можно сильнее (лучше всего — навалиться грудью) и начать вращать. Крутить и крутить. Снова «терпение и труд», и камень (через сколько-то там часов) будет просверлен. Главное, чтобы наконечник штыря был с твердыми сплавами. Иначе ничего не получится — любая, самая твердая сталь мягче гранита, она будет просто скользить и заполировываться.

Есть и третий способ. Для нашего случая, пожалуй, наиболее простой и производительный; к тому же, как и предыдущий, он хотя бы частично механизирован. Этот способ тоже вращательный. Надо взять полую трубку, закрепить ее в головке той же дрели, потом насыпать на камень немного абразивного порошка и опять-таки начать вращать трубку. Крутить и крутить, постоянно подсыпая порошок под торец трубки и смачивая этот порошок небольшим количеством воды. Постепенно в камне начнет появляться кольцевой пропил, а внутри трубки — цилиндрический столбик породы, который носит официальное название «керн» (от немецкого слова Kern — ядро, сердцевина). У нас в России этот столбик породы в трубке раньше называли колонком, отсюда и способ бурения с керном называется колонковым.

Вот вам наглядная иллюстрация к вопросу о принципах бурения. Правда, ударное бурение осуществляется не зубилом, не молотком и даже не кувалдой, а цельнометаллическим снарядом массой в несколько тонн, имеющим массивное долото в качестве наконечника. Такой «снарядик» дробит породу собственным весом как свободно падающее тело. При вращательном бурении вместо дрели применяются мощные, мощнейшие станки, которые не только вращают бурильные трубы, но и передают на них огромную нагрузку. И «штыри» или трубки здесь имеют длину в сотни, тысячи метров. Да и в качестве истирающего материала применяется не абразивный порошок, а специальные буровые коронки, оснащенные твердыми сплавами либо (что гораздо более эффективно) природными или синтетическими алмазами — самым твердым материалом на Земле. А так… основные принципы ударного и вращательного бурения остаются теми же самыми, как и при долблении или при сверлении куска камня.

Теперь заглянем в глубь веков —

Истоки бурения надо искать в практически непросматриваемом прошлом — где-то в позднем палеолите. Именно тогда первобытный человек освоил процесс ударной обработки камня, получил первые отверстия в нем и изготовил себе молоток и топор, благодаря чему начал по-настоящему превращаться в Человека — в творца и изобретателя.

Далее, эпоха неолита. Новая ступень в истории развития. Что характерно для неолита? Орудия из шлифованного камня, глиняная посуда, приручение животных, начало земледелия. Именно в эту эпоху и освоен совершенно новый технический прием — сверление камня. Сверление относится к числу величайших открытий человечества, по значимости его вполне можно приравнять к укрощению огня либо к изобретению колеса. Сверление совершило революционный переворот в технике и вознесло человека на более высокий уровень. Благодаря сверлению появился способ изготовления качественно новых орудий — составных вместо простых.

Кстати, как ни странно это звучит сейчас, предпосылками к появлению сверления стали не только практические нужды, не только потребность в новых, более совершенных инструментах и орудиях, но также и эстетические запросы. Первые инструменты для сверления были сделаны скорее всего по заказу и по настоянию женщин, а первые сквозные отверстия просверлены в бусах, серьгах, пуговицах и в других чисто женских украшениях.

Мы не будем сейчас подробно останавливаться на способах сверления у древних. Для этого есть специальная, прежде всего археологическая литература. Отметим только, что этих способов было множество, все они постепенно усложнялись и совершенствовались. Некоторые из них до сих пор вызывают удивление, более того, восхищение. Простота, надежность, оригинальность конструкций поистине гениальны, и некоторые принципы их успешно применяются и в настоящее время.

Какая же связь между сверлением и бурением? Самая прямая. Способ воздействия на породу при бурении и сверлении один и тот же — вращение под нагрузкой, круговое измельчение материала и получение цилиндрического отверстия. Кстати, во многих языках оба процесса: и бурение, и сверление — имеют единый термин: например, drilling — в английском, borhen — в немецком. Но в столь богатом языке, как русский, эти понятия разделены. Сверление относится к металлообработке, а бурение — к горному делу.

Правда, современный русский термин «бурение» произошел именно от немецкого слова «borhen» — борование — бурование — бурение. Появился он еще в петровские времена, в период привлечения в Россию иноземных, прежде всего немецких, специалистов. А до начала XVIII века буровики назывались трубными мастерами, скважины — трубами, и вообще тогда существовало не бурение, а трубное дело.

Но вернемся к истокам. Исторический путь от отверстия в камне до скважины в толще горных пород измеряется десятками веков. И если ручной бур для сверления был изобретен в конце IV тысячелетия до нашей эры (а появился он одновременно в различных местах Евразии, в том числе в Северо-Восточной Сибири и в Северном Китае), то бурение первых скважин относится к более позднему времени.

История бурения и технических достижений в этой области насчитывает как минимум 3500 лет. А отдельные сведения говорят о том, что египтяне бурили «колонковые скважины» еще за 3000 лет до н. э. Более 2000 лет назад египтяне и китайцы уже бурили многочисленные «глубокие» скважины: так, древняя скважина в Каире, известная под названием «скважина Иосифа», имеет глубину около 88 м. К сожалению, дата ее сооружения неизвестна.

Китайцы бурили колодцы в тех местах, где имелись минерализованные воды и рассолы, примерно за 1000 лет до н. э. Древний китайский философ Конфуций (VI–V Бек до н. э.) упоминает в своих трудах о «минерализованных колодцах», имеющих в глубину несколько сотен футов.[4] Через некоторые скважины того времени китайцы получали также природный газ и нефть. Около 450 г. до н. э. греческий историк Геродот писал о скважинах, дававших асфальт, соль, нефть. Вот эти две записи и можно считать самыми ранними сообщениями в письменной форме о работе буровиков. Естественно, что более подробные исторические материалы не дошли до наших дней, ибо первые буровики не имели всеобъемлющих буровых журналов, в которых фиксируется «производственная жизнь» современных специалистов по бурению.

В 1200 г. в Китае зафиксирован «первый мировой рекорд» — глубина одной из скважин достигла 450 м. Бурили китайцы с помощью пружинящей штанги ручного станка для ударного бурения. Скорость бурения не превышала 0,6–1,2 м в сутки. На бурильные трубы, буровую вышку, балансир и другие устройства шел бамбук. «Мощность» обеспечивалась трудом волов. И хотя в таком первозданном виде станок резко отличался от современных станков ударного бурения, тем не менее результаты можно считать неплохими, а рекорды глубины держались довольно долго.

Как у первобытного человека сначала появилось долбление (и только потом сверление), так и в бурении первым был освоен ударный, а точнее ударно-канатный способ. Инструмент для разрушения породы (снаряд) подвешивался на канате и с ударами углублялся в породу. Удары осуществлялись благодаря упругому качанию балансира. Попросту говоря, брали длинное гибкое бревно, один конец его укрепляли в земле, а другой конец раскачивали буровики (рис. 11).