От «нефтяного ковша» к погружному насосу – Журнал «Сибирская нефть»

От «нефтяного ковша» к погружному насосу

Из истории развития средств нефтедобычи в России

Текст: Александр Матвейчук
Фото: РИА Новости

Российские инженеры предложили немало решений, способных повысить эффективность добычи нефти, однако внедрение инноваций шло тяжело, и долгие годы основным средством добычи в дореволюционной России оставалась желонка. Консервативная отрасль с трудом отказывалась от устаревших и небезопасных технологий

Ухтинский «нефтяной ковш»

В доиндустриальный период в России кустарная добыча нефти, как правило, осуществлялась за счет использования естественной пластовой энергии в местах поверхностных нефтяных выходов с применением подручных средств. В книге Козьмы Молчанова «Описание Архангельской губернии, ея городов, монастырей и других достопримечательных мест» (1813 г.) наглядно описывается деятельность «нефтяного завода» Федора Прядунова на реке Ухте, действовавшего в середине XVIII века: «над самым нефтяным ключом, на средине биющем, построен четвероугольный сруб вышиной в 13 рядов, из коих шесть были загружены на дно, а прочие находились на поверхности земли. Внутри сруба поставлен узкодонный чан, который истекающую из воды нефть впускал в себя отверстием дна, от быстро текущей воды защищал его поставленный с одной стороны водорез». Летом 1746 года на промысле Федора Прядунова была собрана первая нефть с водной поверхности реки Ухты с помощью изготовленного деревянного «нефтяного ковша», с последующим наполнением «нефтяного ушата». Из имеющихся архивных документов также следует, что за четырехлетний период действия «нефтяного завода» на Ухте было собрано всего 68 пудов нефти.

Буровые работы на реке Ухте. Фото: РИА Новости Буровые работы на реке Ухте

Кубанский «нефтяной станок»

После завершения русско-турецкой войны (1768–1774) в состав Российской империи вошли Крым и территория Кубани вместе с Таманским полуостровом. В августе 1785 года посетивший Тамань академик Санкт-Петербургской академии наук Петер Паллас (1741–1811) в своей статье «Разные замечания касательные до острова Тамани» указал на наличие на полуострове десяти значительных «ключей нефти» и дал описание кустарных способов ее сбора. Из неглубоких «копаней» нефть извлекалась простым вычерпыванием вручную с помощью деревянных ковшей или ведер. Из более глубоких колодцев — посредством ручного ворота и бадьи.

Реконструкция нефтяного завода Федора Прядунова. Фото: РИА Новости Реконструкция нефтяного завода Федора Прядунова

В 1829 году в Санкт-Петербурге вышла книга Иосифа Дебу «О кавказской линии и присоединенном к ней Черноморском войске», где сказано: «...на острове Тамани с давних времен находятся во многих местах изобильные ключи горючего масла. В верстах шести от Тамана собирается в довольном количестве употребляемая для мазания колес нефть (земной деготь), которую просто черпают из вырытых ям ковшами и продают более 2 руб. за ведро». В тот год по инициативе атамана Черноморского казачьего войска, генерал-майора Николая Завадовского (1788–1853) на Кубани были сделаны первые шаги по упорядочению нефтяного дела, введена должность смотрителя нефтяных колодцев, стали осуществляться и другие целенаправленные мероприятия по обустройству нефтяных промыслов. В июне—августе 1833 года с помощью двух бакинских мастеров по устройству нефтяных колодцев было проведено обследование обширной территории промыслов, на которых имелось 195 колодцев, находящихся в различном состоянии. По оценке этих специалистов, в 12 колодцах нефть была «белая», в остальных — черная. Глубина обследованных колодцев составляла от 5 до 9 аршин, а «наверху колодец был в три четверти аршина, затем расширялся в поперечине и на дне достигал полутора аршина». Кроме того, мастерами были устроены 5 новых колодцев, даны конкретные рекомендации по дальнейшему развитию промыслов, проведено обучение рабочих технике сооружения колодцев. Реализация этих предписаний позволила несколько повысить уровень нефтедобычи.

Нефтяной колодец, Баку, 1900 год. Фото: РИА Новости Нефтяной колодец, Баку, 1900 год

Схема станка для вымывания нефти. Фото: РИА Новости Схема станка для вымывания нефти

Летом 1835 года Грузинская горная экспедиция направила обер-гиттенфервалтера Павла Фолледорфа на Кубань. В ходе двухмесячной командировки им было проведено обстоятельное изучение таманских нефтяных промыслов. Добываемую здесь нефть он разделил на три вида: «зеленоватую густую, зеленоватую жидковатую и зеленоватую, жидкостию воде подобной...». Наряду с вычерпыванием нефти из колодцев обер-гиттенфервалтер Фолледорф приводит описание извлечения «зеленоватой густой» нефти из нефтеносного песка, который добывают с глубины 15 метров. На носилках этот песок доставляли на так называемый «станок», вырытое в земле углубление, стенки которого были обложены «глинистым камнем». В «станок» засыпали 150 носилок песка. В конце станка с одной стороны имелись две ямы, одна из которых, постоянно заполняемая морской водой, сообщалась канавой со «станком». В менее глубокой находился рабочий, который черпаком выливал воду на песок. Вымываемая нефть скапливалась в конце станка, где ее собирали с поверхности небольшим веником, который выжимали над ушатом. После отстаивания в полубочках, на специальной площадке, расположенной на возвышенной части берега, ее переливали в бочки.

Поездка Фолледорфа на Кубань принесла еще один примечательный результат. В феврале 1836 г. появилось первое техническое руководство в отечественном нефтяном деле — «Правила для руководствования при копании нефтяных колодцев».

Время желонки

В начале 70-х годов XIX века широкое внедрение на российских промыслах машинного бурения и постфонтанная эксплуатация буровых скважин привели к появлению нового способа нефтедобычи — тартания. Подъем нефти из скважины на поверхность осуществлялся при помощи длинного (до 17 м) сосуда цилиндрической формы диаметром до 200 мм. Сосуд назывался желонкой. В верхней его части имелась петля для крепления к стальному канату, проходящему через тартальный шкив, другой конец каната наматывался на барабан лебедки. В нижней части желонки располагался клапан с железным стержнем, который закрывался при полном заполнении нефтью. Однако процесс тартания имел низкий коэффициент полезного действия. Исследования членов Бакинского отделения Русского технического общества показали, что только 3,3% энергии расходовалось непосредственно на добычу нефти, а остальные 96,7% приходились на непроизводительные операции, включая подъем и холостой ход каната и желонки, преодоление инерции и гидравлического сопротивления в скважине. Также тартанию был присущ ряд серьезных недостатков: при нем исключалась возможность полной герметизации скважины. Нельзя было применять этот способ в скважинах, содержащих значительный объем попутного нефтяного газа. Кроме того, конструкция тартальной установки не обеспечивала безопасных условий труда и часто приводила к смертельным травмам обслуживающего персонала. Сам процесс тартания, особенно на небольших промыслах, производил тягостное впечатление на современников. «Нефть, добываемая из скважин вычерпыванием желонками, сливалась в открытые неглубокие ямы, где стоял рабочий по колено в нефти и наполнял ею кожаные мешки и бочки», — писал Викентий Симонович в своей книге «Нефть и нефтяная промышленность в России».

Желонка для вычерпывания нефти. Фото: РИА Новости Желонка для вычерпывания нефти

В тартальной установке в качестве привода в конце XIX века в основном применялись горизонтальные одноцилиндровые паровые двигатели без конденсации пара средней мощностью 3–5 л.с. с низким коэффициентом полезного действия. По оценкам экономистов, до 15% объема всей добытой нефти сгорало в топках промысловых паровых машин. Ряд крупных компаний, включая «Товарищество нефтяного производства братьев Нобель», не могли смириться с подобным положением и стали заменять паровые машины более экономичными керосиновыми и газовыми двигателями. Затем пришел черед и электромоторов. В начале ХХ века на Апшеронском полуострове впервые электроэнергия была использована в промышленных целях. Однако процесс электрификации шел медленно: в 1909 году с помощью электроэнергии было добыто лишь 19,7% от общего объема нефти.

Невостребованные инновации

Тартание долго оставалось основным способом добычи. В 1913 году на его долю приходилось 95% всего объема добытой нефти в стране. Однако уже в последней трети XIX века появилась более производительная альтернатива — насосы. Еще в 1865 году начальник Горной части на Кавказе горный инженер Александр Иваницкий (1811–1872) предложил использовать для извлечения нефти из глубоких копаных колодцев Апшеронского полуострова насос собственной конструкции, чтобы устранить ручной подъем колодезного ворота. Однако поскольку в то время у него не было эффективного фильтровального устройства, то насос быстро забивался песком и выходил из строя.

В последующие годы российские инженеры неоднократно возвращались к проблеме использования насосов для эксплуатации нефтяных скважин. Инженер-механик Владимир Шухов сконструировал в 1886 году «шнуровой» («капиллярный») насос и успешно испытал его для подъема воды из артезианского колодца глубиной 26 метров. Однако консервативные нефтепромышленники не спешили внедрять новинку. Не были реализованы на практике и еще два перспективных изобретения Шухова: насос типа «эрлифт» (1886), обеспечивающий возможность добычи нефти из скважин с помощью сжатого воздуха, и инерционный высокопроизводительный поршневой насос (1891).

Попытки предложить различные конструкции для насосной эксплуатации нефтяных скважин делали и другие российские изобретатели: Александр Эристов, Веслав Герлич, Феликс Пржецеховский. Газета «Нефтяное дело» в небольшой заметке в первом номере за 1899 год сообщила об испытаниях фирмой Максимова скважинного насоса конструкции горного инженера Николая Соколовского. На первом этапе результаты его работы впечатляли, но затем насос засорился песком и вышел из строя. Эта неудача усилила скепсис нефтепромышленников.

Армаис Арутюнов (1893–1978), инженер, изобретатель электроцентробежного погружного насоса. Фото: РИА Новости Армаис Арутюнов (1893–1978), инженер, изобретатель электроцентробежного погружного насоса

Владимир Шухов (1853–1939), инженер, сконструировал несколько типов погружных насосов. Фото: РИА Новости Владимир Шухов (1853–1939), инженер, сконструировал несколько типов погружных насосов

Следует упомянуть и об еще одном знаковом изобретении, не получившем применения в дореволюционной России, а именно об электроцентробежном погружном насосе для добычи нефти конструкции выпускника Петербургского лесного института Армаиса Арутюнова (1893–1978). Применением электричества в нефтепромысловом деле он заинтересовался еще в годы учебы. Затем в 1911 году в Екатеринославле создал фирму под названием «Российское электрическое динамо компании Арутюнова», где наряду с электрификацией местных предприятий начал работу над проектом погружного насоса. Разработка была завершена в 1916 году. Первый образец насоса был испытан на территории Александровского Южно-Российского завода Брянского акционерного общества в Екатеринославле, причем в экстремальных условиях. На предприятии произошел сильный пожар, с которым не могла справиться пожарная бригада, оснащенная маломощными ручными насосами. Тогда на помощь пришел опытный образец насоса Арутюнова, который позволил создать мощный напор воды и затушить огромное пламя.

После революции 1917 года, не видя возможностей для практической реализации своего изобретения на родине, Армаис Арутюнов покинул Россию. Уже в конце 1920-х годов его фирма REDA (Russian Electrical Dynamo of Arutunoff) стала ведущим производителем погружного насосного оборудования для нефтяной промышленности США и других стран.

Эпоха качалок

После окончания Гражданской войны и национализации нефтяной промышленности России жизненно важным было разработать и реализовать эффективную программу восстановления отрасли. Инженер Александр Серебровский (1884–1938), направленный советским правительством на «нефтяной фронт», отметил, что в 1922 году на промыслах Апшеронского полуострова работало всего семь манжетных насосов устаревшей конструкции. После командировки в США в 1924 году в своем отчете руководству ВСНХ СССР он указывал: «Наше оборудование на бакинских промыслах сильно устарело и его надо заменить оборудованием американского типа, более простым, дешевым и гораздо более экономичным». Повышение эффективности нефтедобычи в США в начале 1920-х годов он связал с применением глубинного насоса (поршневого, плунжерного), приводимого в движение через колонну штанг, которая соединена с установленным на поверхности силовым приводом — станком-качалкой.

Станок-качалка для добычи нефти, середина XX века. Фото: РИА Новости Станок-качалка для добычи нефти, середина XX века

ександр Серебровский, (1884–1938), инженер-механик, руководитель промышленных предприятий в СССР. Фото: РИА Новости Александр Серебровский, (1884–1938), инженер-механик, руководитель промышленных предприятий в СССР

Вскоре в Баку прибыли первые образцы нефтепромыслового оборудования из США, включая станки-качалки. Они были досконально изучены и разобраны до последней детали специалистами проектного бюро «Азнефти». Затем на заводе имени лейтенанта Шмидта инженерами и рабочими под руководством директора Леонида Чарноцкого по представленным чертежам были изготовлены уже отечественные установки для насосной эксплуатации скважин. В их конструкцию были внесены определенные изменения с учетом возможностей отечественного производства: все несущие конструкции и балансир были выполнены из дерева. Привод станка осуществлялся от электромотора при помощи плоского ремня и открытой зубчатой передачи. Серийный выпуск станков-качалок «СК» и групповых приводов был налажен уже на машиностроительном заводе «Бакинский рабочий». В 1925 году в Баку для производства и ремонта насосного оборудования был также построен специализированный завод им. Дзержинского.

К 1927 году штанговыми скважинными насосами на нефтяных промыслах «Азнефти» было оборудовано 55% операционных скважин. На промыслах «Грознефти» этот показатель был еще выше — 80,2%, или 383 скважины. Впечатляющий результат по сравнению всего с 6 насосными скважинами в 1923 году! Однако еще долгое время КПД этих установок оставался невысоким. Более эффективные редукторные станки-качалки с клиноременной и закрытой зубчатой передачей, а также глубинные насосы усовершенствованной конструкции появились лишь в послевоенный период.

УЭЦН возвращается на родину

В послевоенный период в связи с интенсивной разработкой нефтяных месторождений Волго-Уральской провинции и время от времени возникавшем на промыслах обводнением скважин внимание советских нефтяников было обращено и на использование в нефтедобыче установок погружных электроцентробежных насосов (УЭЦН). Впервые их применили в 1943 году, когда по ленд-лизу было получено 53 установки конструкции Армаиса Арутюнова, изготовленные американской компанией REDA. Летом 1949 года для изучения опыта конструирования, производства и применения погружных электроцентробежных установок в США отправилась группа советских инженеров во главе с Александром Богдановым (1912–1977). Перспективы применения УЭЦН впечатлили министра нефтяной промышленности Николая Байбакова (1911–2008), и вскоре под руководством Богданова начало работу Особое конструкторское бюро по конструированию, исследованию и внедрению глубинных бесштанговых насосов (ОКБ БН). 20 марта 1951 года первая отечественная УЭЦН была спущена для испытаний в скважину № 18/11 треста «Октябрьнефть» объединения «Грознефть». В последующие месяцы конструкция установки была доработана, и вскоре стартовало промышленное производство.

С 1952 года применение УЭЦН началось на нефтяных промыслах Башкирской и Татарской АССР, а также в Азербайджане и Казахстане. Уже тогда нефтяники отмечали, что, несмотря на сложность конструкции погружных установок, обслуживание оборудованных ими скважин достаточно простое. Оказалось также, что УЭЦН с большим успехом работают в наклонных скважинах. Кроме того, межремонтный период работы скважин, оборудованных погружными установками, был в 2–3 раза дольше, чем при применении штанговых насосов. Это сказалось и на снижении показателя себестоимости добычи нефти. В 1956 году доля нефти, добытой в стране с применением погружных установок, достигла 15%, а в 1970 году — 24,1%.

В 1979 году в Альметьевске начал работу крупный специализированный завод по производству полнокомплектных установок электроцентробежных насосов. С 1978 по 1988 год производство отечественных установок типа УЭЦН возросло в три раза и достигло к 1988 году 17 865 шт., что примерно в три раза превосходило суммарный выпуск в США. В 1988 году в СССР с помощью УЭЦН было добыто 343,3 млн т нефти, что составило более 55% от общего объема общесоюзной добычи. УЭЦН и сегодня остается наиболее эффективным способом механизированной добычи. С его помощью добывается более 80% российской нефти.

ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ