История артезианской скважины⁠⁠

В старой советской комедии «Волга-Волга» был колоритный персонаж – водовоз. Бойкий старикан в соломенной шляпе, верхом на бочке с колесами, запряженной старым одром – этот второстепенный герой вносил изрядную долю веселия в этот и без того смешной фильм. Песенку этого персонажа помнит все тогдашнее поколение:

Удивительный вопрос, —

Почему я водовоз?

Потому что — без воды

И ни туды, и ни сюды!

Вода – основа жизни, таков закон природы. И человечество появилось и развивалось только вблизи крупных источников пресной воды - реки, озера. И так продолжалось до 1126 года, когда во французском графстве Артуа (фр. Artois; на латыни, который в те времена был еще употребим, графство именовалось Artesium, артезиум) в одном из селений начали рыть колодец. Надо сразу сказать, рытье колодца – та еще лотерея, масса случаев, когда по всем признакам, включая лозоходство, должна быть вода, приступив к рытью колодца, воды в конце-концов не обнаруживается, после чего пустой колодец забрасывается или засыпается. Но люди в том селении отличались большим упорством и, не обнаружив воды на предполагаемой глубине, продолжили рыть дальше. Как говорится, "если долго мучиться – что-нибудь получится", и вот в один прекрасный момент, когда копальщики прошли мощный глинистый слой, дно колодца вдруг стало непостижимым образом вздуваться. Испуганный народ срочно ломанулся на эвакуацию, что помогло спасти жизни – через некоторое время дно колодца с шумом лопнуло, колодец стал очень быстро заполняться водой, достигнув поверхности, вода образовала небольшой фонтан, который бил, не прекращаясь, много дней, вследствие чего жителям села пришлось очень быстро рыть отводную канаву в ближайший овраг, иначе в этом селении затопило бы все посевы. А через некоторое время этот овраг превратился в ручей, а еще через несколько лет к этому фонтану, который никак не иссякал, специально стали приезжать люди, чтобы посмотреть на такую диковинку.

Так были открыты артезианские воды. И сейчас артезианские воды можно добывать практически в любом месте, даже в пустыне, весь вопрос только в надлежащем оборудовании, что расширяет ореол обитания человека на всю нашу планету. Да здравствует прогресс.

А теперь немного науки гидрогеологии.

Гидрогеология говорит, что подземных вод, к которым относятся артезианские, существуют нескольких видов:

- почвенные, она же верховодка

- грунтовые

- межпластовые

- минеральные.

Для бытового употребления пригодны три вида вод – почвенные (для полива и технических целей), грунтовые и межпластовые.

Для промышленного применения используются грунтовые и межпластовые воды, все остальные воды малы по объему или содержат разные примеси.

Так как у нас статья про артезианские скважины, то основное внимание уделим межпластовым водам, а остальные воды только кратко опишем.

Почвенные воды – вода, заполняющая промежутки между частицами почвы; может быть свободная, образующая небольшие полости с водой, или связанная, удерживающаяся молекулярными силами. Образуются они в результате обильных осадков и паводков, отличаются непредсказуемостью появления. Эти воды в наибольшей степени загрязнены органическими веществами и, в основном, непригодны для питья.

Грунтовые воды – это водоносный горизонт над ПЕРВОМ от поверхности водоупорном слое. Их источник – осадки; в связи с неглубоким залеганием от поверхности земли уровень грунтовых вод испытывает значительные колебания по сезонам года: он то повышается после выпадения осадков или таяния снега, то понижается в засушливое время. Именно на грунтовых водах функционируют обыкновенные деревенские колодцы. Уровень загрязнения грунтовых вод различными органическими и минеральными веществами тоже немаленький, и вода из колодцев требует кипячения или фильтрования.

Минеральные воды - воды, которые содержат в повышенных концентрациях те или другие минеральные (реже органические) компоненты и газы и (или) обладают какими-нибудь физическими свойствами (радиоактивность, реакция среды и др.), благодаря чему эти воды оказывают на организм человека лечебное действие в той или иной степени, которое отличается от действия "пресной" воды (из Википедии). Очень хорошее определение, лучше и не скажешь. Именно к минеральным водам относятся всякие Ессентуки и прочие разные Перье. Эти воды могут быть как грунтовыми, так и межпластовыми.

Межпластовые воды, к которым относятся артезианские – подземные воды, заключённые в водоносных пластах горных пород между водоупорными слоями. В отличие от грунтовых вод, свободно лежащих на первом водоупорном слое, межпластовые воды в большинстве являются напорными. Причина этого очень хорошо описана еще в "Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона" издания аж 1890г:

"…Слои, образующие земную кору, большею частью могут впитывать в себя воду и проводить ее дальше (песок, рыхлые каменистые породы и т. п.) или же состоят из водоупорных веществ (глины, мергеля и т. д.). Слои почвы не лежат горизонтально, но идут в различных направлениях в глубину, вследствие чего, очевидно, возможно, заложив в известном месте буровую скважину, наткнуться на слой, пропускающий воду и находящийся между двумя водоупорными слоями. Слой этот изогнут и, образуя вместе с водоупорными слоями котловину, по краям ее выходит на поверхность земли выше места, в котором достигла его буровая скважина. Атмосферная вода, встречая наружную часть слоев, будет впитываться в проводящий слой, и таким образом в котловине произойдет накопление ее. Вследствие давления воды, выше собирающейся, на воду, собравшуюся на дне котловины, она, найдя выход, пройдет в отверстие буровой скважины и будет подниматься или даже с силой бить вверх фонтаном, если котловина глубока. Вследствие потери от трения высота бьющей струи не достигнет, конечно, уровня столба воды между слоями, давление которого является причиной ее поднятия. Предположительнее всего для заложения артезианских колодцев котловинообразные мульды в долинах, которые наполнены рыхлыми, расположенными между слоями глины каменистыми породами..."

У артезианских вод масса положительных свойств. Они являются самыми чистыми, так как проходят через известняк, играющий роль фильтра, и артезианскую воду можно пить без всякой подготовки. Артезианская вода богата различными минералами и ее химический состав постоянен. Дебет (производительность) артезианской скважины всегда очень большой, типичный дебет - 3-10 м3/час, и артезианская вода из этого водного пласта никогда не закончится. Столь большое количество ценных свойств позволяет отнести артезианские воды к полезным ископаемым. Что интересно, один из крупнейших артезианских бассейнов в мире находится в России, в Якутии. Площадь его составляет около 1 млн. км2, то есть он охватывает треть территории Якутии. Мощность осадочного чехла (верхний структурный ярус геологической платформы) Якутского артезианского бассейна достигает в центральной части более 7 км, что говорит о том, что воды в артезианских горизонтах просто гигантское количество.

Земная кора состоит из ярусов, внешний ярус - это и есть осадочный чехол. "Горные породы, существующие в термодинамических условиях, характерных для поверхностной части земной коры, и образующиеся в результате переотложения продуктов выветривания и разрушения различных горных пород, химического и механического выпадения осадка из воды, жизнедеятельности организмов или всех трёх процессов одновременно". Соответственно, все плюшки в виде полезных ископаемых, воды, скелета первого человека и т.д. - находятся в этом чехле. Все, что ниже чехла - "гранитный" и "базальтовый" ярусы, в которых ничего нет, кроме гранита и базальта (под океанами гранитный ярус отсутствует). А толщина этого чехла неоднородна, есть места, где чехла ввообще нет. Соответственно, тем толще чехол, тем больше плюшек в нем умещается.

Почему же, когда говорится о добыче артезианских вод, речь идет исключительно о артезианских скважинах? Это сугубо технологические причины. Дело в том, что артезианские воды в основном залегают на значительной глубине, 100 метров и больше. Разумеется, человек может вырыть большой колодец. В сети гуляет байка про одного очень упорного, но очень несчастливого человека, который прорыл в поисках воды 100 метровый колодец, но так и не добрался до водоносного горизонта. Чтобы труды не пропали зря, копатель соорудил над колодцем обыкновенный туалет категорийности "сортир". Говорят, посещение этого заведения вызывало мистический ужас - человек, сделав дела, надев штаны и заправившись, только после этого слышал из дырки знакомый "плюх".

Но трудозатраты на рытье такого глубокого колодца колоссальные, и люди с самого начала стремились упростить эту работу. И тут им на помощь пришли бурильные станки, кардинально облегчившие работу. И я бы даже сказал, не кардинально, а драматически. К примеру, при рытье колодца вручную необходимо вынимать грунт на площади минимум 2х2 метра, а при бурении станком диаметр проделываемой в земле скважины составляет всего 10-20см. Как говорится, почувствуйте разницу. Уже самые первые осознанные попытки добраться до артезианских вод были осуществлены с помощью примитивных буровых установок, именуемых ударными (они, конечно, примитивные, деревянные буровые штанги, деревянные обсадные трубы, но уже в Египте и в Китае с помощью таких станков глубины скважин доходили до 900м, а это было еще до нашей эры!).

В Египте бурение применялось при постройке пирамид, первый письменный источник относится к 6000 до н.э. В Китае Конфуций за 600 лет до н. э. уже сообщал о китайских скважинах глубиной 500 м, их делали для добычи соляного рассола. Китайские буровые станки работали на ударном принципе - на треножник над скважиной на канатах из индийского тростника подвешивался ударный инструмент из толстых стеблей бамбука, после чего инструмент бросался вниз, разрушая породу. Затем процесс повторялся. Этот метод называется ударно-канатный.

Ну а дальше технология бурения все развивалась и развивалась, и сейчас бурение стало настоящей наукой. Как сказала одна девушка во время знакомства с парнем, узнав, что он буровой мастер:

- ой, вы, наверное, такой умный. У вас так все сложно. Все эти ваши превенторы, желонки, каротажи, шарошечные долота... я ничего в этом не понимаю.

У Брокгауза и Ефрона в энциклопедическом словаре описаны напорные артезианские скважины. Но существуют и безнапорные. На картинке видно, чем отличается напорная скважина от безнапорной.

Да, совершенно верно, безнапорная скважина находится на краю плато, и устье скважины (место пересечения скважиной земной поверхности) находится выше артезианского водоносного горизонта (иначе именуемого статическим уровнем). Соответственно, вода в этой скважине поднимается только до этой отметки, и для вывода ее на поверхность необходимы насосы.

Конструкция и устройство артезианской скважины.

Типичная артезианская скважина представляет собой стальную обсадную колонну, состоящую из отрезков стальных труб, накручивающихся по резьбе друг на друга по мере опускания трубы в пробуренную скважину. В зависимости от геологических условий обсадная колонна может быть как одинакового диаметра по всей длине, так и телескопической, где трубы наибольшего диаметра устанавливаются в верхних слоях земной поверхности, где есть сложности в виде плывунов, неустойчивых глинистых слоев и т.д., а более прочные глубинные слои проходят трубами меньшего диаметра. До недавнего времени применялась только металлическая труба, но сейчас в основном применяется двухтрубная конструкция скважины, где наружная труба стальная, а внутри находится пластиковая труба меньшего диаметра. Это позволило увеличить срок службы скважин, так как коррозия металлической трубы существенно меньше из-за того, что артезианская вода не проходит стальную трубу, а движется внутри пластиковой трубы; в артезианскую воду не попадают окислы железа, что улучшает вкусовую составляющую воды.

Срок службы двухтрубной артезианской скважины сейчас берется равным 50-60 лет, а срок службы однотрубной стальной скважины раньше принимался 20-30 лет.

Выше я упомянул, что артезианские воды относятся к полезным ископаемым. А исходя из нынешней демографической и экологической обстановки, становится очевидно, что ценность этого ресурса растет быстро и уверенно. Сегодня 2 млрд. людей в 80 странах мира живут в условиях ограниченного обеспечения питьевой водой, по прогнозам, к 2025 г. с дефицитом воды столкнутся 48 стран с общим населением 3 млрд. человек. В 9 странах потребление воды превышает скорость ее возобновления, к примеру, в Соединенных Штатах подземные воды, накопленные еще со времени ледникового периода, выкачиваются со скоростью, на 25% большей, чем скорость их возобновления.

России повезло, наша страна по запасам воды в мире стоит в ряде лидеров. В этом отношении нас опережает только Бразилия. Так что мы поплаваем, если что.