Максимальная глубина бурения земли. Кольская сверхглубокая скважина
Знаменитая заброшенная скважина расположена в Мурманской области в Печенгском рудном районе, который известен медно-никелевыми месторождениями. Ближайший населенный пункт – город Заполярный, который находится в 10 км от СГ-3.
Кольская сверхглубокая – фото из космоса
По сей день кольская скважина является самой глубокой в мире. Ее глубина составляет рекордных 12 262 м, диаметр на поверхности 92 см, а на максимальной глубине – 21,5 см. Главная задача скважины СГ-3 это не поиск полезных ископаемых или добыча нефти, в отличие от других сверхглубоких скважин, а исключительно научно-исследовательская деятельность.
Конечно выбор этого труднодоступного места с суровым климатом не случаен. Прежде была организована специальная геологическая экспедиция, которая и указала именно эту точку для постройки всего бурильного сооружения и последующего бурения скважины. Вся территория полуострова имеет много населенных пунктов с весьма странными названиями: Новый Титан, Никель, Слюда, Апатиты, Магнетиты и т.д. Но на самом деле в этом ничего странного нет, потому что полуостров просто огромный склад полезных ископаемых. Немаловажным из выводов экспедиции было и то, что с течением миллионов лет, разрушительного воздействия воды, ветра и льда поверхность Балтийского щита будто бы больше “оголилась” до старейших земных образований, которые обычно упрятаны в других районах, вследствие более мягкого климата и меньшего воздействия эрозии. Т.е. именно в этом месте у бурильщиков было преимущество в 5-8 км в сравнении со срезом земной коры на континенте. Поэтому если здесь пробурить скважину глубиной 15 км, то это сравнимо с 20-23 км на континенте.
Поверхностные слои земной коры к тому времени были очень хорошо изучены при бурении нефтяных скважин и добыче нефти. И для добычи ископаемых достаточно было скважин около 2000-3000 м. Но у СГ-3 была совсем другая и очень тяжелая задача – достигнуть глубины в 15 000 м. Неспроста она сравнивалась с подготовкой и полетом в космос по уровню технического оснащения. А как оказалось сходство и не только в этом. Ну об этом чуть позже. Устроиться на работу в то время на скважину было очень не просто, туда отбирали только самых лучших инженеров и рабочих. Каждый из них получал квартиру и очень достойную зарплату, примерно в восемь раз больше, чем специалисты в центральной части союза.
Д.Губерман и академик Тимофеев обсуждают перспективы бурения
В науке с ХХ веков принято что Земля состоит из коры, мантии и ядра. И границы всех слоев были установлены теоретически, т.е. предполагалось что слой гранитов имеет глубину 3 км, а с глубины 3 км начинается слой базальтов. Мантию ученые предполагали найти на глубине 15-18 км. Но как раз таки СГ-3 разрушила все эти представления и дала иные результаты, над которыми ученые работают и по сей день.
Стартовало бурение 24 мая 1970 года. Кстати, стоит отметить, что главным условием правительства было использование только собственного инструмента и оборудования. Поэтому буровое оборудование было советского производства предприятия “Уралмаш”. Первый этап бурения осуществлялся типовой буровой установкой, максимальный предел глубины которой составлял 5 000 м, но на СГ-3 удалось пробиться с ее помощью до глубины 7 000 м. Что стало очень хорошим результатом. Сам процесс бурения до первой точки в 7 000 м проходил без каких-либо внештатных ситуаций, бур легко справлялся с однородными гранитами и вся эта работа заняла 4 года.
Для продолжения работ по глубинному бурению необходимо было перестроить вышку под другую более мощную установку и выполнить ее монтаж. Все эти работы по переоборудованию заняли около года. Под следующий этап бурения была специально разработана “Уралмаш-15000”, которая имела кардинальные отличия в устройстве. Во-первых, автоматизировался подъем и погружение бура с колонной, во-вторых, благодаря новой конструкции вращалась не вся колонна, а только сам инструмент. Его вращение осуществлялось за счет подачи специально раствора. Сама коронка имеет специальную конструкцию, за счет чего рабочие периодически извлекали пробы породы в виде цилиндров, они носят название керн. Раздробленная порода в процессе бурения поднимается на поверхность вместе со специальным раствором. Потом раствор очищают и запускают по-новому. Вся колонна в сборе с коронкой и буровым раствором имеет массу около 200 т. Трубы из которых собирается колонна необходимой длины, выполнены из алюминиевых сплавов. Бурение на больших глубинах очень сложный технологический процесс, а тем более это было покорением новых глубин, поэтому в процессе возникало масса проблем, которые оперативно и профессионально решались за счет лучших специалистов на станции. На спуск и подъем буровой колонны уходит очень большое количество времени, около 18 часов, а сам процесс бурения занимает 4 часа. Поэтому работы на скважине были круглосуточными в три смены.
Следующий этап бурения с глубины 7 000 метров осложнился за счет рыхлых неравномерных пород, инструмент постоянно отклонялся в сторону более мягких пород и процесс существенно замедлялся, но более неприятные ситуации возникали из-за повреждений бура и обрыва всей буровой колонны. Так вследствие аварий и потери инструмента, приходилось цементировать этот участок и начинать бурение с предыдущих этапов. К 6 июня 1979 года был побит рекорд в 9583 метра, который принадлежал нефтяной скважине Берта Роджерс.
К 1983 году новый рекорд глубины бурения 12 066 метров. Работы на скважине пришлось временно приостановить из-за подготовки к Международному геологическому конгрессу, который намечен был на 1984 год в Москве.
После перерыва 27 сентября 1984 года работы по бурению были возобновлены. Но при первом же этапе произошла авария – обрыв колонны с буром. Специалистами было утеряно 5 км труб колонны. Все попытки достать из скважины оборудование окончились неудачей. Поэтому пришлось начинать бурение с 7000 м. И за 6 лет к 1990 году новая скважина достигла рекордной отметки 12 262 м. Все попытки дальше продолжить бурение оканчивались неудачами, поэтому проект заморозили и через некоторое время вовсе остановили за недостатком финансирования и политической ситуацией в стране. Но эта глубина так и остается рекордной!
Кольская сверхглубокая наши дни
В конце концов в 2008 году все было окончательно заброшено, скважину законсервировали, какая-то часть оборудования была демонтирована, остальное разрушается от времени и от рук мародеров. По некоторым данным, для восстановления всего оборудования и продолжения научно-исследовательской работы потребуется около 100 млн. руб, но скорее всего это уже нереально.
Далее приведем фото нынешнего состояния объекта
Для получения дополнительной информации, посмотрите короткометражный фильм
В 50-70 годах прошлого века мир менялся с невероятной скоростью. Появились вещи, без которых сложно представить сегодняшний мир: появился интернет, компьютер, сотовая связь, покорение космоса и морских глубин. Человек стремительно расширял сферы своего присутствия во Вселенной, но о строении своего «дома» – планеты Земля он все еще имел довольно приблизительные представления. Хотя уже тогда идея сверхглубокого бурения была не нова: еще в 1958 году американцы запустили проект «Mohole» . Его название образовано от двух слов:
Moho
– поверхность, названная в честь Андрия Мохоровичича
– хорватского геофизика и сейсмолога, выделившего в 1909 году нижнюю границу земной коры, на которой происходит скачкообразное увеличение скорости сейсмических волн;
Hole
– скважина, дырка, отверстие. Исходя из предположений, что толщина земной коры под океанами гораздо меньше, чем на суше, недалеко от острова Гуаделупе было пробурено 5 скважин глубиной около 180 метров (при глубине океана до 3,5 км). За пять лет исследователи пробурили пять скважин, собрали множество образцов из базальтового слоя, но до мантии не дошли. В итоге, проект был признан неудавшимся и работы свернули.
Судно CUSS, силами которого осуществлялся проект Mohole
Одной из главных целей экспедиции «По дорогам Заполярья» стала Кольская сверхглубокая скважина (или объект СГ-3) – самая глубокая в мире. Впервые я узнал о ней еще в 2004 году, учась на первом курсе геологического факультета РГУ нефти и газа, на лекции по общей геологии. И с тех пор надеялся увидеть все своими глазами.
Времена изменились и, некогда труднодоступная, территория объекта СГ-3 находится сейчас в непосредственной близости к горно-обогатительному комбинату Кольской горно-металлургической компании. А проезд к скважине и вовсе проходит через технологические дороги.
Если ехать по навигатору, то после г. Заполярный он приведет к КПП горно-обогатительного комбината. На территорию охрана, разумеется, не пустит, а про Кольскую сверхглубокую якобы ничего не слышала.
Руководству комбината ожидаемо надоело постоянное паломничество к Кольской сверхглубокой разного рода нео-сталкеров, любителей геологии и охотников за металлом, поэтому дорогу к скважине перекопали экскаваторами и для верности пересыпали булыжниками.
Поэтому мы возвращаемся на место, где в последний раз работал мобильный интернет и ищем по спутнику накатанную альтернативную дорогу. Найдя заветную отворотку, поднимаем гидропневматическую подвеску нашего Toyota Land Cruiser 200 Executive в верхнее положение, и ползем холмами в сторону скважины.
Дорога, как и полагается настоящему приключению, изобиловала разного рода препятствиями – броды, камни, даже озера.
Уже вернувшись в Мурманск и анализируя gps-трек (мы писали весь маршрут с помощью сервиса locme.ru , о нем я расскажу позже), я заметил, что на скважину мы ехали не оптимальным маршрутом и где-то сбились с пути, а вот обратно проехали уже как надо. О чем, я ни капли жалею.
Трек записан с помощью сервиса LocMe
И вот, взобравшись на очередной холм, нам открывается вид на некогда величественный научно-производственный комплекс Кольской сверхглубокой скважины.
Стремясь занять лидирующее положение во всех отраслях сразу, в 1962 году СССР запустил свою программу сверхглубокого бурения.
На подготовку проекта ушло 4 года: главная сложность заключалась в том, что согласно геотермическому градиенту (физической величине, описывающей увеличение температуры горных пород с глубиной), температура на глубине 10 км должна составлять порядка 300°С, а на 15 км - почти 500°С. На такую температуру не были рассчитаны ни буровой инструмент, ни измерительная аппаратура. К 1970 году, как раз к 100-летию со дня рождения Ленина, площадка под бурение была найдена – древний кристаллический щит Кольского полуострова. По данным отчета Института физики Земли, за миллиарды лет Кольский щит остыл, температура на глубине 15 км не должна была превышать 150°С. Согласно примерному разрезу, первые 7 километров должны быть сложены гранитными толщами верхней части земной коры, а ниже начинаться базальты. Площадку для буровой выбрали на северной оконечности Кольского полуострова близ озера Вильгискоддеоайвинъярви (по-фински это значит «Под волчьей горой»). К бурению скважины, проектная глубина которой составляла 15 километров, приступили в мае 1970 года.
Несмотря на нетривиальную задачу, никакое специальное оборудование для работ не разрабатывалось – работали тем, что есть. На первых этапах применялась буровая установка «Уралмаш 4Э» грузоподъемностью 200 тонн и легкосплавные алюминиевые трубы. Дорогой алюминий использовался по целому ряду причин: трубы из «крылатого металла» имеют гораздо меньший вес, а при температурах свыше 150-160 градусов сталь серийных труб размягчается и хуже держит многотонные нагрузки - из-за этого возрастает вероятность опасных деформаций и обрыва колонны. Когда скважина достигла глубины 7000 метров , на площадке смонтировали новую буровую установку «Уралмаш 15000» - одну из самых современных на тот момент. Мощная, надежная, с автоматическим спускоподъемным механизмом, она могла выдержать колонну труб длиной до 15 км. Буровая превратилась в полностью обшитую вышку высотой 68 м, непокорную сильным ветрам, бушующим в Заполярье. Один только вес буровой колонны при 15-километровой глубине достигал бы 200 тонн. А сама установка могла поднимать груз вплоть до 400 тонн. Рядом выросли ремонтно-механический завод, научные лаборатории и кернохранилище. : в 70е годы наибольшим распространением пользовалось роторное бурение, когда вся колонна труб проворачивалась ротором, находящимся на поверхности. Такой метод отлично подходил для относительно неглубоких скважин, но, когда длина ствола приближается к 7000, а то и 10000 метрам, роторное бурение становится бессильно. На СГ-3 бурение велось с помощью турбобура – гидравлического двигателя, вращение которого обеспечивалось энергией циркулирующего бурового раствора. Установленные на нижнем конце колонны 46 метровые секции вращали буровое долото. Ни в СССР, ни в мире на тот момент не было опыта бурения в породах кристаллического фундамента на подобных глубинах и помимо чисто технологических проблем, работа осложнялась 100% отбором керна. Проходка за один рейс, определяемая износом буровой головки, составляет обычно 7-10 м (рейс, или цикл, – это спуск колонны с турбиной и буровым инструментом, собственно бурение и полный подъем колонны.) Само бурение занимает 4 часа, а на спуск и подъем 12-километровой колонны уходит около 18 часов. При подъеме колонна автоматически разбирается на секции (свечи) длиной по 33 м. В среднем за месяц удавалось пробурить 60 м. На проходку последних 5 км скважины было использовано 50 км труб. Такова степень их износа.
Подъезжая к территории СГ-3, мы увидели «Буханку» и людей, суетливо складывающих внутрь куски железа. Это картина давно стала привычной для некогда передового научного центра – предполагалось, что Кольская сверхглубокая скважина после завершения ее проходки будет превращена в уникальную природную лабораторию для исследования с помощью специальных приборов глубинных процессов, протекающих в земной коре. Однако в 2008 году объект был окончательно заброшен, а все более-менее ценное оборудование демонтировано. С этого момента начался период разворовывания всего, что представляло хоть какую-то ценность – в первую очередь металла.
Расхитители металла, впрочем, оказались достаточно компанейскими ребятами, искренне удивились, зачем мы приехали сюда из Москвы – «тут же ничего не осталось!» и показали легендарную скважину. Сейчас она законсервирована, а ее устье закрывает стальная плита. Что происходит в самом стволе – не знает никто.
На базе СГ-3, помимо непосредственно буровой, работало несколько НИИ, собственное конструкторское бюро, токарный цех, кузница. Самые смелые технические решения рождались прямо на площадке, реализовывались своими силами и через несколько дней уже опробовались в работе. Все это требовало энергии и Кольскую сверхглубокую обслуживала собственная подстанция. Сейчас энергоблок выглядит вот так, когда-то здесь работало 48 человек.
У входа свалены ящики с уникальным оборудованием. Все ценное вырвано “с мясом”:
А чуть поодаль стоят опоры линии электропередач. Все провода, разумеется, давно срезали.
Согласно директиве «сверху» на СГ-3 использовалось только отечественное оборудование, да и не могло быть по-другому: на первых порах скважина была сверхсекретным режимным объектом. До глубины 7 км использовали серийные приборы. Работа на больших глубинах и при более высоких температурах потребовала создания специальных термобаростойких приборов. Особые трудности возникли на последнем этапе бурения; когда температура в скважине подошла к 200 о С, а давление превысило 1000 атмосфер, серийные приборы работать уже не могли. На помощь пришли геофизические ОКБ и профильные лаборатории нескольких НИИ, изготовившие единичные экземпляры термобаростойкого оборудования. Конкурс на трудоустройство составлял десятки человек на место, а прошедшим суровый отбор сразу же давали квартиру. В то время, когда рядовой советский инженер получал 120 рублей в месяц, инженер на Кольской сверхглубокой зарабатывал невероятные 850 рублей – три зарплаты и можно купить машину. Всего в на Кольской сверхглубокой работало около 300 человек.
Глубина в 7000 метров оказалась для Кольской сверхглубокой роковой
Глубина в 7000 метров оказалась для Кольской сверхглубокой роковой. Выше по разрезу бурение проходило относительно спокойно, бур проходил через однородные прочные граниты. Но после этой глубины буровая головка вошла в менее прочные слоистые породы, и ствол никак не удавалось держать вертикально. Когда в первый раз скважина прошла отметку 12 км, ствол отклонился от вертикали на 21°. Хотя буровики уже научились работать при невероятной кривизне ствола, дальше углубляться было нельзя. Скважину предстояло перебурить с отметки 7 километров. Чтобы получать вертикальный ствол в твердых породах, нужен очень жесткий низ бурильной колонны, дабы он входил в недра, как нож в масло. Но возникает и другая проблема - скважина постепенно расширяется, бур болтается в ней, как в стакане, стенки ствола начинают рушиться и могут придавить инструмент. Решение этой задачи получилось оригинальным - была применена технология маятника. Бур искусственно раскачивался в скважине и подавлял сильные колебания. За счет этого ствол получался вертикальным. 6 июня 1979 года случилось первое историческое событие. Буровики отрапортовали о достижении отметки в 9584 метра . Кольская скважина стала самой глубокой скважиной в мире, превзойдя американскую нефтяную рекордсменку «Берту Роджерс» (9583 метра).
6 июня 1979 года буровой мастер Федор Атарщиков сделал в вахтенном журнале торжествующую запись: «Забой - 9584 метра. „Берта Роджерс“, чао, гуд бай».
В начале 1980-х произошло и второе историческое событие. Кольская сверхглубокая прошла 11 022 метра , обойдя Марианскую впадину. На такую глубину внутрь собственной колыбели человечество еще не попадало. Одна из самых распространенных аварий при бурении – это прихват бурового инструмента, ситуация, когда осыпающиеся стенки скважины блокируют колонну и не дают вращаться инструменту. Зачастую попытки вытащить прихваченную колонну заканчиваются ее обрывом. Искать инструмент в 10-километровой скважине бесполезно, такой ствол бросали и начинали новый, чуть выше. Обрыв и потеря труб на СГ-3 случались многократно. В итоге в своей нижней части скважина выглядит как корневая система гигантского растения. Разветвленность скважины огорчала буровиков, но оказалась счастьем для геологов, которые неожиданно получили объемную картину внушительного отрезка древних архейских пород, сформировавшихся более 2,5 млрд. лет назад.
Проходя по пустынным коридорам комплекса, несмотря на общую чудовищную разруху, чувствуешь былое величие того, что здесь происходило. В одном из кабинетов пол усеян редкой научной литературой – выпуски журнала «Дефектоскопия» за несколько лет и методичка по расчету бурильных колонн для сверхглубоких скважин – уникальность научного труда примерно сопоставима с «инструкцией по полету на Луну для чайников», если бы она существовала.
В другом – чудом сохранившееся рабочее место бурового мастера. Первая скважина в России была пробурена в 1864 году на Кубани. С тех пор и поныне – мастер почти всегда работает непосредственно на буровой площадке – чтобы видеть и контролировать все происходящее. А на Кольской сверхглубокой было не так! Оператор сидел аж в 250 метрах от устья и наблюдал за всем удаленно, в том числе за параметрами бурения. Космос!
Стены обшарпаны, стекла выбиты суровым северным ветром, но не оставляет чувство, что вот-вот в кабинет зайдет лаборант и выгонит непрошенных гостей.
В сентябре 1984 года была впервые достигнута глубина в 12 066 метров , и тут случился очередной обрыв буровой колонны. Это стало настоящей трагедией для буровой бригады, ведь пришлось начинать все практически заново, все с тех же 7 километров, вновь и вновь проходя трещины и каверны нижнего слоя земной коры. Тогда же, в рамках Всемирного геологического конгресса, работы, проводимые в Заполярье, рассекретили. В научном мире скважина СГ-3 произвела настоящий фурор. В поселок Заполярный отправилась большая делегация геологов и журналистов. Посетителям показали буровую в действии, доставали и отсоединяли 33-метровые секции труб. Вокруг находились десятки точно таких же буровых долот, как и то, что лежало на стенде в Москве. СССР подтвердил статус передовой державы в области глубокого бурения.
В июне 1990 года , когда СГ-3 достигла глубины 12 262 м , начались подготовительные работы к проходке до 14 км, вновь произошла авария. На отметке 8 550 м колонна труб оборвалась. Продолжение работ требовало долгого и дорогостоящего обновления техник, так что в 1994 году бурение Кольской сверхглубокой прекратили. Все возможности современной техники были исчерпаны. Через 3 года она попала в Книгу рекордов Гиннесса и до сих пор остается непревзойденной.
Что же дало сверхглубокое бурение на Кольском полуострове человечеству?
Прежде всего, она опровергла простое двуслойное строение Земли. Составленный на основании керна СГ-3 геологический разрез оказался прямо противоположным тому, что ученые представляли себе ранее. Первые 7 километров были сложены вулканическими и осадочными породами: туфами, базальтами, брекчиями, песчаниками, доломитами. Глубже лежал так называемый раздел Конрада, после которого скорость сейсмических волн в породах резко увеличивалась, что интерпретировалось как граница между гранитами и базальтами. Этот раздел был давно пройден, но базальты нижнего слоя земной коры так нигде и не появились. Наоборот, начались граниты и гнейсы. 
Одной из важнейших целей бурения было получить керн (цилиндрический столбик горной породы) во всю длину скважины. Самый длинный в мире керн разметили, как линейку, на метры и уложили в соответствующем порядке в ящиках. Сверху указаны номер ящика и номера образцов. Всего таких ящиков на складе почти 900.
Сейсмические разделы в недрах, как оказалось, это не границы слоев из пород разного состава. Скорее они указывают на изменение петрофизических свойств пород с глубиной. При высоком давлении и температуре свойства настолько меняются, что граниты по своим физическим характеристикам становятся похожи на базальты, и наоборот. Считалось, что с глубиной и ростом давления пористость и трещиноватость пород уменьшаются. Однако, начиная с 9 километровой отметки, толщи оказались аномально пористыми и трещиноватыми. По густой системе трещин циркулировали водные растворы. Позднее этот факт подтвердили другие сверхглубокие скважины на континентах. На глубине оказалось гораздо жарче, чем рассчитывали: на целых 80°! На отметке 7 км температура в забое была 120°С, на 12 км - достигла уже 230°С. В образцах Кольской скважины ученые обнаружили золотое оруденение. Вкрапления драгоценного металла находились в древних породах на глубине 9,5-10,5 км. Впрочем, концентрация золота была слишком мала, чтобы заявлять о месторождении - в среднем 37,7 мг на тонну породы, но достаточная, чтобы ожидать его и в других подобных местах. Кольская сверхглубокая скважина состарила Землю на целых 1,5 миллиарда лет: жизнь на планете появилась раньше, чем предполагалось. На глубинах, где считалось, что нет органики, обнаружили более 17 видов окаменевших микроорганизмов – микрофоссилий, а ведь возраст этих глубинных слоев превышал 2,8 миллиарда лет. И еще более десятка узконаправленных открытий.
Всего на территории СССР было пробурено около 30 сверхглубоких скважин
Немногие знают, но на территории бывшего СССР было пробурено более 30 сверхглубоких скважин (на сегодняшний день все или почти все они уничтожены). По специальным транссектам (линиям измерений) их соединили между собой, получив региональные геологические профили длиной многие тысячи километров. Вдоль транссект размещалось специальное геофизическое оборудование, которое фиксировало все процессы, происходящие в недрах, в едином времени. В качестве источников возбуждения (импульса, который фиксировался в скважинах) до 1991 года применялись подземные ядерные взрывы.
Этот принципиально новый технический и методический подход к решению регионального глубинного строения земной коры и верхней мантии был основан на комплексировании данных сверхглубокого и глубокого бурения, а также сейсмического глубинного зондирования и других геофизических и геохимических методов. Для территории СССР была разработана система взаимной увязки данных геофизических профилей, опирающихся на опорные сверхглубокие скважины. Все это позволило провести достаточно детальное районирование, в первую очередь перспективных с точки зрения нефте- газо- и рудоносности зон, в масштабах всей страны. 
Цена восстановления 100 миллионов рублей?
В своих интервью директор геологического института Кольского научного центра РАН утверждает, что за 100 млн. рублей можно хоть сейчас восстановить комплекс Кольской сверхглубокой скважины, открыть на ее базе научно-технический центр и обучать специалистов по шельфовому бурению. Мне совершенно очевидно, что это не так. И вопрос,к сожалению, не в деньгах. Уникальный объект, по масштабу и значимости для человечества сравнимый разве что с полетом человека в космос, утерян. И утерян безвозвратно.
После СГ-3 в мире предпринималось и предпринимается немало попыток заглянуть в глубинные горизонты недр Земли, но к сожалению, ни один проект не приблизился по значимости к работе, проведенной в Заполярье.
- Что же самое главное показала Кольская скважина?
- Господа! Главное, она показала то, что мы ничего не знаем о континентальной коре
Как проехать к Кольской сверхглубокой скважине? Точки, координаты и др.
- Из Мурманска по автодороге А138 двигаемся в сторону г. Никель;
- В точке 69.479533, 31.824395 будет КПП, где проверят документы;
- Едем дальше до 69.440422, 30.594060 где сворачиваем налево;
- Продолжаем движение по технологической дороге до 69.416088, 30.684387 ;
- Засыпанная дорога должна быть по правую руку в точке 69.408826, 30.661051 ;
- Едем дальше и внимательно смотрим отворотку по левую руку. Я съезжал тут: 69.414850, 30.613894 ;
- Далее двигаемся по накатанной тропе, но в точке 69.411232, 30.608956 необходимо держаться правее.
- Координаты самой скважины 69.396326, 30.609513 .
Сотни тысяч скважин были пробурены в земной коре за последние десятилетия прошлого века. И это неудивительно, потому что поиск и добыча полезных ископаемых в наше время неизбежно связаны с глубоким бурением. Но среди всех этих скважин есть одна-единственная на планете - легендарная Кольская сверхглубокая (СГ), глубина которой до сих пор остается непревзойденной - более двенадцати километров. Кроме того, СГ - одна из немногих, которую бурили не ради разведки или добычи полезных ископаемых, а с чисто научными целями: изучить древнейшие породы нашей планеты и познать тайны идущих в них процессов.
Сегодня на Кольской сверхглубокой не ведут бурение, оно прекращено в 1992 году. СГ была не первой и не единственной в программе изучения глубинного строения Земли. Из зарубежных скважин три дошли до глубины от 9,1 до 9,6 км. Планировалось, что одна из них (в Германии) превзойдет Кольскую. Однако бурение на всех трех, так же как и на СГ, было прекращено из-за аварий и по техническим причинам пока не может быть продолжено.
Видно, не зря задачи бурения сверхглубоких скважин по сложности сравнивают с полетом в космос, с длительной космической экспедицией к другой планете. Образцы пород, извлеченные из земных недр, представляют не меньший интерес, чем образцы лунного грунта. Доставленный советским луноходом грунт исследовали в разных институтах, в том числе в Кольском научном центре. Оказалось, что лунный грунт по составу почти полностью соответствует породам, извлеченным из Кольской скважины с глубины около 3 км.
ВЫБОР МЕСТА И ПРОГНОЗ
Для бурения СГ была создана специальная геологоразведочная экспедиция (Кольская ГРЭ). Место бурения тоже конечно же выбрано не случайно - Балтийский щит в районе Кольского полуострова. Здесь на поверхность выходят древнейшие изверженные породы возрастом около 3 млрд. лет (а Земле всего-то 4,5 млрд. лет). Бурить именно в древнейших изверженных породах было интересно, потому что толщи осадочных пород до глубины 8 км уже неплохо изучены при добыче нефти. А в изверженные породы при добыче полезных ископаемых забираются обычно лишь на 1-2 км. Выбору места для СГ способствовало и то, что здесь находится печенегский прогиб - огромная чашеподобная структура, как бы вдавленная в древние породы. Ее происхождение связано с глубинным разломом. И именно здесь находятся крупные медно-никелевые месторождения. А в задачи, поставленные перед Кольской геологической экспедицией, входило выявить ряд особенностей геологических процессов и явлений, в том числе - рудообразования, определить природу границ, разделяющих слои в континентальной коре, собрать данные о вещественном составе и физическом состоянии горных пород.
До начала бурения был построен на основе сейсмологических данных разрез земной коры. Он послужил прогнозом появления тех земных слоев, которые пересекала скважина. Предполагалось, что до глубины 5 км идет гранитная толща, после нее ожидали более прочные и более древние базальтовые породы.
Итак, местом бурения выбрали северо-запад Кольского полуострова, в 10 км от города Заполярный, неподалеку от нашей границы с Норвегией. Заполярный - небольшой городок, выросший в пятидесятых годах рядом с никелевым комбинатом. Среди холмистой тундры на бугре, продуваемом всеми ветрами и метелями, стоит "квадратик", каждая сторона которого образована из семи пятиэтажных домов. Внутри - две улицы, на их пересечении площадь, где стоят Дом культуры и гостиница. В километре от городка, за оврагом, видны корпуса и высокие трубы никелевого комбината, за ним, по склону горы, темнеют отвалы пустой породы из ближайшего карьера. Рядом с городком проходит шоссе на город Никель и к небольшому озерцу, на другом берегу которого - уже Норвегия.
Земля тех мест в изобилии хранит следы прошедшей войны. Когда едешь на автобусе от Мурманска в Заполярный, примерно на половине пути пересекаешь небольшую речушку Западная Лица, на ее берегу памятный обелиск. Это единственное во всей России место, где фронт во время войны с 1941 по 1944 год простоял неподвижно, упираясь в Баренцево море. Хотя здесь все время шли жестокие бои и потери с обеих сторон были огромные. Немцы безуспешно стремились пробиться к Мурманску - единственному на нашем Севере незамерзающему порту. Зимой 1944 года советским войскам удалось прорвать фронт.
На этом крюке опускали и поднимали колонну труб. Слева - в корзине - стоят подготовленные к спуску 33-метровые трубы - "свечи".
Кольская сверхглубокая скважина. На рисунке справа: А. Прогноз геологического разреза. Б. Геологический разрез, построенный на основании данных бурения СГ (стрелки от колонки А к колонке Б указывают, на какой глубине встречены прогнозируемые породы). На этом разрезе верхняя часть (до 7 км) - толща протерозоя со слоями вулканических (диабазы) и осадочных пород (песчаники, доломиты). Ниже 7 км - толща архея с повторяющимися пачками пород (в основном гнейсы и амфиболиты). Ее возраст - 2,86 млрд. лет. В. Ствол скважины со многими пробуренными и потерянными стволами (ниже 7 км) по форме напоминает разветвленные корни гигантского растения. Скважина словно извивается, потому что бур постоянно отклоняется в сторону менее прочных пород.
От Заполярного до Сверхглубокой - 10 км. Дорога идет мимо комбината, потом по краю карьера и дальше лезет в гору. С перевала открывается небольшая котловина, в которой и установлена буровая. Ее высота - с двадцатиэтажный дом. К каждой смене из Заполярного сюда шли "вахтовики". Всего в экспедиции работало около 3000 человек, жили они в городе в двух домах. С буровой круглосуточно слышалось ворчание каких-то механизмов. Тишина означала, что в бурении почему-то наступил перерыв. Зимой в долгую полярную ночь - а она там продолжается с 23 ноября по 23 января - вся буровая светилась огнями. Нередко к ним добавлялся свет полярного сияния.
Немного о персонале. В Кольской геологоразведочной экспедиции, созданной для бурения, собрался хороший, высококвалифицированный коллектив работников. Начальником ГРЭ, талантливым руководителем, подобравшим команду, почти бессменно был Д. Губерман. Главный инженер И. Васильченко отвечал за бурение. Командовал буровой А. Батищев, которого все звали просто Лехой. Геологией ведал В. Ланей, а геофизикой - Ю. Кузнецов. Огромную работу по обработке керна и созданию кернохранилища провел геолог Ю. Смирнов - тот самый, у кого был "заветный шкафчик", про который мы еще расскажем. В проведении исследований на СГ принимали участие более 10 научно-исследовательских институтов. Были в коллективе и свои "кулибины" и "левши" (особенно отличался С. Цериковский), которые придумывали и изготовляли различные устройства, порой позволяющие выходить из труднейших, казалось бы, безвыходных положений. Многие необходимые механизмы они сами создавали здесь же в хорошо оснащенных мастерских.
ИСТОРИЯ БУРЕНИЯ
Бурение скважины началось в 1970 году. Проходка до глубины 7263 м заняла 4 года. Ее вели серийной установкой, которую обычно используют при добыче нефти и газа. Всю вышку из-за постоянных ветров и холода пришлось обшить доверху деревянными щитами. Иначе тому, кто во время подъема колонны труб должен стоять наверху, работать просто невозможно.
Потом был годовой перерыв, связанный со строительством новой вышки и монтажом специально разработанной буровой установки - "Уралмаш-15000". Именно с ее помощью велось все дальнейшее сверхглубокое бурение. В новой установке - более мощное автоматизированное оборудование. Использовалось турбинное бурение - это когда вращается не вся колонна, а только буровая головка. Через колонну под давлением подавался буровой раствор, вращающий стоящую внизу многоступенчатую турбину. Общая ее длина - 46 м. Завершается турбина буровой головкой диаметром 214 мм (ее часто называют коронкой), имеющей кольцевую форму, поэтому в середине остается неразбуренный столбик породы - керн диаметром 60 мм. Через все секции турбины проходит труба - керноприемник, где собираются столбики добытой породы. Измельченная порода вместе с буровым раствором выносится по скважине на поверхность.
На образцах керна справа хорошо видны косые полоски, означающие, что здесь скважина проходила через пласты, расположенные наклонно.
Масса колонны, погруженной в скважину с буровым раствором, около 200 тонн. Это при том, что использовались специально разработанные трубы из легких сплавов. Если колонну сделать из обычных стальных труб, она разорвется от собственного веса.
Сложностей, порой совершенно неожиданных, в процессе бурения на больших глубинах и с отбором керна возникает немало.
Проходка за один рейс, определяемая износом буровой головки, составляет обычно 7-10 м. (Рейс, или цикл, - это спуск колонны с турбиной и буровым инструментом, собственно бурение и полный подъем колонны.) Само бурение занимает 4 часа. А на спуск и подъем 12-километровой колонны уходит 18 часов. При подъеме колонна автоматически разбирается на секции (свечи) длиной по 33 м. В среднем за месяц удавалось пробурить 60 м. На проходку последних 5 км скважины было использовано 50 км труб. Такова степень их износа.
До глубины примерно 7 км скважина пересекала прочные, сравнительно однородные породы, и поэтому ствол скважины был ровный, почти соответствующий диаметру буровой головки. Работа продвигалась, можно сказать, спокойно. Однако на глубине 7 км пошли менее прочные трещиноватые, переслаивающиеся с небольшими очень твердыми прослойками породы - гнейсы, амфиболиты. Бурение осложнилось. Ствол принял овальную форму, появилось множество каверн. Участились аварии.
На рисунке, показаны первоначальный прогноз геологического разреза и тот, который составлен на основе данных бурения. Интересно отметить (колонка Б), что угол наклона пластов по скважине составляет около 50 градусов. Таким образом, понятно, что, породы, пересекаемые скважиной, выходят на поверхность. Тут-то и можно вспомнить об уже упомянутом "заветном шкафчике" геолога Ю. Смирнова. Там у него с одной стороны лежали образцы, полученные из скважины, а с другой - взятые на поверхности на том расстоянии от буровой, где выходит наверх соответствующий пласт. Совпадение пород почти полное.
1983 год ознаменовался непревзойденным до сих пор рекордом: глубина бурения превысила 12 км. Работы приостановили.
Приближался Международный геологический конгресс, который, по плану, проходил в Москве. К нему готовилась выставка Геоэкспо. Было решено не только прочитать доклады о результатах, достигнутых на СГ, но и показать участникам конгресса работу в натуре и добытые образцы породы. К конгрессу издали монографию "Кольская сверхглубокая".
На выставке Геоэкспо красовался большой стенд, посвященный работе СГ и самому главному - достижению рекордной глубины. Здесь были впечатляющие графики, рассказывающие о технике и технологии бурения, добытые образцы породы, фотографии техники и коллектива за работой. Но наибольшее внимание участников и гостей конгресса привлекла одна нетрадиционная для выставочного показа деталь: самая обычная и уже немного поржавевшая буровая головка со стертыми твердосплавными зубьями. На этикетке говорилось, что именно она была использована при бурении на глубине более 12 км. Эта буровая головка поражала даже специалистов. Вероятно, все невольно ожидали увидеть какое-то чудо техники, может, с алмазным оснащением... И они еще не знали, что на СГ рядом с буровой собрана большая куча точно таких же уже поржавевших буровых головок: ведь их приходилось менять на новые примерно через каждые пробуренные 7-8 м.
Многие делегаты конгресса захотели своими глазами увидеть уникальную буровую на Кольском полуострове и убедиться, что действительно в Союзе достигнута рекордная глубина бурения. Такой выезд состоялся. Там на месте провели заседание секции конгресса. Делегатам показали буровую, при них поднимали колонну из скважины, отсоединяя от нее 33-метровые секции. Фотографии и статьи о СГ обошли газеты и журналы почти всех стран мира. Была выпущена почтовая марка, организовано спецгашение конвертов. Не стану перечислять имена лауреатов разных премий и награжденных за работы...
Но праздники кончились, надо было продолжать бурение. И оно началось с крупнейшей аварии на первом же рейсе 27 сентября 1984 года - "черная дата" в истории СГ. Скважина не прощает, когда ее надолго оставляют без внимания. За время, пока не велось бурение, в ее стенках, тех, которые не были закреплены зацементированной стальной трубой, неизбежно происходили изменения.
Сначала все шло буднично. Буровики выполняли свои обычные операции: одну за другой опускали секции буровой колонны, к последней, верхней, присоединили трубу подачи бурового раствора, включили насосы. Начали бурение. Приборы на пульте перед оператором показывали обычный режим работы (количество оборотов буровой головки, ее давление на породу, расход жидкости на вращение турбины и т. д.).
Пробурив очередной 9-метровый отрезок на глубине более 12 км, что заняло 4 часа, достигли глубины 12,066 км. Приготовились к подъему колонны. Попробовали. Не идет. На таких глубинах уже не раз наблюдались "прихваты". Это когда какая-то секция колонны словно прилипает к стенкам (может, сверху что-то осыпалось, и ее немного заклинило). Чтобы стронуть колонну с места, требуется усилие, превышающее ее вес (около 200 тонн). Так поступили и на этот раз, но колонна не сдвинулась. Немного прибавили усилие, и стрелка прибора резко сбавила показания. Колонна сильно полегчала, такой потери веса при нормальном ходе операции быть не могло. Начали подъем: поочередно отвинчивали одну за другой секции. При последнем подъеме на крюке висел укороченный кусок трубы с неровным нижним краем. Это означало, что в скважине остались не только турбобур, но и 5 км буровых труб...
Семь месяцев пытались их достать. Ведь потеряли не просто 5 км труб, а результаты пятилетней работы.
Потом все попытки вернуть утерянное прекратили и начали вновь бурить с глубины 7 км. Надо сказать, что именно после седьмого километра геологические условия здесь для работы особенно сложны. Технология бурения каждого шага отрабатывается методом проб и ошибок. А начиная с глубины примерно в 10 км - еще сложнее. Бурение, эксплуатация оборудования и аппаратуры идут на предельном режиме.
Поэтому аварий тут приходится ждать в любую минуту. К ним готовятся. Заранее продумывают методы и средства их ликвидации. Типичная сложная авария - обрыв буровой компоновки вместе с частью колонны буровых труб. Основной метод ее ликвидации - создать уступ чуть выше потерянной части и с этого места вести бурение нового обходного ствола. Всего в скважине было пробурено 12 таких обходных стволов. Четыре из них - протяженностью от 2200 до 5000 м. Основная цена подобных аварий - годы потерянного труда.
Только в бытовом представлении скважина - вертикальная "дырка" от поверхности земли до забоя. В реальности это далеко не так. Особенно, если скважина сверхглубокая и пересекает наклонные пласты различной плотности. Тогда она словно извивается, потому что бур постоянно отклоняется в сторону менее прочных пород. После каждого замера, показывающего, что наклон скважины превышает допустимый, ее надо пытаться "вернуть на место". Для этого вместе с буровым инструментом опускают специальные "отклонители", которые помогают при бурении уменьшить угол наклона скважины. Нередко случаются аварии с потерей бурового инструмента и части труб. После этого новый ствол приходится делать, как мы уже говорили, отступив в сторону. Вот и представьте, как выглядит в земле скважина: что-то вроде разветвленных на глубине корней гигантского растения.
В этом причина особой длительности последней фазы бурения.
После крупнейшей аварии - "черной даты" 1984 года - снова подошли к глубине 12 км только через 6 лет. В 1990 году был достигнут максимум - 12 262 км. После еще нескольких аварий убедились, что глубже не пробиться. Все возможности современной техники исчерпаны. Казалось, будто Земля больше не хочет открывать свои тайны. Бурение прекратили в 1992 году.
ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ РАБОТА. ЦЕЛИ И МЕТОДЫ
Одной из очень важных целей бурения было получить керн-колонку образцов породы во всю длину скважины. И эта задача выполнена. Самый длинный в мире керн разметили, как линейку, на метры и уложили в соответствующем порядке в ящиках. Сверху указаны номер ящика и номера образцов. Всего таких ящиков на складе почти 900.
Теперь осталось только изучать керн, который действительно незаменим при определении строения породы, ее состава, свойств, возраста.
Но образец породы, поднятый на поверхность, имеет иные свойства, чем в массиве. Здесь, наверху, он освобожден от огромных механических напряжений, существующих на глубине. Во время бурения он растрескался, напитался буровым раствором. Даже если воссоздать в специальной камере глубинные условия, то все равно параметры, измеренные на образце, отличаются от тех, что в массиве. И еще одна маленькая "заковыка": на каждые 100 м пробуренной скважины не получают 100 м керна. На СГ с глубин более 5 км средний выход керна составил только около 30%, а с глубин более 9 км это были порой лишь отдельные бляшки толщиной 2-3 см, соответствующие наиболее прочным прослойкам.
Итак, керн, поднятый на СГ из скважины, не дает полной информации о глубинных породах.
Скважины бурили с научными целями, поэтому использовался весь комплекс современных методов исследования. Кроме извлечения керна обязательно проводились исследования свойств пород в их естественном залегании. Постоянно контролировали техническое состояние скважины. Измеряли температуру по всему стволу, естественную радиоактивность - гамма-излучение, наведенную радиоактивность после импульсного нейтронного облучения, электрические и магнитные свойства пород, скорость распространения упругих волн, исследовали состав газов в жидкости скважины.
До глубины 7 км использовали серийные приборы. Работа на больших глубинах и при более высоких температурах потребовала создания специальных термобаростойких приборов. Особые трудности возникли на последнем этапе бурения; когда температура в скважине подошла к 200оС, а давление превысило 1000 атмосфер, серийные приборы работать уже не могли. На помощь пришли геофизические ОКБ и профильные лаборатории нескольких НИИ, изготовившие единичные экземпляры термобаростойких приборов. Таким образом, все время работали только на отечественной аппаратуре.
Словом, скважина была достаточно детально исследована на всю ее глубину. Исследования проводили поэтапно, примерно раз в год, после углубления скважины на 1 км. Каждый раз после этого давали оценку достоверности полученных материалов. Соответствующие вычисления позволяли определить параметры той или иной породы. Обнаружили определенное чередование пластов и уже знали, к каким породам приурочены каверны и связанные с ними частичные потери информации. Научились буквально по "крошкам" идентифицировать породы и на этой основе воссоздавать полную картину того, что "утаила" скважина. Короче говоря, удалось построить детальную литологическую колонку - показать чередование пород и их свойства.
ИЗ СОБСТВЕННОГО ОПЫТА
Примерно раз в год, когда завершался очередной этап бурения - углубление скважины на 1 км, я тоже выезжал на СГ, чтобы провести измерения, которые мне были поручены. Скважину в это время обычно промывали и на месяц предоставляли для исследований. Время плановой остановки всегда было известно заранее. Телеграмма-вызов на проведение работ также приходила заблаговременно. Аппаратура проверена и упакована. Формальности, связанные с закрытыми работами в погранзоне, выполнены. Наконец все улажено. Едем.
Наша группа - маленький дружный коллектив: разработчик скважинного снаряда, разработчик новой наземной аппаратуры и я - методист. Приезжаем дней за 10 до измерений. Знакомимся с данными о техническом состоянии скважины. Составляем и утверждаем подробную программу измерений. Собираем и калибруем аппаратуру. Ждем звонка - вызова со скважины. Наша очередь "нырять" третья, но, если будет отказ у предшественников, скважину предоставят нам. На этот раз у них все в порядке, говорят, что завтра к утру кончат. С нами в одной бригаде геофизики -операторы, которые регистрируют сигналы, получаемые от аппаратуры в скважине, и командуют всеми операциями по спуску и подъему скважинного прибора, а также механики на подъемнике, они управляют сматыванием с барабана и наматыванием на него тех самых 12 км кабеля, на котором в скважину опускают прибор. Дежурят и буровики.
Работы начались. Прибор опущен в скважину на несколько метров. Последняя проверка. Поехали. Спуск идет медленно - около 1 км/ч, с непрерывным контролем сигнала, поступающего снизу. Пока все в порядке. Но вот на восьмом километре сигнал задергался и пропал. Значит, что-то не так. Полный подъем. (На всякий случай у нас подготовлен второй комплект аппаратуры.) Начинаем проверку всех деталей. На сей раз неисправным оказался кабель. Его заменяют. На это уходит больше суток. Новый спуск занял 10 часов. Наконец наблюдающий за сигналом сообщил: "Прибыли на одиннадцатый километр". Команда операторам: "Начать запись". Что и как - заранее расписано по программе. Теперь нужно несколько раз опустить и поднять скважинный прибор в заданном интервале, чтобы провести замеры. На этот раз аппаратура отработала нормально. Теперь полный подъем. Подняли на 3 км, и вдруг звонок лебедчика (он у нас человек с юмором): "Веревка кончилась". Как?! Что?! Увы, обрыв кабеля... Скважинный прибор и 8 км кабеля остались лежать на забое... К счастью, через сутки буровики сумели все это поднять, используя методику и приспособления, разработанные местными умельцами для ликвидации подобных ЧП.
ИТОГИ
Задачи, поставленные в проекте сверхглубокого бурения, выполнены. Разработаны и созданы особая аппаратура и технология сверхглубокого бурения, а также для исследования пробуренных на большую глубину скважин. Получили информацию, можно сказать, "из первых рук" о физическом состоянии, свойствах и составе горных пород в их естественном залегании и по керну до глубины 12 262 м.
Отличный подарок родине скважина выдала на малой глубине - в интервале 1,6-1,8 км. Там были вскрыты промышленные медно-никелевые руды - обнаружен новый рудный горизонт. И очень кстати, потому что местному никелевому комбинату уже не хватает руды.
Как было отмечено выше, геологический прогноз разреза скважины не оправдался (см. рисунок на стр. 39.). Картина, которая ожидалась на протяжении первых 5 км, в скважине растянулась на 7 км, а дальше появились совсем неожиданные породы. Прогнозируемых на глубине 7 км базальтов не нашли, даже когда опустились до 12 км.
Ожидали, что граница, дающая наибольшее отражение при сейсмическом зондировании, - это тот уровень, где граниты переходят в более прочный базальтовый слой. В действительности же оказалось, что там расположены менее прочные и менее плотные трещиноватые породы - архейские гнейсы. Такого никак не предполагали. И это принципиально новая геолого-геофизическая информация, которая позволяет по-другому интерпретировать данные глубинных геофизических исследований.
Неожиданными, принципиально новыми оказались и данные о процессе рудообразования в глубинных слоях земной коры. Так, на глубинах 9-12 км встретились высокопористые трещиноватые породы, насыщенные подземными сильно минерализованными водами. Эти воды - один из источников рудообразования. Раньше считали, что такое возможно лишь на значительно меньших глубинах. Именно в этом интервале в керне обнаружили повышенное содержание золота - до 1 г на 1 т породы (концентрация, которая считается пригодной для промышленной разработки). Но будет ли когда-нибудь рентабельной добыча золота с такой глубины?
Изменились и представления о тепловом режиме земных недр, о глубинном распределении температур в районах базальтовых щитов. На глубине более 6 км получен температурный градиент 20оС на 1 км вместо ожидавшегося (как и в верхней части) 16оС на 1 км. Выявлено, что половина теплового потока имеет радиогенное происхождение.
Пробурив уникальную Кольскую сверхглубокую скважину, мы очень многое узнали и одновременно поняли, как мало мы еще знаем о строении своей планеты.
Кандидат технических наук А. ОСАДЧИЙ.
ЛИТЕРАТУРА
Кольская сверхглубокая. М.: Недра, 1984.
Кольская сверхглубокая. Научные результаты и опыты исследования. М., 1998.
Козловский Е. А. Всемирный форум геологов. "Наука и жизнь" № 10, 1984.
Козловский Е. А. Кольская сверхглубокая. "Наука и жизнь" № 11, 1985.
Sredao.ru коттеджные поселки от СРЕДЫ ОБИТАНИЯ
Sredao.ru таунхаусы от бюро недвижимости СРЕДЫ ОБИТАНИЯ
Во второй половине 20 века, мир заболел сверхглубоким бурением. В США готовили новую программу изучения океанского дна (Deep Sea Drilling Project). Построенное специально для этого проекта судно «Гломар Челленджер» несколько лет провело в водах различных океанов и морей, пробурив в их дне почти 800 скважин, достигнув максимальной глубины 760 м. К середине 1980-х годов результаты морского бурения подтвердили теорию тектоники плит. Геология как наука родилась заново. Тем временем Россия шла своим путем. Интерес к проблеме, разбуженный успехами США, вылился в программу «Изучение недр Земли и сверхглубокое бурение», но не в океане, а на континенте. Несмотря на многовековую историю, континентальное бурение представлялось совершенно новым делом. Ведь речь шла о недостижимых ранее глубинах — более 7 километров. В 1962 году Никита Хрущев утвердил эту программу, хотя руководствовался он скорее политическими мотивами, нежели научными. Ему не хотелось отстать от США.
Возглавил вновь созданную лабораторию при Институте буровой техники известный нефтяник доктор технических наук Николай Тимофеев. Ему было поручено обосновать возможность сверхглубокого бурения в кристаллических породах — гранитах и гнейсах. На исследования ушло 4 года, и в 1966 году эксперты вынесли вердикт — бурить можно, причем не обязательно техникой завтрашнего дня, достаточно того оборудования, что уже есть. Главная проблема — жара на глубине. Согласно расчетам, по мере внедрения в горные породы, слагающие земную кору, температура должна увеличиваться через каждые 33 метра на 1 градус. Значит, на глубине 10 км надо ожидать порядка 300°С, а на 15 км — почти 500°С. Такого нагрева бурильные инструменты и приборы не выдержат. Надо было искать место, где недра не столь горячи…
Такое место нашли — древний кристаллической щит Кольского полуострова. Отчет, подготовленный в Институте физики Земли, гласил: за миллиарды лет своего существования Кольский щит остыл, температура на глубине 15 км не превышает 150°С. А геофизики подготовили примерный разрез недр Кольского полуострова. По их данным, первые 7 километров — это гранитные толщи верхней части земной коры, потом начинается базальтовый слой. Тогда представление о двухслойном строении земной коры было общепринятым. Но как оказалось позднее, и физики, и геофизики ошибались. Площадку для буровой выбрали на северной оконечности Кольского полуострова близ озера Вильгискоддеоайвинъярви. По-фински это значит «Под волчьей горой», хотя ни горы, ни волков в том месте нет. К бурению скважины, проектная глубина которой составляла 15 километров, приступили в мае 1970 года.
Н о
З десь можно послушать адские звуки из скважины.
Фильм: Кольская сверхглубокая: последний салют
Сегодня научные изыскания человечества добрались до рубежей Солнечной системы: мы высаживали космические аппараты на планеты, их спутники, астероиды, кометы, отправили миссии к поясу Койпера и пересекли границу гелиопаузы. С помощью телескопов мы видим события, происходившие 13 миллиардов лет назад - когда Вселенной исполнилось всего несколько сотен миллионов лет. На фоне этого интересно оценить, насколько хорошо мы знаем нашу Землю. Лучший способ узнать ее внутреннее строение - пробурить скважину: чем глубже, тем лучше. Самая глубокая скважина на Земле - Кольская сверхглубокая, или СГ-3. В 1990 году ее глубина достигла 12 километров 262 метров. Если сравнить эту цифру с радиусом нашей планеты, то окажется, что это всего 0,2 процента пути до центра Земли. Но даже этого оказалось достаточно, чтобы перевернуть представления о строении земной коры.
Если вы представляете себе скважину как шахту, по которой можно спускаться на лифте в самые недра земли или хотя бы на пару километров, то это совсем не так. Диаметр бурового инструмента, с помощью которого инженеры создавали скважину, составлял всего 21,4 сантиметра. Верхний двухкилометровый отрезок скважины немного шире - его расширяли до 39,4 сантиметра, но все равно человеку туда никак не попасть. Чтобы представить себе пропорции скважины, лучшей аналогией будет 57-метровая швейная игла с диаметром в 1 миллиметр, немного утолщенная с одного конца.
Схема скважины
Но и это представление будет упрощенным. За время бурения на скважине происходило несколько аварий - часть буровой колонны при этом оказывалась под землей без возможности ее извлечь. Поэтому несколько раз скважину начинали проходить заново, с отметок в семь и девять километров. Есть четыре крупных ответвления и около десятка мелких. У основных ответвлений разная предельная глубина: два из них пересекают отметку в 12 километров, еще два не доходят до нее всего на 200-400 метров. Заметим, что глубина Марианской впадины на километр меньше - 10 994 метра относительно уровня моря.
Горизонтальная (слева) и вертикальная проекции траекторий СГ-3
Ю.Н. Яковлев et al. / Вестник Кольского научного центра РАН, 2014
Более того, было бы ошибкой воспринимать скважину как отвесную линию. Из-за того что на разных глубинах породы обладают разными механическими свойствами, бур в ходе работы отклонялся к менее плотным областям. Поэтому в большом масштабе профиль Кольской сверхглубокой выглядит как немного изогнутая проволока с несколькими ответвлениями.
Подойдя к скважине сегодня, мы увидим лишь верхнюю часть - металлический люк, привинченный к устью двенадцатью массивными болтами. Надпись на нем сделана с ошибкой, правильная глубина - 12 262 метра.
Как бурили сверхглубокую скважину?
Для начала необходимо отметить, что СГ-3 изначально задумывалась именно для научных целей. Исследователи выбрали для бурения место, где на поверхность земли выходили древние породы - возрастом до трех миллиардов лет. Один из аргументов при разведке состоял в том, что молодые осадочные породы были хорошо изучены при добыче нефти, а глубоко в древние слои никто еще не бурил. Кроме того, здесь находились и крупные медно-никелевые месторождения, разведка которых была бы полезным дополнением к научной миссии скважины.
Бурение началось в 1970 году. Первая часть скважины была пробурена серийной установкой «Уралмаш-4Э» - ее обычно использовали для бурения нефтяных скважин. Модификация установки позволила достичь глубины 7 километров 263 метра. На это ушло четыре года. Затем установку сменили на «Уралмаш-15000», названную так в честь запланированной глубины скважины - 15 километров. Новая буровая была разработана специально для Кольской сверхглубокой: бурение на таких больших глубинах требовало серьезной доработки техники и материалов. К примеру, один только вес буровой колонны при 15-километровой глубине достигал 200 тонн. Сама установка могла поднимать груз вплоть до 400 тонн.
Буровая колонна состоит из труб, соединенных между собой. С ее помощью инженеры опускают на дно скважины инструмент для бурения, и она же обеспечивает его работу. На конце колонны устанавливали специальные 46-метровые турбобуры, приводимые в движение потоком воды с поверхности. Они позволяли вращать дробящий породу инструмент отдельно от всей колонны.
Коронки, с помощью которых буровая колонна вгрызалась в гранит, вызывают ассоциации с футуристическими деталями от робота - несколько вращающихся шипастых дисков, соединенных с турбиной сверху. Одной такой коронки хватало всего на четыре часа работы - это примерно соответствует проходу на 7-10 метров, после чего всю буровую колонну нужно поднимать, разбирать и затем опускать заново. Постоянные спуски и подъемы сами по себе занимали до 8 часов.
Даже трубы для колонны в Кольской сверхглубокой пришлось использовать необычные. На глубине постепенно растут температура и давление, и, как рассказывают инженеры, при температурах свыше 150-160 градусов сталь серийных труб размягчается и хуже держит многотонные нагрузки - из-за этого возрастает вероятность опасных деформаций и обрыва колонны. Поэтому разработчики выбрали более легкие и термостойкие алюминиевые сплавы. Каждая из труб имела длину около 33 метров и диаметр около 20 сантиметров - немного уже самой скважины.
Однако даже специально разработанные материалы не выдерживали условий бурения. После первого семикилометрового отрезка на дальнейшее бурение до отметки 12 000 метров ушло почти десять лет и более 50 километров труб. Инженеры столкнулись с тем, что ниже семи километров породы стали менее плотными и трещиноватыми - вязкими для бура. Кроме того, ствол самой скважины исказил форму и стал эллиптичным. В результате несколько раз колонна обрывалась, и, не имея возможности поднять ее обратно, инженеры вынуждены были бетонировать ответвление скважины и проходить ствол заново, теряя годы работы.
Одна из таких крупных аварий заставила буровиков в 1984 году забетонировать ответвление скважины, достигшее глубины 12 066 метров. Бурение пришлось начать заново с 7-километровой отметки. Этому предшествовала пауза в работе со скважиной - в тот момент существование СГ-3 рассекретили, а в Москве прошел международный геологический конгресс Геоэкспо, делегаты которого посетили объект.
Как рассказывают очевидцы аварии, после возобновления работ колонна пробурила скважину еще на девять метров вниз. После четырех часов бурения рабочие приготовились поднимать колонну обратно, но она «не пошла». Буровики решили, что труба где-то «прилипла» к стенкам скважины, и увеличили мощность на подъем. Нагрузка резко уменьшилась. Постепенно разбирая колонну на 33-метровые свечки, рабочие добрались до очередного отрезка, заканчивающегося неровным нижним краем: турбобур и еще пять километров труб остались в скважине, поднять их не удалось.
Вновь достигнуть 12-километровой отметки буровикам удалось лишь к 1990 году, тогда же был установлен и рекорд погружения - 12 262 метра. Затем произошла новая авария, а с 1994 года работы на скважине были остановлены.
Научная миссия сверхглубокой
Картина сейсмических испытаний на СГ-3
«Кольская сверхглубокая» Министерство геологии СССР, издательство «Недра», 1984
Скважину исследовали целым набором геологических и геофизических методов, начиная от сбора керна (столбика пород, соответствующих заданным глубинам) и заканчивая радиационными и сейсмологическими измерениями. К примеру, керн забирали с помощью керноприемников со специальными бурами - они похожи на трубы с зазубренными краями. В центре этих труб 6-7 сантиметровые отверстия, куда попадает порода.
Но даже с этой, казалось бы, простой (за исключением потребности поднимать этот керн с многокилометровой глубины) методикой возникали сложности. Из-за бурового раствора, - того самого, что приводил в движение бур, - керн напитывался жидкостью и изменял свои свойства. Кроме того, условия в глубине и на поверхности земли сильно различаются - образцы растрескивались от перепада давления.
На разных глубинах выход керна сильно отличался. Если на пяти километрах со 100-метрового отрезка можно было рассчитывать на 30 сантиметров керна, то при глубинах свыше девяти километров вместо столбика пород геологи получали набор шайб из плотной породы.
Микрофотография пород, поднятых с глубины 8028 метра
«Кольская сверхглубокая» Министерство геологии СССР, издательство «Недра», 1984
Исследования материала, поднятого из скважины, позволили сделать несколько важных выводов. Во-первых, строение земной коры нельзя упрощать до композиции из нескольких слоев. На это раньше указывали сейсмологические данные - геофизики видели волны, которые казались отраженными от гладкой границы. Исследования на СГ-3 показали, что такая видимость может возникнуть и при сложном распределении пород.
Это предположение сказалось на проектировании скважины - ученые ожидали, что на глубине семи километров ствол войдет в базальтовые породы, однако они не встретились и на 12-километровой отметке. Зато вместо базальта геологи обнаружили породы, обладавшие большим количеством трещин и низкой плотностью, чего совсем нельзя было ожидать от многокилометровой глубины. Больше того, в трещинах нашлись следы подземных вод - высказывались даже предположения, что они образованы прямой реакцией кислорода и водорода в толще Земли.
Среди научных результатов нашлись и прикладные - так, на небольших глубинах геологи нашли горизонт медно-никелевых руд, пригодных к добыче. А на глубине 9,5 километра обнаружился слой геохимической аномалии золота - в породе присутствовали микрометровые зерна самородного золота. Концентрации доходили до грамма на тонну породы. Впрочем, вряд ли добыча с такой глубины будет когда-нибудь рентабельна. Но само существование и свойства золотоносного слоя позволили уточнить модели эволюции минералов - петрогенеза.
Отдельно следует рассказать об исследованиях температурных градиентов и радиации. Для такого рода экспериментов используются внутрискважинные приборы, опускаемые на проводах-тросах. Большой проблемой было обеспечить их синхронность с наземным оборудованием, а также обеспечить работу на больших глубинах. К примеру, трудности возникали с тем, что тросы при длине в 12 километров растягивались примерно на 20 метров, что могло сильно снизить точность данных. Чтобы этого избежать, геофизикам пришлось создавать новые методы маркировки расстояний.
Большинство серийных приборов не было рассчитано на работу в суровых условиях нижних ярусов скважины. Поэтому для исследований на больших глубинах ученые применяли оборудование, разработанное специально для Кольской сверхглубокой.
Важнейший результат геотермических исследований - гораздо более высокие температурные градиенты, нежели ожидалось увидеть. Вблизи поверхности скорость роста температуры составляла 11 градусов на километр, до глубины двух километров - 14 градусов на километр. В интервале от 2,2 до 7,5 километра температура росла со скоростью, приближающейся к 24 градусам на километр, хотя существующие модели предсказывали величину в полтора раза меньшую. В результате уже на пятикилометровой глубине приборы фиксировали температуру в 70 градусов Цельсия, а к 12 километрам это значение достигло 220 градусов Цельсия.
Кольская сверхглубокая оказалась непохожей на другие скважины - к примеру, при анализе тепловыделения пород Украинского кристаллического щита и батолитов Сьерра-Невады геологи показали, что с глубиной тепловыделение падает. В СГ-3 оно наоборот росло. Более того, измерения показали, что основным источником тепла, обеспечивающим 45-55 процентов теплового потока, является распад радиоактивных элементов.
Несмотря на то что глубина залегания скважины кажется колоссальной, она не доходит и до трети толщины земной коры в Балтийском щите. Геологи оценивают, что подошва земной коры в этой области проходит примерно в 40 километрах под землей. Поэтому даже если бы СГ-3 достигла запланированной 15-километровой отсечки, до мантии мы бы все равно не добрались.
Такую амбициозную задачу ставили перед собой американские ученые, разрабатывая проект «Мохол». Геологи планировали достигнуть границы Мохоровичича - подземной области, где наблюдается резкая смена скорости распространения звуковых волн. Считается, что она связана с границей между корой и мантией. Стоит отметить, что буровики выбрали в качестве места для скважины дно океана вблизи острова Гуадалупе - расстояние до границы составляло всего несколько километров. Однако глубина самого океана достигала здесь 3,5 километра, что существенно осложняло буровые работы. Первые испытания в 1960-х годах позволили геологам пробурить скважины лишь на 183 метра.
Недавно стало известно о планах воскресить проект глубокого океанического бурения с помощью исследовательского бурового судна JOIDES Resolution. В качестве новой цели геологи выбрали точку в Индийском океане, неподалеку от Африки. Глубина залегания границы Мохоровичича там составляет лишь около 2,5 километра. В декабре 2015-го - январе 2016 года геологам удалось пробурить скважину глубиной в 789 метров - пятую по величине в мире из подводных скважин. Но эта величина - лишь половина от требовавшейся на первом этапе. Впрочем, команда планирует вернуться и завершить начатое.
***
0,2 процента длины пути к центру Земли - не такая уж впечатляющая величина по сравнению с масштабами космических путешествий. Однако следует учитывать, что и граница Солнечной системы не проходит по орбите Нептуна (или даже поясу Койпера). Гравитация Солнца преобладает над звездной вплоть до расстояний в два световых года от светила. Так что если аккуратно все посчитать, то окажется, что и «Вояджер-2» пролетел лишь десятую долю процента длины пути до окраин нашей системы.
Поэтому не стоит расстраиваться тем, как плохо мы знаем «внутренности» собственной планеты. У геологов есть свои телескопы - сейсмические исследования - и свои амбициозные планы по покорению недр. И если астрономы уже успели прикоснуться к солидной части небесных тел в Солнечной системе, то у геологов все самое интересное еще впереди.
Владимир Королёв
