Владимир Хомутко
Время на чтение: 4 минуты
А А
Где находится самая глубокая нефтяная скважина?
Человек давно мечтал не только полететь в космос, но и проникнуть вглубь родной планеты. Долгое время эта мечта оставалась неосуществимой, поскольку существовавшие технологии не позволяли сколь-нибудь значительно углубиться в земную кору.
В тринадцатом веке китайцы глубина скважин, которые рыли китайцы, достигала фантастических для того времени 1 200 метров, а начиная с тридцатых годов прошлого столетия, с появлением буровых установок люди в Европе стали бурить трехкилометровые шурфы. Однако это все, если можно так выразиться, было лишь неглубокими царапинами на земной поверхности.
Идея пробурить верхнюю земную оболочку в глобальный проект оформилась в 60-х годах двадцатого века. До этого все предположения о строении земной мантии были основаны на данных сейсмической активности прочих косвенных факторах. Однако единственным способом заглянуть в недра Земли в буквальном смысле этого слова оставалось бурение скважин большой глубины.
Сотни пробуренных в этих целях скважин, как на суше, так и на океанском жнее, дали многочисленные данные, помогающие ответить на массу вопросов о строении нашей планеты. Однако сейчас сверхглубокие выработки преследуют не только научные, но и сугубо практические цели. Далее мы рассмотрим самые глубокие скважины, когда-либо пробуренные в мире.
Эта скважина глубиной 8 553 метра, была пробурена в 1977 году в области, где расположена венская нефтегазоносная провинция. В ней были обнаружены небольшие нефтяные месторождения, и возникла мысль заглянуть поглубже. На глубине 7 544 метра специалисты нашли неизвлекаемые газовые запасы, после чего скважина внезапно обрушилась. Компания OMV приняла решение пробурить вторую, но, несмотря на её большую глубину, никаких полезных ископаемых проходчикам найти так и не удалось.
Австрийская скважина Zistersdorf
Федеративная Республика Германия – Hauptbohrung
На организацию этой глубокой горной выработки немецких специалистов вдохновила знаменитая Кольская сверхглубокая скважина. В те времена многие государства Европы и мира стали разрабатывать свои проекты глубинного бурения. Среди них особняком стоял проект Хауптборунг, который реализовывали в течение четырех лет – с 1990-го по 1994-ый год на территории Германии. Несмотря на свою относительно небольшую (по сравнению с описываемыми далее скважинами) глубину – 9 101 метр, этот проект получил широкую мировую известность благодаря открытому доступу к полученным геологическим и буровым данным.
Соединенный Штаты Америки – Baden Unit
Скважина глубиной 9 159 метров, была пробурена американской компанией Lone Star в окрестностях городка Анадарко (США). Разработка была начата в 1970-ом году и продолжалась в течение 545-ти дней. Стоимость её сооружения составила шесть миллионов долларов, а в плане материалов на неё израсходовали 150 алмазных долот и 1 700 тонн цемента.
США – Bertha Rogers
Эту выработку также создали на территории штата Оклахома в районе нефтегазоносной провинции Анадарко в штате Оклахома. Работы начались в 1974-ом году и продлились 502 дня. Бурение проводила также компания, что и в предыдущем примере. Пройдя 9 583 метра, проходчики уперлись в месторождение расплавленной серы, и вынуждены были прекратить работы.
Эта скважина в Книге рекордов Гиннесса названа «самым глубоким вторжением в кору Земли, произведенным человеком». В мае 1970-го года в окрестностях озера с зубодробительным названием Вильгискоддеоайвинъярви началаи сооружение этой грандиозной горной выработки. Изначально хотели пройти 15 километров, но из-за слишком высоких температур остановились на 12 262-х метрах. В настоящее время Кольская сверхглубокая – законсервирована.
Катар – BD-04A
Пробурена на месторождении нефти под названием Al-Shaheen с целью геологической разведки.
Общая глубина составила 12 289 метров, а отметку в 12-ть километров удалось пройти всего за 36-ть дней! Было это семь лет тому назад.
Российская Федерация – OP-11
Начиная с 2003-го года началась целая серия работ по сверхглубокому бурению в рамках проекта «Сахалин-1».
В 2011-ом году компанией Exxon Neftegas была пробурена самая глубокая нефтяная скважина в мире – 12 245 метров, причем – всего да 60 дней.
Было это на месторождении под названием Одопту.
Однако, на этом рекорды не закончились.
О-14 – эксплуатационная скважина в мире не имеет аналогов по общей длине ствола – 13 500 метров, а также самой длинной горизонтальной скважиной – 12 033 метра.
Её разработкой занималась российская компания НК «Роснефть», входящая в консорциум проекта «Сахалин-1». Эта скважина была разработана на месторождении под названием Чайво. Для её бурения использовалась суперсовременная буровая платформа «Орлан».
Также отметим глубину по стволу сооруженной в 2013-ом году в рамках этого же проекта скважины под номером Z-43, значение которой достигло отметки 12 450 метров. В том же году этот рекорд был побита на Чайвинском месторождении – длина ствола Z-42 достигла 12 700 метров, а длина горизонтального участка – 11 739 метров.
В 2014-ом была закончена проходка выработки Z-40 (шельфовое месторождение Чайво), которая до О-14 была самой длинной по стволу скважиной в мире – 13 000 метров, а также обладала самым длинным горизонтальным участком – 12 130 м.
Другими словами, к настоящему времени 8-мь из 10-ти самых протяженных в мире скважин находится на месторождениях проекта «Сахалин-1».
Кольская сверхглубокая скважина
Месторождение под названием Чайво является одним из трех, разрабатываемых консорциумом на Сахалине. Оно расположено на северо-востоке от берегов острова Сахалин. Глубина морского дна в этом районе варьируется от 14-ти до 30-ти м, Месторождение ввели в эксплуатацию еще в 2005-ом году.
Вообще международный шельфовый проект «Сахалин-1» объединяет интересы нескольких крупных мировых корпораций. В него включено три месторождения, расположенных на морском шельфе Одопту, Чайво и Аркутун-Даги. По оценкам специалистов, суммарные доступные запасы углеводородов здесь составляют порядка 236-ти миллионов тонн нефти и почти 487 миллиардов кубических метров природного газа. Месторождение Чайво ввели в эксплуатацию (как мы уже сказали выше) в 2005-ом, месторождение Одопту – в 2010-ом, а в самом начале 2015-го была начата разработка месторождения Аркутун-Даги.
За все время существования проекта удалось добыть около 70-ти миллионов тонн нефти и 16 миллиардов кубических метров природного газа. В настоящее время проект столкнулся с некоторыми трудностями, связанными к колебаниями нефтяных котировок, однако члены консорциума подтвердили свою заинтересованность в дальнейшей работе.
Название Mohole сложносоставное. «Hole» означает скважина или попросту дыра, а первый слог «Мо» взят из фамилии выдающегося хорватского геофизика Андрея Мохоровичича. Благодаря ему, в научный обиход вошло понятие поверхность Мохоровичича. Так называется таинственная подземная область, предположительно нижняя граница земной коры, на которой происходит скачкообразное увеличение скоростей продольных сейсмических волн с 6,7—7,6 до 7,9—8,2 км/с и поперечных— с 3,6—4,2 до 4,4—4,7 км/с. Плотность вещества также возрастает скачком, предположительно, с 2,9—3 до 3,1—3,5 т/м³. Целью проекта «Мохол» как раз и было достичь этой поверхности и впервые получить о ней наглядное, а не только лишь умозрительное представления.
Бурильная платформа CUSS I, Project Mohole
Полагали, что этого легче будет добиться, начав бурение на дне океана, где кора значительно тоньше. Было выбрано место рядом с островом Гуадалупе с глубиной океана около 3,5 км. Однако пробурить удалось лишь 5 пробных скважин с заглублением в дно до 180 метров. После этого проект, увы, пришлось закрыть в связи с перерасходом средств.
В 1973-1974 гг. в штате Оклахома пробурили скважину Берта Роджерс (Bertha Rogers). Предназначение у неё было более прозаическая - добыча нефти, но научно-исследовательская нагрузка у проекта тоже имелась. Берта Роджерс достигла глубины 9583 м и до поры до времени она оставалась самой глубокой скважиной в мире.
Тем временем в СССР был запущен проект по созданию порядка 30 сверхглубоких (более 5 км) скважин в различных районах страны. В основном они были нефтедобывающими, но не все. В 1974 г. самая глубокая из них имела глубину 7263. Это была Кольская сверхглубокая скважина, которая занимала особое место в советской программе глубинного бурения. Она не была предназначена для добычи нефти, а исключительно для научных изысканий.
Кольскую сверхглубокую заложили в 1970 г. в северо-восточной части Балтийского щита, в месте, где на поверхность выходят древнейшие извержённые породы, мало изученные при добыче полезных ископаемых, которая чаще ведётся в осадочных толщах. К тому же, и граница Мохоровичича проходит здесь неглубоко (относительно, конечно).
Замахнулись на 15 км. В задачи, поставленные перед участниками проекта, входило на практике подтвердить или опровергнуть ряд теорий, выявить особенности процессов рудообразования, определить природу границ, разделяющих слои в континентальной коре, собрать данные о вещественном составе и физическом состоянии горных пород.
Бурение началось 24 мая. Диаметр входного отверстия составлял 92 см. Сначала работы велись серийной установкой, которую обычно используют при добыче нефти и газа. Потом её сменило оборудование, специально разработанное «Уралмашем» из лёгких, но прочных сплавов. Иначе, при подъёме из глубины, оно бы не выдержало собственного веса.
Бур методично пронзал древние граниты, возраст которых превышал 3 млрд. лет. Недостатка в сюрпризах не было. Бессменный руководитель скважины Давид Миронович Губерман рассказывал в интервью «Мурманскому вестнику» в 2011 г.:
Мы бурили и не знали, что нас ждет. На глубине 1700 метров нашли залежи, богатые никелем. Вот вам перспективы работы для наших комбинатов! Копали дальше. А на трех километрах докопались до Луны! Чистая Луна! - рассказывает Давид Миронович и смеется: - У нас тогда уже был лунный грунт. Мы его сравнили с тем, что подняли с трех километров, по всем физико-механическим свойствам - один в один. Мы с товарищами тогда шутили, что, мол, Луна откололась от Кольского полуострова! Осталось только найти место, откуда она оторвалась...
Позже и вовсе начались чудеса, опровергающие многие общепринятые теории. Полагали, что на пятикилометровой глубине гранит сменят базальты. На этой глубине, как и на границе Мохоровичича, приборы фиксировали резкое увеличение скорости прохождения сейсмических волн. Этот феномен, известный под названием поверхность Конрада, объясняли тем, что здесь верхний гранитный слой земной коры сменяется нижним базальтовым. Однако, бурение этого не подтвердило. Отметка 5 км осталась позади, а установка по-прежнему извлекала на поверхность гранитный керн (цилиндрические колонки породы, предназначенные для научного анализа). Правда, гранит этот был всё более и более необычный, спрессованный высоким давлением, изменивший свои физические и акустические свойства. Но по-настоящему существенные метаморфозы начались лишь на восьмом километре, притом вовсе не те, что предсказывали геологи. Теперь бурение шло не через граниты, но и не через базальты, а через гнейсы - слоистую породу с очень низкой для такой глубины плотностью. Ствол скважины стал осыпаться, а потом буровую колонну заклинивало породой, и головка обрывалась при попытке подъёма. Это не обескураживало исследователей. Потерянная часть буровой колонны цементировалась, бурение продолжалось с отклонением бурового инструмента.
издательство «Недра», 1984
Владимир Басович, заместитель директора по научной работе Кольской сверхглубокой скважины, вспоминает:
У нас было своё КБ, у нас были свои программисты, у нас был свой цех, у нас была своя кузница, термичка, чего хотите. Вот возникла сегодня необходимость, идея - завтра она превращалась в чертежи. Через два дня мы её сами изготавливали. Через четыре дня мы её пускали в неведомые глубины, в невиданно-критичные условия по эксплуатации.
Фото: «Кольская сверхглубокая» Министерство геологии СССР,
издательство «Недра», 1984
Удивление от увиденного всё возрастало. Порода оказалась пористой и трещиноватой, а пустоты были заполнены водой, которую вовсе не ожидали найти в таком количестве на такой глубине. По ходу дела 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. Тут тоже ждали сюрпризы. Температура росла гораздо быстрее, чем предсказывали, да и радиоактивность не желала вести себя как положено.
6 июня 1979 года советские буровики побили рекорд Берта Роджерс и двинулись дальше. К 1984 г. глубина скважины превысила 12 км. На тринадцатом километре аварии начали следовать одна за другой. Как-никак, чёртова дюжина. На этом этапе возникла забавная городская легенда, позже на полном серьёзе растиражированная сначала западной, а потом и постсоветской прессой: советские буровики пробили крышу ада, и спущенная в скважину звукозаписывающая аппаратура зафиксировала вопли страдающих там грешников. Якобы это и послужило причиной прекращения работ и закрытия скважины. Но бурение пришлось прекратить по вполне материалистической причине: технические трудности превзошли все мыслимые пределы. Подъём пород и головки бура с такой глубины сам по себе немыслимо сложен. Добавьте к этому высокие температуры и давление. И неизбежные перепады этих показателей при подъёме на поверхность. Собственно, задолго до достижения «чёртовой дюжины» бурение превратилось в отчаянно экстремальное занятие. На проходку последних 5 км скважины было использовано 50 км труб. Такова оказалась степень их износа.
В сентябре 1984 г. в очередной раз оборвалась буровая колонна, причём так неудачно, что оторвавшиеся пять километров труб застряли в скважине, прочно её заблокировав. Бурение начали практически заново с глубины 7000 м — и к 1990 году новое ответвление достигло глубины 12 262 м, но тут колонна снова оборвалась. На этот раз возобновление работ признали невозможным. Жаль, но Кольская сверхглубокая итак стала уникальнейшим научно-техническим достижением, не то что превзойти, а даже повторить которое не удалось никому до сих пор. А ведь прошло уже почти полвека с момента старта! На сегодняшний день существует парочка нефтедобывающих скважин, которые превосходят Кольскую своей длинной, но они проходят под углом к поверхности и далеко не так глубоко проникают в земные недра.
Бурение завершили, но это вовсе не должно было означать завершение научного проекта. Уникальный двенадцатикилометровый керн, разделённый на отдельные колонки и пронумерованный, был разложен в девять сотен ящиков. Они хранятся в Ярославле. Тщательное изучение этого бесценного материала продолжается, и по всей видимости будет продолжаться ещё долго. Хуже обстоит дело с самой скважиной. Ещё в ходе работ она служила глубинной обсерваторией, где на разных уровнях устанавливались приборы, которые фиксировали особенности распространения сейсмических волн и кучу других показателей. Причём, всё это входило в единую систему глубинных обсерваторий работавших в трёх десятках других сверхглубоких скважин, находящихся в тысячах километрах друг от друга. Собранная таким образом информация позволяла значительно продвинуться в нелёгком деле предсказания землетрясений . Также обсерватории фиксировали особенности распространения волн от подземных ядерных взрывов, на огромные расстояния и глубины. В числе прочего, это позволило составить глубинные карты возможных залежей полезных ископаемых, которые затем были переданы геологам-практикам.
Мы получали очень интересные разрезы. Мы могли по этим разрезам серьёзно судить о строении земной коры. Даже до ста пятидесяти километров. Это открывало новые возможности для глобального исследования территории Советского Союза , - свидетельствует бывший министр геологии СССР Евгений Козловский.
Кольская сверхглубокая и сейчас могла бы служить уникальной глубинной обсерваторией. Могла, но не служит. Её прекратили финансировать, закрыли, а наземный комплекс с уникальным оборудованием распилили на металлолом. В интервью «Мурманскому вестнику», оказавшемся последним, Давид Миронович Губерман говорил:
Эх, ведь чтобы ее содержать, не губить, были нужны копейки - три миллиона, не долларов, наших, «деревянных», рублей. Не дали, сэкономили! И получили, что хотели... Все говорят, что, мол, это стоит дорого. Знания стоят дорого. Совершенно верно. А почему никто не говорит, сколько стоит незнание?! Гораздо больше. Вы посмотрите, что в Японии творилось, когда случились аварии на атомных станциях… Не понимаю! Мы же стоили копейки! Бурение обходилось дешево, все оборудование было отечественным, ни одного импортного гвоздя. Нет, законсервировали, закрыли, людей поувольняли! Понимаете, все это чепуха, что нет денег на науку! Чепуха, мы не просили много. Зато какая отдача... И сейчас там можно установить научное оборудование, опустить на глубину датчики и проводить замеры. Бесценная информация. По прогнозу тех же землетрясений...
Сейчас в народе гуляет ироничное истолкование аббревиатуры РФ - Ресурсная Федерация. Те, кто повторяет эту недобрую шутку, кажется, воображают, что ресурсы этой самой Федерации, просто лежат во чистом поле. Выходи, собирай голыми руками да укладывай в контейнеры. Но все эти пресловутые ресурсы стали доступны лишь благодаря колоссальной работе, проделанной учёными и инженерами. Какая силища была вгрохана в геологическую разведку, какой интеллектище! И с каким бездумным мотовством это потом пускалось псу под хвост! Очень хочется верить, что наследники, наконец, поумнели, и не растранжирят, то, что ещё осталось, совсем уж бездарно. Есть мнение, что Кольская сверхглубокая ещё может быть восстановлена хотя бы как институт для обучения специалистов по шельфовому бурению. А может, и не только. Говорят, по крайней мере на 8 км в глубину ствол скважины и сейчас вполне «живой» и пригоден для геофизических исследований. Восстановление разрушенного, конечно, обойдётся недёшево, но оно возможно.
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
Исследования грунта доказывают: Луна оторвалась от Кольского полуострова
Кольская сверхглубокая в разрезе
Кольская сверхглубокая
Якобы на подходе к 13-му километру приборы зафиксировали странный шум, доносящийся из недр планеты, — желтые газеты в один голос уверяли, что так звучать могут только вопли грешников из преисподней. Через несколько секунд после появления страшного звука прогремел взрыв…
Космос под ногами
В конце 70-х — начале 80-х устроиться работать на Кольскую сверхглубокую, как запанибратски называют скважину жители поселка Заполярный Мурманской области, было сложнее, чем попасть в отряд космонавтов. Из сотен претендентов выбирали одного-двух. Вместе с приказом о приеме на работу счастливцы получали отдельную квартиру и зарплату, равную двойному-тройному окладу московской профессуры. На скважине одновременно работало 16 исследовательских лабораторий, каждая — размером со средний завод. С подобным упорством землю копали только немцы, но, как свидетельствует Книга рекордов Гиннеса, самая глубокая немецкая скважина чуть ли не вдвое короче нашей.
Отдаленные галактики изучены человечеством куда лучше, чем то, что находится под земной корой в каких-то нескольких километрах от нас. Кольская сверхглубокая — своеобразный телескоп в загадочный внутренний мир планеты.
С начала XX века считалось, что Земля состоит из коры, мантии и ядра. При этом никто толком не мог сказать, где кончается один слой и начинается следующий. Ученые не знали даже, из чего, собственно, эти слои состоят. Еще каких-то 40 лет назад они были уверены, что слой гранитов начинается на глубине 50 метров и продолжается до 3 километров, а затем идут базальты. Встретить мантию ожидалось на глубине 15−18 километров. В реальности все оказалось совершенно иначе. И хотя в школьных учебниках все еще пишут, что Земля состоит из трех слоев, ученые с Кольской сверхглубокой доказали, что это не так.
Балтийский щит
Проекты путешествия в глубь Земли появились в начале 60-х сразу в нескольких странах. Бурить скважины старались в тех местах, где кора должна была быть потоньше — целью было достижение мантии. Например, американцы бурили в районе острова Мауи, на Гавайях, где, по данным сейсмических исследований, древние породы выходят под океанское дно и мантия находится примерно на глубине 5 километров под четырехкилометровой толщей воды. Увы, ни одна океанская буровая глубже 3 километров не пробилась. Вообще, почти все проекты сверхглубоких скважин мистическим образом заканчивались на трехкилометровой глубине. Именно в этот момент с бурами начинало происходить что-то странное: то они попадали в неожиданные сверхгорячие области, то их как будто откусывал какой-то невиданный монстр. Глубже 3 километров прорвались всего 5 скважин, из них 4 — советские. И только Кольской сверхглубокой было суждено преодолеть отметку 7 километров.
Первоначальные отечественные проекты также предполагали подводное бурение — в Каспийском море или на Байкале. Но в 1963 году ученый-буровик Николай Тимофеев убедил Государственный комитет по науке и технике СССР в том, что нужно создать скважину на континенте. Хотя бурить придется несравненно дольше, полагал он, скважина будет куда ценнее с научной точки зрения, ведь именно в толще континентальных плит в доисторические времена происходили самые значительные перемещения земных пород. Точку бурения выбрали на Кольском полуострове не случайно. Полуостров расположен на так называемом Балтийском щите, который сложен из самых древних известных человечеству пород.
Многокилометровый срез пластов Балтийского щита — наглядная история планеты за последние 3 миллиарда лет.
Покорительница глубин
Внешний вид Кольской буровой способен разочаровать обывателя. Скважина не похожа на шахту, которую рисует нам воображение. Никаких спусков под землю, в толщу уходит только бур диаметром чуть больше 20 сантиметров. Воображаемый разрез Кольской сверхглубокой скважины выглядит как тонюсенькая иголочка, пронзившая земную толщу. Бур с многочисленными датчиками, находящийся на конце иголочки, поднимают и опускают в течение нескольких дней. Быстрее нельзя: прочнейший композитный трос может оборваться под собственным весом.
Что происходит в глубине, доподлинно неизвестно. Температура окружающей среды, шумы и прочие параметры передаются наверх с минутным запаздыванием. Тем не менее, бурильщики рассказывают, что даже такой контакт с подземельем может не на шутку испугать. Звуки, доносящиеся снизу, и впрямь похожи на вопли и завывания. К этому можно добавить длинный список аварий, преследовавших Кольскую сверхглубокую, когда она достигла глубины 10 километров. Дважды бур доставали оплавленным, хотя температуры, от которых он может расплавиться, сравнимы с температурой поверхности Солнца. Однажды трос как будто дернули снизу — и оборвали. Впоследствии, когда бурили в том же месте, остатков троса не обнаружилось. Чем были вызваны эти и многие другие аварии, до сих пор остается загадкой. Впрочем, вовсе не они стали причиной остановки бурения недр Балтийского щита.
12 000 метров открытий и немного чертовщины
«Имеем самую глубокую дыру в мире — так надо пользоваться!» — горько восклицает бессменный директор научно-производственного центра «Кольская сверхглубокая» Давид Губерман. В первые 30 лет существования Кольской сверхглубокой советские, а затем российские ученые прорвались на глубину 12 262 метра. Но с 1995-го бурение прекращено: стало некому финансировать проект. Того, что выделяется в рамках научных программ ЮНЕСКО, хватает только на поддержание буровой станции в рабочем состоянии и изучение ранее извлеченных образцов пород.
Губерман с сожалением вспоминает, сколько научных открытий состоялось на Кольской сверхглубокой. Буквально каждый метр был откровением. Скважина показала, что почти все наши прежние знания о строении земной коры неверны. Выяснилось, что Земля вовсе не похожа на слоеный пирог. «До 4 километров все шло по теории, а дальше началось светопреставление», — рассказывает Губерман. Теоретики обещали, что температура Балтийского щита останется сравнительно низкой до глубины по крайней мере 15 километров. Соответственно, скважину можно будет рыть чуть ли не до 20 километров, как раз до мантии. Но уже на 5 километрах окружающая температура перевалила за 700C, на семи — за 1200C, а на глубине 12 жарило сильнее 2200C — на 1000C выше предсказанного. Кольские бурильщики поставили под сомнение теорию послойного строения земной коры — по крайней мере, в интервале до 12 262 метра. В школе нас учили: есть молодые породы, граниты, базальты, мантия и ядро. Но граниты оказались на 3 километра ниже, чем рассчитывали. Дальше должны были быть базальты. Их вообще не нашли. Все бурение прошло в гранитном слое. Это сверхважное открытие, ибо с теорией послойного строения Земли связаны все наши представления о возникновении и размещении полезных ископаемых.
Еще один сюрприз: жизнь на планете Земля возникла, оказывается, на 1,5 миллиарда лет раньше, чем предполагалось. На глубинах, где считалось, что нет органики, обнаружили 14 видов окаменевших микроорганизмов — возраст глубинных слоев превышал 2,8 миллиарда лет. На еще больших глубинах, где уже нет осадочных пород, появился метан в огромных концентрациях. Это полностью и совершенно разрушило теорию биологического происхождения углеводородов, таких как нефть и газ.
Демоны
Были и почти фантастические сенсации. Когда в конце 70-х годов советская автоматическая космическая станция привезла на Землю 124 грамма лунного грунта, исследователи Кольского научного центра установили, что он как две капли воды похож на пробы с глубины 3 километров. И возникла гипотеза: Луна оторвалась от Кольского полуострова. Теперь ищут, где именно. Кстати, американцы, которые привезли с Луны полтонны грунта, так ничего толкового с ним и не сделали. Поместили в герметичные контейнеры и оставили для исследований будущим поколениям.
В истории Кольской сверхглубокой не обошлось и без мистики. Официально, как уже упоминалось, скважина остановилась из-за недостатка средств. Совпадение или нет — но именно в том 1995 году в глубине шахты раздался мощнейший взрыв неустановленной природы. К жителям Заполярного прорвались журналисты финской газеты — и мир потрясла история о вылетевшем из недр планеты демоне.
«Когда меня об этой загадочной истории стали расспрашивать в ЮНЕСКО, я не знал, что ответить. С одной стороны, чушь собачья. С другой — я, как честный ученый, не мог сказать, что знаю, что же именно у нас произошло. Был зафиксирован очень странный шум, потом был взрыв… Спустя несколько дней ничего такого на той же глубине не обнаружилось», — вспоминает академик Давид Губерман.
Совершенно неожиданно для всех подтвердились прогнозы Алексея Толстого из романа «Гиперболоид инженера Гарина». На глубине свыше 9,5 километров обнаружили настоящий кладезь всевозможных ископаемых, в частности золота. Настоящий оливиновый слой, гениально предсказанный писателем. Золота в нем 78 граммов на тонну. Кстати, промышленная добыча возможна при концентрации 34 грамма на тонну. Возможно, уже в недалеком будущем человечество сумеет воспользоваться этим богатством.
Сверхглубокое бурение
По существующей классификации к глубоким относятся скважины глубиной 3 000-6000 м, а к сверхглубоким - глубиной 6 000 м и более.
В 1958 году в США появилась программа сверхглубокого бурения «Мохол». Это один из самых смелых и загадочных проектов послевоенной Америки. Как и многие другие программы, «Мохол» был призван обогнать СССР в научном соперничестве, установив мировой рекорд в сверхглубоком бурении. Название проекта происходит от слов «Мохоровичич» - это фамилия хорватского ученого, который выделил поверхность раздела между земной корой и мантией - границу Мохо, и «hole», что по-английски значит «скважина». Создатели программы решили бурить в океане, где, по данным геофизиков, земная кора значительно тоньше, чем на материках. Надо было спустить трубы на несколько километров в воду, пройти 5 километров океанского дна и достичь верхней мантии.
В апреле 1961 года у острова Гваделупа в Карибском море, где водная толща достигает 3,5 км, геологи пробурили пять скважин, самая глубокая из них вошла в дно на 183 метра. По предварительным расчетам, в этом месте под осадочными породами ожидали встретить верхний слой земной коры - гранитный. Но поднятый из-под осадков керн содержал чистые базальты - эдакий антипод гранитов. Результат бурения обескуражил и в то же время окрылил ученых, они стали готовить новую фазу бурения. Но когда стоимость проекта перевалила за 100 млн. долларов, конгресс США прекратил финансирование. «Мохол» не ответил ни на один из поставленных вопросов, но он показал главное - сверхглубокое бурение в океане возможно.
С тех пор 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. Создания принципиально новых устройств и гигантских машин бурение Кольской скважины СГ-3 не требовало. Начинали работать с тем, что уже имелось: установка «Уралмаш 4Э» грузоподъемностью 200 тонн и легкосплавные трубы. Что действительно было нужно на тот момент, так это нестандартные технологические решения. Ведь в твердых кристаллических породах на столь большую глубину никто не бурил, и что там будет, представляли себе только в общих чертах. Опытные буровики, однако, понимали, что каким бы детальным ни был проект, реальная скважина окажется намного сложнее. Через 5 лет, когда глубина скважины СГ-3 превысила 7 километров, смонтировали новую буровую установку «Уралмаш 15 000» - одну из самых современных по тем временам. 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. Рядом выросли минизавод, научные лаборатории и кернохранилище. При бурении на небольшие глубины мотор, который вращает колонну труб с буром на конце, устанавливают на поверхности. Бур представляет собой железный цилиндр с зубьями из алмазов или твердых сплавов - коронку. Эта коронка вгрызается в породы и вырезает из них тонкий столбик - керн. Чтобы охладить инструмент и извлечь из скважины мелкий мусор, в нее нагнетают буровой раствор - жидкую глину, которая все время циркулирует по стволу, словно кровь в сосудах. Через какое-то время трубы поднимают на поверхность, освобождают от керна, меняют коронку и вновь опускают колонну в забой. Так ведется обычное бурение. А если длина ствола 10-12 километров при диаметре 215 миллиметров? Колонна труб становится тончайшей нитью, опущенной в скважину. Как ею управлять? Как увидеть, что творится в забое? Поэтому на Кольской скважине внизу бурильной колонны установили миниатюрные турбины, их запускал буровой раствор, нагнетаемый по трубам под давлением. Турбины вращали твердосплавную коронку и вырезали керн. Вся технология была хорошо отработана, оператор на пульте управления видел вращение коронки, знал ее скорость и мог управлять процессом. Каждые 8-10 метров многокилометровую колонну труб приходилось поднимать наверх. Спуск и подъем в общей сложности занимали 18 часов. 7 километров - отметка для Кольской сверхглубокой роковая. За ней начались неизвестность, множество аварий и непрерывная борьба с горными породами. Ствол никак не удавалось держать вертикально. Когда в первый раз прошли 12 км, скважина отклонилась 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 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.
Наиболее распространенная авария на любой буровой - обрыв колонны труб. Обычно трубы пытаются захватить вновь, но если это случается на большой глубине, то проблема переходит в разряд неустранимых. 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.
В июне 1990 года СГ-3 достигла глубины 12 262 м. Скважину стали готовить к проходке до 14 км, и тут вновь произошла авария - на отметке 8 550 м колонна труб оборвалась. Продолжение работ требовало долгой подготовки, обновления техники и новых затрат. В 1994 году бурение Кольской сверхглубокой прекратили. Через 3 года она попала в Книгу рекордов Гиннесса и до сих пор остается непревзойденной. Сейчас скважина представляет собой лабораторию для изучения глубоких недр. СГ-3 была секретным объектом с самого начала. Виноваты и пограничная зона, и стратегические месторождения в округе, и научный приоритет. Первым иностранцем, посетившим буровую, стал один из руководителей Академии наук Чехословакии. Позже, в 1975 году, о Кольской сверхглубокой вышла статья в «Правде» за подписью министра геологии Александра Сидоренко. Научных публикаций по Кольской скважине по-прежнему не было, но кое-какие сведения за рубеж просачивались. Больше по слухам мир стал узнавать - в СССР бурят самую глубокую скважину.
Завеса тайны, наверное, висела бы над скважиной до самой «перестройки», не случись в 1984 году в Москве Всемирного геологического конгресса. К столь крупному в научном мире событию тщательно готовились, для Министерства геологии даже построили новое здание - ожидали много участников. Но зарубежных коллег интересовала в первую очередь Кольская сверхглубокая! Американцы вообще не верили в то, что она у нас есть. Глубина скважины к тому моменту достигла 12 066 метров. Скрывать объект более не имело смысла. В Москве участников конгресса ждала выставка достижений российской геологии, один из стендов был посвящен скважине СГ-3. Специалисты всего мира недоуменно взирали на обычную буровую головку со стертыми твердосплавными зубьями. И этим бурят самую глубокую в мире скважину? Невероятно! В поселок Заполярный отправилась большая делегация геологов и журналистов. Посетителям показали буровую в действии, доставали и отсоединяли 33-метровые секции труб. Вокруг высились кучи точно таких же буровых головок, как и та, что лежала на стенде в Москве.
От Академии наук делегацию принимал известный геолог, академик Владимир Белоусов. Во время пресс-конференции из зала ему задали вопрос:
- Что же самое главное показала Кольская скважина?
- Господа! Главное, она показала то, что мы ничего не знаем о континентальной коре, - честно ответил ученый.
Кое-что о земной коре континентов, конечно, знали. Тот факт, что континенты сложены очень древними породами, возрастом от 1,5 до 3 миллиардов лет, не опровергла даже Кольская скважина. Однако 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.
Разрез Кольской скважины опроверг двухслойную модель земной коры и показал, что сейсмические разделы в недрах - это не границы слоев из пород разного состава. Скорее они указывают на изменение свойств камня с глубиной. При высоком давлении и температуре свойства пород, видимо, могут резко меняться, так, что граниты по своим физическим характеристикам становятся похожи на базальты, и наоборот. Но поднятый на поверхность с 12-километровой глубины «базальт» тут же становился гранитом, хоть и испытывал по пути сильнейший приступ «кессонной болезни» - керн крошился и распадался на плоские бляшки. Чем дальше уходила скважина, тем меньше качественных образцов попадало в руки ученых. Глубина заключала в себе много неожиданностей. Раньше было естественно думать, что с удалением от поверхности земли, с ростом давления породы становятся более монолитными, с малым количеством трещин и пор. СГ-3 убедила ученых в обратном. Начиная с 9 километров, толщи оказались очень пористыми и буквально напичканы трещинами, по которым 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. Демонстрация Кольской скважины в 1984 году произвела на мировую общественность глубокое впечатление. Многие страны начали готовить проекты по научному бурению на континентах. Такую программу утвердили и в Германии в конце 1980-х годов. Сверхглубокую скважину KTB Хауптборунг бурили с 1990 по 1994 год, по плану она должна была достичь глубины 12 км, но из-за непредсказуемо высоких температур удалось добраться только до отметки 9,1 км. Благодаря открытости данных по буровым и научным работам, хорошей технологии и документированности сверхглубокая скважина КТВ остается одной из самых известных в мире.
Место для бурения этой скважины выбрали на юго-востоке Баварии, на остатках древней горной цепи, чей возраст исчисляется 300 миллионами лет. Геологи полагали, что где-то здесь проходит зона соединения двух плит, бывших некогда берегами океана. По мнению ученых, со временем верхняя часть гор стерлась, обнажив остатки древней океанской коры. Еще глубже, в десяти километрах от поверхности, геофизики обнаружили крупное тело с аномально высокой электрической проводимостью. Его природу также надеялись прояснить с помощью скважины. Но основной задачей было достичь глубины 10 км, чтобы приобрести опыт сверхглубокого бурения. Изучив материалы Кольской СГ-3, немецкие буровики решили сначала пройти пробную скважину глубиной 4 км, чтобы составить более точное представление об условиях работы в недрах, опробовать технику и взять керн. По окончании пилотных работ многое из бурильного и научного оборудования пришлось переделывать, кое-что создавать заново.
Основную - сверхглубокую - скважину КТВ Хауптборунг заложили всего в двухстах метрах от первой. Для работ соорудили 83метровую вышку и создали мощнейшую по тем временам бурильную установку грузоподъемностью 800 тонн. Многие бурильные операции автоматизировали, в первую очередь механизм спуска и подъема колонны труб. Самонаводящаяся система вертикального бурения позволяла делать почти отвесный ствол. Теоретически с таким оборудованием можно было бурить до глубины 12 километров. Но реальность как всегда оказалась сложнее, и планы ученых не сбылись.
Проблемы на скважине КТВ начались после глубины 7 км, повторив многое из судьбы Кольской сверхглубокой. Сначала, как полагают из-за высокой температуры, сломалась система вертикального бурения и ствол пошел вкось. В конце работ забой отклонился от вертикали на 300 м. Потом начались аварии посложнее - обрыв бурильной колонны. Так же как и на Кольской, приходилось бурить новые стволы. Определенные трудности доставляло сужение скважины - вверху ее диаметр составлял 71 см, внизу - 16,5 см. Бесконечные аварии и высокая температура в забое –270°С вынудили буровиков прекратить работы невдалеке от заветной цели.
Нельзя сказать, что научные результаты КТВ Хауптборунг поразили воображение ученых. На глубине главным образом залегали амфиболиты и гнейсы - древние метаморфические породы. Зону схождения океана и остатки океанической коры нигде не обнаружили. Возможно, они есть в другом месте, здесь же находится небольшой кристаллический массив, вздернутый на высоту 10 км. В километре от поверхности обнаружили месторождение графита.
В 1996 году скважина КТВ, стоившая бюджету Германии 338 млн. долларов, перешла под патронат Научного центра геологии в Потсдаме, ее превратили в лабораторию для наблюдений за глубокими недрами и объект туризма.
В настоящее время пробурены 2 скважины, которые превзошли Кольскую скважину по длине ствола. Это ОР-I (месторождение Одопту, Сахалин, Россия)-12 345 м, Maersk Oil BD-04A (Катар) - 12 290 м.
Самая глубокая нефтяная залежь в нашей стране открыта в районе г.Грозного (Чеченская Республика) на глубине 5300 м, а промышленный приток газа получен в Прикаспийской впадине с глубины 5370 км. За рубежом самая большая глубина с которой ведется добыча газа-7460 м (США, Техас).
В Удмуртии тоже есть своя «сверхглубокая» скважина. Это параметрическая скважина, пробуренная в 19991 года в Сарапульском районе, ее глубина составляет 5500 м.
Все сверхглубокие скважины имеют телескопическую конструкцию: бурение начинают с самого большого диаметра, а затем переходят на меньшие. Так, в Кольской скважине (Россия) диаметр с 92 см в верхней части уменьшился до 21,5 см на глубине 12 262 м. А в скважине КТБ-Оберпфальц (Германия) - с 71 см до 16,5 см на глубине 7500 м. Механическая скорость бурения сверхглубоких скважин составляет 1-3 м/час. За один рейс между спускоподъемными операциями можно углубиться на 6-10 м. Средняя скорость подъема колонны буровых труб равна 0,3-0,5 м/сек. В целом бурение одной сверхглубокой скважины пока занимает годы. Практика проводки скважин в сложных геологических условиях, научные разработки в области бурения и крепления, выполненные в последние годы, позволили увеличить глубину скважин (до 7 000 м и более) и совершенствовать их конструкции в следующих направлениях: "увеличение выхода из-под башмака предыдущих колонн, использование долот уменьшенных и малых диаметров; применение способа секционного спуска обсадных колонн и крепление стволов промежуточными колоннами-хвостовиками; использование обсадных труб со сварными соединительными элементами и безмуфтовых обсадных труб со специальными резьбами при компоновке промежуточных и в некоторых случаях эксплуатационных колонн; уменьшение конечного диаметра скважин и эксплуатационных колонн.
Сверхглубокое бурение основывается на технологии вращательного бурения и последовательного закрепления пройденных интервалов колоннами обсадных труб. Характерные особенности технологии: *возрастание с глубиной температуры и гидростатического давления; "потеря устойчивости пород под действием разности между горным и гидростатическим давлениями; "увеличение массы бурильной и обсадных колонн; "замедление темпов углубления за счет увеличения времени спуска/подъема бурильной колонны и ухудшения буримости пород; "возрастание потерь энергии при передаче силовых воз действий с поверхности на забой; "необходимость отбора керна в больших объемах и проведения внутрискважинных геофизических исследований.
Для сверхглубокого бурения созданы и применяются буровые установки грузоподъемностью до 11 МН (1100 т) общей мощностью до 18 тыс. кВт с насосами (2-4 шт.) на рабочее давление 40-50 МПа мощностью до 1 600 кВткаждый. Как правило, такие установки имеют электрический привод от источника постоянного тока, что позволяет осуществить бесступенчатое регулирование работы основных механизмов. Спуск/подъем бурильной колонны ведется преимущественно с удлиненными до 37 м «свечами» при максимальной механизации и автоматизации процесса. Установки такого типа производятся такими отечественными производителями, как Уральский завод тяжелого машиностроения (УЗТМ) и Волгоградский завод буровой техники (ВЗБТ).
Деление буровых установок на установки для глубокого и сверхглубокого бурения определяется многими факторами:
1) технической характеристикой установки; нагрузкой на крюке, давлением и подачей буровых насосов, типом и мощностью главного привода; 2) массой наземного оборудования (как следствие технической характеристики буровой установки); 3) .способом монтажа, демонтажа и транспортировки; 4) временем, затрачиваемым строительство буровой; 5) временем бурения скважины; 6) организацией буровых работ.
При cверхглубоком бурении применяют роторный или турбинный способ бурения, возможны оба с поинтервальным чередованием. Первый из них нашел широкое распространение на Западе, второй - в России. Турбинный способ позволяет успешно применять бурильные грубы из легких (термостойкие, алюминиевые)сплавов(ЛБТ). По критерию допустимых напряжений в трубах турбинный способ в сочетании с ЛБТ дает возможность в 1,5-2 раза увеличить глубину бурения по сравнению с роторным способом в сочетании со стальными трубами (СБТ) при той же грузоподъемности. Это преимущество подтверждено практикой бурения Кольской скважины: при ее проводке применялась составная колонна из ЛБТ (низ) и СБТ (верх), примерно 2 ООО м, с использованием алюминиевых сплавов, которые были в 2,4 раза легче стали. Общая тенденция добычи нефти и газа со все более глубоко залегающих горизонтов может быть проиллюстрирована следующими цифрами. Еще 20 лет назад основная добыча нефти (66%) осуществлялась из самых молодых кайнозойских пород. Из более древних мезозойских пород добывали 19% нефти, а из самых древних палеозойских пород -15%. Сейчас ситуация изменилась: основными поставщиками нефти стали мезозойские породы, на втором месте - породы палеозоя.
Предотвращение искривления сверхглубоких скважин - важное условие успешной их проводки. Для поддержания сил сопротивления движению бурильной колонны и износа обсадных колонн в допустимых пределах стремятся, чтобы интенсивность искривления не превышала 2-3° на 1 км при соблюдении постоянства азимута искривления, а абсолютная величина зенитного угла не превышала 10-12°. Особо жесткие требования предъявляются к вертикальности верхней части ствола. Для борьбы с кривизной обычно используют жесткие компоновки низа бурильной колонны (КНБК) с полноразмерными центраторами, а при отсутствии должного эффекта - КНБК маятникового типа. В верхней части скважин (до 3-4 км) при бурении ствола большого диаметра успешно применяют реактивно-турбинные буры.
Развитие сверхглубокого бурения в обозримом будущем, по всей видимости, будет основываться на технологии вращательного бурения. По мере увеличения глубин (более 10 км) забойный привод долота будет вытеснять роторный способ, открывая дорогу для реализации принципиальных преимуществ бурильных труб из легких металлических сплавов на основе алюминия и титана. В центре внимания, вероятно, окажется термостойкий редукторный турбобур.
Есть планы по бурению 20-ти километровой скважины со дна Тихого океана.
Сверхглубокое бурение недаром сравнивают с покорением космоса. Такие программы, с глобальным размахом, вбирающие в себя все лучшее, чем располагает на данный момент человечество, дают толчок развитию многих отраслей промышленности, техники и в конечном итоге готовят почву для нового прорыва в науке. В таблице 23 приведены сведения о самых глубоких скважинах мира, на рисунке 36 показано расположение сверхглубоких скважие на территории бывшего СССР.
Таблица 23. Самые глубокие скважины мира
| Название скважины | Местоположение | Время бурения | Глубина бурения, м | Цель бурения | |
| Проектная | Фактическая | ||||
| Аралсорская СГ-1 | Прикаспийская низменность | 1962 -1971 | 6 800 | Поиск нефти и газа | |
| Биикжальская СГ-2 | Прикаспийская низменность | 1962 -1971 | 6 200 | Поиск нефти и газа | |
| Кольская СГ-3 | Кольский полуостров | 1970 -1992 | 15 000 | 12 262 | Научное бурение |
| Саатлинская | Азербайджан | 1977 -1990 | 11 500 | 8 324 | Поиск нефти и газа |
| Колвинская | Архангельская область | 7 057 | |||
| Мурунтауская СГ-10 | Узбекистан | 7 000 | 3 000 | Поиск золота | |
| Тимано-Печорская СГ-5 | Северо-Восток России | 1984 -1993 | 7 000 | 6 904 | |
| Тюменская СГ-6 | Западная Сибирь | 1987 -1996 | 8 000 | 7 502 | Поиск нефти и газа |
| Ново-Елховская | Татарстан | 5 881 | |||
| Воротиловская | Поволжье | 1989 -1992 | 5 374 | Поиск алмазов, изучение Пучеж-Катункской астроблемы. | |
| Криворожская СГ-8 | Украина | 1984-1993 | 12 000 | 5 382 | Поиск железистых кварцитов |
| Уральская СГ-4 | Средний Урал | 15 000 | 6 100 | Поиск медных руд, Изучение строения Урала | |
| Ен-Яхтинская СГ-7 | Западная Сибирь | 7 500 | 6 900 | Поиск нефти и газа | |
| Сарапульская Параметрическая | Удмуртия | 5 500 | 5 500 | Научное бурение | |
| Юниверсити | США | 70-е годы ХХ века | 8 686 | Поиск нефти и газа | |
| Бейден-Юнит | США | 9 159 | Поиск нефти и газа | ||
| Берта-Роджерс | США | 9 583 | Поиск нефти и газа | ||
| Цистердорф | Австрия | 8 553 | Поиск нефти и газа | ||
| Сильян Ринг | Швеция | 6 800 | Поиск нефти и газа | ||
| Бигхорн | США, Вайоминг | 80-е годы ХХ века | 7 583 | Научное бурение | |
| КТВ Hauptbohrung | Германия | 1990-1994 | 12 000 | 9 101 | Научное бурение |
| Mirow-1 | Германия | 1974-1979 | Поиск нефти и газа | ||
| Maersk Oil BD-04A | Катар | 12 290 | Поиск нефти и газа | ||
| ОР-I | Сахалин, Россия | 12 345 | 12 345 | Поиск нефти и газа |
Рис. 36. Карта расположения глубоких и сверхглубоких скважин на территории России
