Одним из самых грандиозных проектов советской эпохи стала Кольская сверхглубокая скважина глубиной 12 262 метра. Этот рекорд остаётся непревзойдённым и по сей день.
Год выпуска: 2012
Страна: Россия (ТВ "Центр")
Жанр: Документальный
Продолжительность: 00:25:21
Режиссер: Владимир Батраков
Описание: Авторы репортажа расскажут об истории и целях этого смелого научного эксперимента, побеседуют с его непосредственными участниками, в популярной форме объяснят полученные результаты. Зрители смогут увидеть, в каком состоянии находится буровая на данный момент.
Бурение началось в 1970 году, и до середины 80-х работы были полностью засекречены.
В 1992 году бурение было остановлено из-за отсутствия финансирования - скважина так и не была доведена до плановой глубины в 15 километров. Но и при существующей глубине были получены уникальные научные данные.
Кроме того, именно с Кольской сверхглубокой скважиной связана легенда о якобы записанных на огромной глубине звуках жутких человеческих криков, что вызвало самые невероятные предположения в прессе...
Дополнительная информация:
Дорыть до Вельзевула: в 1970-е годы команда советских исследователей проводила буровые работы на Кольском полуострове, в результате чего была вырыта самая глубокая скважина в мире. Масштабный проект задумывался с научно-исследовательскими целями, однако неожиданно привел чуть ли не к истерии по всему миру. По слухам, советские ученые наткнулись на "дорогу в ад", пишет SPIEGEL ONLINE .
"Леденящая душу картина: посреди обезлюдевших просторов Кольского полуострова в 150 км севернее Мурманска вздымается брошенная буровая вышка. Вокруг теснятся бараки для сотрудников, помещения с лабораториями. Толстый слой пыли покрыл все до последнего следы пребывания человека, очевидно в спешке покидавшего эти места", - продолжает автор.
24 мая 1970 года, когда СССР и США наперегонки осваивали космос, в Советском Союзе на границе с Финляндией и Норвегией стартовал проект по бурению сверхглубокой скважины на месте залегания геологического Балтийского щита. За несколько десятилетий Кольская сверхглубокая скважина "заглотила" миллионы, позволив ученым сделать несколько довольно серьезных научных открытий. Однако самая громкая находка на глубине свыше 10 км превратила научно-исследовательский проект в мероприятие с глубоко религиозной подоплекой, в котором догадки, правда и ложь смешались воедино, породив сенсационные сообщения во всех мировых СМИ.
Вскоре после начала бурения Кольская сверхглубокая стала советским образцово-показательным проектом, уже через несколько лет СГ-3 побила рекорд в 9583 м, ранее принадлежавший скважине Берта-Роджерса в Оклахоме. Но советскому руководству этого было недостаточно - ученые должны были достичь глубины в 15 км.
"По дороге к недрам земли ученые делали неожиданные открытия: так, им удалось предсказать землетрясения на основании необычных звуков из скважины. На глубине 3 тыс. метров в слоях литосферы была обнаружена субстанция, практически идентичная материалу с поверхности Луны. Через 6 тыс. метров было обнаружено золото. Однако ученых все больше беспокоил тот факт, что чем глубже они проникали, тем выше становились температуры, затруднявшие ход работ", - говорится в статье. В отличие от предварительных расчетов, температура составляла не 100 градусов по Цельсию, а 180.
Примерно в это же время поползли слухи о том, что на глубине 14 км бур неожиданно заходил из стороны в сторону - признак того, что он угодил в гигантскую полость. Температуры в зоне прохождения зашкаливали за тысячу градусов, а после того, как в шахту был опущен термоустойчивый микрофон для записи звука движения литосферных плит, буровики услышали леденящие душу звуки. Сначала они приняли их за звуки неисправно работающей техники, но затем, после того как оборудование было отрегулировано, их худшие подозрения подтвердились. Звуки напоминали крики и стоны тысяч мучеников, говорится в статье.
"Откуда точно эта легенда берет свои истоки, неизвестно до сих пор", - продолжает автор. Впервые на английском она была озвучена в 1989 году в эфире американской телекомпании Trinity Broadcasting Network, которая взяла историю из репортажа финской газеты. Кольскую сверхглубокую скважину стали называть "дорогой в ад". Рассказы напуганных буровиков напечатали финские и шведские газеты - они утверждали, что "русские выпустили демона из ада".
Работы по бурению были прекращены - их объяснили недостаточным финансированием. По указанию сверху буровую вышку следовало свалить - но денег не хватило и на это.
27.04.2011
Кольская сверхглубокая скважина (СГ-3) — признана самой глубокой буровой скважиной в мире. Расположена шахта на территории геологического Балтийского щита в Мурманской области, в 10 км западнее г. Заполярного. Её полная глубина составляет 12 262 метра.
Главное ее отличие от остальных сверхглубоких скважин, которые бурились для добычи газа, нефти или геологоразведки, Кольская сверхглубокая была построена исключительно для научных исследований литосферы в том месте, где граница Мохоровичича наиболее близко подходит к поверхности Земли.
СГ-3 рекордная скважина
Закончен первый этап бурения скважины СГ-3 — Кольской сверхглубокой скважины. Она была начата в мае 1970 года и к началу 1975 года углубилась в недра на 7263 метра.
Много это? Или бурение на такую глубину уже никого не удивляет? На Украине пробурена скважина «Шевченковская-1» глубиной более 7500 метров.
Десять скважин в разных местах Советского Союза превысили 6 тысяч метров. Наиболее глубокая скважина в мире пройдена в США — 9583 метра. В таком окружении Кольская сверхглубокая кажется обычной, одной из многих сверхглубоких.
- Во-первых, потому, что эта скважина пока самая глубокая в мире из пройденных в кристаллических породах докембрия.
- Во-вторых, Кольская сверхглубокая скважина- новое слово в технике бурения. Впервые в мировой практике значительная часть скважины пройдена «открытым стволом», то есть без обсадных труб.
Тщательно изучен каждый метр скважины на всем ее протяжении, исследован каждый столбик извлеченной породы.
Мощность земной коры неодинакова. Под океаном она в некоторых местах утончается до 5 километров.
На континентах в районах древней складчатости это 20-30, а под горными хребтами до 75 километров. Земную кору называют кожей планеты.
Иногда, чтобы более образно показать глубинное строение Земли, приводят сравнение с яйцом. В этом случае коре отводится роль скорлупы.
Несмотря на такую вроде бы незначительную толщину, «скорлупа» Земли до сих пор оставалась недоступной прямым исследованиям.
Основные сведения о ней были получены косвенными — геофизическими методами. Так, например, по отраженным сейсмическим волнам установлено, что земная кора имеет слоистое строение.
Континентальная кора состоит из осадочного, гранитного и базальтового слоев, в океанической коре гранитного слоя нет.
Ниже земной коры сейсмические наблюдения выделили мантию (если продолжить сравнение с яйцом — белок), а в центре Земли ядро — желток.
Для исследований земных глубин применяются также гравиметрические, магнитометрические, ядерные, геотермические методы. Они позволяют определить плотность горных пород на большой глубине, установить аномалии силы тяжести, характеристику магнитного поля, температуру и десятки других параметров.
И все же многие основные вопросы геологии остаются без ответа. Только прямое проникновение в недра поможет, наконец, снять эти вопросительные знаки геологии.
Кольская сверхглубокая
Кольская сверхглубокая заложена на Балтийском кристаллическом щите. Это древнейшее образование земной коры, которое на территории Скандинавского и Кольского полуостровов, Карелии, Балтийского моря и на части Ленинградской области близко подходит к земной поверхности.
Можно предположить, что базальтовый слой здесь лежит на глубине немногим более 7 километров. Щит сложен из древних, сильно измененных пород: архейских гнейсов, кристаллических сланцев, интрузивных пород возрастом до 3,5 миллиарда лет и более.
Ученые получат доступ к глубинному веществу, смогут детально изучить его, проведут наблюдения по всему стволу скважины, построят реальный, а не предполагаемый разрез земной коры континентального типа, определят состав и физическое состояние вещества.
Пройдено около половины пути до проектной 15-километровой отметки. И даже этот, казалось бы, скромный промежуточный результат оказался очень интересным по ряду важных показателей.
Впервые в мировой науке и практике скважиной вскрыта и детально изучена толща не молодых осадочных отложений, а древних кристаллических пород, впервые удалось собрать много новых сведений об этих породах и геолого-физических условиях их залегания.
Оперативно создавая и применяя различные технические новинки, непрерывно совершенствуя технологию бурения и приспосабливая ее к конкретным геологическим условиям, советские ученые и буровики отечественным оборудованием и инструментом проложили более чем семикилометровый ход в крепчайших земных породах.
Путь в недра Земли в определенном смысле стал дорогой технического прогресса в бурении: опробуется и усовершенствуется то, что хорошо себя зарекомендовало при проходке скважин в других районах, создаются и проверяются новые технические средства и технология.
Кольская сверхглубокая стала экспериментальным полигоном, испытывающим новую технику и технологию буровых работ. Роль генерального проектировщика и научного руководителя этого уникального полигона поручена нашему Всесоюзному ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательскому институту буровой техники (ВНИИБТ) Миннефтепрома.
Скважина в ад
Бурение Кольской сверхглубокой скважины послужило источником слухов, связанных с возникновением легенды о «дороге в ад» .
Первоисточником информации (1989 год) стала американская телекомпания Trinity Broadcasting Network, которая, в свою очередь, взяла историю из репортажа финской газеты. Якобы при бурении скважины, на глубине 12 тысяч метров, микрофоны ученых записали крики и стоны.
Кольская сверхглубокая скважина сразу же получила название - «дорога в ад» — и каждый новый пробуренный километр приносил стране несчастья. На глубине 13 000 метров распался СССР, на глубине 14 500 метров, ученые наткнулись на пустоты.
Исследователи опустили микрофон в шахту и услышали странные ужасающие звуки и даже человеческие крики. Датчики показывали температуру в 1100 °C. Ученые решили, что обнаружили ад.
На самом деле, акустические методы исследования скважин записывают не сам звук и не на микрофон, а волновую картину отраженных упругих колебаний на сейсмоприемники.
Глубина остановки бурения составила 12 262 метра и температура зафиксированная на данной глубине была всего 220 °C, что никак не соответствует основным «фактам» легенды.
Кольская сверхглубокая: последний салют
Звуки подземелья- секреты самой глубокой скважины (ТК "Вести")
Кольская сверхглубокая адский обман
Существует жуткая история про то, как советские бурильщики просверлили землю настолько глубоко, что достали до самого ада. Опустили в скважину микрофон и записали крики грешников. Недавно интерес к столь сверхъестественному достижению науки вспыхнул с новой силой - появилась сама запись. Звуки действительно напоминают гул толпы, пение, слышатся какие-то крики писки.
В истории фигурирует некто «Дмитрий Аззаков», на которого все и ссылаются. Но многочисленные попытки отыскать этого человека ни к чему не привели. Дальнейшее наше расследование показало: сама фамилия возникла в печати еще в 1989 году. Мы обнаружили ее в финской газете «Амменусастия» (ежемесячник христиан района Левасьоки). Не исключено, что это и есть первоисточник.Там д-р «Аззаков», советский геолог, заявлял следующее: «Как коммунист, я не верю в небеса и Библию, но как ученый, я вынужден теперь поверить в ад. Не нужно говорить, что мы были потрясены, сделав такое открытие. Но мы знаем, что слышали и что увидели. И мы абсолютно уверены в том, что бурили через врата ада».
Из газеты следовало, что драма якобы разразилась в СССР, когда геологи, проводившие изыскания в Западной Сибири, достигли глубины 14,4 км. Неожиданно долото бура стало бешено вращаться, показывая, что ниже находится пустота или пещера. Когда ученые подняли бур, клыкастая, когтистая тварь с огромными злыми глазами появилась из скважины, завизжав, как дикое животное, и исчезло. Испугавшись, большинство рабочих и инженеров бросились бежать, а оставшимся пришлось пройти неменьшее испытание.
«Мы спустили в скважину микрофон, предназначенный для записи движения литосферных плит, - рассказывал далее «Аззаков». - Но вместо этого мы услышали громкий человеческий голос, в котором звучала боль. Сперва мы подумали, что звук производит буровое оборудование, но, когда мы тщательно его проверили, наихудшие подозрения подтвердились. Крики и вопли не исходили от одного человека. Это были крики и стоны миллионов людей. К счастью, мы записали вызывающие ужас звуки на магнитофонную ленту».
И к июню 1990 года здесь добурились до 12 260 метров. Сейчас работы прекращены, но тогда ни о каком аде геологи не слышали.
В итоге оказалось, что обе истории были запущены в свет норвежцем Аге Рендалином, который любил называть себя «специальным советником министра юстиции Норвегии». Когда им вовсю заинтересовались, выяснилось, что это просто школьный учитель с чересчур развитым воображением.
Он признался, что все выдумал, чтобы проверить, насколько серьезно христианская пресса проверяет свои публикации. Аудиозапись, конечно, сделал кто-то другой уже в наши дни, чтобы как-то подогреть интерес к давней фальшивке.
Нефтяная компания (НК) «Роснефть» в составе консорциума проекта «Сахалин-1» успешно завершила бурение самой протяженной скважины в мире на месторождении Чайво, сообщило управление информационной политики компании.
Эксплуатационная скважина О-14 имеет самую большую в мире глубину по стволу – 13 500 метров и горизонтальный участок ствола длиной 12 033 метра. Она пробурена в направлении крайней юго-восточной оконечности месторождения с буровой платформы «Орлан».
«Эта скважина – продолжение успешной реализации нашего выдающегося проекта. Выражаю признательность нашим партнерам – компании ExxonMobil, благодаря использованию технологий бурения которой стало возможно это достижение», – заявил глава «Роснефти» Игорь Сечин.
В ходе реализации проекта «Сахалин-1» с 2003 года было установлено уже несколько мировых рекордов по бурению скважин с большим отходом от вертикали. Так, например, в январе 2011 года нефтяная скважина месторождения Одопту-море, пробуренная под острым углом к поверхности земли, с длиной 12 345 метров стала самой длинной скважиной в мире.
В апреле 2013 года была пробурена скважина Z-43, глубина которой по стволу составила 12 450 метров, а в июне того же года на Чайвинском месторождении вновь был побит мировой рекорд: глубина по стволу скважины Z-42 составила 12 700 метров, плюс горизонтальный участок в 11 739 метров.
В апреле 2014 года бригада проекта «Сахалин-1» закончила бурение скважины Z-40 на шельфовом месторождении Чайво, которая до появления скважины О-14 имела самую большую в мире глубину по стволу, равную 13 000 метрам, и глубину горизонтального участка ствола – 12 130 метров.
На сегодня, с учетом новой рекордно глубокой скважины, консорциумом «Сахалин-1» пробурено 9 из 10 самых протяженных в мире скважин.
Успешное применение передовых технологий бурения позволяет сокращать затраты на строительство дополнительных морских сооружений, трубопроводов и прочих элементов промысловой инфраструктуры.
Кроме того, благодаря сокращению площади участков ведения буровых и добычных работ, передовые бурильные технологии, применяемые «Роснефтью», способствуют защите окружающей среды.
Кольская сверхглубокая скважина, заложенная в честь 100-летия со дня рождения Ленина, в 1970 году, остается самой глубокой вертикальной скважиной в мире, пробуренной на суше. Ее глубина составляет 12 262 метра.
Месторождение Чайво – одно из трех месторождений проекта «Сахалин-1». Находится к северо-востоку от берегов Сахалина. Глубина моря изменяется от 14 до 30 м, на участке установки платформы «Орлан» с буровым и жилым модулями глубина моря составляет 15 м, расстояние до берега – 5 км (ближняя граница) и 15 км (дальняя граница). Месторождение было введено в эксплуатацию в 2005 году.
Установка платформы «Орлан» была завершена в июле 2005 года, а буровые работы начаты в декабре 2005 года. На платформе предусмотрен минимум сооружений по подготовке продукции, так как вся добываемая продукция подается на береговой комплекс подготовки Чайво. Сталебетонная конструкция, на которой размещены буровой и жилой модули, используется для разработки юго-западной и юго-восточной части месторождения Чайво. Сталебетонное основание «Орлана» легко выдерживает натиск льда и гигантских торосов, достигающих высоты шестиэтажного дома.
«Сахалин-1» – первый масштабный шельфовый проект, осуществляемый в Российской Федерации на условиях Соглашения о разделе продукции (СРП), заключенного в 1996 году. Доли участников проекта: НК «Роснефть» – 20%, ExxonMobil – 30%, SODECO – 30%, ONGC Videsh Ltd – 20%.
Проект «Сахалин-1» включает в себя освоение трех морских месторождений: Чайво, Одопту и Аркутун-Даги, расположенных на северо-восточном шельфе острова Сахалин. Суммарные извлекаемые запасы по проекту составляют 236 млн тонн нефти и 487 млрд кубометров газа. В 2005 году было введено в эксплуатацию первое месторождение Чайво, в 2010 году – месторождение Одопту, в январе 2015 года – месторождение Аркутун-Даги. С начала реализации проекта добыто 70 млн тонн нефти, добыто и реализовано 16 млрд кубометров газа.
Несмотря на то, что на дворе стоит XXI век, внутреннее строение нашей планеты изучено очень мало. Мы неплохо знаем о том, что творится в далеком космосе, в то же время степень проникновения в тайны Земли можно сравнить с легким булавочным уколом в поверхность корки арбуза.
В середине 1950-х, когда бурильщики научились делать скважины глубиной более 7 км, человечество приблизилось к осуществлению весьма амбициозной задачи – пройти сквозь земную кору и посмотреть, что скрывается под ней. Ближе всех к этой цели подошли наши соотечественники, пробурившие Кольскую сверхглубокую скважину.
Твердая оболочка Земли на удивление тонка относительно ее размеров – толщина коры варьируется в пределах 20-65 км на суше и 3-8 км под океаном, занимая менее 1% объема планеты. За ней находится обширный слой – мантия, – на чью долю приходится основной объем Земли. Еще ниже находится плотное ядро, состоящее преимущественно из железа, а также никеля, свинца, урана и других металлов. Между корой и мантией выделяется пограничная зона, названная по имени открывшего ее югославского ученого поверхностью (границей) Мохоровича, или сокращенно - Мохо. В этой зоне скорость распространения сейсмических волн резко увеличивается. Существует ряд гипотез, призванных объяснить это явление, однако в целом оно остается неразгаданным.
Важнейшей целью самых серьезных проектов по глубокому бурению, запущенных во второй половине XX в., являлся именно этот таинственный слой. Достичь его исследователям так и не удалось, однако данные о строении земной коры, полученные в ходе бурения сверхглубоких скважин, оказались настолько неожиданными, что граница Мохоровича как бы отошла на второй план. Сперва понадобилось объяснить загадки, обнаруженные в более высоких слоях.
Первыми за глубинное бурение земной коры в научных целях принялись американцы. В 1960-х ими был запущен научный проект «Мохол» (Mohole), предусматривавший создание подводных с помощью специальных буровых судов. В течение последующих тридцати лет в морях и океанах появилось более 800 скважин, многие из которых расположены на глубинах более 4 км. Самая длинная скважина смогла углубиться в морское дно всего на 800 м, и все же полученные данные имели колоссальное значение для геологии. В частности, они послужили весомым подтверждением т.н. тектонической теории, согласно которой в основе континентов лежат твердые литосферные плиты, медленно плавающие, погруженные в жидкую мантию.
Разумеется, СССР не мог отстать от заокеанского конкурента, поэтому в середине 1960-х и у нас были запущены многочисленные проекты по исследованию земной коры. Советские ученые пошли несколько иным путем, решив бурить скважины не в море, а на земле. Самым известным и успешным проектом подобного рода является Кольская сверхглубокая скважина – самая глубокая «дыра в земле» из всех, когда-либо сделанных человеком. Скважина расположена в северной оконечности Кольского полуострова. Это место было выбрано отнюдь не случайно – на протяжении сотен миллионов лет естественная эрозия разрушала поверхность Кольского кристаллического щита, сдирая с него верхние слои породы. В результате на поверхности оказались древние архейские слои, соответствующие глубинам в 5-10 км для среднестатистического разреза земной коры континентального типа. 15-километровая проектная глубина скважины позволяла ученым надеяться на достижение загадочной поверхности Мохоровича.
Бурение Кольской скважины началось в 1970 г, а закончилось оно более 20 лет спустя – в 1994 г. Сперва бурильщики работали вполне традиционными методами: в скважину опускалась колонна из легкосплавных труб, на конце которой укреплен цилиндрический металлический бур с алмазными зубьями и датчиками. Колонну вращал двигатель, расположенный на поверхности. По мере увеличения глубины скважины к трубам добавлялись новые секции. Периодически всю колонну приходилось поднимать на поверхность, чтобы извлечь вырезанный керн породы и заменить затупившуюся коронку. К сожалению, эта отработанная технология становится неэффективной, когда глубина скважины превышает определенную отметку: трение труб о стенки скважины становится слишком большим, чтобы весь этот огромный вал можно было проворачивать. Чтобы преодолеть это затруднение, инженеры разработали схему, при которой вращалась только головка бурильной установки. На конце колонны укрепили турбины, через которые пропускался буровой раствор – специальная жидкость, выполняющая роль смазки и циркулирующая по трубам. Эти турбины и заставляли бур вращаться.
Образцы, извлеченные на поверхность в процессе бурения, произвели в геологии настоящий переворот. Существовавшие представления о строении земной коры оказались далеки от действительности. Первым сюрпризом стало отсутствие перехода от гранита к базальту, который ученые ожидали увидеть на глубине около 6 км. Сейсмологические исследования говорят о том, что в этом районе скорость распространения акустических волн резко меняется, что интерпретировалось как начало базальтового фундамента земной коры. Однако и после зоны перехода на поверхность продолжали подниматься граниты и гнейсы. С этого момента стало ясно, что господствующая модель двухслойной земной коры неверна. Сейчас наличие сейсмического перехода объясняется изменением свойств породы в условиях возросшего давления и температуры.
Еще более удивительным открытием был тот факт, что породы, расположенные на глубинах более 9 км, оказались чрезвычайно пористыми. До этого, считалось, что по мере увеличения глубины и давления, они, напротив, должны становиться все более плотными. Миниатюрные трещины заполнял водный раствор, чье происхождение долгое время оставалось абсолютно неясным. Позже была выдвинута теория, согласно которой обнаруженная вода образуется из атомов водорода и кислорода, которые «выдавливаются» из окружающей породы под действием колоссальных давлений.
Еще один сюрприз: жизнь на планете Земля возникла, оказывается, на 1,5 миллиарда лет раньше, чем предполагалось. На глубине в 6,7 км, где считалось, что нет органики, обнаружили 14 видов окаменевших микроорганизмов. Они были найдены в крайне нехарактерных углеродно-азотных отложениях (вместо обычного известняка или кремнезема), возраст которых 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.
Ученых крайне удивила и скорость, с которой возрастала температура по мере углубления скважины. На отметке в 7 км она достигала 120 °C, а на глубине в 12 км – уже 230 °C, что было на треть выше планируемого значения: температурный градиент коры составил почти 20 градусов на 1 км, вместо ожидаемых 16-ти. Было также выяснено, что половина теплового потока имеет радиогенное происхождение. Высокая температура негативно сказывалось на работе коронки, поэтому буровой раствор стали охлаждать перед закачиванием в скважину. Эта мера оказалось достаточно эффективной, однако после прохождения отметки в 12 км и она уже не смогла обеспечить достаточный отвод тепла. К тому же сдавленная и нагретая порода приобретала некоторые свойства жидкости, в результате чего скважина начинала заплывать при очередном извлечении буровой колонны. Дальнейшее продвижение вперед оказалось невозможным без новых технологических решений и существенных денежных затрат, поэтому в 1994 г. бурение было приостановлено. К тому моменту скважина успела углубиться на 12262 м.
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
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