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
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.
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.
Какие секреты скрывает Кольская сверхглубокая?
Во время бурения скважины было совершено немало открытий, так что вполне можно сказать, что свои секреты у нее были. Вот несколько из них.
Лунный грунт оказался по составу почти полностью идентичным породам, извлеченным из Кольской сверхглубокой на глубине трех километров. Это подтверждает теорию о том, что Луна могла отколоться от Земли под воздействием удара астероида.
На глубине около девяти километров нашли залежи полезных ископаемых, в том числе золота — 78 граммов на тонну (добыча золота возможна при 34 граммах). Обнаружился также новый горизонт из медно-никелевых руд.
Ученые установили, что граниты переходят не в суперпрочный базальтовый слой, а в архейские гнейсы. Это стало настоящей революцией в геолого-геофизической науке и полностью изменило традиционные представления о недрах нашей планеты.
На отметке 9–12 километров были обнаружены высокопористые трещиноватые породы, насыщенные сильно минерализованными водами. Они отвечают за образование руд, и ранее считалось, что это происходит на гораздо меньших глубинах.
В слоях возрастом больше 2,8 миллиарда лет были найдены 14 видов окаменевших микроорганизмов: это сдвинуло время возникновения жизни на планете на полтора миллиарда лет назад.
Так что две тысячи обращенных атеистов — сущие пустяки по сравнению с тем, что действительно дала нам Кольская сверхглубокая. Впрочем, легенда о ней не так уж плоха, ведь она стала источником вдохновения для режиссеров и писателей, а книги и фильмы многих людей радуют гораздо больше, чем новые открытия. Главное — никогда не забывать, что из историй вокруг Кольской сверхглубокой правда, а что — вымысел, будоражащий фантазию и щекочущий нервы.
Шевченковская скважина
Эта скважина глубиной 7520 м находится на территории современной Западной Украины. Однако работы над ней велись еще в СССР в 1975 — 1982 годах.
Целью создания этой одной из самых глубоких скважин СССР была добыча полезных ископаемых (нефти и газа), но и изучение недр земли также было важной задачей.
Саатлинская
В СССР на территории Азербайджанской республики была пробурена одна из самых глубоких скважин в мире — Саатлинская. Планировалось довести ее глубину до 11 км и провести разнообразные исследования, связанные как со структурой земной коры, так и с разработкой нефти на разных глубинах.
Однако пробурить такую глубокую скважину не удалось, как это случается очень и очень часто. В процессе работы машины часто выходят из строя из-за крайне высоких температур и давления; скважина искривляется, поскольку твердость разных пород неоднородна; нередко незначительная поломка влечет за собой такие проблемы, что их решение требует больше средств, нежели создание новой.
Так и в данном случае, несмотря на то, что материалы, полученные в результате бурения, были очень ценными, работы пришлось остановить на отметке 8324 м.
Юниверсити
Одна из самых глубоких скважин на Земле — это Юниверсити в США. Ее глубина составляет 8686 м. Материалы, полученные в результате бурения, представляют значительный интерес, так как дают новый материал о строении планеты, на которой мы живем.
Удивительно, но в результате выяснилось, что правы были не ученые, а фантасты: в недрах есть слои полезных ископаемых, а на огромной глубине существует жизнь — правда, речь идет о бактериях!
Бейден-Юнит
В США компания Lone Star предприняла попытку бурения сверхглубокой скважины в 1970 году. Место возле города Анадарко в штате Оклахома было выбрано не случайно: здесь дикая природа и высокий научный потенциал создают удобную возможность как для бурения скважины, так и для изучения ее.
Работы велись более года, и за это время пробурили до глубины 9159 м, что позволяет включить ее в число самых глубоких шахт мира.
КТБ-Оберпфальц
Эта шахта являет рекордсменом как самая глубокая вертикальная скважина, поскольку без отклонений в сторону она идет до глубины 7500 м! Это небывалый показатель, ибо шахты на большой глубине неминуемо искривляются, но уникальное оборудование, использованное учеными из Германии, позволило очень долго двигать бур вертикально вниз.
Не так уж велик и перепад диаметра. Сверхглубокие скважины начинаются на поверхности земли с отверстия довольно большого диаметра (у Оберпфальца — 71 см), а затем постепенно сужаются. На дне немецкая скважина имеет диаметр лишь около 16 см.
Причина, по которой пришлось остановить работы, та же, что и во всех остальных случаях — выход из строя оборудования вследствие высоких температур.
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.
Ен-Яхинская
Эта скважина была расположена в Ямало-Ненецком автономном округе (ближайший город — Новый Уренгой). Буровые работы продолжались с 2000 по 2006 гг. За 6 лет исследователи смогли пробурить на 8 250 метров.
- На отметке 4 км температура составила +125 С.
- На глубине 7 км температура была равна +210 С.
- Давление на отметке 8 км достигло 1600 атм.
Целью бурения была геологическая разведка территории, обнаружение полезных ископаемых. В 2006 г. выработка была ликвидирована. Земля была рекультивирована и возвращена государству.
Цистердорф
Эта скважина находилась в Австрии. Она получила название в честь ближайшего города. Буровые работы продолжались с 1990 по 1994 гг. Исследователям удалось пробурить земную кору на 8 553 метра. Бурение проводилось для разведки месторождений полезных ископаемых.
На глубине были обнаружены запасы природного газа. Но ученым не удалось найти способа для подъема газа на поверхность. Дальнейшее погружение закончилось аварией. Шахта обрушилась, и ее восстановление посчитали нецелесообразным.
Хауптборунг
Немецкие ученые также ставили цель пробурить землю на 12 км. Разработка шахты Хауптборунг проводилась в 90-х годах. С первыми проблемами технологи столкнулись уже на отметке 7 км. Оборудование начало выходить из строя. Вертикальная шахта отклонилась в сторону. Работа остановилась на отметке 9 100 м. Максимальная зафиксированная температура составила 270С. После завершения научных исследований, шахта стала местной достопримечательностью.
Чайво
Эксплуатационная скважина О-14 пробурена в направлении крайней юго-восточной оконечности месторождения с буровой платформы «Орлан». Скважина имеет самую большую в мире длину по стволу, равную 13 500 метров.