«Доктор Губерман, какого черта вы откопали там внизу?» - реплика из зала прервала доклад российского ученого на заседании ЮНЕСКО в Австралии. За пару недель до этого, в апреле 1995 года, по миру прокатилась волна сообщений о таинственной аварии на Кольской сверхглубокой скважине..
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.
12 226 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 12 226 метров. 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 70 ºC, на семи - за 120 ºC, а на глубине 12 жарило сильнее 220 ºC - на 100 ºC 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.
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 пояс, 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.
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.
Самые глубокие скважины мира March 18th, 2015
Мечта проникнуть в недра нашей планеты, наравне с планами отправить человека в космос, долгие века казалась абсолютно неосуществимой. В 13 веке китайцы уже рыли скважины глубиной до 1200 метров, а с появлением в 1930-х годах буровых установок европейцам удалось проникнуть на глубину трех километров, однако это были лишь царапины на теле планеты.
Как глобальный проект, идея пробурить верхнюю оболочку Земли появилась в 1960-х годах. Гипотезы о строении мантии строились на косвенных данных, таких как сейсмическая активность. И единственный способ буквально заглянуть в земные недра заключался в бурении сверхглубоких скважин. Сотни скважин на поверхности и в глубине океана дали ответы на некоторые из вопросов ученых, но времена, когда с их помощью проверяли самые разные гипотезы, давно прошли.
Давайте вспомним список глубочайших скважин на земле …
Siljan Ring (Швеция, 6800 м)
В конце 80-х годов в Швеции в кратере Сильян Ринг пробурили одноименную скважину. По гипотезе ученых, именно в том месте предполагалось найти месторождения природного газа небиологического происхождения. Результат бурения вызвал разочарование как инвесторов, так и работников науки. Углеводороды в промышленных масштабах обнаружены не были.
Zistersdorf UT2A (Австрия, 8553 м)
В 1977 году в районе венского нефтегазоносного бассейна, где скрывалось несколько небольших месторождений нефти, была пробурена скважина Zistersdorf UT1A. Когда на глубине 7544 м обнаружились неизвлекаемые запасы газа, первая скважина неожиданно обрушилась, и компании OMV пришлось пробурить вторую. Однако на этот раз проходчики не нашли углеводородных ресурсов глубокого залегания.
Hauptbohrung (ФРГ, 9101 м)
Знаменитая Кольская скважина произвела неизгладимое впечатление на европейскую общественность. Многие страны начали готовить свои проекты сверхглубоких скважин, но отдельно стоит отметить скважину Хауптборунг, разрабатываемую с 1990 по 1994 год в Германии. Достигшая отметки всего 9 км, она стала одной из самых известных сверхглубоких скважин благодаря открытости данных буровых и научных работ.
Baden Unit (США, 9159 м)
Скважина, пробуренная компанией Lone Star вблизи города Анадарко. Ее разработка началась в 1970 году и продолжалась на протяжении 545 дней. Всего на эту скважину ушло 1,700 тонн цемента и 150 алмазных долот. А ее полная стоимость обошлась компании в 6 млн долларов.
Bertha Rogers (США, 9583 м)
Еще одна сверхглубокая скважина, созданная в районе нефтегазоносного бассейна Анадарко в штате Оклахома в 1974 году. Весь процесс бурения занял у рабочих компании Lone Star 502 дня. Работу пришлось прекратить, когда проходчики наткнулись на глубине 9,5 километров на расплавленное месторождение серы.
Кольская сверхглубокая (СССР, 12 262 м)
Занесена в Книгу рекордов Гиннеса как «самое глубокое вторжение человека в земную кору». Когда в мае 1970 года у озера с труднопроизносимым названием Вильгискоддеоайвинъярви начиналось бурение, предполагалось, что скважина достигнет глубины в 15 километров. Но из-за высоких (до 230°С) температур работу пришлось свернуть. На данный момент Кольская скважина законсервирована.
Про историю этой скважины я вам уже рассказывал -
BD-04A (Катар, 12 289 м)
7 лет назад на нефтяном месторождении Al-Shaheen в Катаре была пробурена геологоразведочная скважина BD-04A. Примечательно, что буровая платформа компании Maersk смогла достигнуть отметки в 12 километров в рекордные 36 дней!
OP-11 (Россия, 12 345 м)
Январь 2011 года ознаменовался сообщением от компании Exxon Neftegas, что бурение самой длинной скважины с большим отходом от вертикали близко к завершению. ОР-11, расположенная на месторождении «Одопту», также поставила рекорд по протяженности горизонтального ствола – 11,475 метров. Проходчики смогли завершить работу всего за 60 дней.
Общая длина ствола скважины OP-11 на месторождении Одопту составила 12345 метров (7,67 мили), тем самым установлен новый мировой рекорд по бурению скважин с большим отходом забоя от вертикали (БОВ). ОР-11 также заняла первое место в мире по расстоянию между забоем и точкой забуривания по горизонтали — 11475 метров (7,13 мили). Компания ЭНЛ осуществила работы по бурению рекордной скважины всего за 60 дней, используя технологии скоростного бурения и комплексного контроля качества бурения, разработанные компанией «ЭксонМобил», достигнув наивысших показателей в бурении каждого фута скважины ОР-11.
«Проект «Сахалин-1″ продолжает вносить свою лепту в лидерство России в мировой нефтегазовой отрасли, — заявил Джеймс Тейлор, президент ЭНЛ. — На сегодняшний день 6 из 10 самых протяженных скважин БОВ, включая скважину OP-11, пробурены в рамках проекта «Сахалин-1″ с использованием технологий бурения корпорации «Эксон Мобил». Специально сконструированная буровая установка «Ястреб» применялась на протяжении всего времени работы проекта, устанавливая многочисленные отраслевые рекорды по длине ствола, скорости бурения и показателям направленного бурения. Новый рекорд мы также поставили, сохраняя при этом отличные показатели в области безопасности, охраны труда и окружающей среды».
Месторождение Одопту, одно из трех месторождений проекта «Сахалин-1″, расположено на шельфе, на расстоянии 5-7 миль (8-11 км) от северо-восточного побережья острова Сахалин. Технология БОВ позволяет успешно проводить бурение скважин с берега под дном моря для достижения шельфовых залежей нефти и газа, не нарушая при этом принципов безопасности и охраны окружающей среды, в одном из сложнейших для освоения субарктических регионов мира.
П.С. А вот что пишут в комментах: tim_o_fay: давай отделим мух от котлет:) Длинная скважина ≠ глубокая. Та же BD-04A из своих 12 289 м имеет 10 902 м горизонтального ствола. http://www.democraticunderground.com/discuss/duboard.php?az=view_all&address=115x150185 Соответственно вертикали там километр с хвостиком всего. Что это значит? Это значит низкие (сравнительно) давление и температуру на забое, мягкие породы (с хорошей скоростью проходки) и т.д. и т.п. OP-11 из той же оперы. Не скажу, что бурить горизонталки просто (восьмой год этим занимаюсь), но всё же намного проще чем сверхглубокие. Bertha Rogers, СГ-3 (Кольская), Baden Unit и прочие с большой истинной вертикальной глубиной (дословный перевод с англоязычного True Vertical Depth, TVD) - это действительно нечто запредельное. В 1985 году на пятидесятилетие СОГРТ съехались бывшие выпускники со всего Союза с рассказами и подарками для музея техникума. Тогда я и сподобился пощупать кусочек гранито-гнейсов с глубины более 11,5 км:)
На глубине 410-660 километров под поверхностью Земли океан архейского периода. Подобные открытия были бы невозможны без методов сверхглубинного бурения, разработанных и применявшихся в Советском Союзе. Один из артефактов тех времен - Кольская сверхглубокая скважина (СГ-3), которая даже через 24 года с момента прекращения бурения остается глубочайшей в мире. Зачем ее пробурили и какие открытия она помогла совершить, рассказывает «Лента.ру».
Пионерами сверхглубокого бурения выступили американцы. Правда, на просторах океана: в пилотном проекте они задействовали судно Glomar Challenger, сконструированное как раз для этих целей. Тем временем в Советском Союзе активно разрабатывали соответствующую теоретическую базу.
В мае 1970 года на севере Мурманской области в 10 километрах от города Заполярного началось бурение Кольской сверхглубокой скважины. Как и полагалось, это приурочили к столетию со дня рождения Ленина. В отличие от других сверхглубоких скважин, СГ-3 бурили исключительно для научных целей и даже организовали специальную геологоразведочную экспедицию.
Место бурения выбрали уникальное: именно на Балтийском щите в районе Кольского полуострова на поверхность выходят древние породы. Возраст многих из них достигает трех миллиардов лет (самой нашей планете - 4,5 миллиарда лет). Кроме того, тут Печенга-Имандра-Варзугский рифтогенный прогиб - вдавленная в древние породы чашеподобная структура, происхождение которой объясняют глубинным разломом.
Ученым понадобилось четыре года, чтобы пробурить скважину на глубину 7263 метра. Пока ничего необычного не делалось: применялась та же установка, что и при добыче нефти с газом. Потом скважина простояла без дела целый год: установку модифицировали для турбинного бурения. После апгрейда удавалось бурить примерно по 60 метров в месяц.
Глубина в семь километров преподнесла сюрпризы: чередование твердых и не очень плотных пород. Участились аварии, а в стволе скважины возникло множество каверн. Бурение продолжалось до 1983 года, когда глубина СГ-3 достигла 12 километров. После этого ученые собрали большую конференцию и рассказали о своих успехах.
Однако из-за неаккуратного обращения с буром в шахте осталась секция длиной пять километров. Несколько месяцев ее пытались достать, но не преуспели. Было принято решение вновь начать бурение с глубины семь километров. В силу сложности операции бурили не только основной ствол, но и четыре дополнительных. На то, чтобы восстановить утраченные метры, ушло целых шесть лет: в 1990-м скважина достигла глубины 12262 метра, став самой глубокой в мире.
Спустя два года бурение было остановлено, впоследствии скважину законсервировали, а фактически - забросили.
Тем не менее на Кольской сверхглубокой скважине совершили немало открытий. Инженеры создали целую систему сверхглубокого бурения. Сложность заключалась не только в глубине, но и в высоких температурах (вплоть до 200 градусов Цельсия) из-за интенсивности работы буров.
Ученые не просто продвигались вглубь Земли, но и поднимали образцы пород и керны для анализа. Кстати, именно они изучали лунный грунт и выяснили, что по составу он почти полностью соответствует породам, извлеченным из Кольской скважины с глубины около трех километров.
На глубине свыше девяти километров вышли на залежи полезных ископаемых, в том числе и золота: в оливиновом слое его целых 78 граммов на тонну. И это не так мало - добычу золота считают возможной при 34 граммах на тонну. Приятным сюрпризом для ученых, а также для близлежащего комбината, стало обнаружение нового рудного горизонта из медно-никелевых руд.
Помимо всего прочего, исследователи узнали, что граниты не переходят в суперпрочный базальтовый слой: на деле за ним располагались архейские гнейсы, которые традиционно относят к трещиноватым породам. Это произвело своего рода революцию в геолого-геофизической науке и полностью изменило традиционные представления о недрах Земли.
Еще один приятный сюрприз - открытие на глубине 9-12 километров высокопористых трещиноватых пород, насыщенных сильно минерализованными водами. По предположению ученых, именно они ответственны за образование руд, но прежде считалось, что это происходит лишь на гораздо меньших глубинах.
Помимо всего прочего, выяснилось, что температура недр немного выше, чем предполагалось: на глубине шести километров был получен температурный градиент в 20 градусов Цельсия на километр вместо 16 ожидавшихся. Было установлено радиогенное происхождение теплового потока, что также не согласовывалось с прежними гипотезами.
В глубинных слоях возрастом больше 2,8 миллиарда лет ученые нашли 14 видов окаменевших микроорганизмов. Это позволило сдвинуть время возникновения жизни на планете на полтора миллиарда лет назад. Также исследователи выяснили, что на глубинах нет осадочных пород и есть метан, навсегда похоронив теорию биологического происхождения углеводородов.
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