В далеком уже 1990 году, в южной части Германии группа ученых решили заглянуть в недра нашей планеты на стыке двух тектонических плит, столкнувшихся более 300 миллионов лет назад, когда формировался континент. Итоговой целью ученых было бурение одной из самых глубоких в мире скважин до 10 км.
Изначально предполагалось, что скважина станет своеобразным «телескопом», который даст возможность больше узнать о недрах нашей планеты и постараться узнать о ядре Земли. Процесс бурения проходил в рамках программы Continental Deep Drilling и продлился до октября 1994 года, когда из-за финансовых проблем программу пришлось свернуть.
Назвали скважину Kontinentales Tiefbohrprogramm der Bundesrepublik, сокращенно KTB, и ко времени закрытия программы пробурена была более чем на 9км, что не добавило энтузиазма ученым. Сам процесс бурения шел не сказать, что бы легко. За 4 года ученым, инженерам и рабочим пришлось столкнуться с целым ворохом сложных ситуаций и довольно сложных задач. Так, например, буру пришлось проходить сквозь породы, нагретые до температуры около 300 градусов Цельсия, однако даже при таких условиях бурильщики все же справились, используя охлаждение скважины жидким водородом.
Впрочем, несмотря на то, что программу свернули, научные эксперименты не прекратили и проводили их вплоть до конца 1995 года и стоит отметить, проводили не зря. За это время удалось открыть новые, довольно неожиданные факты строения нашей планеты, были составлены новые карты распределения температур и получены данные о распределении сейсмического давления, которые позволили создать модели слоистой структуры верхней части поверхности Земли.
Однако самое интересное ученые приберегли напоследок. Голландский ученый Лотт Гивен, который совместно с инженерами-акустиками и учеными из Научно-исследовательского центра геофизических исследований (Германия) сделал то, о чем мечтали многие – практически в прямом смысле этого слова, он «услышал сердцебиение» Земли. Для этого ему и его команде потребовалось провести акустические измерения, с помощью которых исследовательская группа воссоздала звуки, которые мы могли бы услышать на глубине 9 километров. Впрочем, теперь услышать эти звуки можете и вы.
Несмотря на то, что КТB на данный момент считается самой глубокой скважиной в мире, существует несколько подобных скважин, которые, однако, уже запечатаны. И среди них выделяется скважина, которая за время своего существования успела обрасти легендами, это Кольская сверхглубокая скважина-колодец, более известная как «Дорога в ад». В отличие от других конкурентов КТB, Кольская скважина достигала 12,2 км в глубину и считалась самой глубокой скважиной в мире.
Ее бурение началось в 1970 году в Мурманской области (Советский Союз, ныне Российская Федерация), в 10 километров к западу от города Заполярный. За время бурения, скважина пережила несколько аварий, в результате которых рабочим приходилось бетонировать скважину и начинать бурение с гораздо меньшей глубины и под другим углом. Интересно, что именно с чередой аварий и преследующими группу неудачами связывают причину возникновения легенды о том, что скважина была пробурена до самого, что ни на есть настоящего Ада.
Кольская сверхглубокая скважина
Как гласит текст легенды, после прохождения рубежа в 12 км, ученые, с помощью микрофонов удалось услышать звуки криков. Однако решили продолжить бурение и во время прохождения очередной отметки (14 км), вдруг наткнулись на пустоты. После того как ученые спустили микрофоны, до них донеслись крики и стоны мужчин и женщин. А спустя некоторое время, произошла авария, после которой работы по бурению решено было прекратить
И, несмотря на то, что авария действительно была, никаких криков людей ученые не слышали, да и все разговоры о демонах, не более чем вымысел – говорил Давид Миронович Губерман, один из авторов проекта, под чьим руководством проходило бурение скважины.
После очередной аварии в 1990 году, по достижению глубины в 12 262 метров, бурение завершили, а в 2008, проект забросили, а оборудование демонтировали. Спустя 2 года, в 2010, скважину законсервировали.
Отметим, что такие проекты как бурение скважин как КТВ и Кольской, являются для ученых-геологов на данный момент единственным способом и возможностью исследования недр планеты.
www.sciencedebate2008.com
ОР-11
Не удивительно, что самая длинная скважина была сделана совсем недавно, в 2011 году. Добиться этого результата позволили новые, более совершенные технологии, прочные и надежные материалы, точные методики расчета.
Наверняка вам будет приятно узнать, что она находится в России, и была пробурена в рамках проекта «Сахалин-1». Все работы потребовали всего 60 дней, что намного превосходит результаты предыдущих изысканий.
Общая длина это рекордной скважины составляет 12 километров 345 метров, что пока остается непревзойденным рекордом. Ещё одно достижение – максимальная протяженность горизонтального ствола, составляющая 11 километров 475 метров. Пока никто не смог превзойти этот результат. Но это пока.
BD-04А
Эта нефтяная скважина в Катаре известна благодаря рекордной на то время глубине. Её полная длина составляет 12 километров 289 метров, из которых 10 902 метра – горизонтальный ствол. Построена она, кстати, в 2008 году, и целых три года удерживала рекорд.
Но известна эта глубокая скважина не только впечатляющими размерами, но и весьма печальным фактом. Она была построена рядом с нефтяным шельфом для проведения георазведки, а в 2010 году на ней произошла серьезная авария.
Кольская сверхглубокая скважина
Пробуренная ещё во время СССР, Кольская сверхглубокая скважина в 2008 году потеряла звание лидера. Но все равно, она остается одним из наиболее известных объектов такого типа и продолжает удерживать призовое третье место.
Работы по подготовке к бурению были начаты ещё в 1970 года. Планировалось, что эта скважина станет самой глубокой на Земле, достигнув отметки в 15 километров. Правда, достичь такого результата так и не получилось. В 1992 году работы были приостановлены, когда глубина достигла впечатляющего значения в 12 километров 262 метра. Дальнейшие изыскания пришлось прекратить из-за отсутствия финансирования и поддержки государства.
С её помощью удалось получить массу интересных научных данных, глубже понять строение земной коры. Это как раз не удивительно, ведь проект был изначально полностью научным, не связанным с геологической разведкой или изучением месторождений полезных ископаемых.
Кстати, именно с Кольской сверхглубокой скважиной связана популярная легенда о «колодце в ад». Рассказывают, что дойдя до отметки в 11 километров, ученые услышали ужасающие крики. И вскоре после этого бур сломался. По легенде, это свидетельствует о существовании ада под землей, в котором мучаются грешники. Именно их крики и были услышаны учеными.
Правда, легенда не выдерживает никакой критики. Хотя бы потому, что ни одна акустическая аппаратура не смогла бы работать при давлении и температуре на этих отметках. Но, с другой стороны, довольно интересно рассуждать о том, что самая глубокая буровая скважина сможет достичь если не ада, то каких-нибудь других легендарных и мифических мест.
Пока же они всего лишь помогают ученым лучше понимать, как живет наша планета. И хотя до путешествия к центру земли ещё очень далеко, люди явно к этому стремятся.
megatopof.ru
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.
авная 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.
о 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.
к 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 расположениесверхглубоких 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
helpiks.org
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.
В конце 70-х – начале 80-х устроиться работать на Кольскую сверхглубокую, как называют скважину жители города 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.
Геологи В. Ланев (слева) и Ю. Смирнов рассматривают образцы керна.
Буровые коронки. Точно такая же, но именно та, которая была использована при бурении на глубине 12 км, стала экспонатом выставки на Международном геологическом конгрессе 1984 года.
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 4-хкилометровой толщей воды.
Увы, ни одна океанская буровая глубже 3 километров не пробилась. Вообще, почти все проекты сверхглубоких скважин мистическим образом заканчивались на 3-хкилометровой 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.
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.
Кликабельно
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.
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.
Уникальное кернохранилище, где на полках в ящиках в строгом порядке, пронумерованные, разложены керны всей двенадцатикилометровой скважины.
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.
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 градусов Цельсия, на семи – за 120 градусов, а на глубине 12-ти жарило сильнее 220 градусов – на 100 градусов выше предсказанного. Кольские бурильщики поставили под сомнение теорию послойного строения земной коры – по крайней мере, в интервале до 12 262 метра.
Отдельные образцы керна.
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.
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.
Такие значки с гордостью носили все, кто работал на СГ.
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.
2012 год
masterok.livejournal.com