Как бурят глубокие скважины
Обновлено: 07.07.2024
12 км 262 м: зачем в СССР пробурили самую глубокую \"дыру\" на Земле
Самая глубокая скважина в мире находится на Кольском полуострове недалеко от города Заполярный (Мурманская область); её глубина составят 12 километров 262 метра, что является абсолютным мировым рекордом. В 1997 году Кольская сверхглубокая была занесена в книгу рекордов Гиннеса, однако сама она к этому времени уже не работала: бурение было остановлено в 1992 году, скважина законсервирована, а то, что осталось от буровой установки, – брошено на произвол судьбы и фактически разграблено.
Фото: Русская семерка Русская семеркаОднако за годы бурения советским ученым удалось сделать множество открытий, которые касались состава земной коры и пролили свет на некоторые научные вопросы.
Подготовительные работы
Главной задачей бурения скважины было дойти до мантии Земли, которая предположительно должна состоять из расплавленных пород. Для этого бурить решили в месте печенегского прогиба Балтийского щита на северо-западе Восточно-Европейской платформы – одного самых древних образований планеты. Возраст выходящих здесь на поверхность пород по предположениям ученых насчитывал не менее трех миллиардов лет. Главной задачей бурения было выявление особенностей щита и определение границ между слоями земной коры.
Для создания скважины была создана уникальная команда советских ученых; на скважине одновременно работали до 3 000 специалистов и 16 научно-исследовательских лабораторий. Начальником Кольской сверхглубокой стал советский ученый Давид Миронович Губерман, начальником буровой установки – Алексей Батищев, главным инженером – Иван Васильченко, в команду геологов вошли знаменитые геологи Юрий Кузнецов, Юрий Смирнов и Владимир Ланев.
Бурение
Весь 1970 год бурение вели обычной буровой установкой, затем работы пришлось остановить, а на месте скважины построить новую установку «Уралмаш-15000, разработанную для глубинного бурения.
Эта буровая представляла собой вышку с двадцатиэтажный дом, обшитую сверху листами фанеры – иначе нельзя было работать зимой. Советские ученые использовали турбинное бурение – метод, по которому внутри скважины под давлением поступающей жидкости вращается только буровая коронка.
Ежедневно на само бурение на большой глубине уходило всего около четырех часов – остальное время тратилось на подъем труб на поверхность для выемки керна. За это время бур успевал проходить от семи до десяти метров породы. Для того, чтобы пройти первые семь километров, у буровиков ушло четыре года.
Двенадцатикилометровую отметку удалось пройти уже в 1983 году, после чего работы приостановили – приближался Московский международный геологический конгресс, на котором были продемонстрированы совершенные на скважине открытия.
Бурить продолжили в 1984 году, но оказалось, что глубокую скважину нельзя оставлять без внимания надолго – в её структуре происходят изменения. Авария, отбросившая советских геологов на отметку в семь километров, произошла в первую же проходку 27 сентября 1984 года: произошел обрыв 200-тонной колонны. Все, что находилось ниже семи километров, было потеряно. Почти год геологи пытались достать трубы, но потом признали это невозможным и стали бурить обходной ствол. Основной трудностью стало то, что с глубины в девять километров добыча керна стала сложной – порода крошилась и внутри труб оставались только самые прочные «бляшки».
Максимальной глубины достигли спустя шесть лет — в 1990 году. Давление на такой глубине составило 1 000 атмосфер. После этого пришлось признать, что возможности техники ограничены и после нескольких аварий работы свернули.
Открытия советских ученых
Во-первых, обнаружилось, что температура в глубине земной коры совершенно не такая, как ожидали ученые, считавшие, что она будет низкой до глубины 15 километров. Оказалось, что на глубине в пять километров она составляет 75 градусов Цельсия, на семи – доходит до 120 градусов, а на глубине в 12 километров достигает 220 градусов.
Во-вторых, советская наука считала, что после более молодых гранитов должны пойти старые базальты. Эта теория была опровергнута. Слой грантов оказался в несколько раз толще, чем предполагалось, а под ним залегали менее прочные трещиноватые породы — архейские гнейсы (Архей – геологический период, продлившийся от 4 000 0000 лет назад до 2 500 000 лет назад).
На глубине от девяти до 12 километров нашли глубинные водоносные горизонты, которых вообще не ожидали обнаружить.
На глубине в 1,5–2 километра обнаружили рудный горизонт – породы, богатые редкоземельными металлами.
Был найден и оливиновый пояс планеты, гипотезу о существовании которого высказывал в начале XX века знаменитый геолог Владимир Афанасьевич Обручев. Его нашли глубже девяти километров, оказалось. что он содержит концентрацию золота, пригодную для разработки.
Было открыто, что образцы порода на глубине в три километра полностью соответствуют лунному грунту, что подтверждает теорию о том, что Луна в свое время под воздействием удара астероида могла отколоться от Земли.
Немного чертовщины
С Кольской сверхглубокой суеверные люди связывают множество легенд. Одни рассказывают, что ее закрыли, потому что советские ученые якобы добурились до ада, другие – что из нее по ночам выходят демоны, третьи уверяют, что из нее доносятся голоса мучающихся в преисподней людей.
На самом деле все это отголоски публикации одной финской газеты, которая просто пошутила, выпустив статью о скважине на 1 апреля. Однако как это часто бывает, шутку, возможно, приняв за правду, а возможно, решив попугать своих слушателей «страшными русскими», подхватила одна из американских телекомпаний, после чего слухи о чертовщине, творящейся на скважине, разлетелись по всему миру.
Разумеется, работать на Кольской сверхглубокой было тяжело, высокая температура на глубине и огромное давление создавали множество аварийных ситуаций. Однако ученые уверяют, что никакой чертовщины не было. Была трудная, часто рутинная работа.
kak_eto_sdelano
Как это сделано, как это работает, как это устроено
Самое познавательное сообщество Живого Журнала
Как бурят скважины для нефти и газа? student_geolog wrote in kak_eto_sdelano September 12th, 2016Для большинства людей, иметь свою нефтяную или газовую скважину – значит решить финансовые проблемы на всю оставшуюся жизнь и жить ни о чем не думая.
Но так ли просто пробурить скважину? Как она устроена? Этим вопросом, к сожалению, мало кто задается.
Буровая скважины 39629Г находится совсем недалеко от Альметьевска, в поселке Карабаш. После ночного дождя, все вокруг в тумане и перед машиной то и дело пробегали зайцыJ
И вот, наконец, показывалась сама буровая. Там нас уже ждал мастер буровой – главный человек на площадке, он принимает все оперативные решения и несет ответственность за все происходящее при бурении, а также – начальник управления буровых работ.
Принципиально, бурением называют разрушение горных пород на забое (в нижней точке) и извлечение разрушенной породы на поверхность. Буровая представляет собой комплекс механизмов, таких как буровая вышка, буровые насосы, системы очистки бурового раствора, генераторы, жилые помещения и т.д.
Буровая площадка, на которой расположены все элементы (о них мы поговорим ниже) – это очищенная от плодородного слоя земли и отсыпанная песком зона. После завершения работ этот слой восстанавливают и, таким образом, существенный вред экологии не наносится. Слой песка – обязателен, т.к. глина при первых дождях превратится в непроходимую жижу. Я сам видел, как в такой жиже застревали многотонные Уралы.
Но обо всем по порядку.
На скважине 39629Г установлен станок (собственно вышка) СБУ-3000/170 (стационарная буровая установка, максимальная грузоподъемность 170 тонн). Станок произведен в Китае и выгодно отличается от того, что я видел раньше. В России тоже производятся буровые, но китайские станки дешевле как в закупке, так и в обслуживании.
На этой площадке ведется кустовое бурение, оно характерно для горизонтальных и наклонно-направленных скважин. Такой тип бурения заключается в том, что устья скважин расположены на близком расстоянии друг от друга.
Поэтому буровой станок оборудован системой самоперемещения по рельсам. Система работает по принципу «тяни-толкай» и станок как бы передвигает сам себе с помощью гидроцилиндров. На перемещение с одной точки до другой (первые десятки метров) со всеми сопутствующими операциями уходит пара часов.
Поднимаемся на рабочую площадку буровой. Здесь собственно и происходит большая часть работы буровиков. На фото видны трубы буровой колонны (слева) и гидравлический ключ, при помощи которого колонна наращивается новыми трубами и продолжает бурение. Бурение происходит благодаря долоту на конце колонны и вращению, которое передается с помощью ротора.
Особый восторг у меня вызвало рабочее место бурильщика. Когда-то давно, в Республике Коми, я видел бурильщика, который управлял всеми процессами с помощью трех ржавых рычагов и собственной интуиции. Чтобы сдвинуть рычаг с места, он буквально повисал на нем. В итоге, буровой крюк чуть было не зашиб его.
Здесь же бурильщик подобен капитану космического корабля. Он сидит в изолированной кабине, в окружении мониторов и управляет всем с помощью джойстика.
Само собой, кабина отапливается зимой и охлаждается летом. Кроме того, на крыше,тоже стеклянной, предусмотрена защитная сетка на случай падения чего-нибудь с высоты и дворник для очистки стекла. Последний вызывает у буровиков неподдельный восторг:)
Кроме ротора, буровая оборудована системой верхнего привода (сделана в США). Эта система объединяет в себе крановый блок и ротор. Грубо говоря, это кран с приделанным к нему электродвигателем. Система верхнего привода является более удобной, быстрой и современной, нежели ротор.
Видео как работает система верхнего привода:
С вышки открывается отличный вид на площадку и окрестности:)
Кроме красивых видов, в верхней точке буровой можно обнаружить рабочее место верхового помбура (помощника бурильщика). В его обязанности входят работы по установке труб и общий контроль.
Так как верховой находится на рабочем месте всю 12-часовую смену и в любую погоду и любое время года, для него оборудована отапливаемая комната. На старых вышках этого никогда не было!
В случае нештатной ситуации, верховой может эвакуироваться с помощью троллея:
Когда скважина пробурена, ствол несколько раз промывается от разбуренной породы (шлама) и в нее спускают обсадную колонну, которая состоит из множества труб, скрученных между собой. Один из типовых внутренних диаметров обсадной колонны — 146 миллиметров. Длина скважины может достигать 2—3 километров и более. Таким образом, длина скважины превосходит её диаметр в десятки тысяч раз. Примерно такими же пропорциями обладает, например, отрезок обычной нити длиной 2—3 метра.
Трубы подаются по специальному желобу:
После спуска обсадной колонны скважину еще раз промывают и начинается цементирование затрубного пространства (пространства между стенкой скважины и обсадной колонной). Цемент подается на забой и продавливается в затрубное пространство.
После того, как цемент застывает, его проверяют зондом (прибором, спускаемым в скважину) АКЦ - акустический контроль цементажа, скважину опрессовывают (проверяют герметичность), если все ОК, то бурение продолжается – разбуривается цементный стакан на забое и долото идет дальше.
Буква «г» в номере скважины 39629Г означает, что ствол скважины – горизонтальный. От устья до определенного момента скважина бурится без отклонения, но потом с помощью шарнирного отклонителя и/или роторного отклонителя она выходит на горизонталь. Первый представляет собой трубу с шарниром, а второй – долото с направленным соплом, которое отклоняется напором бурового раствора. Обычно, на картинках, отклонение ствола изображается чуть ли не под углом 90 градусов, но в реальности этот угол составляет около 5-10 градусов на 100 метров.
За тем, чтобы ствол скважины шел туда, куда нужно, следят специальные люди – «кривильщики» или инженеры телеметрии. По показаниям естественной радиактивности горных пород, сопротивлению и другим параметрам, они контролируют и корректируют курс бурения.
Схематично все это выглядит вот так:
Любые манипуляции с чем-либо на дне (забое) скважины превращаются в очень увлекательное занятие. Если в скважину нечаянно уронить инструмент, насос или несколько труб, то вполне можно уроненное никогда не достать, после чего на скважине стоимостью в десятки или сотни миллионов рублей можно ставить крест. Покопавшись в делах и историях ремонта, можно найти настоящие скважины-жемчужины, на забое которых лежит насос, поверх которого лежит ловильный инструмент (для извлечения насоса), поверх которого лежит инструмент для извлечения ловил
ьного инструмента. При мне в скважину роняли, к примеру, кувалду:)
Чтобы нефть вообще могла поступать в скважину, нужно проделать отверстия в обсадной колонне и цементном кольце за ней, так как они, отделяют коллектор от скважины. Эти отверстия делают с помощью кумулятивных зарядов; они по сути такие же, как, например, противотанковые, только без обтекателя, потому что лететь им никуда не надо. Заряды пробивают не только обсадную колонну и цемент, но и сам пласт горной породы на несколько десятков сантиметров вглубь. Весь процесс называется перфорацией.
Для сокращения трения инструмента, выноса разрушенной породы, предотвращения осыпания стенок скважины и компенсации разницы пластового давления и давления на устье (внизу давление в разы больше) скважина заполнена буровым раствором. Его состав и плотность подбираются в зависимости от характера разреза.
Буровой раствор прокачивается компрессорной станцией и должен постоянно циркулировать в скважине во избежания осыпания стенок скважины, прихвата инструмента (ситуации, когда колонна заблокирована и ее невозможно ни вращать, ни вытащить – это одна из самых распространенных аварий при бурении) и прочего.
Спускаемся с вышки, идем смотреть насосы.
Первыми принимают раствор вибросита – они отделяют самые крупные фракции.
Затем раствор проходит ило- (слева) и пескоотделители (справа):
И, наконец, самая мелкая фракция удаляется с помощью центрифуги:
Затем раствор попадает в емкостные блоки, при необходимости восстанавливаются его свойства (плотность, состав и прочее) и оттуда с помощью насоса подается обратно в скважину.
Емкостной блок:
Буровой насос (произведен в РФ!). Красная штука сверху – гидрокомпенсатор, он сглаживает пульсацию раствора за счет противодавления. Обычно на буровых – два насоса: один рабочий, второй резервный на случай поломки.
Все этим насосным хозяйством заведует один человек. Из-за шума оборудования, всю смену он работает в берушах или защитных наушниках.
«А что у буровиков с бытом?» - спросите вы. Этот момент мы тоже не упустили из внимания!
На этой площадке буровики работают, короткими вахтами по 4 дня, т.к. бурение идет практически в черте города, но жилые модули практически ничем не отличаются от тех, что используют, к примеру, в Заполярье (разве что, в лучшую сторону).
Всего на площадке 15 вагончиков.
Часть из них – жилые, в них буровики живут по 4 человека. Вагончики разделены на тамбур с вешалкой, умывальником и шкафов и непосредственно жилую часть.
На буровой мы провели около 2,5 часов и я в очередной раз убедился, что таким сложным и опасным делом, как бурение и нефтедобыча в целом могут заниматься только хорошие люди. Еще давным-давно, на Севере, мне объясняли, что плохие люди тут не задерживаются.
Друзья, спасибо, что дочитали до конца. Надеюсь, теперь вы представляете себе процесс бурения скважин немного лучше. Если у вас остались вопросы - задавайте их в комментариях. Я сам или с помощью экспертов - обязательно отвечу!
Зачем русские учёные бурили скважину к центру Земли, и чем всё это закончилось
Бурение исторической сверхглубокой скважины стартовало 24 мая 1970 года на севере Кольского полуострова, приблизительно в 100 км от Мурманска недалеко от озера Вильгискоддеоайвинъярви. Этому событию предшествовали годы подготовки и обоснования правительству страны целого ряда исследований с интригующими задачами. На "Кольской сверхглубокой" не пытались искать золото, нефть или иные полезные ископаемые — решать планировалось исключительно научные задачи. Совершенно неординарный коллектив учёных и инженеров начал работу на проекте с кодовым названием СГ-3, который оставался закрытым на протяжении 14 лет.
Для справки
То, что земной шар устроен как многослойная сфера — горячее ядро, мантия, земная кора, — каждый из нас помнит из школьных уроков географии. Строение земной коры долгое время представлялось учёным похожим на слоеный пирог — над глубоко лежащими древними породами лежат более молодые. Теоретическая модель основана на геофизических исследованиях; было установлено, что сейсмограмма неглубоких землетрясений имеет два и более акустических сигналов: прямой и преломлённый. Сейсмические волны, проходя через неведомую границу, увеличивали свою скорость. Было сделано предположение, что под слоем осадочных пород, составляющим земную поверхность, лежит слой гранитов, а под гранитами — более древние базальтовые породы. Проходя через границу древних слоёв, сейсмические волны меняют скорость. Условная граница, на которой происходило скачкообразное увеличение скорости прохождения сейсмических волн примерно с 6 до 6,5 км/с, названа геологами "поверхность Конрада", а рубеж, где эта скорость возрастает с 6,7 до 8,2 км/с, называется "граница Мохоровичича" — в честь двух учёных, описавших эти явления. "Поверхность Конрада" считается границей между гранитами и базальтами, а "граница Мохоровичича" считается нижним уровнем земной коры, отделяющим её от мантии. Теоретические выкладки требовали проверки, а ответы на эти вопросы о строении и составе внешней оболочки Земли и верхней мантии могло дать только непосредственное исследование — проникновение в недра земной коры на рекордные глубины.
Заокеанский вызов
60-е и 70-е годы ХХ века были временем бурного развития мировой науки. Соревнование двух великих держав — СССР и США — происходило не только в космосе. Загадки строения земных недр привлекали учёных не меньше, чем космические исследования. О том, что они намерены пройти глубокими скважинами земную кору насквозь и достичь "границы Мохоровичича", американцы заявляли ещё в конце 50-х. В 1961 году у острова Гваделупа в Карибском море, американские геологи пробурили пять скважин, самая глубокая из которых вошла в дно на 183 метра. Результаты этого эксперимента ничего не объяснили, а новые проекты сверхглубокого бурения Конгресс США посчитал слишком дорогими.
Советский Союз не мог не отозваться на вызов заокеанских исследователей. В 1962 году Никита Хрущёв, которому ни за что не хотелось отстать от США, утвердил программу изучения недр путём сверхглубокого бурения, подготовленную ведущими геологическими институтами. Советские специалисты отказались от идеи шельфового бурения в пользу скважин на материке.
Доктор геолого-минералогических наук, профессор, член Русского географического общества Юрий Кузнецов долгое время работал на Кольской сверхглубокой скважине. Он вспоминает, что при организации всей работы ставилась особая задача — ни одного зарубежного прибора. Все - от буровой установки до электронных систем управления должно было быть разработано в СССР. Теоретическую базу проекта создавали лучшие геофизики и геохимики страны, подготовившие примерный разрез недр Кольского полуострова. Немалую роль в выборе места для проекта сыграли и геологические исследования экспедиций, проводившихся на Кольском полуострове учёными, работавшими по проектам, которые активно поддерживало Географическое общество СССР.
"В том, что этот проект состоялся — огромная заслуга целого ряда учёных, в первую очередь нашего выдающегося геолога академика Николая Лавёрова, — рассказывает доктор геолого-минералогических наук, профессор Юрий Кузнецов. — Место для скважины было выбрано неслучайно, именно там на поверхность выходят древнейшие породы Балтийского щита, возраст которых около 3 млрд лет. Кроме того, член-корреспондент АН СССР Николай Хитаров показал, что именно на Кольском можно ожидать того, что "граница Конрада" подходит очень близко к поверхности — около 7 километров".
Небывалая научная задача
В закрытом научном эксперименте участвовал целый ряд союзных и республиканских министерств, научно-исследовательских и проектных институтов, заводов. Инженерам пришлось решать действительно небывалые задачи — ведь по представлениям учёных на глубине 10 км можно было ожидать температуры около 300°С, высокого давления, внезапных газовых выбросов. Стальная буровая колонна не годилась - она разрушилась бы под собственным весом в 200 тонн, поэтому она была специально разработана и изготовлена из лёгкого сплава алюминия. Задача, которая в итоге ставилась перед проектом, — достичь глубины в 15 км.
"Не только научные результаты проекта, но и инженерные разработки "Кольской сверхглубокой" были уникальными, — вспоминает Юрий Кузнецов. — У же одно то, что для задач исследователей было необходимо вести бурение "открытым стволом" — без обсадных колонн, помогающих предотвратить осыпание породы в шахте. И это уже само по себе — настоящий рекорд. Отклонение от вертикали на такую колоссальную глубину в итоге составило у нас всего 6 градусов. Такого не удалось достичь пока никому из наших последователей".
Проходка до глубины 7263 м заняла 4 года. До этой глубины проходка шла через прочные однородные породы. И вот первое открытие - на глубине 7 км той самой "границы Конрада" между гранитами и базальтами найдено не было. Теоретическая модель строения земной коры не выдержала проверки столь масштабным экспериментом. Он принёс новые удивительные откровения — граниты на этой большой глубине оказались необычными — хрупкие, трещиноватые, насыщенные газом, и что самое удивительное — водой. Учёные столкнулись с тем, что вынутый из ствола кусок керна при подъёме на поверхность испытывал "кессонную болезнь" — разрушался под действием выходящего из породы газа.
"Мы вскрыли «границу Конрада», которую раньше моделировали гранитом и базальтом. Ни того, ни другого мы не обнаружили, а обнаружили изменение физических свойств горных пород, — рассказывает Юрий Кузнецов. — Мы назвали эту границу тектонофизической. Вода на этой глубине — это просто поразительное открытие. При такой температуре и давлении именно она меняет структуру и свойства горных пород".
После 7 км глубины бурение сильно осложнилось: бур заклинивало породой, буровая головка обрывалась при попытке подъёма, часть буровой колонны при этом навсегда оставалась под землёй. С отметок в 7 и 9 километров скважину несколько раз начинали проходить заново. Но 6 июня 1979 года скважина побила рекорд в 9583 метра, ранее принадлежавший нефтяной скважине Берта-Роджерс в Оклахоме.
Открытия и загадки
В то время на Кольской сверхглубокой скважине работало 16 исследовательских лабораторий, их курировал лично министр геологии СССР. Открытия учёных не ограничились опровержением базовой теории "слоеного пирога". На глубине 9,5 км было обнаружено промышленное содержание ряда металлов, в том числе золота. Ранее считалось, что эти месторождения не могут иметь глубину более 4-5 км.
Исследования на СГ-3 принесли удивительные открытия и в теории развития земной жизни. На глубине, где учёные даже не подозревали содержания органики, обнаружили 14 видов окаменевших микроорганизмов, а возраст глубинных слоёв превышал 2,8 миллиарда лет. Получается, что жизнь на планете Земля возникла на 1,5 миллиарда лет раньше, чем предполагалось. Другая загадка — метан, обнаруженный значительно глубже слоёв осадочных пород. Этот факт ставит под сомнение теорию биологического происхождения углеводородов.
Ещё одно удивительное откровение произошло, когда в Кольском научном центре исследовали образцы лунного грунта. Оказалось, что по химическому составу он практически идентичен породам, извлечённым из скважины с глубины около 3 км. Теория "земного" происхождения Луны обрела ещё одно подтверждение.
Секретность, окружавшая объект СГ-3, была снята в 1984 году. В этом "виноват" Всемирный геологический конгресс, состоявшийся в Москве. Скрывать объект более не имело смысла. Сведения об уникальной сверхглубокой скважине стали достоянием всего мирового научного сообщества. В Кольскую сверхглубокую никто не верил, но делегация участников Конгресса смогла убедиться в этом лично. Рассказывают, что участники конгресса в шутку предлагали немедленно зарыть шахту, поскольку она разрушает все представления о строении земной коры. Глубина скважины к тому моменту достигла 12 066 метров.
Кольская. Будущее
В 90-е годы Кольскую сверхглубокую ожидали те же испытания, что и всю российскую науку. С 1995 года бурение прекращено: стало некому финансировать проект. Отметка глубины на этот момент — 12 262 метра — больших глубин человечество так и не достигло до сих пор. В 1997 году объект внесли в Книгу рекордов Гиннесса.
На данный момент власти Мурманской области планируют сделать Кольскую сверхглубокую скважину туристическим объектом и передать в федеральную собственность. В свою очередь Мурманское отделение РГО предлагает создать там музей.
"Мы пытаемся сейчас создать там музейный объект, — рассказывает Ростислав Гайдовский, действительный член РГО, участник работ на Кольской сверхглубокой скважине. — Это интересно и нашим ближайшим соседям из Норвегии и Финляндии. Ведь это был уникальный эксперимент и уникальный проект. Сейчас он совершенно заброшен. Но забывать эту историю мы не должны, и мы будем стараться добиться того, чтобы сохранить память и о нём самом, и о тех замечательных неординарных людях, которые там работали".
Кольская сверхглубокая. Максимальная глубина, на которую проник человек.
Прогресс не стоит на месте, и человечество давно уже вырвалось за пределы матушки-земли, стремясь покорить другие планеты и звезды и раскрыть их тайны… Но и наша родная планета хранит еще немало тайн, скрытых в ее недрах.
Исследования земной структуры насчитывают уже не один век. Еще в 13-м веке китайцы смогли пробурить землю на глубину более километра. К 20-му веку количество пробуренных скважин стало исчисляться сотнями тысяч, их глубина в подавляющем большинстве случаев была не более 7 километров.
Сегодня строение планеты изучено достаточно хорошо, но сильный толчок вперед дало бы изучение грунта, поднятого с разной глубины. Это позволило бы подтвердить научные теории реальными фактами. Уже давно известно, что Земля состоит из ядра, мантии и земной коры. Но где конкретно заканчивается один слой и начинается другой, сказать никто не мог.
На какую же максимальную земную глубину удалось проникнуть человеку? На сегодняшний день самой глубокой скважиной в мире является Кольская сверхглубокая скважина, расположенная недалеко от города Заполярный в Мурманской области. Ее глубина составляет 12226 метров!
Кольская сверхглубокая скважина Кольская сверхглубокая скважинаОбычно скважины бурят с одной-единственной практической целью – добычи газа или нефти. Кольская сверхглубокая стала редким исключением, так как разработка изначально велась в научных целях. Дата начала работ была приурочена (как многое в СССР) к столетию со дня рождения Ленина. Руководителем научно-производственного центра стал академик Д.М.Губерман.
Бурение шло гладко только первые семь километров, пока грунт был относительно однородный. После этого бур вошел в слоистые породы, которые при бурении образовывали пустоты. Аварии стали частыми – заклинивало буровую колонну, при подъеме головки отрывались. Каждый раз приходилось продолжать бурение с отклонением в сторону. Это сильно тормозило темпы бурения, а скважина в разрезе стала напоминать раскидистое дерево.
Подземное неземное
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.
В тексте использованы фотографии Артема Ачкасова. Подробнее о недавнем путешествии на Кольскую сверхглубокую скважину можно прочитать в его блогеНа что похожа Кольская сверхглубокая?
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.
«Кольская сверхглубокая» Министерство геологии СССР, издательство «Недра», 1984
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.
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.
Читайте также: