Сверхглубокая кольская скважина. На пороге преисподней: Кольская сверхглубокая скважина

Кольская сверхглубокая скважина С конца XIX 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-нибудь 30 лет назад исследователи были уверены, что слой гранитов начинается на глубине 50 метров и продолжается до трех километров, а затем идут базальты. Мантия предполагалась на глубине 15-18 километров.

Сверхглубокая скважина, которую начали бурить в СССР на Кольском полуострове, показала, что ученые ошибались...

Погружение на три миллиарда лет

Проекты путешествия в глубь Земли появились в начале 1960-х годов сразу в нескольких странах. Первыми начали бурить сверхглубокие скважины американцы, причем они старались делать это в таких местах, где, по данным сейсмических исследований, земная кора должна была быть тоньше. Эти места, согласно расчетам, находились на дне океанов, а самым перспективным считался район вблизи острова Мауи из группы Гавайских, где.древние породы залегают под самым океанским дном и земная мантия находится примерно на глубине пяти километров под четырех километровой толщей воды. Увы, обе попытки пробиться сквозь земную кору в этом месте закончились неудачей на глубине трех километров.

Первые 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. Место бурения выбрали на Кольском полуострове, который расположен на так называемом Балтийском щите, состоящем из самых древних известных человечеству земных пород. Многокилометровый срез пластов щита должен был, по задумке ученых, показать картину истории планеты за последние три миллиарда лет.

Все глубже, и глубже, и глубже...

Начало работ после почти пятилетней подготовки было приурочено к 100-летию со дня рождения В.И. Ленина в 1970 году. К проекту приступили основательно. На скважине работало 16 научно-исследовательских лабораторий, каждая размером со средний завод; проект курировал лично министр геологии CCCР Рядовые сотрудники получали тройную зарплату. Всем была гарантирована квартира в Москве или Ленинграде. Неудивительно, что попасть на Кольскую сверхглубокую было куда сложнее, чем в отряд космонавтов.

Внешний вид скважины способен был разочаровать постороннего наблюдателя. Никаких лифтов и винтовых лестниц, уводящих в глубь Земли. Под землю уходил только бур диаметром чуть больше 20 сантиметров. Вообще, Кольскую сверхглубокую можно представить как тонкую иглу, пронзающую земную толщу. Находящийся на конце этой иглы бур с многочисленными датчиками после нескольких часов работы поднимали почти целые сутки для осмотра, снятия показаний и ремонта, и сутки же потом опускали. Быстрее нельзя: прочнейший композитный трос (буровая колонна) мог оборваться под собственным весом.

Что происходило на глубине в момент бурения, доподлинно было неизвестно. Температура окружающей среды, шумы и прочие параметры передавались наверх с минутным запозданием. Тем не менее бурильщики рассказывали, что даже такой контакт с подземельем иногда пугал не на шутку. Звуки, доносившиеся снизу, были похожи на вопли и завывания. К этому можно добавить длинный список аварий, преследовавших Кольскую сверхглубокую, когда она достигла глубины 10 километров. Дважды бур доставали оплавленным, хотя температуры, от которых он мог принять такой вид, сравнимы с температурой поверхности Солнца. Однажды трос как будто дернули снизу - и оборвали. Впоследствии, когда бурили в том же месте, остатков троса не обнаружилось. Чем были вызваны эти и многие другие аварии, до сих пор остается загадкой. Впрочем, вовсе не они стали причиной остановки бурения недр Балтийского щита.

В 1983 году, когда глубина скважины достигла 12 066 метров, работы временно прекратили: решено было подготовить материалы по сверхглубокому бурению к Международному геологическому конгрессу, который планировалось провести в 1984 году в Москве. На нем зарубежные ученые впервые узнали о самом существовании Кольской сверхглубокой, все сведения о которой были до той поры засекречены. Возобновились работы 27 сентября 1984 года. Однако при первом же спуске бура произошла авария - снова оборвалась буровая колонна. Продолжать бурение пришлось с глубины 7000 метров, создавая новый ствол, и к 1990 году это новое ответвление достигло отметки в 12 262 метра, что явилось абсолютным рекордом для сверхглубоких скважин, побитом лишь в 2008 году. Бурение было остановлено в 1992-м, на этот раз, как оказалось, навсегда. На дальнейшие работы не было средств.

Открытия и находки

Открытия, сделанные на Кольской сверхглубокой, совершили настоящий переворот в наших знаниях о строении земной коры. Теоретики обещали, что температура Балтийского щита останется сравнительно низкой до глубины по крайней мере 15 километров. А значит, скважину можно бурить чуть ли не до 20 километров, как раз до мантии. Но уже на пятом километре температура перевалила за 700°С, на седьмом - за 1200°С, а на глубине двенадцати жарило сильнее 2200°С.

Кольские бурильщики поставили под сомнение теорию послойного строения земной коры - по крайней мере, в интервале до 12 262 метров. Считалось, что есть поверхностный слой (молодые породы), затем должны идти граниты, базальты, мантия и ядро. Но граниты оказались на три километра ниже, чем рассчитывали. Базальтов, которые должны были залегать под ними, не нашли вообще. Невероятным сюрпризом для ученых стало обилие трещин и пустот на глубине свыше 10 километров. В этих пустотах бур раскачивался как маятник, что приводило к серьезным затруднениям в работе из-за его отклонения от вертикальной оси. В пустотах было зафиксировано наличие паров воды, которые перемещались там с высокой скоростью, словно переносимые какими-то неведомыми насосами. Эти пары и создавали те самые звуки, которые приводили в трепет бурильщиков.

Совершенно неожиданно для всех подтвердилась гипотеза писателя Алексея Толстого об оливиновом поясе, высказанная в романе «Гиперболоид инженера Гарина». На глубине свыше 9,5 километра обнаружили настоящий кладезь всевозможных ископаемых, в частности золота, которого оказалось 78 граммов на тонну. Кстати, промышленная добыча осуществляется при концентрации 34 грамма на тонну.

Еще один сюрприз: жизнь на Земле возникла, оказывается, на полтора миллиарда лет раньше, чем предполагалось. На глубинах, где, как считалось, никакой органики быть не может, обнаружили 14 видов окаменевших микроорганизмов (возраст этих слоев превышал 2,8 миллиарда лет). На еще больших глубинах, где уже нет осадочных пород, появился метан в высоких концентрациях, что окончательно опровергло теорию биологического происхождения углеводородов, таких как нефть и газ.

Нельзя не упомянуть об открытии, сделанном при сравнении лунного грунта, доставленного советской космической станцией в конце 70-х годов с поверхности Луны, и проб, взятых на Кольской скважине с глубины 3 километра. Оказалось, эти пробы похожи как две капли воды. Некоторые астрономы увидели в этом доказательство того, что когда-то Луна откололась от Земли в результате катаклизма (возможно, столкновения планеты с крупным астероидом). Однако по мнению других, это сходство свидетельствует лишь о том, что Луна образовалась из того же газопылевого облака, что и Земля, и на первоначальных геологических этапах они «развивались» одинаково.

Кольская сверхглубокая опередила свое время

Кольская скважина показала, что в глубь Земли можно пройти и на 14, и даже на 15 километров. Однако одна такая скважина вряд ли способна дать принципиально новые знания о земной коре. Для этого требуется целая сеть скважин, пробуренных в разных точках земной поверхности. Но времена, когда сверхглубокие скважины бурились с чисто научными целями, кажется, прошли. Слишком дорогое это удовольствие. Современные программы сверхглубокого бурения уже не столь амбициозны, как раньше, и преследуют практические цели.

Главным образом это открытие и добыча полезных ископаемых. В США уже сейчас добыча нефти и газа с глубин 6-7 километров становится обычным делом. В будущем с таких уровней начнет качать углеводородное сырье и Россия. Однако и те глубинные скважины, что бурятся сейчас, приносят немало ценной информации, которую геологи стремятся обобщить для получения целостной картины хотя бы поверхностных слоев земной коры. Но то, что лежит ниже, еще долго будет представлять собой загадку. Раскрыть ее с помощью самой современной научной аппаратуры могут только ученые, работающие на сверхглубоких скважинах, подобных Кольской. Такие скважины в будущем станут для человечества своеобразными телескопами в таинственный подземный мир планеты, о котором нам известно не больше, чем об отдаленных галактиках.

Кандидат технических наук А. ОСАДЧИЙ

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.

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.

На этом крюке опускали и поднимали колонну труб. Слева - в корзине - стоят подготовленные к спуску 33-метровые трубы - "свечи".

Кольская сверхглубокая скважина.

Отдельные образцы керна.

Уникальное кернохранилище, где на полках в ящиках в строгом порядке, пронумерованные, разложены керны всей двенадцатикилометровой скважины.

Такие значки с гордостью носили все, кто работал на СГ.

Сегодня на Кольской сверхглубокой не ведут бурение, оно прекращено в 1992 году. СГ была не первой и не единственной в программе изучения глубинного строения Земли. Из зарубежных скважин три дошли до глубины от 9,1 до 9,6 км. Планировалось, что одна из них (в Германии) превзойдет Кольскую. Однако бурение на всех трех, так же как и на СГ, было прекращено из-за аварий и по техническим причинам пока не может быть продолжено.

Видно, не зря задачи бурения сверхглубоких скважин по сложности сравнивают с полетом в космос, с длительной космической экспедицией к другой планете. Образцы пород, извлеченные из земных недр, представляют не меньший интерес, чем образцы лунного грунта. Доставленный советским луноходом грунт исследовали в разных институтах, в том числе в Кольском научном центре. Оказалось, что лунный грунт по составу почти полностью соответствует породам, извлеченным из Кольской скважины с глубины около 3 км.

ВЫБОР МЕСТА И ПРОГНОЗ

Для бурения СГ была создана специальная геологоразведочная экспедиция (Кольская ГРЭ). Место бурения тоже конечно же выбрано не случайно - Балтийский щит в районе Кольского полуострова. Здесь на поверхность выходят древнейшие изверженные породы возрастом около 3 млрд. лет (а Земле всего-то 4,5 млрд. лет). Бурить именно в древнейших изверженных породах было интересно, потому что толщи осадочных пород до глубины 8 км уже неплохо изучены при добыче нефти. А в изверженные породы при добыче полезных ископаемых забираются обычно лишь на 1-2 км. Выбору места для СГ способствовало и то, что здесь находится печенегский прогиб - огромная чашеподобная структура, как бы вдавленная в древние породы. Ее происхождение связано с глубинным разломом. И именно здесь находятся крупные медно-никелевые месторождения. А в задачи, поставленные перед Кольской геологической экспедицией, входило выявить ряд особенностей геологических процессов и явлений, в том числе - рудообразования, определить природу границ, разделяющих слои в континентальной коре, собрать данные о вещественном составе и физическом состоянии горных пород.

До начала бурения был построен на основе сейсмологических данных разрез земной коры. Он послужил прогнозом появления тех земных слоев, которые пересекала скважина. Предполагалось, что до глубины 5 км идет гранитная толща, после нее ожидали более прочные и более древние базальтовые породы.

Итак, местом бурения выбрали северо-запад Кольского полуострова, в 10 км от города Заполярный, неподалеку от нашей границы с Норвегией. Заполярный - небольшой городок, выросший в пятидесятых годах рядом с никелевым комбинатом. Среди холмистой тундры на бугре, продуваемом всеми ветрами и метелями, стоит "квадратик", каждая сторона которого образована из семи пятиэтажных домов. Внутри - две улицы, на их пересечении площадь, где стоят Дом культуры и гостиница. В километре от городка, за оврагом, видны корпуса и высокие трубы никелевого комбината, за ним, по склону горы, темнеют отвалы пустой породы из ближайшего карьера. Рядом с городком проходит шоссе на город Никель и к небольшому озерцу, на другом берегу которого - уже Норвегия.

Земля тех мест в изобилии хранит следы прошедшей войны. Когда едешь на автобусе от Мурманска в Заполярный, примерно на половине пути пересекаешь небольшую речушку Западная Лица, на ее берегу памятный обелиск. Это единственное во всей России место, где фронт во время войны с 1941 по 1944 год простоял неподвижно, упираясь в Баренцево море. Хотя здесь все время шли жестокие бои и потери с обеих сторон были огромные. Немцы безуспешно стремились пробиться к Мурманску - единственному на нашем Севере незамерзающему порту. Зимой 1944 года советским войскам удалось прорвать фронт.

От Заполярного до Сверхглубокой - 10 км. Дорога идет мимо комбината, потом по краю карьера и дальше лезет в гору. С перевала открывается небольшая котловина, в которой и установлена буровая. Ее высота - с двадцатиэтажный дом. К каждой смене из Заполярного сюда шли "вахтовики". Всего в экспедиции работало около 3000 человек, жили они в городе в двух домах. С буровой круглосуточно слышалось ворчание каких-то механизмов. Тишина означала, что в бурении почему-то наступил перерыв. Зимой в долгую полярную ночь - а она там продолжается с 23 ноября по 23 января - вся буровая светилась огнями. Нередко к ним добавлялся свет полярного сияния.

Немного о персонале. В Кольской геологоразведочной экспедиции, созданной для бурения, собрался хороший, высококвалифицированный коллектив работников. Начальником ГРЭ, талантливым руководителем, подобравшим команду, почти бессменно был Д. Губерман. Главный инженер И. Васильченко отвечал за бурение. Командовал буровой А. Батищев, которого все звали просто Лехой. Геологией ведал В. Ланей, а геофизикой - Ю. Кузнецов. Огромную работу по обработке керна и созданию кернохранилища провел геолог Ю. Смирнов - тот самый, у кого был "заветный шкафчик", про который мы еще расскажем. В проведении исследований на СГ принимали участие более 10 научно-исследовательских институтов. Были в коллективе и свои "кулибины" и "левши" (особенно отличался С. Цериковский), которые придумывали и изготовляли различные устройства, порой позволяющие выходить из труднейших, казалось бы, безвыходных положений. Многие необходимые механизмы они сами создавали здесь же в хорошо оснащенных мастерских.

ИСТОРИЯ БУРЕНИЯ

Бурение скважины началось в 1970 году. Проходка до глубины 7263 м заняла 4 года. Ее вели серийной установкой, которую обычно используют при добыче нефти и газа. Всю вышку из-за постоянных ветров и холода пришлось обшить доверху деревянными щитами. Иначе тому, кто во время подъема колонны труб должен стоять наверху, работать просто невозможно.

Потом был годовой перерыв, связанный со строительством новой вышки и монтажом специально разработанной буровой установки - "Уралмаш-15000". Именно с ее помощью велось все дальнейшее сверхглубокое бурение. В новой установке - более мощное автоматизированное оборудование. Использовалось турбинное бурение - это когда вращается не вся колонна, а только буровая головка. Через колонну под давлением подавался буровой раствор, вращающий стоящую внизу многоступенчатую турбину. Общая ее длина - 46 м. Завершается турбина буровой головкой диаметром 214 мм (ее часто называют коронкой), имеющей кольцевую форму, поэтому в середине остается неразбуренный столбик породы - керн диаметром 60 мм. Через все секции турбины проходит труба - керноприемник, где собираются столбики добытой породы. Измельченная порода вместе с буровым раствором выносится по скважине на поверхность.

Масса колонны, погруженной в скважину с буровым раствором, около 200 тонн. Это при том, что использовались специально разработанные трубы из легких сплавов. Если колонну сделать из обычных стальных труб, она разорвется от собственного веса.

Сложностей, порой совершенно неожиданных, в процессе бурения на больших глубинах и с отбором керна возникает немало.

Проходка за один рейс, определяемая износом буровой головки, составляет обычно 7-10 м. (Рейс, или цикл, - это спуск колонны с турбиной и буровым инструментом, собственно бурение и полный подъем колонны.) Само бурение занимает 4 часа. А на спуск и подъем 12-километровой колонны уходит 18 часов. При подъеме колонна автоматически разбирается на секции (свечи) длиной по 33 м. В среднем за месяц удавалось пробурить 60 м. На проходку последних 5 км скважины было использовано 50 км труб. Такова степень их износа.

До глубины примерно 7 км скважина пересекала прочные, сравнительно однородные породы, и поэтому ствол скважины был ровный, почти соответствующий диаметру буровой головки. Работа продвигалась, можно сказать, спокойно. Однако на глубине 7 км пошли менее прочные трещиноватые, переслаивающиеся с небольшими очень твердыми прослойками породы - гнейсы, амфиболиты. Бурение осложнилось. Ствол принял овальную форму, появилось множество каверн. Участились аварии.

На рисунке, показаны первоначальный прогноз геологического разреза и тот, который составлен на основе данных бурения. Интересно отметить (колонка Б), что угол наклона пластов по скважине составляет около 50 градусов. Таким образом, понятно, что, породы, пересекаемые скважиной, выходят на поверхность. Тут-то и можно вспомнить об уже упомянутом "заветном шкафчике" геолога Ю. Смирнова. Там у него с одной стороны лежали образцы, полученные из скважины, а с другой - взятые на поверхности на том расстоянии от буровой, где выходит наверх соответствующий пласт. Совпадение пород почти полное.

1983 год ознаменовался непревзойденным до сих пор рекордом: глубина бурения превысила 12 км. Работы приостановили.

Приближался Международный геологический конгресс, который, по плану, проходил в Москве. К нему готовилась выставка Геоэкспо. Было решено не только прочитать доклады о результатах, достигнутых на СГ, но и показать участникам конгресса работу в натуре и добытые образцы породы. К конгрессу издали монографию "Кольская сверхглубокая".

На выставке Геоэкспо красовался большой стенд, посвященный работе СГ и самому главному - достижению рекордной глубины. Здесь были впечатляющие графики, рассказывающие о технике и технологии бурения, добытые образцы породы, фотографии техники и коллектива за работой. Но наибольшее внимание участников и гостей конгресса привлекла одна нетрадиционная для выставочного показа деталь: самая обычная и уже немного поржавевшая буровая головка со стертыми твердосплавными зубьями. На этикетке говорилось, что именно она была использована при бурении на глубине более 12 км. Эта буровая головка поражала даже специалистов. Вероятно, все невольно ожидали увидеть какое-то чудо техники, может, с алмазным оснащением... И они еще не знали, что на СГ рядом с буровой собрана большая куча точно таких же уже поржавевших буровых головок: ведь их приходилось менять на новые примерно через каждые пробуренные 7-8 м.

Многие делегаты конгресса захотели своими глазами увидеть уникальную буровую на Кольском полуострове и убедиться, что действительно в Союзе достигнута рекордная глубина бурения. Такой выезд состоялся. Там на месте провели заседание секции конгресса. Делегатам показали буровую, при них поднимали колонну из скважины, отсоединяя от нее 33-метровые секции. Фотографии и статьи о СГ обошли газеты и журналы почти всех стран мира. Была выпущена почтовая марка, организовано спецгашение конвертов. Не стану перечислять имена лауреатов разных премий и награжденных за работы...

Но праздники кончились, надо было продолжать бурение. И оно началось с крупнейшей аварии на первом же рейсе 27 сентября 1984 года - "черная дата" в истории СГ. Скважина не прощает, когда ее надолго оставляют без внимания. За время, пока не велось бурение, в ее стенках, тех, которые не были закреплены зацементированной стальной трубой, неизбежно происходили изменения.

Сначала все шло буднично. Буровики выполняли свои обычные операции: одну за другой опускали секции буровой колонны, к последней, верхней, присоединили трубу подачи бурового раствора, включили насосы. Начали бурение. Приборы на пульте перед оператором показывали обычный режим работы (количество оборотов буровой головки, ее давление на породу, расход жидкости на вращение турбины и т. д.).

Пробурив очередной 9-метровый отрезок на глубине более 12 км, что заняло 4 часа, достигли глубины 12,066 км. Приготовились к подъему колонны. Попробовали. Не идет. На таких глубинах уже не раз наблюдались "прихваты". Это когда какая-то секция колонны словно прилипает к стенкам (может, сверху что-то осыпалось, и ее немного заклинило). Чтобы стронуть колонну с места, требуется усилие, превышающее ее вес (около 200 тонн). Так поступили и на этот раз, но колонна не сдвинулась. Немного прибавили усилие, и стрелка прибора резко сбавила показания. Колонна сильно полегчала, такой потери веса при нормальном ходе операции быть не могло. Начали подъем: поочередно отвинчивали одну за другой секции. При последнем подъеме на крюке висел укороченный кусок трубы с неровным нижним краем. Это означало, что в скважине остались не только турбобур, но и 5 км буровых труб...

Семь месяцев пытались их достать. Ведь потеряли не просто 5 км труб, а результаты пятилетней работы.

Потом все попытки вернуть утерянное прекратили и начали вновь бурить с глубины 7 км. Надо сказать, что именно после седьмого километра геологические условия здесь для работы особенно сложны. Технология бурения каждого шага отрабатывается методом проб и ошибок. А начиная с глубины примерно в 10 км - еще сложнее. Бурение, эксплуатация оборудования и аппаратуры идут на предельном режиме.

Поэтому аварий тут приходится ждать в любую минуту. К ним готовятся. Заранее продумывают методы и средства их ликвидации. Типичная сложная авария - обрыв буровой компоновки вместе с частью колонны буровых труб. Основной метод ее ликвидации - создать уступ чуть выше потерянной части и с этого места вести бурение нового обходного ствола. Всего в скважине было пробурено 12 таких обходных стволов. Четыре из них - протяженностью от 2200 до 5000 м. Основная цена подобных аварий - годы потерянного труда.

Только в бытовом представлении скважина - вертикальная "дырка" от поверхности земли до забоя. В реальности это далеко не так. Особенно, если скважина сверхглубокая и пересекает наклонные пласты различной плотности. Тогда она словно извивается, потому что бур постоянно отклоняется в сторону менее прочных пород. После каждого замера, показывающего, что наклон скважины превышает допустимый, ее надо пытаться "вернуть на место". Для этого вместе с буровым инструментом опускают специальные "отклонители", которые помогают при бурении уменьшить угол наклона скважины. Нередко случаются аварии с потерей бурового инструмента и части труб. После этого новый ствол приходится делать, как мы уже говорили, отступив в сторону. Вот и представьте, как выглядит в земле скважина: что-то вроде разветвленных на глубине корней гигантского растения.

В этом причина особой длительности последней фазы бурения.

После крупнейшей аварии - "черной даты" 1984 года - снова подошли к глубине 12 км только через 6 лет. В 1990 году был достигнут максимум - 12 262 км. После еще нескольких аварий убедились, что глубже не пробиться. Все возможности современной техники исчерпаны. Казалось, будто Земля больше не хочет открывать свои тайны. Бурение прекратили в 1992 году.

ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ РАБОТА. ЦЕЛИ И МЕТОДЫ

Одной из очень важных целей бурения было получить керн-колонку образцов породы во всю длину скважины. И эта задача выполнена. Самый длинный в мире керн разметили, как линейку, на метры и уложили в соответствующем порядке в ящиках. Сверху указаны номер ящика и номера образцов. Всего таких ящиков на складе почти 900.

Теперь осталось только изучать керн, который действительно незаменим при определении строения породы, ее состава, свойств, возраста.

Но образец породы, поднятый на поверхность, имеет иные свойства, чем в массиве. Здесь, наверху, он освобожден от огромных механических напряжений, существующих на глубине. Во время бурения он растрескался, напитался буровым раствором. Даже если воссоздать в специальной камере глубинные условия, то все равно параметры, измеренные на образце, отличаются от тех, что в массиве. И еще одна маленькая "заковыка": на каждые 100 м пробуренной скважины не получают 100 м керна. На СГ с глубин более 5 км средний выход керна составил только около 30%, а с глубин более 9 км это были порой лишь отдельные бляшки толщиной 2-3 см, соответствующие наиболее прочным прослойкам.

Итак, керн, поднятый на СГ из скважины, не дает полной информации о глубинных породах.

Скважины бурили с научными целями, поэтому использовался весь комплекс современных методов исследования. Кроме извлечения керна обязательно проводились исследования свойств пород в их естественном залегании. Постоянно контролировали техническое состояние скважины. Измеряли температуру по всему стволу, естественную радиоактивность - гамма-излучение, наведенную радиоактивность после импульсного нейтронного облучения, электрические и магнитные свойства пород, скорость распространения упругих волн, исследовали состав газов в жидкости скважины.

До глубины 7 км использовали серийные приборы. Работа на больших глубинах и при более высоких температурах потребовала создания специальных термобаростойких приборов. Особые трудности возникли на последнем этапе бурения; когда температура в скважине подошла к 200 о С, а давление превысило 1000 атмосфер, серийные приборы работать уже не могли. На помощь пришли геофизические ОКБ и профильные лаборатории нескольких НИИ, изготовившие единичные экземпляры термобаростойких приборов. Таким образом, все время работали только на отечественной аппаратуре.

Словом, скважина была достаточно детально исследована на всю ее глубину. Исследования проводили поэтапно, примерно раз в год, после углубления скважины на 1 км. Каждый раз после этого давали оценку достоверности полученных материалов. Соответствующие вычисления позволяли определить параметры той или иной породы. Обнаружили определенное чередование пластов и уже знали, к каким породам приурочены каверны и связанные с ними частичные потери информации. Научились буквально по "крошкам" идентифицировать породы и на этой основе воссоздавать полную картину того, что "утаила" скважина. Короче говоря, удалось построить детальную литологическую колонку - показать чередование пород и их свойства.

ИЗ СОБСТВЕННОГО ОПЫТА

Примерно раз в год, когда завершался очередной этап бурения - углубление скважины на 1 км, я тоже выезжал на СГ, чтобы провести измерения, которые мне были поручены. Скважину в это время обычно промывали и на месяц предоставляли для исследований. Время плановой остановки всегда было известно заранее. Телеграмма-вызов на проведение работ также приходила заблаговременно. Аппаратура проверена и упакована. Формальности, связанные с закрытыми работами в погранзоне, выполнены. Наконец все улажено. Едем.

Наша группа - маленький дружный коллектив: разработчик скважинного снаряда, разработчик новой наземной аппаратуры и я - методист. Приезжаем дней за 10 до измерений. Знакомимся с данными о техническом состоянии скважины. Составляем и утверждаем подробную программу измерений. Собираем и калибруем аппаратуру. Ждем звонка - вызова со скважины. Наша очередь "нырять" третья, но, если будет отказ у предшественников, скважину предоставят нам. На этот раз у них все в порядке, говорят, что завтра к утру кончат. С нами в одной бригаде геофизики -операторы, которые регистрируют сигналы, получаемые от аппаратуры в скважине, и командуют всеми операциями по спуску и подъему скважинного прибора, а также механики на подъемнике, они управляют сматыванием с барабана и наматыванием на него тех самых 12 км кабеля, на котором в скважину опускают прибор. Дежурят и буровики.

Работы начались. Прибор опущен в скважину на несколько метров. Последняя проверка. Поехали. Спуск идет медленно - около 1 км/ч, с непрерывным контролем сигнала, поступающего снизу. Пока все в порядке. Но вот на восьмом километре сигнал задергался и пропал. Значит, что-то не так. Полный подъем. (На всякий случай у нас подготовлен второй комплект аппаратуры.) Начинаем проверку всех деталей. На сей раз неисправным оказался кабель. Его заменяют. На это уходит больше суток. Новый спуск занял 10 часов. Наконец наблюдающий за сигналом сообщил: "Прибыли на одиннадцатый километр". Команда операторам: "Начать запись". Что и как - заранее расписано по программе. Теперь нужно несколько раз опустить и поднять скважинный прибор в заданном интервале, чтобы провести замеры. На этот раз аппаратура отработала нормально. Теперь полный подъем. Подняли на 3 км, и вдруг звонок лебедчика (он у нас человек с юмором): "Веревка кончилась". Как?! Что?! Увы, обрыв кабеля... Скважинный прибор и 8 км кабеля остались лежать на забое... К счастью, через сутки буровики сумели все это поднять, используя методику и приспособления, разработанные местными умельцами для ликвидации подобных ЧП.

ИТОГИ

Задачи, поставленные в проекте сверхглубокого бурения, выполнены. Разработаны и созданы особая аппаратура и технология сверхглубокого бурения, а также для исследования пробуренных на большую глубину скважин. Получили информацию, можно сказать, "из первых рук" о физическом состоянии, свойствах и составе горных пород в их естественном залегании и по керну до глубины 12 262 м.

Отличный подарок родине скважина выдала на малой глубине - в интервале 1,6-1,8 км. Там были вскрыты промышленные медно-никелевые руды - обнаружен новый рудный горизонт. И очень кстати, потому что местному никелевому комбинату уже не хватает руды.

Как было отмечено выше, геологический прогноз разреза скважины не оправдался (см. рисунок на стр. 39.). Картина, которая ожидалась на протяжении первых 5 км, в скважине растянулась на 7 км, а дальше появились совсем неожиданные породы. Прогнозируемых на глубине 7 км базальтов не нашли, даже когда опустились до 12 км.

Ожидали, что граница, дающая наибольшее отражение при сейсмическом зондировании, - это тот уровень, где граниты переходят в более прочный базальтовый слой. В действительности же оказалось, что там расположены менее прочные и менее плотные трещиноватые породы - архейские гнейсы. Такого никак не предполагали. И это принципиально новая геолого-геофизическая информация, которая позволяет по-другому интерпретировать данные глубинных геофизических исследований.

Неожиданными, принципиально новыми оказались и данные о процессе рудообразования в глубинных слоях земной коры. Так, на глубинах 9-12 км встретились высокопористые трещиноватые породы, насыщенные подземными сильно минерализованными водами. Эти воды - один из источников рудообразования. Раньше считали, что такое возможно лишь на значительно меньших глубинах. Именно в этом интервале в керне обнаружили повышенное содержание золота - до 1 г на 1 т породы (концентрация, которая считается пригодной для промышленной разработки). Но будет ли когда-нибудь рентабельной добыча золота с такой глубины?

Изменились и представления о тепловом режиме земных недр, о глубинном распределении температур в районах базальтовых щитов. На глубине более 6 км получен температурный градиент 20 о С на 1 км вместо ожидавшегося (как и в верхней части) 16 о С на 1 км. Выявлено, что половина теплового потока имеет радиогенное происхождение.

Пробурив уникальную Кольскую сверхглубокую скважину, мы очень многое узнали и одновременно поняли, как мало мы еще знаем о строении своей планеты.

Кандидат технических наук А. ОСАДЧИЙ.

ЛИТЕРАТУРА

Кольская сверхглубокая. М.: Недра, 1984.

Кольская сверхглубокая. Научные результаты и опыты исследования. М., 1998.

Козловский Е. А. Всемирный форум геологов. "Наука и жизнь" № 10, 1984.

Козловский Е. А. Кольская сверхглубокая. "Наука и жизнь" № 11, 1985.

Хочу вам рассказать про знаменитую сверхглубокую скважину Кольская. Вряд ли многие знали (как и я, пока отец не рассказал) что скважина "Кольская СГ-3" является самой глубокой пробуренной скважиной в мире (до 2008 г). Еще учась в институте преподы носили из угла в угол легенды о скважине "Кольской", хотя многие наши учителя вообще не имели отношения к бурению и.т.п.

Общий обзор:

Кольская сверхглубокая скважина (СГ-3 ) — самая глубокая буровая скважина в мире. Находится в Мурманской области, в 10 километрах к западу от города Заполярного, на территории геологического Балтийского щита. Её глубина составляет 12 262 метра. В отличие от других сверхглубоких скважин, которые делались для добычи нефти или геологоразведки, СГ-3 была пробурена исключительно для исследования литосферы в том месте, где граница Мохоровичича подходит близко к поверхности Земли.

Была также самой глубокой скважиной до 2008 года, когда её обошла пробуренная под острым углом к поверхности земли нефтяная скважина Maersk Oil BD-04A, длина которой 12 290 метров (находится в нефтяном бассейне Аль-Шахин, Катар), после этого в январе 2011 эту скважину обошла также нефтяная скважина месторождения Одопту-море проекта Сахалин-1, также пробуренная под острым углом к поверхности земли, длиной 12 345 метров.

Скважина с точки зрения науки:

Когда в конце прошлого века было начато бурение знаменитой Кольской сверхглубокой скважины, СМИ писали о том, что в самой толще земли микрофоны ученых записали крики и стоны… Неужели там находится Преисподня? Так это или нет, но то, что увидели исследователи, коренным образом изменило традиционные представления о строении верхнего слоя Земли.

С давних пор люди пытались понять, как устроены недра нашей планеты. Однако долгое время пробурить земную твердь больше, чем на несколько сотен метров не удавалось — не было необходимого оборудования. Поэтому все представления о внутреннем строении Земли базируются в основном на теоретических расчетах, которые до сих пор не подтверждены экспериментальными данными.

По общепринятой точке зрения, Земля состоит из трех крупных слоев: ядра, мантии и земной коры. В центре находится ядро, разделенное на внутреннюю твердую область (радиусом около 1300 км) и жидкое внешнее ядро радиусом около 2200 км, между которыми иногда выделяется переходная зона. Считается, что данная область планеты составлена из железоникелевого сплава.

Далее находится мантия — слой, состоящими из силикатов магния, железа, кальция и других металлов. Она простирается от глубин 5-70 километров ниже границы с земной корой, до границы с ядром на глубине 2900 км. Считается, что в мантии достаточно жарко и в некоторых ее слоях вещество пребывает в расплавленном состоянии.

Верхние слои мантии контактируют с земной корой — тем самым слоем, на котором мы, собственно говоря, и живем. Толщина этой внешней оболочки изменяется от нескольких километров (в океанических областях) до нескольких десятков километров (в горных районах материков). Сфера земной коры очень небольшая, на ее долю приходится всего около 0,5% общей массы планеты. Основной состав коры — это оксиды кремния, алюминия, железа и щелочных металлов.

Считается, что в составе континентальной коры, содержащей под осадочным слоем верхний (гранитный) и нижний (базальтовый), встречаются наиболее древние породы Земли, возраст которых оценивается более чем в 3 млрд лет. Океаническая же кора более молодая и тонкая — под накоплениями осадков (их возраст не превышает 100-150 миллионов лет) содержится только один слой, близкий по составу к базальтовым.

Получается, что за все время своего существования люди толком не смогли исследовать даже земную кору, а уж о том, что бы "пощупать" мантию или ядро, так об этом на протяжении долгих лет никто из ученых даже мечтать не смел. Однако в середине ХХ века необходимое для подобных исследований оборудование наконец-то было разработано, и мечта начала превращаться в реальность.

Проекты путешествия вглубь Земли появились в начале 60-х годов прошлого века сразу в нескольких странах. Бурить скважины старались в тех местах, где земная кора должна была быть потоньше, поскольку целью подобного бурения было достижение мантии, которую-то, собственно, и собирались детально исследовать.

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 пяти километров (под четырехкилометровой толщей воды). Тем не менее ни одна океанская буровая глубже 3 километров не смогла пробиться.

Вообще, почти все проекты сверхглубоких скважин мистическим образом заканчивались на трехкилометровой глубине. Именно в этот момент с бурами начинало происходить что-то странное: то они попадали в неожиданные области с высокой температурой, то их как будто откусывал какой-то таинственный подземный демон. Так что в большинстве случаев не удавалось даже изучить состав глубинных слоев земной коры, не говоря уж о мантии, изучение которой, собственно говоря, и представляло настоящую цель подобных исследований.

Начало бурения:

Кольская буровая. Жилой городок и вспомогательные цеха

И вот, в 1970 году на Кольском полуострове было начато бурение знаменитой Кольской скважины. Точку бурения выбрали в данном месте полуострова не случайно — полуостров расположен на так называемом Балтийском щите, который сложен из самых древних известных человечеству пород. Работы на этом объекте велись с 1970 по 1992 гг., за это время удалось "проколоть" земную кору на 12 262 метра.

Интересно, что когда в 1984 году в Москве проходил Международный геологический конгресс, на котором были представлены первые результаты исследований скважины, то многие ученые в шутку предлагали немедленно зарыть ее, поскольку она разрушает все представления о строении земной коры. Действительно, странности начались еще на первых этапах проникновения. Так, например, теоретики еще до начала бурения 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.

Однако уже на пятикилометровой глубине окружающая температура перевалила за 700C, на семи — за 1200C, а на глубине 12-ти километров датчики зафиксировали аж 2200C — на 1000C выше предсказанного. Объяснение этому феномену ученые до сих пор так и не нашли.

Скважина также не подтвердила представления об устройстве земной коры на подобии слоеного пирога — сначала осадочные породы, потом граниты, а внизу базальты. Однако, по данным буровиков, граниты оказались на 3 километра ниже, чем рассчитывали ученые. А базальтовый слой вообще отсутствовал — последние 6 километров пробивались исключительно через гранит. Ученые считают, что кольские буровики, сами того не осознавая, сделали сверхважное для всего человечества открытие.

Кольская сверхглубокая скважина преподнесла исследователям еще один сюрприз: жизнь на планете Земля возникла, оказывается, на 1,5 миллиарда лет раньше, чем предполагалось. На глубинах, где считалось, что нет органики, обнаружили 14 видов окаменевших микроорганизмов, а ведь возраст этих глубинных слоев превышал 2,8 миллиарда лет. Но, что самое удивительное, на еще больших глубинах, где уже нет осадочных пород, был найден природный газ метан в огромных концентрациях. Это полностью и совершенно разрушило теорию биологического происхождения углеводородов, таких как нефть и газ.

С Кольской скважиной были также связаны не только научные сенсации, но и таинственные легенды, большая часть из которых оказалась при проверке вымыслом журналистов. Согласно одной из них (рожденной авторами репортажей одной финской газеты), в самой толще земли, на глубине свыше 12 тысяч метров, микрофоны ученых записали крики и стоны.

Мифы или реальность:

Журналисты, даже не подумав о том, что просунуть на подобную глубину микрофон просто не возможно (какой звукозаписывающий прибор сможет работать при температуре свыше двухсот градусов?) написали про то, что буровики услышали "глас из преисподней". После этих публикаций Кольскую сверхглубокую скважину стали называть "дорогой в ад", утверждая, что каждый новый пробуренный километр принес несчастья стране.

Говорили о том, что когда буровики вели проходку тринадцатой тысячи метров, распался СССР. Ну, а когда скважину пробурили до глубины 14,5 км (чего на самом деле не произошло), вдруг наткнулись на необычные пустоты. Заинтригованные этим неожиданным открытием, буровики спустили туда микрофон, способный работать при чрезвычайно высоких температурах, и другие датчики. Температура внутри якобы достигала 1,100 °C — был жар огненных палат, в которых, якобы, можно было услышать человеческие крики.

Эта легенда до сих пор кочует по необъятным просторам интернет а, пережив саму виновницу этих сплетен — Кольскую скважину. Работу на ней прекратили еще в 1992 году из-за недостатка финансирования. До 2008 года она находилась в законсервированном состоянии. А два года назад было принято окончательное решение отказаться от продолжения исследований и демонтировать весь научно-исследовательский комплекс, а скважину — "закопать". Окончательная ликвидация скважины произошла летом этого года.

Так что, как видите, и в этот раз ученым не удалось добраться до мантии и исследовать ее. Однако это не значит, что Кольская скважина ничего не дала науке — наоборот, она перевернула все их представления о строении земной коры. Возможно, забраться еще глубже удастся исследователям ныне действующей нефтяной скважины Maersk Oil (глубиной 12 290 метров — что на 28 метров глубже Кольской), которая находится в нефтяном бассейне Аль-Шахин, в Катаре.
________________________________________ ________________________________________ ________________

Материалы: Алексей Воскобойник (alex_oil), Википедия и интернет источники о Кольской скважине

Кольская сверхглубокая скважина - самая глубокая буровая скважина в мире. Находится в Мурманской области, в 10 километрах к западу от города Заполярного, на территории геологического Балтийского щита. Её глубина составляет 12 262 метра. В отличие от других сверхглубоких скважин, которые делались для добычи нефти или геологоразведки, СГ-3 была пробурена исключительно для исследования литосферы в том месте, где граница Мохоровичича подходит близко к поверхности Земли.

Кольская сверхглубокая скважина была заложена в честь 100-летия со дня рождения Ленина, в 1970 году.
Толщи осадочных пород к тому времени были хорошо изучены при добыче нефти. Интереснее было бурить там, где вулканические породы возрастом около 3 млрд лет (для сравнения: возраст Земли оценивается в 4,5 млрд лет) выходят на поверхность. Для добычи полезных ископаемых такие породы редко бурят глубже 1-2 км. Предполагалось, что уже на глубине 5 км гранитный слой сменится базальтовым.

6 июня 1979 года скважина побила рекорд в 9583 метра, ранее принадлежавший скважине Берта-Роджерс (нефтяная скважина в Оклахоме). В лучшие годы на Кольской сверхглубокой скважине работало 16 исследовательских лабораторий, их курировал лично министр геологии СССР.

Что происходит в глубине, доподлинно неизвестно. Температура окружающей среды, шумы и прочие параметры передаются наверх с минутным запаздыванием. Тем не менее, бурильщики рассказывают, что даже такой контакт с подземельем может не на шутку испугать. Звуки, доносящиеся снизу, и впрямь похожи на вопли и завывания. К этому можно добавить длинный список аварий, преследовавших Кольскую сверхглубокую, когда она достигла глубины 10 километров.

Дважды бур доставали оплавленным, хотя температуры, от которых он может расплавиться, сравнимы с температурой поверхности Солнца. Однажды трос как будто дернули снизу – и оборвали. Впоследствии, когда бурили в том же месте, остатков троса не обнаружилось. Чем были вызваны эти и многие другие аварии, до сих пор остается загадкой. Впрочем, вовсе не они стали причиной остановки бурения недр Балтийского щита.

Выемка керна на поверхность.

Извлечённый керн.

Хотя ожидалось, что будет обнаружена ярко выраженная граница между гранитами и базальтами, в керне по всей глубине обнаруживались только граниты. Однако за счёт высокого давления спрессованные граниты сильно меняли физические и акустические свойства.
Как правило, поднятый керн рассыпался от активного газовыделения в шлам, так как не выдерживал резкой смены давлений. Вынуть прочный кусок керна удавалось только при очень медленном подъеме бурового снаряда, когда «излишний» газ, находясь ещё в поджатом до большого давления состоянии, успевал из породы выходить.
Густота трещин на большой глубине, вопреки ожиданиям, увеличивалась. На глубине присутствовала также вода, заполнявшая трещины.

Трехшарошечное долото.

Эруптивная брекчия базальтов с глубины 2977,8 м

«Имеем самую глубокую дыру в мире – так надо пользоваться!» – горько восклицает бессменный директор научно-производственного центра «Кольская сверхглубокая» Давид Губерман. В первые 30 лет существования Кольской сверхглубокой советские, а затем российские ученые прорвались на глубину 12 262 метра. Но с 1995-го бурение прекращено: стало некому финансировать проект. Того, что выделяется в рамках научных программ ЮНЕСКО, хватает только на поддержание буровой станции в рабочем состоянии и изучение ранее извлеченных образцов пород.

Губерман с сожалением вспоминает, сколько научных открытий состоялось на Кольской сверхглубокой. Буквально каждый метр был откровением. Скважина показала, что почти все наши прежние знания о строении земной коры неверны. Выяснилось, что Земля вовсе не похожа на слоеный пирог. «До 4 километров все шло по теории, а дальше началось светопреставление», – рассказывает Губерман. Теоретики обещали, что температура Балтийского щита останется сравнительно низкой до глубины по крайней мере 15 километров. Соответственно, скважину можно будет рыть чуть ли не до 20 километров, как раз до мантии.

Но уже на 5 километрах окружающая температура перевалила за 70 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.

Еще один сюрприз: жизнь на планете Земля возникла, оказывается, на 1,5 миллиарда лет раньше, чем предполагалось. На глубинах, где считалось, что нет органики, обнаружили 14 видов окаменевших микроорганизмов – возраст глубинных слоев превышал 2,8 миллиарда лет. На еще больших глубинах, где уже нет осадочных пород, появился метан в огромных концентрациях. Это полностью и совершенно разрушило теорию биологического происхождения углеводородов, таких как нефть и газ.

Были и почти фантастические сенсации. Когда в конце 70-х годов советская автоматическая космическая станция привезла на Землю 124 грамма лунного грунта, исследователи Кольского научного центра установили, что он как две капли воды похож на пробы с глубины 3 километров. И возникла гипотеза: Луна оторвалась от Кольского полуострова. Теперь ищут, где именно. Кстати, американцы, которые привезли с Луны полтонны грунта, так ничего толкового с ним и не сделали. Поместили в герметичные контейнеры и оставили для исследований будущим поколениям.

В истории Кольской сверхглубокой не обошлось и без мистики. Официально, как уже упоминалось, скважина остановилась из-за недостатка средств. Совпадение или нет – но именно в том 1995 году в глубине шахты раздался мощнейший взрыв неустановленной природы.

«Когда меня об этой загадочной истории стали расспрашивать в ЮНЕСКО, я не знал, что ответить. С одной стороны, чушь собачья. С другой – я, как честный ученый, не мог сказать, что знаю, что же именно у нас произошло. Был зафиксирован очень странный шум, потом был взрыв… Спустя несколько дней ничего такого на той же глубине не обнаружилось», – вспоминает академик Давид Губерман.

Совершенно неожиданно для всех подтвердились прогнозы Алексея Толстого из романа «Гиперболоид инженера Гарина». На глубине свыше 9,5 километров обнаружили настоящую кладезь всевозможных ископаемых, в частности золота. Настоящий оливиновый слой, гениально предсказанный писателем. Золота в нем 78 граммов на тонну. Кстати, промышленная добыча возможна при концентрации 34 грамма на тонну. Возможно, уже в недалеком будущем человечество сумеет воспользоваться этим богатством.

Вот как выглядит Кольская сверхглубокая сейчас, плачевное состояние.