Самая глубокая скважина в СССР
«Колодец в ад»: что показала Кольская сверхглубокая скважина
Кольская сверхглубокая скважина, которую назвали «колодцем в ад» или «дорогой в преисподнюю», получила широкую известность вовсе не благодаря большому количеству полученных в ходе ее изучения научных открытий.
Знаменитой ее сделала первоапрельская статья журналистов о доносившихся из скважины воплях грешников в аду и демоне, вырвавшемся из недр на поверхность Земли. Впрочем, в каждой шутке – только доля шутки.
И многие связанные со скважиной события до сих пор не имеют объяснения.
Благие намерения
Кольская сверхглубокая скважина (СГ-3) занесена в Книгу рекордов Гиннесса как самая глубокая буровая скважина в мире. Ее глубина составляет 12 262 метра – это до сих пор самое глубокое вторжение человека в глубь Земли. По длине же она уступает только нефтяной скважине Maersk Oil BD-04A в Катаре (12 290 метров), которая была пробурена под острым углом к поверхности Земли в 2008 году.
В отличие от других скважин, основная задача которых – геологоразведка и добыча нефти, Кольская сверхглубокая скважина изначально была нацелена исключительно на решение научных задач. И это самая глубокая горная выработка в мире, имеющая научное значение.
СГ-3 расположена в Мурманской области, в 10 километрах к западу от города Заполярного, на территории Балтийского щита, в области сочленения рудоносных докембрийских структур, типичных для фундаментов древних платформ. Для бурения было выбрано место, где на поверхность Земли выходят древние породы возрастом до 3 миллиардов лет.
Один из аргументов выбора состоял в том, что молодые осадочные породы хорошо изучены при добыче нефти, а глубоко в древние слои никто еще не бурил. Геологи планировали достигнуть границы Мохоровичича – подземной области, где наблюдается резкая смена скорости распространения звуковых волн.Считается, что она связана с границей между корой и мантией Земли.
Еще одна причина выбора именно этого места для скважины – крупные медно-никелевые месторождения, разведка которых была бы полезным дополнением к научной миссии.
Основными направлениями исследований стали подтверждение теоретических моделей строения нижних слоев земной коры (гранитного и базальтового), поиск и исследование характера границ между ними (границы Конрада) и мантией Земли (поверхности Мохоровичича).
Бурением скважины и анализом полученных материалов занималась специально созданная для этого Кольская комплексная геологоразведывательная экспедиция глубокого бурения, работавшая под бессменным руководством академика Давида Губермана. На скважине работало одновременно 16 исследовательских лабораторий, каждая размером со средний завод.
И данные, полученные в ходе исследований скважины, оказались революционными, перевернули представления о строении земной коры: молодые породы, граниты, базальты, мантия и ядро.
Кольские бурильщики поставили под сомнение теорию послойного строения земной коры – по крайней мере, в интервале до 12 262 метров. Ни ярко выраженного чередования слоев литосферы, ни заметных границ между ними в результате бурения так и не было обнаружено.
Это стало важным открытием, поскольку с существовавшей теорией послойного строения Земли связаны все предположения о возникновении и размещении полезных ископаемых.
Однако, хотя в процессе исследований было получено много ценнейших сведений о земных недрах, результаты оказались во многом неожиданны, и на их основании не возникло четкого понимания природы земной мантии.
Зато на глубине свыше 9,5 километра были обнаружены запасы всевозможных ископаемых, в частности медно-никелевые руды, серебро и золото.Теоретически предполагалось, что температура Балтийского щита останется сравнительно низкой до 15 километров, и скважину можно будет рыть до 20 километров, то есть до мантии. Но уже на 5 километрах окружающая температура превысила 70°C, на семи – 120°C, а на глубине 12 километров датчики зафиксировали 220°C, таким образом, была скорректирована тепловая карта недр.
Выяснилось, что жизнь на нашей планете возникла, оказывается, на 1,5 миллиарда лет раньше, чем считалось ранее.
В глубинных слоях, возраст которых превышает 2,8 миллиарда лет, обнаружены 14 видов окаменевших микроорганизмов. На еще больших глубинах, где уже нет осадочных пород, в больших концентрациях появился метан.
Это полностью и совершенно разрушило теорию биологического происхождения углеводородов, таких, как нефть и газ.
Путь в глубину
Кольская сверхглубокая скважина была заложена 24 мая 1970 года. В годовщину 100‑летия со дня рождения Ленина началось бурение. До глубины в 7000 метров бурение проходило относительно спокойно, бур проходил через однородные прочные граниты.
Дальше бур вошел в менее прочные слоистые породы, при прохождении через которые ствол скважины стал осыпаться и в нем начали образовываться каверны. Бур заклинивало породой, буровая головка обрывалась при попытке подъема.
Часть буровой колонны при этом оказывалась под землей без возможности ее извлечь. Она цементировалась, и бурение продолжалось с отклонением. С отметок в 7 и 9 километров скважину несколько раз начинали проходить заново.
Такие аварии случались неоднократно, поэтому бурение продолжалось в течение нескольких лет, а структура скважины получила несколько тупиковых ответвлений: четыре крупных и около десятка мелких.Из-за неравномерного разрушения пород, геологических неоднородностей и других причин ствол скважины искривлялся, и на максимальной глубине отклонение от вертикали устья скважины составило 840 метров.
В результате бурения, которое с перерывами велось с 1970 по 1991 год, глубина скважины составила 12 262 метра; диаметр верхней части – 92 см, диаметр нижней части – 21,5 см.
Тринадцатый километр оказался будто заколдованным. Его «вскрыли» в 1983 году; тогда было пробурено 12 066 метров, работы по углублению в толщи Земли были приостановлены на время подготовки к Международному геологическому конгрессу 1984 года, затем бурение продолжилось. При первом же спуске буровая колонна оборвалась, и пришлось начинать работы вновь с глубины 7 км.
К 1990 году новое ответвление достигло глубины 12 262 метров. Колонна снова оборвалась, и бурение было прекращено. Дальше ученые уже не продвинулись. К 1995 году финансирование работ прекратилось.
В 2008 году решением главы управления Росимущества по Мурманской области научно-производственный центр при скважине ликвидирован «ввиду нерентабельности», оборудование было демонтировано, началось разрушение построек. Сейчас, только чтобы восстановить скважину, необходимо около 100 миллионов рублей.
Внешний вид СГ-3 способен разочаровать любого непрофессионала. Скважина не похожа на шахту, никаких спусков под землю, в толщу уходит только бур диаметром чуть больше 20 сантиметров. Да и то сейчас скважина законсервирована и заварена сверху. При этом глубина, указанная сейчас на люке, не совпадает с действительностью.
Дорога в ад
Скважина дала богатый простор для фантазии. Существует легенда, что с каждым километром, что росла скважина, в СССР происходили несчастья и катастрофы. Кольскую сверхглубокую скважину стали называть «дорогой в ад» – каждый новый пробуренный километр приносил стране несчастья. А на тринадцатом километре Союз распался.
Кроме того, существует легенда, что, пробившись на глубину 12 тысяч метров, ученые записали на микрофоны крики и стоны. Журналисты финской газеты, побывавшие на Кольском полуострове, написали сенсационный репортаж о записях воплей из преисподней. Материал вышел к 1 апреля, тем не менее был принят многими за чистую монету и растиражирован по миру в качестве реальной истории.
В 1995 году в глубине шахты раздался мощнейший взрыв, причина которого так и не была установлена, зато дала толчок к появлению легенды о вылетевшем из недр скважины демоне. «Когда меня об этой загадочной истории стали расспрашивать в ЮНЕСКО, я не знал, что ответить.
С одной стороны, чушь собачья. С другой – я, как честный ученый, не мог сказать, что знаю, что же именно у нас произошло.Был зафиксирован очень странный шум, потом был взрыв… Спустя несколько дней ничего такого на той же глубине не обнаружилось», – рассказывал Давид Губерман.
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 отнести аварии, преследовавшие Кольскую сверхглубокую скважину, порой совершенно необъяснимые.
Однако именно им Кольская скважина обязана широкой известностью. По крайней мере, к ней до сих пор приезжают паломники, и вовсе не из числа научных работников.
Как рассказывают местные жители, чаще всего приехавшие пытаются докричаться до преисподней, пытаются вскрыть заваренный вход в шахту, чтобы увидеть демонов, и оставляют для посетителей из ада водку с закуской и стаканы.
Надежда услышать ответ из преисподней жива у всех посетителей. Вполне возможно, что рано или поздно он прозвучит. И это будут не только стоны и крики, но и матерные выражения.
Страшная тайна самой глубокой дыры 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.
Однако 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.
Колодец в ад: почему было прекращено бурение самой глубокой скважины – Снег.TV
В 1970 году аккурат к 100-летнему юбилею Ленина советские ученые начали один из самых амбициозных проектов современности. На Кольском полуострове, в десяти километрах от поселка Заполярный, стартовало бурение скважины, которая в результате оказалась самой глубокой в мире и вошла в Книгу рекордов Гиннесса.
Грандиозный научный проект шел больше двадцати лет. Он принес массу интереснейших открытий, вошел в историю науки, а под конец оброс таким количеством легенд, слухов и сплетен, что хватило бы не на один фильм ужасов.
Вход в ад
Во времена своего расцвета буровая на Кольском полуострове представляла собой циклопическое сооружение высотой в 20-этажный дом. Здесь работало до трех тысяч человек в смену. Коллектив возглавляли ведущие геологи страны. Буровую выстроили в тундре в десяти километрах от поселка Заполярный, и в полярной ночи она сияла огнями, как космический корабль.
Когда все это великолепие вдруг закрылось и огни погасли, сразу пошли слухи. По всем меркам бурение шло необычайно успешно. Никому в мире еще не удавалось достичь такой глубины — советские геологи опустили бур больше чем на 12 километров.
Внезапное завершение удачного проекта выглядело такой же нелепостью, как то, что американцы закрыли программу полетов на Луну. В крахе лунного проекта обвиняли инопланетян. В проблемах Кольской сверхглубокой — чертей и бесов.
© .com
Популярная легенда гласит, что с больших глубин бур не раз доставали оплавленным.
Никаких физических причин этому не было — температура под землей не превышала 200 градусов по Цельсию, а бур был рассчитан на тысячу градусов.Затем аудиодатчики якобы стали улавливать некие стоны, крики и вздохи. Диспетчеры, следившие за показаниями приборов, жаловались на ощущения панического страха и тревоги.
По легенде выходило, что геологи добурились до ада. Стоны грешников, экстремально высокие температуры, атмосфера ужаса на буровой, — все это объясняло, почему все работы на Кольской сверхглубокой был внезапно свернуты.
Многие относились к этим слухам скептически. Однако в 1995 году, уже после остановки работ, на буровой прогремел мощный взрыв. Что там могло взорваться, не понимал никто, даже руководитель всего проекта, видный геолог Давид Губерман.
Сегодня к заброшенной буровой водят экскурсии и рассказывают туристам увлекательную историю о том, как ученые пробурили дырку в подземное царство мертвых. Как по установке бродят стенающие призраки, а к вечеру на поверхность вылезают бесы и норовят умыкнуть в пропасть зазевавшегося экстремала.
© wikimedia.org
Подземная Луна
На самом деле вся история с «колодцем в ад» была выдумана финскими журналистами к 1 апреля. Их шуточную статью перепечатали американские газеты, и утка полетела в массы. Многолетнее бурение Кольской сверхглубокой шло без всякой мистики. Но то, что происходило там в реальности, было интереснее любых легенд.
Начать с того, что сверхглубокое бурение по поределению было обречено на многочисленные аварии. Под гнетом гигантского давления (до 1000 атмосфер) и высоких температур не выдерживали буры, забивалась скважина, ломались трубы, которыми укрепляли жерло. Бессчетное число раз узкая скважина искривлялась так, что приходилось пробуривать все новые ответвления.
Самая страшная авария произошла вскоре после главного триумфа геологов. В 1982 году они смогли преодолеть отметку в 12 километров.
Эти результаты торжественно огласили в Москве на Международном геологическом конгрессе.
Геологов со всего света привезли на Кольский полуостров, показали им буровую и образцы пород, добытые на фантастической глубине, до которой еще никогда не добиралось человечество.
© .com После празднования бурение продолжили. Однако перерыв в работах оказался роковым. В 1984 году произошла самая страшная авария на буровой. Оторвались и забили скважину целых пять километров труб. Продолжать бурение было нельзя. В одночасье были потеряны результаты пяти лет работы.
Пришлось возобновлять бурение с 7-километровой отметки. Только в 1990 году геологам вновь удалось перевалить за 12 километров. 12 262 метра — такова окончательная глубина Кольской скважины.
Но параллельно страшным авариям чередой шли и невероятные открытия. Глубокое бурение — аналог машины времени. На Кольском полуострове к поверхности подходят древнейшие породы, возраст которых превышает 3 миллиарда лет. Забираясь все глубже, ученые получили ясное представление о том, что происходило на нашей планете во времена ее молодости.
Прежде всего, оказалось, что традиционная схема геологического разреза, составленная учеными, не соответствует реальности. «До 4 километров все шло по теории, а дальше началось светопреставление», — рассказывал потом Губерман
По расчетам, пробурив слой гранита, полагалось добраться до еще более твердых, базальтовых пород. Но никакого базальта не оказалось. После гранита шли неплотные слоистые породы, которые постоянно крошились и затрудняли движение вглубь.
© .com
Зато среди пород возрастом 2,8 миллиарда лет были найдены окаменевшие микроорганизмы. Это позволило уточнить время зарождения жизни на Земле. На еще больших глубинах нашли огромные залежи метана. Это прояснило вопрос о возникновении углеводородов — нефти и газа.
А на глубине свыше 9 километров ученые обнаружили золотосодержащий оливиновый слой, так ярко описанный Алексеем Толстым в «Гиперболоиде инженера Гарина».
Но самое фантастическое открытие произошло в конце 1970-х, когда советская лунная станция привезла образцы лунного грунта. Геологи с изумлением увидели, что его состав полностью совпадает с составом пород, добытых ими на глубине 3 километра. Как это было возможно?Дело в том, что одна из гипотез происхождения Луны предполагает, что несколько миллиардов лет назад Земля столкнулась с каким-то небесным телом. В результате столкновения от нашей планеты откололся кусок и превратился в спутник. Возможно, этот кусок оторвался именно в районе нынешнего Кольского полуострова.
© .com
Финал
Так почему же все-таки закрыли Кольскую сверхглубокую?
Во-первых, основные задачи научной экспедиции были выполнены. Было создано, в экстремальных условиях протестировано и заметно усовершенствовано уникальное оборудование для бурения на больших глубинах. Собранные образцы пород был подробно исследованы и описаны. Кольская скважина помогла гораздо лучше понять строение земной коры и историю нашей планеты.
Во-вторых, само время не способствовало подобным амбициозным проектам. В 1992 году научной экспедиции прикрыли финансирование. Сотрудники уволились и разъехались по домам. Но и сегодня грандиозное здание буровой и загадочная скважина впечатляют своими масштабами.
Иногда кажется, что Кольская сверхглубокая еще не исчерпала весь запас своих чудес. В этом был уверен и руководитель знаменитого проекта. «Имеем самую глубокую дыру в мире — так надо пользоваться!» — восклицал Давид Губерман.
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 блоге
На что похожа Кольская сверхглубокая?
Если вы представляете себе скважину как шахту, по которойможно спускаться на лифте в самые недра земли или хотя бы на пару километров,то это совсем не так. Диаметр бурового инструмента, с помощью которого инженерысоздавали скважину, составлял всего 21,4 сантиметра.
Верхний двухкилометровыйотрезок скважины немного шире — его расширяли до 39,4 сантиметра, но все равночеловеку туда никак не попасть.
Чтобы представить себе пропорции скважины, лучшейаналогией будет 57-метровая швейная игла с диаметром в 1 миллиметр, немного утолщенная содного конца.
Схема скважины
«Кольская сверхглубокая» Министерство геологии СССР, издательство «Недра», 1984
Но и это представление будет упрощенным. За время бурения наскважине происходило несколько аварий — часть буровой колонны при этомоказывалась под землей без возможности ее извлечь. Поэтому несколько разскважину начинали проходить заново, с отметок в семь и девять километров. Естьчетыре крупных ответвления и около десятка мелких. У основных ответвленийразная предельная глубина: два из них пересекают отметку в 12 километров, ещедва не доходят до нее всего на 200-400 метров. Заметим, что глубина Марианской впадинына 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 какотвесную линию. Из-за того что на разных глубинах породы обладают разнымимеханическими свойствами, бур в ходе работы отклонялся к менее плотным областям. Поэтому вбольшом масштабе профиль Кольской сверхглубокой выглядит как немного изогнутаяпроволока с несколькими ответвлениями.
Artem Achkasov
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.
Artem Achkasov
Бурение началось в 1970 году. Первая часть скважины была пробурена серийной установкой «Уралмаш-4Э» — ее обычно использовали для бурения нефтяных скважин. Модификация установки позволила достичь глубины 7 километров 263 метра. На это ушло четыре года. Затем установку сменили на «Уралмаш-15000», названную так в честь запланированной глубины скважины — 15 километров. Новая буровая была разработана специально для Кольской сверхглубокой: бурение на таких больших глубинах требовало серьезной доработки техники и материалов. К примеру, один только вес буровой колонны при 15-километровой глубине достигал 200 тонн. Сама установка могла поднимать груз вплоть до 400 тонн.
Буровая колонна состоит из труб, соединенных между собой. С ее помощью инженеры опускают на дно скважины инструмент для бурения, и она же обеспечивает его работу. На конце колонны устанавливали специальные 46-метровые турбобуры, приводимые в движение потоком воды с поверхности. Они позволяли вращать дробящий породу инструмент отдельно от всей колонны.Artem Achkasov
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.
Artem Achkasov
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.
Artem Achkasov
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.
Artem Achkasov
Отдельно следует рассказать об исследованиях температурных градиентов и радиации. Для такого рода экспериментов используются внутрискважинные приборы, опускаемые на проводах-тросах. Большой проблемой было обеспечить их синхронность с наземным оборудованием, а также обеспечить работу на больших глубинах. К примеру, трудности возникали с тем, что тросы при длине в 12 километров растягивались примерно на 20 метров, что могло сильно снизить точность данных. Чтобы этого избежать, геофизикам пришлось создавать новые методы маркировки расстояний.
Artem Achkasov
Большинство серийных приборов не было рассчитано на работу в суровых условиях нижних ярусов скважины. Поэтому для исследований на больших глубинах ученые применяли оборудование, разработанное специально для Кольской сверхглубокой.
Важнейший результат геотермических исследований — гораздо более высокие температурные градиенты, нежели ожидалось увидеть. Вблизи поверхности скорость роста температуры составляла 11 градусов на километр, до глубины двух километров — 14 градусов на километр.
В интервале от 2,2 до 7,5 километра температура росла со скоростью, приближающейся к 24 градусам на километр, хотя существующие модели предсказывали величину в полтора раза меньшую.
В результате уже на пятикилометровой глубине приборы фиксировали температуру в 70 градусов Цельсия, а к 12 километрам это значение достигло 220 градусов Цельсия.
Artem Achkasov
Кольская сверхглубокая оказалась непохожей на другие скважины — к примеру, при анализе тепловыделения пород Украинского кристаллического щита и батолитов Сьерра-Невады геологи показали, что с глубиной тепловыделение падает. В СГ-3 оно наоборот росло. Более того, измерения показали, что основным источником тепла, обеспечивающим 45-55 процентов теплового потока, является распад радиоактивных элементов.
Несмотря на то что глубина залегания скважины кажется колоссальной, она не доходит и до трети толщины земной коры в Балтийском щите. Геологи оценивают, что подошва земной коры в этой области проходит примерно в 40 километрах под землей. Поэтому даже если бы СГ-3 достигла запланированной 15-километровой отсечки, до мантии мы бы все равно не добрались.Artem Achkasov
Такую амбициозную задачу ставили перед собой американские ученые, разрабатывая проект «Мохол». Геологи планировали достигнуть границы Мохоровичича — подземной области, где наблюдается резкая смена скорости распространения звуковых волн. Считается, что она связана с границей между корой и мантией.
Стоит отметить, что буровики выбрали в качестве места для скважины дно океана вблизи острова Гуадалупе — расстояние до границы составляло всего несколько километров. Однако глубина самого океана достигала здесь 3,5 километра, что существенно осложняло буровые работы.
Первые испытания в 1960-х годах позволили геологам пробурить скважины лишь на 183 метра.
Artem Achkasov
Недавно стало известно о планах воскресить проект глубокого океанического бурения с помощью исследовательского бурового судна JOIDES Resolution. В качестве новой цели геологи выбрали точку в Индийском океане, неподалеку от Африки. Глубина залегания границы Мохоровичича там составляет лишь около 2,5 километра. В декабре 2015-го — январе 2016 года геологам удалось пробурить скважину глубиной в 789 метров — пятую по величине в мире из подводных скважин. Но эта величина — лишь половина от требовавшейся на первом этапе. Впрочем, команда планирует вернуться и завершить начатое.
***
0,2 процента длины пути к центру Земли — не такая уж впечатляющая величина по сравнению с масштабами космических путешествий.
Однако следует учитывать, что и граница Солнечной системы не проходит по орбите Нептуна (или даже поясу Койпера). Гравитация Солнца преобладает над звездной вплоть до расстояний в два световых года от светила.
Так что если аккуратно все посчитать, то окажется, что и «Вояджер-2» пролетел лишь десятую долю процента длины пути до окраин нашей системы.
Поэтому не стоит расстраиваться тем, как плохо мы знаем «внутренности» собственной планеты. У геологов есть свои телескопы — сейсмические исследования — и свои амбициозные планы по покорению недр. И если астрономы уже успели прикоснуться к солидной части небесных тел в Солнечной системе, то у геологов все самое интересное еще впереди.
Владимир Королёв
Советский проект. Кольская сверхглубокая скважина. – Luka Brazi — КОНТ
О структурном устройстве Земли все наверняка еще помнят из школьного курса географии. В центре расположено ядро с твердой железо-никелевой серединой, окруженной жидкой расплавленной оболочкой.
Достичь его невозможно сейчас и вряд ли станет реально в сколь-нибудь обозримом будущем. Выше ядра находится мантия, состоящая преимущественно из вязких силикатных пород, богатых железом и магнием.
Сверху все это богатство прикрыто относительно тонкой и твердой земной корой.
На континентах земная кора толще, чем под океанами. Она складывается из гранитного и базальтового слоев и присыпана осадочными породами. В основе же океанических бассейнов — лишь осадочный и базальтовый слои, гранитный отсутствует, что делает мантию достижимой мечтой всех геологов. Этим обстоятельством и решили воспользоваться американцы в самом начале 1960-х.
В 1961 году в активную фазу вошел проект «Мохол». Его целью было пробурить в Тихом океане рядом с мексиканским островом Гуадалупе скважину, которая прошла бы через земную кору и достигла границы Мохоровичича.
В рамках экспериментального этапа проекта весной 1961-го американцы пробурили пять пробных скважин, глубочайшая из которых достигла 180 метров под дном океана.
Это был уникальный опыт, доказавший, что даже с плавучей незакрепленной платформы, под которой находилось 3,5 километра воды, бурение принципиально возможно.
Впрочем, на пути беспрецедентных научных успехов США стал Конгресс страны, отказавшийся в конечном итоге финансировать дорогостоящий «Мохол». Его цели, какими бы фундаментальными они ни были для человечества, оказались совершенно непонятны сенаторам и конгрессменам. Впрочем, эстафету у Соединенных Штатов тут же подхватил их заклятый враг — Советский Союз.
На фоне яростной космической гонки и прочего противостояния во всех возможных сферах жизни СССР не мог, разумеется, остаться равнодушным к достижениям американцев. В 1962 году Никита Хрущев утвердил научную программу «Изучение недр Земли и сверхглубокое бурение».
Была поставлена задача соорудить скважину, которая достигла бы семикилометровой глубины. Причем сделать это предполагалось не в океане, а на континенте, что существенно усложняло проект. При этом геологи предполагали, что увеличение стоимости и продолжительности работ компенсируется несравнимо более ценными научными результатами.
Площадкой для реализации эксперимента был выбран Кольский полуостров. Этот самый север европейской части страны располагается на Балтийском щите. Данное образование сложено из древнейших пород и к тому же подверглось сильной эрозии. Осадочный слой здесь оказался минимальным, а во многих местах гранит земной коры выходит прямо на поверхность.
Это должно было облегчить работу буровиков, первой целью которых было прохождение гранитов и достижение границы Конрада, то есть кровли базальтового слоя коры, за которым уже находилась мантия. Предполагалось, что базальт начинается на глубине 6—7 километров. Впоследствии проектная глубина скважины выросла в два с лишним раза — до 15 километров.В конце 1960-х геологи, отвечавшие за проект, обосновались на севере Мурманской области, в 10 километрах от города Заполярный у озера с невероятным названием Вильгискоддеоайвинъярви. После подготовительной стадии, в мае 1970-го, бурение Кольской сверхглубокой скважины началось.
Как происходит стандартное бурение какой-нибудь средней скважины, скажем, для нефтегазового комплекса? Двигатель буровой установки, расположенной на поверхности, вращает колонну стальных труб, в нижней части которой находятся долота с одной или несколькими буровыми коронками, армированными твердыми сплавами или алмазами.
Одновременно в формируемую скважину закачивается специальный буровой раствор. Это особая сложносоставная глинистая смесь, выполняющая множество важных функций.
Во-первых, она охлаждает породоразрушающий инструмент, во-вторых, ее давление обеспечивает дополнительную устойчивость стенкам буровой колонны, в-третьих, эта смесь, возвращаясь на поверхность, выносит с собой шлам, мелкие частицы породы.
Бурение сверхглубоких скважин имеет свои характерные особенности, значительно усложняющие его. В первую очередь, необходимо уменьшить вес многокилометровой колонны буровых труб. Для этого вместо стальных труб на Кольском полуострове использовали трубы из легких алюминиевых сплавов.
По мере увеличения глубины скважины растет и горное давление, обусловленное весом породы. Чтобы компенсировать его и обеспечить устойчивость колонны трубы, модифицируется состав бурового раствора.
Наконец, вместо двигателей на поверхности, обеспечивающих функционирование всего механизма, используются специальные турбины, которые расположены непосредственно у буровых коронок и приводятся в движение давлением раствора.
В среднем скорость бурения Кольской сверхглубокой составляла около 1—3 метров в час. По прохождении приблизительно десятка метров буровую колонну приходилось поднимать на поверхность для извлечения керна, цилиндра горной породы, образующегося в полой буровой трубе по мере ее углубления.
Именно керн представлял особый интерес для геологов, а его изучение позволило сделать выводы о внутренней структуре земной коры. По мере роста длины скважины росло и время, которое требовалось для спуско-подъемных операций.До глубины в 7 километров работы по бурению Кольской сверхглубокой скважины проходили в более-менее штатном режиме. Далее ученые прогнозировали окончание стабильного гранитного слоя и границу Конрада — переход в нижний слой земной коры, базальтовый.
При этом в своих предположениях геологи основывались на резком увеличении скорости сейсмических волн после семикилометровой отметки, что означало принципиальное изменение состава горной породы. Оно действительно произошло, но полученные результаты анализа керна оказались совершенно неожиданными.
Ранее ученые предполагали, что ниже гранитов находится еще более плотная порода. Вместо этого они обнаружили высокопористую многокилометровую зону с кавернами и большим содержанием водорода, к тому же пропитанную водным раствором.
Это было совершенно феноменальное открытие, абсолютно не согласовывавшееся с прежними представлениями об устройстве земной коры, по крайней мере на этом участке Балтийского щита. Вместе с научным шоком изменение условий бурения принесло и тяжелые проблемы.
Во-первых, начала расти температура в скважине. На отметке в 7 километров она составляла 120°С, а к 12 километрам достигла уже 230°С. Оборудование, не рассчитанное на подобное пекло, стало часто выходить из строя.
Кроме того, даже во время прохождения однородных прочных гранитов и тем более после попадания в зону каверн и трещин скважина стала отклоняться от вертикали.
Тонкая многотонная нить длиной 12 километров и диаметром 92 сантиметра на поверхности и 21,5 сантиметра в нижней части стала искривляться. К 12-му километру отклонение от вертикали составило 840 метров.
Ствол колонны периодически обрывался, и восстановить его целостность на такой глубине не представлялось возможным. Приходилось начинать бурение заново от последнего целого участка. В конечном итоге Кольская скважина превратилась в систему из нескольких скважин, чем-то напоминающую корневую систему дерева.В октябре 1976 года вместо серийной буровой установки «Уралмаш-4Э», работавшей до глубины в 7 километров, на площадке Кольской сверхглубокой была смонтирована новая уникальная буровая «Уралмаш-15000», которая и должна была достичь красивой цифры. Должна была, но не достигла.
Тем не менее к этому моменту научный проект превратился в солидное предприятие. Высота буровой вышки составила 68 метров, вокруг нее разместились научные лаборатории, кернохранилище и ремонтно-механический завод — целый научный городок.
6 июня 1979 года случилось первое историческое событие. Буровики отрапортовали о достижении отметки в 9584 метра. Кольская скважина стала самой глубокой скважиной в мире, превзойдя американскую нефтяную рекордсменку «Берту Роджерс» (9583 метра). Буровой мастер Федор Атарщиков сделал в вахтенном журнале торжествующую запись: «Забой — 9584 метра. „Берта Роджерс“, чао, гуд бай».
В начале 1980-х произошло и второе историческое событие. Кольская сверхглубокая прошла 11 022 метра, обойдя Марианскую впадину. На такую глубину внутрь собственной колыбели человечество еще не забиралось.
В сентябре 1984 года была достигнута глубина в 12 066 метров, и тут случился очередной обрыв буровой колонны. Это была настоящая трагедия для буровиков, ведь им пришлось начинать все практически заново, все с тех же 7 километров, вновь и вновь проходя трещины и каверны нижнего слоя земной коры на сложнейшем пути к центру Земли.
В 1990 году мастера дошли до отметки в 12 262 метра, но их опять ждал обрыв колонны, от которого научный коллектив уже не оправился.
Практически полное прекращение финансирования проекта на фоне распада Советского Союза и последовавших за ним «лихих» девяностых убило уникальный объект.
Сначала его лишь законсервировали, оставив людям, работавшим над делом всей жизни целых 20 лет, надежду на его реанимацию, а в 2008 году объект «Кольская сверхглубокая скважина» был окончательно закрыт.
Буровое оборудование было демонтировано, а буровики уехали зарабатывать к более благодарным «хозяевам» из нефтянки. Ученые поначалу остались, но бессмысленное существование в Заполярье в конце концов вынудило отправиться на Большую землю и их. Инфраструктура объекта, покинутого людьми, под ударами суровой северной погоды стала быстро деградировать. Что не добила природа, разворовали люди.Так сейчас выглядит заваренный ствол 12-километровой нити, будто иголкой пронзающей Землю на невиданную ранее глубину.
Несмотря на трагическую судьбу уникального проекта, Кольская сверхглубокая и по сей день остается самой глубокой скважиной планеты, хотя по общей длине ее уже превзошла одна из скважин российского нефтегазового проекта «Сахалин-1». Ее бурили под острым углом к поверхности, достигнув отметки в 12 700 метров, но в длину, а не в глубину.
Научные же достижения двадцатилетней работы переоценить сложно. Да, из-за недостатка финансирования и технических проблем буровикам так и не удалось достигнуть плановой глубины в 15 километров. Но ученые все равно получили ценнейшую информацию о внутреннем устройстве планеты, которая порой переворачивала их устоявшиеся представления о нем.
Когда во время Международного геологического конгресса, проходившего в Москве в 1984 году, у одного из научных руководителей проекта члена-корреспондента АН СССР Владимира Белоусова спросили, что же самое главное показала Кольская скважина, ученый честно ответил: «Главное, она показала то, что мы ничего не знаем о континентальной коре».
Безусловно, когда-нибудь мировое сообщество вновь займется сверхглубоким бурением, чтобы все-таки узнать все и о континентальной, и об океанической коре. Когда-нибудь оно достигнет и границы Мохоровичича и впервые в своей истории получит в распоряжение материал мантии Земли.
На фоне стагнации в покорении космоса своя родная планета наверняка еще способна удивить человечество.
И главный шаг на этом долгом пути был сделан в Советском Союзе, 30 лет назад, в заполярной лесотундре Кольского полуострова у озера с невероятным названием Вильгискоддеоайвинъярви.
http://back-in-ussr.com/2018/02/puteshestvie-k-centru-zemli-kolskaya-sverhglubokaya-skvazhina.html
