Кольская скважина

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Прикоснуться к мантии

История

Бурение

Глубокая неожиданность

«Колодец в ад»

Итоги

Прикоснуться к мантии

Трудолюбивые китайцы в XIII веке рыли скважины глубиной 1 200 метров. Европейцы побили китайский рекорд в 1930 году, научившись пронзать земную твердь при помощи буровых на 3 километра. В конце 1950-х годов скважины удлинились до 7 километров. Начиналась эпоха сверхглубокого бурения.

Как и большинство глобальных проектов, идея пробурить верхнюю оболочку Земли возникла в 1960-х годах XX века, в разгар космических полетов и веры в безграничные возможности науки и техники. Американцы задумали ни много, ни мало пройти скважиной всю земную кору и получить образцы пород верхней мантии. Представления о мантии тогда (как, впрочем, и сейчас) строились лишь на косвенных данных - скорости распространения сейсмических волн в недрах, изменение которой интерпретировалось как граница слоев горных пород разного возраста и состава. Ученые считали, что земная кора похожа на бутерброд: сверху молодые породы, снизу - древние. Однако лишь сверхглубокое бурение могло дать доподлинную картину строения и состава внешней оболочки Земли и верхней мантии.

Бурить скважины старались в тех местах, где кора должна была быть потоньше - целью было достижение мантии. Например, американцы бурили в районе острова Мауи, на Гавайях, где, по данным сейсмических исследований, древние породы выходят под океанское дно и мантия находится примерно на глубине 5-ти километров под 4-х километровой толщей воды. Увы, ни одна океанская буровая глубже 3-х километров не пробилась. Вообще, почти все проекты сверхглубоких скважин мистическим образом заканчивались на 3километровой глубине. Именно в этот момент с бурами начинало происходить что-то странное: то они попадали в неожиданные сверхгорячие области, то их как будто откусывал какой-то невиданный монстр. Глубже 3-х километров прорвались всего 5 скважин, из них 4 - советские, и только Кольской сверхглубокой было суждено преодолеть отметку 7 километров.

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 12 261 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.

История

Кольская сверхглубокая скважина была заложена в честь 100-летия со дня рождения Ленина, в 1970 году.

Первоначальные отечественные проекты также предполагали подводное бурение - в Каспийском море или на Байкале. Но в 1963 году ученый-буровик Николай Тимофеев убедил Государственный комитет по науке и технике СССР в том, что нужно создать скважину на континенте. Хотя бурить придется несравненно дольше, полагал он, скважина будет куда ценнее с научной точки зрения, ведь именно в толще континентальных плит в доисторические времена происходили самые значительные перемещения земных пород. Точку бурения выбрали на Кольском полуострове не случайно. Полуостров расположен на так называемом Балтийском щите, который сложен из самых древних известных человечеству пород. Многокилометровый срез пластов Балтийского щита - наглядная история планеты за последние 3 миллиарда лет.

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.

После того, как геологическая экспедиция указала место для скважины, 24 мая 1970 года началось собственно бурение. 6 июня 1979 года скважина побила рекорд в 9583 метра, ранее принадлежавший скважине Берта-Роджерс (англ. Bertha Rogers), нефтяная скважина в Оклахоме). В лучшие годы на Кольской сверхглубокой скважине работало 16 исследовательских лабораторий, их курировал лично министр геологии СССР.

В конце 70-х - начале 80-х устроиться работать на Кольскую сверхглубокую, было сложнее, чем попасть в отряд космонавтов. Из сотен претендентов выбирали одного-двух. Вместе с приказом о приеме на работу счастливцы получали отдельную квартиру и зарплату, равную двойному - тройному окладу московской профессуры. На скважине одновременно работало 16 исследовательских лабораторий, каждая - размером со средний завод. С подобным упорством землю копали только немцы, но, как свидетельствует Книга рекордов Гиннеса, самая глубокая немецкая скважина чуть ли не вдвое короче этой. Отдаленные галактики изучены человечеством куда лучше, чем то, что находится под земной корой в каких-то нескольких километрах от нас.

Кольская сверхглубокая - своеобразный телескоп в загадочный внутренний мир планеты.

С начала XX века считалось, что Земля состоит из коры, мантии и ядра. При этом никто толком не мог сказать, где кончается один слой и начинается следующий. Ученые не знали даже, из чего, собственно, эти слои состоят. Еще каких-то 40 лет назад они были уверены, что слой гранитов начинается на глубине 50 метров и продолжается до 3 километров, а затем идут базальты. Встретить мантию ожидалось на глубине 15-18 километров. В реальности все оказалось совершенно иначе. И хотя в школьных учебниках все еще пишут, что Земля состоит из трех слоев, ученые с Кольской сверхглубокой доказали, что это не так.

В 1983 году пробурили 12 066 метров и временно остановились - готовились к Международному геологическому конгрессу, который должен был проходить в 1984 году в Москве. 27 сентября 1984 года бурение было продолжено. При первом же спуске произошла авария - оборвалась буровая колонна. Бурение возобновили с глубины 7000 м - и к 1990 году новое ответвление достигло глубины 12 262 метра. Колонна снова оборвалась, и бурение было завершено.

Бурение

Создания принципиально новых устройств и гигантских машин бурение Кольской скважины СГ-3 не требовало. Начинали работать с тем, что уже имелось: установка «Уралмаш 4Э» грузоподъемностью 200 тонн и легкосплавные трубы. Что действительно было нужно на тот момент, так это нестандартные технологические решения. Ведь в твердых кристаллических породах на столь большую глубину никто не бурил, и что там будет, представляли себе только в общих чертах. Опытные буровики, однако, понимали, что каким бы детальным ни был проект, реальная скважина окажется намного сложнее. Через 5 лет, когда глубина скважины СГ-3 превысила 7 километров, смонтировали новую буровую установку «Уралмаш 15 000» - одну из самых современных по тем временам. Мощная, надежная, с автоматическим спускоподъемным механизмом, она могла выдержать колонну труб длиной до 15 км. Буровая превратилась в полностью обшитую вышку высотой 68 м, непокорную сильным ветрам, бушующим в Заполярье. Рядом выросли: минизавод, научные лаборатории и кернохранилище.

При бурении на небольшие глубины мотор, который вращает колонну труб с буром на конце, устанавливают на поверхности. Бур представляет собой железный цилиндр с зубьями из алмазов или твердых сплавов - коронку. Эта коронка вгрызается в породы и вырезает из них тонкий столбик - керн. Чтобы охладить инструмент и извлечь из скважины мелкий мусор, в нее нагнетают буровой раствор - жидкую глину, которая все время циркулирует по стволу, словно кровь в сосудах. Через какое-то время трубы поднимают на поверхность, освобождают от керна, меняют коронку и вновь опускают колонну в забой.

В числе особенностей, вобравших передовой опыт бурения глубоких скважин:

Буровая колонна ниже 2000 метров была собрана трубами из лёгких алюминиевых сплавов (стальная просто разорвалась бы от своего веса). Вес колонны около 200 тонн.

Турбобур - турбина длиной 46 метров, действующая от давления бурового раствора, вращает буровую коронку (долото).

Керноприёмник - съемная труба внутри турбобура, служащая для забора образцов породы (керна).

А если длина ствола 10-12 километров при диаметре 215 миллиметров? Колонна труб становится тончайшей нитью, опущенной в скважину. Как ею управлять? Как увидеть, что творится в забое? Поэтому на Кольской скважине внизу бурильной колонны установливали миниатюрные турбины, их запускал буровой раствор, нагнетаемый по трубам под давлением. Турбины вращали твердосплавную коронку и вырезали керн. Вся технология была хорошо отработана, оператор на пульте управления видел вращение коронки, знал ее скорость и мог управлять процессом. Одна коронка служила приблизительно 4 часа, за это время удавалось пробурить 7-10 метров. На спуск и подъём колонны уходило до 18 часов. При этом колонна автоматически разбиралась на секции из нескольких труб.

7 километров - отметка для Кольской сверхглубокой роковая. За ней начались неизвестность, множество аварий и непрерывная борьба с горными породами. Ствол никак не удавалось держать вертикально. Когда в первый раз прошли 12 км, скважина отклонилась от вертикали на 21°. Хотя буровики уже научились работать при невероятной кривизне ствола, дальше углубляться было нельзя. Скважину предстояло перебурить с отметки 7 километров. Чтобы получать вертикальный ствол в твердых породах, нужен очень жесткий низ бурильной колонны, дабы он входил в недра, как в масло. Но возникает и другая проблема - скважина постепенно расширяется, бур болтается в ней, как в стакане, стенки ствола начинают рушиться и могут придавить инструмент. Решение этой задачи получилось оригинальным - была применена технология маятника. Бур искусственно раскачивался в скважине и подавлял сильные колебания. За счет этого ствол получался вертикальным.

Наиболее распространенная авария на любой буровой - обрыв колонны труб. Обычно трубы пытаются захватить вновь, но если это случается на большой глубине, то проблема переходит в разряд неустранимых. Искать инструмент в 10-километровой скважине бесполезно, такой ствол бросали и начинали новый, чуть выше. Обрыв и потеря труб на СГ-3 случались многократно. В итоге в своей нижней части скважина выглядит как корневая система гигантского растения. Разветвленность скважины огорчала буровиков, но оказалась счастьем для геологов, которые неожиданно получили объемную картину внушительного отрезка древних архейских пород, сформировавшихся более 2,5 млрд. лет назад.

Внешний вид Кольской буровой способен разочаровать обывателя. Скважина не похожа на шахту, которую рисует нам воображение. Никаких спусков под землю, в толщу уходит только бур диаметром чуть больше 20 сантиметров. Воображаемый разрез Кольской сверхглубокой скважины выглядит как тонюсенькая иголочка, пронзившая земную толщу. Бур с многочисленными датчиками, находящийся на конце иголочки, поднимают и опускают в течение нескольких дней. Быстрее нельзя: прочнейший композитный трос может оборваться под собственным весом.

Глубокая неожиданность

Кое-что о земной коре континентов, конечно, знали. Тот факт, что континенты сложены очень древними породами, возрастом от 1,5 до 3 миллиардов лет, не опровергла даже Кольская скважина. Однако составленный на основании керна СГ-3 геологический разрез оказался прямо противоположным тому, что ученые представляли себе ранее.

Первые 7 километров были сложены вулканическими и осадочными породами: туфами, базальтами, брекчиями, песчаниками, доломитами. Глубже лежал так называемый раздел Конрада, после которого скорость сейсмических волн в породах резко увеличивалась, что интерпретировалось как граница между гранитами и базальтами. Этот раздел был давно пройден, но базальты нижнего слоя земной коры так нигде и не появились. Наоборот, начались граниты и гнейсы.

Все бурение прошло в гранитном слое. Это сверхважное открытие, ибо с теорией послойного строения Земли связаны все наши представления о возникновении и размещении полезных ископаемых.

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

Разрез Кольской скважины опроверг двухслойную модель земной коры и показал, что сейсмические разделы в недрах - это не границы слоев из пород разного состава. Скорее они указывают на изменение свойств камня с глубиной. При высоком давлении и температуре свойства пород, видимо, могут резко меняться, так, что граниты по своим физическим характеристикам становятся похожи на базальты, и наоборот. Но поднятый на поверхность с 12-километровой глубины «базальт» тут же становился гранитом, хоть и испытывал по пути сильнейший приступ «кессонной болезни» - керн крошился и распадался на плоские бляшки. Чем дальше уходила скважина, тем меньше качественных образцов попадало в руки ученых. 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 еще в поджатом до большого давления состоянии, успевал из породы выходить.

Глубина заключала в себе много неожиданностей. Раньше было естественно думать, что с удалением от поверхности земли, с ростом давления породы становятся более монолитными, с малым количеством трещин и пор. СГ-3 убедила ученых в обратном. Начиная с 9 километров, толщи оказались очень пористыми и буквально напичканы трещинами, по которым циркулировали водные растворы. Позднее этот факт подтвердили другие сверхглубокие скважины на континентах. На глубине оказалось гораздо жарче, чем рассчитывали: на целых 80°С. На отметке 7 км температура в забое была 120°С, на 12 км - достигла уже 230°С. В образцах Кольской скважины ученые обнаружили золотое оруденение. Вкрапления драгоценного металла находились в древних породах на глубине 9,5-10,5 км. Впрочем, концентрация золота была слишком мала, чтобы заявлять о месторождении - в среднем 37,7 мг на тонну породы, но достаточная, чтобы ожидать его и в других подобных местах.

Исследователи выделили в скважине 12 уровней, различаемых по физическим свойствам. Более глубокие уровни, как правило, обладали более высокой изотропией (однородностью). На средних уровнях высокая анизотропия позволила предположить тектоническую активность слоёв.

Хотя в процессе исследования получено много ценнейших сведений о земных недрах, результаты были во многом неожиданны, и на их основании не возникло чёткого понимания природы земной мантии и сущности поверхности Мохоровичича.

«Колодец в ад»

Кольская сверхглубокая послужила источником городской легенды о «дороге в ад» (Well to Hell hoax (англ.).) Эта городская легенда ходит по Интернету по крайней мере с 1997 года. Впервые на английском языке легенда была оглашена в 1989 году в эфире американской телекомпании Trinity Broadcasting Network, которая взяла историю из репортажа финской газеты. По этой легенде в самой толще земли, на глубине 12 тысяч метров, микрофоны ученых записали крики и стоны. В бульварных газетах пишут, что это «глас из преисподней». Кольскую сверхглубокую скважину стали называть «дорогой в ад» - «…каждый новый пробуренный километр принес несчастья стране. Когда буровики вели проходку тринадцатой тысячи метров, распался СССР. Когда скважину пробурили до глубины 14,5 км, вдруг наткнулись на пустомты. Заинтригованные этим неожиданным открытием, буровики спустили туда микрофон, способный работать при чрезвычайно высоких температурах, и другие датчики. Температура внутри достигала 1,100 C - был жар огненных палат, в которых, можно было услышать человеческие крики…»

Что происходит в глубине, доподлинно неизвестно. Температура окружающей среды, шумы и прочие параметры передавались наверх с минутным запаздыванием. Тем не менее, бурильщики рассказывали, 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.

Официально, как уже упоминалось, скважина остановилась из-за недостатка средств. Совпадение или нет - но именно в том 1995 году в глубине шахты раздался мощнейший взрыв неустановленной природы. К жителям Заполярного прорвались журналисты финской газеты - и мир потрясла история о вылетевшем из недр планеты демоне.

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

Были и почти фантастические сенсации. Когда в конце 70х 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.

кольский скважина разрез бурение

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 12262 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. 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 20оС на 1 км вместо ожидавшегося (как и в верхней части) 16оС 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.

Размещено на Allbest.ru