Кольская Сверхглубокая – самая глубокая скважина в мире

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

Проект «мохол»

В 1958 году в США появилась программа сверхглубокого бурения «Мохол». Это один из самых смелых и загадочных проектов послевоенной Америки. Как и многие другие программы, «Мохол» был призван обогнать СССР в научном соперничестве, установив мировой рекорд в сверхглубоком бурении. Название проекта происходит от слов «Мохоровичич» — это фамилия хорватского ученого, который выделил поверхность раздела между земной корой и мантией — границу Мохо, и «hole», что по-английски значит «скважина». Создатели программы решили бурить в океане, где, по данным геофизиков, земная кора значительно тоньше, чем на материках. Надо было спустить трубы на несколько километров в воду, пройти 5 километров океанского дна и достичь верхней мантии.

В апреле 1961 года у острова Гваделупа в Карибском море, где водная толща достигает 3,5 км, геологи пробурили пять скважин, самая глубокая из них вошла в дно на 183 метра. По предварительным расчетам, в этом месте под осадочными породами ожидали встретить верхний слой земной коры — гранитный. Но поднятый из-под осадков керн содержал чистые базальты — эдакий антипод гранитов. Результат бурения обескуражил и в то же время окрылил ученых, они стали готовить новую фазу бурения. Но когда стоимость проекта перевалила за 100 млн. долларов, конгресс США прекратил финансирование. «Мохол» не ответил ни на один из поставленных вопросов, но он показал главное — сверхглубокое бурение в океане возможно.

Похороны откладываются
Сверхглубокое бурение позволило заглянуть в недра и понять, как ведут себя горные породы при высоких давлениях и температуре .Представление, что горные породы с глубиной становятся плотнее и пористость их убывает, оказалось неверным, как и точка зрения о сухих недрах. Впервые это было обнаружено при бурении Кольской сверхглубокой, другие скважины в древних кристаллических толщах подтвердили тот факт, что на многокилометровой глубине горные породы разбиты трещинами и пронизаны многочисленными порами, а водные растворы свободно движутся под давлением в несколько сот атмосфер. В этом открытии состоит одно из важнейших достижений сверхглубокого бурения. Оно заставило вновь обратиться к проблеме захоронения радиоактивных отходов, которые предполагалось помещать в глубокие скважины, что казалось совершенно безопасным. Учитывая информацию о состоянии недр, полученную в ходе сверхглубокого бурения, проекты создания подобных могильников ныне выглядят весьма рискованными.

В поисках остывшего пекла

С тех пор мир заболел сверхглубоким бурением. В США готовили новую программу изучения океанского дна (Deep Sea Drilling Project). Построенное специально для этого проекта судно «Гломар Челленджер» несколько лет провело в водах различных океанов и морей, пробурив в их дне почти 800 скважин, достигнув максимальной глубины 760 м. К середине 1980-х годов результаты морского бурения подтвердили теорию тектоники плит. Геология как наука родилась заново. Тем временем Россия шла своим путем. Интерес к проблеме, разбуженный успехами США, вылился в программу «Изучение недр Земли и сверхглубокое бурение», но не в океане, а на континенте. Несмотря на многовековую историю, континентальное бурение представлялось совершенно новым делом. Ведь речь шла о недостижимых ранее глубинах — более 7 километров. В 1962 году Никита Хрущев утвердил эту программу, хотя руководствовался он скорее политическими мотивами, нежели научными. Ему не хотелось отстать от США.

Возглавил вновь созданную лабораторию при Институте буровой техники известный нефтяник доктор технических наук Николай Тимофеев. Ему было поручено обосновать возможность сверхглубокого бурения в кристаллических породах — гранитах и гнейсах. На исследования ушло 4 года, и в 1966 году эксперты вынесли вердикт — бурить можно, причем не обязательно техникой завтрашнего дня, достаточно того оборудования, что уже есть. Главная проблема — жара на глубине. Согласно расчетам, по мере внедрения в горные породы, слагающие земную кору, температура должна увеличиваться через каждые 33 метра на 1 градус. Значит, на глубине 10 км надо ожидать порядка 300°С, а на 15 км — почти 500°С. Такого нагрева бурильные инструменты и приборы не выдержат. Надо было искать место, где недра не столь горячи…

Такое место нашли — древний кристаллической щит Кольского полуострова. Отчет, подготовленный в Институте физики Земли, гласил: за миллиарды лет своего существования Кольский щит остыл, температура на глубине 15 км не превышает 150°С. А геофизики подготовили примерный разрез недр Кольского полуострова. По их данным, первые 7 километров — это гранитные толщи верхней части земной коры, потом начинается базальтовый слой. Тогда представление о двухслойном строении земной коры было общепринятым. Но как оказалось позднее, и физики, и геофизики ошибались. Площадку для буровой выбрали на северной оконечности Кольского полуострова близ озера Вильгискоддеоайвинъярви. По-фински это значит «Под волчьей горой», хотя ни горы, ни волков в том месте нет. К бурению скважины, проектная глубина которой составляла 15 километров, приступили в мае 1970 года.

Разочарование шведов
В конце 1980-х годов в Швеции в поисках природного газа небиологического происхождения пробурили скважину до глубины 6,8 км. Геологи решили проверить гипотезу, согласно которой нефть и газ образуются не из отмерших растений, как считает большинство ученых, а посредством мантийных флюидов — горячих смесей газов и жидкостей. Насыщенные углеводородами флюиды просачиваются из мантии в земную кору и накапливаются в больших количествах. В те годы идея о происхождении углеводородов не из органического вещества осадочных толщ, а посредством глубинных флюидов была в новинку, многие хотели ее проверить. Из этой идеи следует, что запасы углеводородов могут содержать не только осадочные, но также вулканические и метаморфические породы. Вот почему Швеция, большей частью расположенная на древнем кристаллическом щите, взялась поставить эксперимент.

Для бурения выбрали кратер Сильян Ринг диаметром 52 км. По геофизическим данным, на глубине 500—600 метров находились кальцинированные граниты – возможная покрышка для нижележащего резервуара углеводородов. Замеры ускорения силы тяжести, по изменению которой можно судить о составе и плотности залегающих в недрах горных пород, говорили о наличии высокопористых пород на глубине 5 км – возможного коллектора нефти и газа. Результаты бурения разочаровали ученых и инвесторов, вложивших в эти работы 60 млн. долларов. Пройденные толщи не содержали промышленных запасов углеводородов, только проявления нефти и газа явно биологического происхождения из древних битумов. Во всяком случае, никому не удалось доказать обратное.

Инструмент для преисподней


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. Так ведется обычное бурение.

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 установили миниатюрные турбины, их запускал буровой раствор, нагнетаемый по трубам под давлением. Турбины вращали твердосплавную коронку и вырезали керн. Вся технология была хорошо отработана, оператор на пульте управления видел вращение коронки, знал ее скорость и мог управлять процессом.

Каждые 8—10 метров многокилометровую колонну труб приходилось поднимать наверх. Спуск и подъем в общей сложности занимали 18 часов.

Алмазные грезы Поволжья
Когда в Нижегородской области были найдены мелкие алмазы, это немало озадачило геологов. Конечно, проще всего было предположить, что драгоценные камни принес ледник или речные воды откуда-то с севера. Но вдруг местные недра скрывают кимберлитовую трубку — вместилище алмазов? Проверить эту гипотезу решили в конце 1980-х годов, когда программа научного бурения в России набирала обороты. Место для бурения выбрали севернее Нижнего Новгорода, в центре гигантской кольцевой структуры, которая хорошо выделяется в рельефе. Одни считали ее метеоритным кратером, другие — трубкой взрыва или жерлом вулкана. Бурение прекратили, когда Воротиловская скважина достигла глубины 5 374 м, из которых более километра приходилось на кристаллические породы фундамента. Кимберлитов там не нашли, но справедливости ради следует сказать, что в споре о происхождении этой структуры точку тоже не поставили. Добытые из недр факты одинаково подходили для сторонников обеих гипотез, в итоге каждый остался при своем мнении. А скважину превратили в глубинную геолабораторию, которая действует и поныне.

Коварство цифры «7»

7 километров — отметка для Кольской сверхглубокой роковая. За ней начались неизвестность, множество аварий и непрерывная борьба с горными породами. Ствол никак не удавалось держать вертикально. Когда в первый раз прошли 12 км, скважина отклонилась от вертикали на 21°. Хотя буровики уже научились работать при невероятной кривизне ствола, дальше углубляться было нельзя. Скважину предстояло перебурить с отметки 7 километров. Чтобы получать вертикальный ствол в твердых породах, нужен очень жесткий низ бурильной колонны, дабы он входил в недра, как в масло. Но возникает и другая проблема — скважина постепенно расширяется, бур болтается в ней, как в стакане, стенки ствола начинают рушиться и могут придавить инструмент. Решение этой задачи получилось оригинальным — была применена технология маятника. Бур искусственно раскачивался в скважине и подавлял сильные колебания. За счет этого ствол получался вертикальным.
Наиболее распространенная авария на любой буровой — обрыв колонны труб. Обычно трубы пытаются захватить вновь, но если это случается на большой глубине, то проблема переходит в разряд неустранимых. Искать инструмент в 10-километровой скважине бесполезно, такой ствол бросали и начинали новый, чуть выше. Обрыв и потеря труб на СГ-3 случались многократно. В итоге в своей нижней части скважина выглядит как корневая система гигантского растения. Разветвленность скважины огорчала буровиков, но оказалась счастьем для геологов, которые неожиданно получили объемную картину внушительного отрезка древних архейских пород, сформировавшихся более 2,5 млрд. лет назад.

В июне 1990 года СГ-3 достигла глубины 12 262 м. Скважину стали готовить к проходке до 14 км, и тут вновь произошла авария — на отметке 8 550 м колонна труб оборвалась. Продолжение работ требовало долгой подготовки, обновления техники и новых затрат. В 1994 году бурение Кольской сверхглубокой прекратили. Через 3 года она попала в Книгу рекордов Гиннесса и до сих пор остается непревзойденной. Сейчас скважина представляет собой лабораторию для изучения глубоких недр.

Засекреченные недра

СГ-3 была секретным объектом с самого начала. Виноваты и пограничная зона, и стратегические месторождения в округе, и научный приоритет. Первым иностранцем, посетившим буровую, стал один из руководителей Академии наук Чехословакии. Позже, в 1975 году, о Кольской сверхглубокой вышла статья в «Правде» за подписью министра геологии Александра Сидоренко. Научных публикаций по Кольской скважине по-прежнему не было, но кое-какие сведения за рубеж просачивались. Больше по слухам мир стал узнавать — в СССР бурят самую глубокую скважину.
Завеса тайны, наверное, висела бы над скважиной до самой «перестройки», не случись в 1984 году в Москве Всемирного геологического конгресса. К столь крупному в научном мире событию тщательно готовились, для Министерства геологии даже построили новое здание — ожидали много участников. Но зарубежных коллег интересовала в первую очередь Кольская сверхглубокая! Американцы вообще не верили в то, что она у нас есть. Глубина скважины к тому моменту достигла 12 066 метров. Скрывать объект более не имело смысла. В Москве участников конгресса ждала выставка достижений российской геологии, один из стендов был посвящен скважине СГ-3. Специалисты всего мира недоуменно взирали на обычную буровую головку со стертыми твердосплавными зубьями. И этим бурят самую глубокую в мире скважину? Невероятно! В поселок Заполярный отправилась большая делегация геологов и журналистов. Посетителям показали буровую в действии, доставали и отсоединяли 33-метровые секции труб. Вокруг высились кучи точно таких же буровых головок, как и та, что лежала на стенде в Москве.

От Академии наук делегацию принимал известный геолог, академик Владимир Белоусов. Во время пресс-конференции из зала ему задали вопрос:

— Что же самое главное показала Кольская скважина?

— Господа! Главное, она показала то, что мы ничего не знаем о континентальной коре, — честно ответил ученый.

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

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