12 бездонных фактов о кольской сверхглубокой скважине
Содержание:
Предпосылки появления
Почтовая марка СССР, 1987 год
Попытки глубинного исследования недр Земли уходят в глубокую древность. В XIII веке китайцам удавалось прорыть скважины глубиной 1200 метров. К началу XX века мировой наукой был накоплен большой объём знаний по строению верхних слоёв литосферы. Было предпринято несколько попыток пробурить сверхглубокие скважины для проверки теорий на фактическом материале. В 1930 году в Европе смогли пробурить земную поверхность на глубину 3 км. В конце 1950-х годов глубина пробуренных скважин увеличилась до 7 км. В 1957 году США приступили к осуществлению аналогичного проекта. В 1958 году была создана программа Проект «Мохол», для бурения коры под Тихим океаном. Проект был так назван в честь хорватского ученого Андрии Мохоровичича, который исследовал земную кору и мантию. Часть названия, «hole», переводится с английского языка на русский как «дыра». Однако работа в рамках проекта была прекращена в 1966 году из-за отсутствия финансирования.
Наиболее удобными местами для сверхглубокого бурения являются районы земной поверхности, где толщина чехла осадочных пород имеет самые минимальные значения или вовсе отсутствуют. Кольский полуостров — одно из немногих мест на материковой поверхности Земли, где чехол осадочных пород полностью отсутствует, и поверхность сложена породами очень древнего происхождения — их возраст составляет около 3 млрд. лет (для сравнения: возраст Земли оценивается в 4,5 млрд. лет). В 1968 году для окончательного выбора места бурения была создана Кольская геологоразведочная экспедиция сверхглубокого бурения (Кольская ГРЭ) под руководством Д. М. Губермана. Собственно Кольская сверхглубокая скважина была заложена в 1970 году, в годовщину 100-летия со дня рождения В. Ленина.
Исследования
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 и повышенной температуры у гранитов сильно менялись физические 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 подъёме бурового снаряда, когда «излишний» газ, находясь ещё в поджатом до большого давления состоянии, успевал выходить из породы.
Густота трещин на большой глубине, вопреки ожиданиям, увеличивалась. На глубине присутствовала также вода, заполнявшая трещины.
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 было получено много ценнейших сведений о земных недрах, результаты оказались во многом неожиданны, и на их основании не возникло чёткого понимания природы земной мантии и сущности поверхности Мохоровичича.
На пятикилометровой глубине окружающая температура превысила 70 °C, на семи — 120 °C, а на глубине 12 километров датчики зафиксировали 220 °C.
Буровая установка
Сначала бурение велось серийной буровой установкой «Уралмаш-4Э», которую применяют для бурения скважин при поиске и разведке месторождений нефти и газа. С глубины 7263 метра бурение продолжили установкой «Уралмаш-15000».
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 — съёмная труба внутри турбобура, служащая для забора образцов породы (керна).
Использовались обычные буровые коронки из твёрдого сплава. Одна коронка служит приблизительно 4 часа, за это время удаётся пробурить 7—10 метров. На спуск и подъём колонны уходит до 18 часов. При этом колонна разбирается на секции из нескольких труб.
Из чего состоит Земля?
В начале XX века считалось, что Земля состоит из коры, мантии и ядра. При этом никто толком не мог сказать, где кончается одно и начинается другое. Учёные не знали даже, из чего, собственно, состоят сами слои. Ещё каких-то 40 лет назад они были уверены, что слой гранитов начинается на глубине 50 метров и продолжается до трёх километров, а затем идут базальты. Пожалуй, нет на планете камня более крепкого, чем гранит. Попробуйте просверлить кусок гранита толщиной в ладонь, и вы сто раз проклянете его. А речь идёт о нескольких километрах! Встретить мантию ожидалось на глубине 15-18 километров. В реальности все оказалось совершенно иначе. И хотя в школьных учебниках все ещё пишут, что Земля состоит из трёх слоёв, учёные с Кольской сверхглубокой доказали, что это не так. Скважина показала, что почти все наши прежние знания о строении земной коры неверны. Выяснилось, что Земля вовсе не похожа на слоёный пирог. По рассказам очевидцев, до четырёх километров все шло по теории, а дальше началось светопреставление. 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 пяти километрах температура перевалила за 700 градусов Цельсия, на семи — за 1200 градусов, а на глубине 12 жарило сильнее 2200 градусов — на 1000 градусов выше предсказанного. Кольские бурильщики поставили под сомнение теорию послойного строения земной коры — по крайней мере, в интервале до 12262 метров. В школе нас учили: есть молодые породы, граниты, базальты, мантия и ядро. Но граниты оказались на три километра ниже, чем рассчитывали. Дальше должны были быть базальты. Их вообще не нашли. 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. Ещё один сюрприз: жизнь на планете Земля возникла, оказывается, на 1,5 миллиарда лет раньше, чем предполагалось
На глубинах, где, как считалось, органики не существует, обнаружили 14 видов окаменевших микроорганизмов — возраст глубинных слоёв превышал 2,8 миллиарда лет. На ещё больших глубинах, где уже нет осадочных пород, появился метан в огромных концентрациях. Это полностью разрушило теорию биологического происхождения нефти и газа. Кстати, о том, что возраст Земли больше предполагаемого и что жизнь на ней появилась значительно раньше, писал ещё в далёком 1961 году французский учёный, историк и писатель Жозеф Рони-старший. Увы, без убедительной аргументации. Он же выдвинул и теорию строения Земли, соответствующую научным данным, полученным при бурении скважины на Кольском полуострове.
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.
Результаты исследований полученные в ходе бурения и изучения скважины СГ-3 (общие положения)
- Геолого-геофизическая информация о глубинном строении Балтийского щита существенно уточнила теоретические представления, господствовавшие до бурения скважины. На основании непосредственного изучения минерально-геохимического состава пород керна и проведения комплекса геофизических исследований в стволе скважины были получены данные о вещественном составе и физическом состоянии глубинных пород, существенно отличающиеся от данных модели разреза, составленного по геофизическим данным до бурения скважины. На основании этих данных стала возможной обоснованная интерпретация геофизических материалов, играющая большую роль при разработке тектонических проблем геологии.
- Установлены закономерные изменения с глубиной состава и свойств пород. Впервые в едином разрезе выявлена вертикальная зональность метаморфизма пород, отличающаяся от теоретической модели, что использовано для развития теории петрогенеза.
- Установлены различные режимы поведения свободной и связанной воды при прогрессивном зональном метаморфизме; изохимический характер для петрогенных элементов и существенное перераспределение элементов-примесей при усилении метаморфизма и особенно при ультраметаморфизме.
- Экспериментально выяснен геотермический режим древней земной коры. Установлен более высокий, чем предполагалось, геотермический градиент. Выяснена роль мантийного и радиогенного источников в общем глубинном потоке тепла. Сделан существенный вклад в разработку термической модели формирования земной коры, учитывающий реальную долю эндогенного тепла.
Самые длинные скважины в России
Рядом с островом Сахалин находится огромное нефтегазовое месторождение. В 2003 году началась его разработка. При этом нефтяникам удалось пробурить очень глубокие отверстия и поставить рекорд по их протяженности и общей длине горизонтального ствола.
Работы велись несколькими международными корпорациями, в том числе НК «Роснефть». Бурение происходило в море, в шельфовой зоне, на глубине 15-30 метров. Применялась современная техника: например, платформа «Орлан».
В 2011 году создана самая длинная в мире нефтескважина протяженностью 12245 м. Работы завершились всего за два месяца после бурения объекта под названием О-13 с рекордной длиной ствола − 13500 м. Одновременно создана и уникальная горизонтальная скважина − 12000 метров.
В 2014 году на шельфовом месторождении поставлены новые рекорды. Разработка Z-40 достигла протяженности 13000 м.
Теперь рядом с Сахалином существуют восемь самых длинных в мире скважин. С их помощью добыто 70 млн тонн нефти и 15 миллиардов кубометров газа. Продолжается разработка новых шельфовых месторождений. При этом рекорд континентального бурения удерживает Кольская.
