Кольская сверхглубокая скважина или колодец в ад. Сверхглубокое бурение

Сверхглубокое бурение

По существующей классификации к глубоким относятся скважины глубиной 3 000-6000 м, а к сверхглубоким - глубиной 6 000 м и более.

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.

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. 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. 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. 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.

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. Демонстрация Кольской скважины в 1984 году произвела на мировую общественность глубокое впечатление. Многие страны начали готовить проекты по научному бурению на континентах. Такую программу утвердили и в Германии в конце 1980-х годов. Сверхглубокую скважину KTB Хауптборунг бурили с 1990 по 1994 год, по плану она должна была достичь глубины 12 км, но из-за непредсказуемо высоких температур удалось добраться только до отметки 9,1 км. Благодаря открытости данных по буровым и научным работам, хорошей технологии и документированности сверхглубокая скважина КТВ остается одной из самых известных в мире.

Место для бурения этой скважины выбрали на юго-востоке Баварии, на остатках древней горной цепи, чей возраст исчисляется 300 миллионами лет. Геологи полагали, что где-то здесь проходит зона соединения двух плит, бывших некогда берегами океана. По мнению ученых, со временем верхняя часть гор стерлась, обнажив остатки древней океанской коры. Еще глубже, в десяти километрах от поверхности, геофизики обнаружили крупное тело с аномально высокой электрической проводимостью. Его природу также надеялись прояснить с помощью скважины. Но основной задачей было достичь глубины 10 км, чтобы приобрести опыт сверхглубокого бурения. Изучив материалы Кольской СГ-3, немецкие буровики решили сначала пройти пробную скважину глубиной 4 км, чтобы составить более точное представление об условиях работы в недрах, опробовать технику и взять керн. По окончании пилотных работ многое из бурильного и научного оборудования пришлось переделывать, кое-что создавать заново.

Основную - сверхглубокую - скважину КТВ Хауптборунг заложили всего в двухстах метрах от первой. Для работ соорудили 83метровую вышку и создали мощнейшую по тем временам бурильную установку грузоподъемностью 800 тонн. Многие бурильные операции автоматизировали, в первую очередь механизм спуска и подъема колонны труб. Самонаводящаяся система вертикального бурения позволяла делать почти отвесный ствол. Теоретически с таким оборудованием можно было бурить до глубины 12 километров. Но реальность как всегда оказалась сложнее, и планы ученых не сбылись.

Проблемы на скважине КТВ начались после глубины 7 км, повторив многое из судьбы Кольской сверхглубокой. Сначала, как полагают из-за высокой температуры, сломалась система вертикального бурения и ствол пошел вкось. В конце работ забой отклонился от вертикали на 300 м. Потом начались аварии посложнее - обрыв бурильной колонны. Так же как и на Кольской, приходилось бурить новые стволы. Определенные трудности доставляло сужение скважины - вверху ее диаметр составлял 71 см, внизу - 16,5 см. Бесконечные аварии и высокая температура в забое –270°С вынудили буровиков прекратить работы невдалеке от заветной цели.

Нельзя сказать, что научные результаты КТВ Хауптборунг поразили воображение ученых. На глубине главным образом залегали амфиболиты и гнейсы - древние метаморфические породы. Зону схождения океана и остатки океанической коры нигде не обнаружили. Возможно, они есть в другом месте, здесь же находится небольшой кристаллический массив, вздернутый на высоту 10 км. В километре от поверхности обнаружили месторождение графита.

В 1996 году скважина КТВ, стоившая бюджету Германии 338 млн. долларов, перешла под патронат Научного центра геологии в Потсдаме, ее превратили в лабораторию для наблюдений за глубокими недрами и объект туризма.

В настоящее время пробурены 2 скважины, которые превзошли Кольскую скважину по длине ствола. Это ОР-I (месторождение Одопту, Сахалин, Россия)-12 345 м, Maersk Oil BD-04A (Катар) - 12 290 м.

Самая глубокая нефтяная залежь в нашей стране открыта в районе г.Грозного (Чеченская Республика) на глубине 5300 м, а промышленный приток газа получен в Прикаспийской впадине с глубины 5370 км. За рубежом самая большая глубина с которой ведется добыча газа-7460 м (США, Техас).

В Удмуртии тоже есть своя «сверхглубокая» скважина. Это параметрическая скважина, пробуренная в 19991 года в Сарапульском районе, ее глубина составляет 5500 м.

Все сверхглубокие скважины имеют телескопическую конструкцию: бурение начинают с самого большого диа­метра, а затем переходят на меньшие. Так, в Кольской скважине (Россия) диаметр с 92 см в верхней части уменьшился до 21,5 см на глубине 12 262 м. А в скважине КТБ-Оберпфальц (Германия) - с 71 см до 16,5 см на глубине 7500 м. Механическая скорость бурения сверхглубоких скважин составляет 1-3 м/час. За один рейс между спускоподъемными операциями можно углубиться на 6-10 м. Средняя скорость подъема колонны буровых труб равна 0,3-0,5 м/сек. В целом бурение одной сверхглубокой скважины пока занимает годы. Практика проводки скважин в сложных геологических условиях, научные разработки в области бурения и крепления, выполненные в последние годы, позволили увеличить глубину скважин (до 7 000 м и более) и совершенствовать их конс­трукции в следующих направлениях: "увеличение выхода из-под башмака предыдущих колонн, использование долот уменьшенных и малых диаметров; применение способа секционного спуска обсадных колонн и крепление стволов промежуточными ко­лоннами-хвостовиками; использование об­садных труб со сварными соединительными элементами и безмуфтовых обсадных труб со специальными резьбами при компонов­ке промежуточных и в некоторых случаях эксплуатационных колонн; уменьшение конечного диаметра скважин и эксплуата­ционных колонн.

Сверхглубокое бурение основывается на технологии вращательного бурения и последовательного закрепления пройденных интервалов колоннами обсадных труб. Харак­терные особенности технологии: *возрастание с глубиной температуры и гидростатического давления; "потеря устойчивости пород под действием разности между горным и гидро­статическим давлениями; "увеличение массы бурильной и обсадных колонн; "замедление темпов углубления за счет увеличения вре­мени спуска/подъема бурильной колонны и ухудшения буримости пород; "возрастание потерь энергии при передаче силовых воз действий с поверхности на забой; "необхо­димость отбора керна в больших объемах и проведения внутрискважинных геофизичес­ких исследований.

Для сверхглубокого бурения созданы и применяются буровые установки грузоподъемностью до 11 МН (1100 т) общей мощностью до 18 тыс. кВт с насосами (2-4 шт.) на рабочее давление 40-50 МПа мощностью до 1 600 кВткаждый. Как правило, такие установки имеют электричес­кий привод от источника постоянного тока, что позволяет осуществить бесступенчатое регулирование работы основных механизмов. Спуск/подъем бурильной колонны ведется преимущественно с удлиненными до 37 м «свечами» при максимальной механизации и автоматизации процесса. Установки такого типа производятся такими отечественными производителями, как Уральский завод тяже­лого машиностроения (УЗТМ) и Волгоградский завод буровой техники (ВЗБТ).

Деление буровых установок на установки для глубокого и сверхглубокого бурения определяется многими факторами:

1) технической характеристикой установки; нагрузкой на крюке, давлением и подачей буровых насосов, типом и мощностью главного привода; 2) массой наземного оборудования (как следствие технической характеристики буровой установки); 3) .способом монтажа, демонтажа и транспортировки; 4) временем, затрачиваемым строительство буровой; 5) временем бурения скважины; 6) организацией буровых работ.

При cверхглубоком бурении при­меняют роторный или турбинный способ бурения, возможны оба с поинтервальным чередованием. Первый из них нашел широкое распространение на Западе, второй - в России. Турбинный способ позволяет успешно применять бурильные грубы из легких (тер­мостойкие, алюминиевые)сплавов(ЛБТ). По критерию допустимых напряжений в трубах турбинный способ в сочетании с ЛБТ дает возможность в 1,5-2 раза увеличить глубину бурения по сравнению с роторным способом в сочетании со стальными трубами (СБТ) при той же грузоподъемности. Это преимущество подтверждено практикой бурения Кольской скважины: при ее проводке применялась со­ставная колонна из ЛБТ (низ) и СБТ (верх), примерно 2 ООО м, с использованием алю­миниевых сплавов, которые были в 2,4 раза легче стали. Общая тенденция добычи нефти и газа со все более глубоко залегающих горизонтов может быть проиллюстрирована следующими цифрами. Еще 20 лет назад основная добыча нефти (66%) осуществлялась из самых молодых кайнозойских пород. Из более древних мезозойских пород добывали 19% нефти, а из самых древних палеозойских пород -15%. Сейчас ситуация изменилась: основными поставщиками нефти стали мезозойские породы, на втором месте - породы палеозоя.

Предотвращение искривления сверх­глубоких скважин - важное условие успеш­ной их проводки. Для поддержания сил со­противления движению бурильной колонны и износа обсадных колонн в допустимых пределах стремятся, чтобы интенсивность искривления не превышала 2-3° на 1 км при соблюдении постоянства азимута искрив­ления, а абсолютная величина зенитного угла не превышала 10-12°. Особо жесткие требования предъявляются к вертикальнос­ти верхней части ствола. Для борьбы с кри­визной обычно используют жесткие ком­поновки низа бурильной колонны (КНБК) с полноразмерными центраторами, а при отсутствии должного эффекта - КНБК маятникового типа. В верхней части скважин (до 3-4 км) при бурении ствола большого диаметра успешно применяют реактивно-турбинные буры.

Развитие сверхглубокого бурения в обозримом будущем, по всей видимости, будет основываться на технологии вращательного бурения. По мере увеличения глубин (более 10 км) забойный привод долота будет вытеснять роторный способ, открывая дорогу для реализации принци­пиальных преимуществ бурильных труб из легких металлических сплавов на основе алюминия и титана. В центре внимания, вероятно, окажется термостойкий редукторный турбобур.

Есть планы по бурению 20-ти километровой скважины со дна Тихого океана.

Сверхглубокое бурение недаром сравнивают с покорением космоса. Такие программы, с глобальным размахом, вбирающие в себя все лучшее, чем располагает на данный момент человечество, дают толчок развитию многих отраслей промышленности, техники и в конечном итоге готовят почву для нового прорыва в науке. В таблице 23 приведены сведения о самых глубоких скважинах мира, на рисунке 36 показано расположение сверхглубоких скважие на территории бывшего СССР.

Таблица 23. Самые глубокие скважины мира

Название скважины	Местоположение	Время бурения	Глубина бурения, м	Цель бурения
Проектная	Фактическая
Аралсорская СГ-1	Прикаспийская низменность	1962 -1971		6 800	Поиск нефти и газа
Биикжальская СГ-2	Прикаспийская низменность	1962 -1971		6 200	Поиск нефти и газа
Кольская СГ-3	Кольский полуостров	1970 -1992	15 000	12 262	Научное бурение
Саатлинская	Азербайджан	1977 -1990	11 500	8 324	Поиск нефти и газа
Колвинская	Архангельская область			7 057
Мурунтауская СГ-10	Узбекистан		7 000	3 000	Поиск золота
Тимано-Печорская СГ-5	Северо-Восток России	1984 -1993	7 000	6 904
Тюменская СГ-6	Западная Сибирь	1987 -1996	8 000	7 502	Поиск нефти и газа
Ново-Елховская	Татарстан			5 881
Воротиловская	Поволжье	1989 -1992		5 374	Поиск алмазов, изучение Пучеж-Катункской астроблемы.
Криворожская СГ-8	Украина	1984-1993	12 000	5 382	Поиск железистых кварцитов
Уральская СГ-4	Средний Урал		15 000	6 100	Поиск медных руд, Изучение строения Урала
Ен-Яхтинская СГ-7	Западная Сибирь		7 500	6 900	Поиск нефти и газа
Сарапульская Параметрическая	Удмуртия		5 500	5 500	Научное бурение
Юниверсити	США	70-е годы ХХ века		8 686	Поиск нефти и газа
Бейден-Юнит	США			9 159	Поиск нефти и газа
Берта-Роджерс	США			9 583	Поиск нефти и газа
Цистердорф	Австрия			8 553	Поиск нефти и газа
Сильян Ринг	Швеция			6 800	Поиск нефти и газа
Бигхорн	США, Вайоминг	80-е годы ХХ века		7 583	Научное бурение
КТВ Hauptbohrung	Германия	1990-1994	12 000	9 101	Научное бурение
Mirow-1	Германия	1974-1979			Поиск нефти и газа
Maersk Oil BD-04A	Катар			12 290	Поиск нефти и газа
ОР-I	Сахалин, Россия		12 345	12 345	Поиск нефти и газа

Рис. 36. Карта расположения глубоких и сверхглубоких скважин на территории России

Несмотря на то, что на дворе стоит XXI век, внутреннее строение нашей планеты изучено очень мало. Мы неплохо знаем о том, что творится в далеком космосе, в то же время степень проникновения в тайны Земли можно сравнить с легким булавочным уколом в поверхность корки арбуза.
В середине 1950-х, когда бурильщики научились делать скважины глубиной более 7 км, человечество приблизилось к осуществлению весьма амбициозной задачи – пройти сквозь земную кору и посмотреть, что скрывается под ней. Ближе всех к этой цели подошли наши соотечественники, пробурившие Кольскую сверхглубокую скважину.
Твердая оболочка Земли на удивление тонка относительно ее размеров – толщина коры варьируется в пределах 20-65 км на суше и 3-8 км под океаном, занимая менее 1% объема планеты. За ней находится обширный слой – мантия, – на чью долю приходится основной объем Земли. Еще ниже находится плотное ядро, состоящее преимущественно из железа, а также никеля, свинца, урана и других металлов. Между корой и мантией выделяется пограничная зона, названная по имени открывшего ее югославского ученого поверхностью (границей) Мохоровича, или сокращенно - Мохо. В этой зоне скорость распространения сейсмических волн резко увеличивается. Существует ряд гипотез, призванных объяснить это явление, однако в целом оно остается неразгаданным.

Важнейшей целью самых серьезных проектов по глубокому бурению, запущенных во второй половине XX в., являлся именно этот таинственный слой. Достичь его исследователям так и не удалось, однако данные о строении земной коры, полученные в ходе бурения сверхглубоких скважин, оказались настолько неожиданными, что граница Мохоровича как бы отошла на второй план. Сперва понадобилось объяснить загадки, обнаруженные в более высоких слоях.
Первыми за глубинное бурение земной коры в научных целях принялись американцы. В 1960-х ими был запущен научный проект «Мохол» (Mohole), предусматривавший создание подводных с помощью специальных буровых судов. В течение последующих тридцати лет в морях и океанах появилось более 800 скважин, многие из которых расположены на глубинах более 4 км. Самая длинная скважина смогла углубиться в морское дно всего на 800 м, и все же полученные данные имели колоссальное значение для геологии. В частности, они послужили весомым подтверждением т.н. тектонической теории, согласно которой в основе континентов лежат твердые литосферные плиты, медленно плавающие, погруженные в жидкую мантию.

Разумеется, СССР не мог отстать от заокеанского конкурента, поэтому в середине 1960-х и у нас были запущены многочисленные проекты по исследованию земной коры. Советские ученые пошли несколько иным путем, решив бурить скважины не в море, а на земле. Самым известным и успешным проектом подобного рода является Кольская сверхглубокая скважина – самая глубокая «дыра в земле» из всех, когда-либо сделанных человеком. Скважина расположена в северной оконечности Кольского полуострова. Это место было выбрано отнюдь не случайно – на протяжении сотен миллионов лет естественная эрозия разрушала поверхность Кольского кристаллического щита, сдирая с него верхние слои породы. В результате на поверхности оказались древние архейские слои, соответствующие глубинам в 5-10 км для среднестатистического разреза земной коры континентального типа. 15-километровая проектная глубина скважины позволяла ученым надеяться на достижение загадочной поверхности Мохоровича.
Бурение Кольской скважины началось в 1970 г, а закончилось оно более 20 лет спустя – в 1994 г. Сперва бурильщики работали вполне традиционными методами: в скважину опускалась колонна из легкосплавных труб, на конце которой укреплен цилиндрический металлический бур с алмазными зубьями и датчиками. Колонну вращал двигатель, расположенный на поверхности. По мере увеличения глубины скважины к трубам добавлялись новые секции. Периодически всю колонну приходилось поднимать на поверхность, чтобы извлечь вырезанный керн породы и заменить затупившуюся коронку. К сожалению, эта отработанная технология становится неэффективной, когда глубина скважины превышает определенную отметку: трение труб о стенки скважины становится слишком большим, чтобы весь этот огромный вал можно было проворачивать. Чтобы преодолеть это затруднение, инженеры разработали схему, при которой вращалась только головка бурильной установки. На конце колонны укрепили турбины, через которые пропускался буровой раствор – специальная жидкость, выполняющая роль смазки и циркулирующая по трубам. Эти турбины и заставляли бур вращаться.

Образцы, извлеченные на поверхность в процессе бурения, произвели в геологии настоящий переворот. Существовавшие представления о строении земной коры оказались далеки от действительности. Первым сюрпризом стало отсутствие перехода от гранита к базальту, который ученые ожидали увидеть на глубине около 6 км. Сейсмологические исследования говорят о том, что в этом районе скорость распространения акустических волн резко меняется, что интерпретировалось как начало базальтового фундамента земной коры. Однако и после зоны перехода на поверхность продолжали подниматься граниты и гнейсы. С этого момента стало ясно, что господствующая модель двухслойной земной коры неверна. Сейчас наличие сейсмического перехода объясняется изменением свойств породы в условиях возросшего давления и температуры.
Еще более удивительным открытием был тот факт, что породы, расположенные на глубинах более 9 км, оказались чрезвычайно пористыми. До этого, считалось, что по мере увеличения глубины и давления, они, напротив, должны становиться все более плотными. Миниатюрные трещины заполнял водный раствор, чье происхождение долгое время оставалось абсолютно неясным. Позже была выдвинута теория, согласно которой обнаруженная вода образуется из атомов водорода и кислорода, которые «выдавливаются» из окружающей породы под действием колоссальных давлений.
Еще один сюрприз: жизнь на планете Земля возникла, оказывается, на 1,5 миллиарда лет раньше, чем предполагалось. На глубине в 6,7 км, где считалось, что нет органики, обнаружили 14 видов окаменевших микроорганизмов. Они были найдены в крайне нехарактерных углеродно-азотных отложениях (вместо обычного известняка или кремнезема), возраст которых 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.
Ученых крайне удивила и скорость, с которой возрастала температура по мере углубления скважины. На отметке в 7 км она достигала 120 °C, а на глубине в 12 км – уже 230 °C, что было на треть выше планируемого значения: температурный градиент коры составил почти 20 градусов на 1 км, вместо ожидаемых 16-ти. Было также выяснено, что половина теплового потока имеет радиогенное происхождение. Высокая температура негативно сказывалось на работе коронки, поэтому буровой раствор стали охлаждать перед закачиванием в скважину. Эта мера оказалось достаточно эффективной, однако после прохождения отметки в 12 км и она уже не смогла обеспечить достаточный отвод тепла. К тому же сдавленная и нагретая порода приобретала некоторые свойства жидкости, в результате чего скважина начинала заплывать при очередном извлечении буровой колонны. Дальнейшее продвижение вперед оказалось невозможным без новых технологических решений и существенных денежных затрат, поэтому в 1994 г. бурение было приостановлено. К тому моменту скважина успела углубиться на 12262 м.

«Доктор Губерман, какого черта вы откопали там внизу?» - реплика из зала прервала доклад российского ученого на заседании ЮНЕСКО в Австралии. За пару недель до этого, в апреле 1995 года, по миру прокатилась волна сообщений о таинственной аварии на Кольской сверхглубокой скважине..

Якобы на подходе к 13-му километру приборы зафиксировали странный шум, доносящийся из недр планеты, - желтые газеты в один голос уверяли, что так звучать могут только вопли грешников из преисподней. Через несколько секунд после появления страшного звука прогремел взрыв…

Космос под ногами

В конце 70-х - начале 80-х устроиться работать на Кольскую сверхглубокую, как запанибратски называют скважину жители поселка Заполярный Мурманской области, 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 нашей.

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.

Балтийский щит

Проекты путешествия в глубь Земли появились в начале 60-х сразу в нескольких странах. 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 километров под четырехкилометровой толщей воды. Увы, ни одна океанская буровая глубже 3 километров не пробилась.

Вообще, почти все проекты сверхглубоких скважин мистическим образом заканчивались на трехкилометровой глубине. Именно в этот момент с бурами начинало происходить что-то странное: то они попадали в неожиданные сверхгорячие области, то их как будто откусывал какой-то невиданный монстр. Глубже 3 километров прорвались всего 5 скважин, из них 4 - советские. И только Кольской сверхглубокой было суждено преодолеть отметку 7 километров.

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.

Покорительница глубин

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.

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

12 226 метров открытий и немного чертовщины

«Имеем самую глубокую дыру в мире - так надо пользоваться!» - горько восклицает бессменный директор научно-производственного центра «Кольская сверхглубокая» Давид Губерман. В первые 30 лет существования Кольской сверхглубокой советские, а затем российские ученые прорвались на глубину 12 226 метров. Но с 1995-го бурение прекращено: стало некому финансировать проект. Того, что выделяется в рамках научных программ ЮНЕСКО, хватает только на поддержание буровой станции в рабочем состоянии и изучение ранее извлеченных образцов пород.

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

Соответственно, скважину можно будет рыть чуть ли не до 20 километров, как раз до мантии. Но уже на 5 километрах окружающая температура перевалила за 70 ºC, на семи - за 120 ºC, а на глубине 12 жарило сильнее 220 ºC - на 100 ºC выше предсказанного. Кольские бурильщики поставили под сомнение теорию послойного строения земной коры - по крайней мере, в интервале до 12 262 метра.

В школе нас учили: есть молодые породы, граниты, базальты, мантия и ядро. Но граниты оказались на 3 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.

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

Демоны

Были и почти фантастические сенсации. Когда в конце 70-х годов советская автоматическая космическая станция привезла на Землю 124 грамма лунного грунта, исследователи Кольского научного центра установили, что он как две капли воды похож на пробы с глубины 3 километров. И возникла гипотеза: Луна оторвалась от Кольского полуострова. Теперь ищут, где именно.

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

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

Кольская сверхглубокая скважина С конца XIX века считалось, что Земля состоит из коры, мантии и ядра. При этом никто толком не мог сказать, где кончается один слой и начинается следующий. Ученые не знали даже, из чего, собственно, эти слои состоят. Еще каких-нибудь 30 лет назад исследователи были уверены, что слой гранитов начинается на глубине 50 метров и продолжается до трех километров, а затем идут базальты. Мантия предполагалась на глубине 15-18 километров.

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

Погружение на три миллиарда лет

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

Первые отечественные проекты также предполагали подводное бурение - в Каспийском море или на Байкале. Но в 1963 году ученый-буровик Николай Тимофеев убедил Государственный комитет по науке и технике СССР в том, что нужно создать скважину на континенте. Хотя бурить придется несравненно дольше, полагал он, скважина будет куда ценнее с научной точки зрения. Место бурения выбрали на Кольском полуострове, который расположен на так называемом Балтийском щите, состоящем из самых древних известных человечеству земных пород. Многокилометровый срез пластов щита должен был, по задумке ученых, показать картину истории планеты за последние три миллиарда лет.

Все глубже, и глубже, и глубже...

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

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

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

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

Открытия и находки

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

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

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

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

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

Кольская сверхглубокая опередила свое время

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

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

Попытка изучить геологический разрез и толщу вулканических пород, выходящих на поверхность земли, подвигло научные центры и, иже с ними, научно-исследовательские организации выявить происхождение глубинных разломов. Дело в том, что структурные образцы пород, ранее извлеченные из недр Земли и Луны, представляли тогда равный интерес для изучения. И выбор точки заложения устья пал на существующий огромный чашеподобный прогиб, происхождение которого связывается с наличием глубинного разлома на участке Кольского полуострова.

Считалось, что Земля представляет собой этакий бутерброд, состоящий из коры, мантии и ядра. К этому времени, близкие к поверхности, осадочные породы были достаточно исследованы при разработке нефтяных месторождений. Разведка же на цветные металлы редко сопровождалась бурением ниже 2000 - метровой отметки.

Кольская СГ (сверхглубокая), ниже глубины 5000 метров, предполагала обнаружить раздел гранитных и базальтовых пластов. Этого не случилось. Бурильный снаряд прошивал твердые гранитные породы до отметки 7000 метров. Далее проходка пошла по, относительно, мягким грунтам, что и стало причиной обрушения стенок ствола и образования каверн. Осыпанный грунт заклинивал головку инструмента настолько, что при подъёме колонна труб обрывалась, приводя к аварии. Кольская скважина должна была подтвердить или опровергнуть эти давно устоявшиеся учения. К тому же учёные круги не рисковали указывать интервалы, где именно проходят границы между этими тремя слоями. Кольская скважина предназначалась для разведки и изучения месторождений минеральных ресурсов, определения закономерности и поэтапного образования полей залегания запасов сырья. В основу была положена, прежде всего, научная обоснованность теории физических, гидрогеологических и прочих параметров глубин Земли. И достоверную информацию о геологическом строении недр могла дать только сверхглубокая проходка ствола.

Между тем, многолетняя подготовка к началу буровых работ, предусматривала: возможность возрастания температуры по мере углубления, увеличение гидростатического давления пластов, непредсказуемость поведения пород, их устойчивость в связи с наличием горного и пластового давлений.

С технической точки зрения во внимание были приняты все возможные трудности и препятствия, которые могли привести к замедлению процесса углубления из-за потерь времени на спуск-подъём снаряда, снижения скорости бурения в связи с изменением категории пород, увеличения затрат энергии на забойные движители.
Наиболее сложным фактором считалось постоянное увеличение веса обсадной колонны и бурильной трубы по мере углубления.

Успешными стали технические наработки в области:
- повышения грузоподъемности, мощности и других характеристик буровой оснастки и оборудования;
- термостойкости породоразрушающего инструмента;
- автоматизации управления всеми этапами процесса бурения;
- обработки информации, поступающей из забойной зоны;
- предупреждения об аварийных ситуациях с бурильной трубой или обсадной колонной.

Проходка сверхглубокого ствола должна была выявить верность или ошибочность научной гипотезы о глубинном строении планеты.

Целью этого, весьма затратного, строительства предусматривались исследования:
1. Глубинное строение Печенгского месторождения никеля и кристаллической подошвы Балтийского щита полуострова. Расшифровка контура месторождения полиметаллов на Печенге вкупе с проявлениями рудных тел.
2. Изучение природы и сил, вызывающих раздел пластовых границ континентальной коры. Выявление зон пластов, мотивов и характера образования высокой температуры. Определение физического и химического состава воды, газов, образующихся в трещинах, порах пород.
3. Получение исчерпывающего материала по вещественному составу пород и информации об интервалах раздела гранитного и базальтового «прокладок» коры. Всестороннее изучение физико-химических свойств извлечённого керна.
4. Разработка передовых технических средств и новых технологий проходки сверхглубоких стволов. Возможность применения геофизических методов исследования в зоне рудных проявлений.
5. Разработка и создание новейшей аппаратуры наблюдения, испытания, исследования, контроля хода бурового процесса.

Кольская скважина большей частью отвечала научным целям. В задачу входило изучение древнейших пород, из которых сложена планета и познание тайн процессов, в них происходящих.

Геологическое обоснование бурения на Кольском полуострове

Разведка и добыча залежей полезных руд всегда предопределяется бурением глубоких скважин. И почему на Кольском полуострове и именно в Мурманской области, и обязательно на Печенге. Предпосылкой тому послужил факт того, что этот регион считался настоящей кладовой минеральных ресурсов, с богатейшими запасами большого разнообразия рудного сырья (никель, магнетиты, апатиты, слюда, титан, медь).

Однако геологическая выкладка, выполненная на основе керна из скважины, выявила абсурдность мирового научного мнения. Семи километровая глубина оказалась сложенной из вулканических и осадочных пород (туфы, песчаники, доломиты, брекчии). Ниже этого интервала, как предполагалось, должны были находиться породы, разделяющие гранитный и базальтовый структуры. Но, увы, базальты так и не появились.

Выражаясь геологическими терминами, Балтийский щит полуострова с частичным охватом территорий Норвегии, Швеции, Финляндии и Карелии миллионы веков подвергались эрозии и эволюции. Природные всплески, разрушительные процессы вулканизма, явления магматизма, метаморфические видоизменения пород, осадкообразования наиболее четко отпечатались на геологической летописи Печенги. Это та часть Балтийского складчатого щита, где миллиарды лет складывалась геологическая история пластовых и рудных проявлений.

Особенно, многовековой коррозии подвергались северная и восточная части поверхности щита. В результате чего ледники, ветер, вода и другие природные катаклизмы, как бы сдирали (скребли) верхние пласты пород.

Основанием выбора места закладки скважины послужила серьёзная эрозия верхних слоев и обнажение древних архейских образований Земли. Эти обнажения значительно приближали и облегчали доступ к подземным кладовым природы.

Конструкция сверхглубокой скважины

Сверхглубокие сооружения имеют обязательную телескопическую конструкцию. В нашем случае, начальный диаметр устья имел 92 см, а конечный 21,5.

Проектная направляющая колонна или так называемый кондуктор диаметром 720 мм предусматривала проходку на глубину 39 погонных метров. Первая техническая колонна (стационарная обсадная), диаметром 324 мм и длиной в 2000 метров; съемная обсадная 245 мм, метражом в 8770 метров. Далее бурение намечалось вести открытым стволом до проектной отметки. Кристаллические породы позволяли рассчитывать на длительную устойчивость не обсаженной части стенок. Вторая съемная колонна, размеченная магнитными метками, позволяла бы осуществить сплошной отбор керна по всей длине ствола. Радиоактивные метки на забойной трубе были настроены фиксировать температуру среды бурения.

Техническая оснащенность буровой установки для бурения сверхглубокой скважины

Проходка с нуля велась установкой «Уралмаш-4Э», то есть серийным оборудованием, применяемым для бурения глубоких нефтегазовых скважин. До 2000 метров ствол проходился стальными бурильными трубами, с турбобуром на конце. Эта турбина в 46 метров длиной с долотом на конце приводилась во вращение под действием глинистого раствора, который закачивался в трубу давлением 40 атмосфер.

Далее, проходка осуществлялась с интервала 7264 метра отечественной установкой «Уралмаш-15000», с инновационной точки зрения, более мощным сооружением, грузоподъёмностью 400 тонн. Комплекс был укомплектован множеством технических, технологических, электронных и прочих передовых разработок.

Кольская скважина была оснащена высокотехнологичной и автоматизированной структурой:
1. Разведочная , с мощным основанием, на котором смонтирована сама секционная вышка, высотой в 68 метров. Предназначалась для осуществления:

• проходка ствола, операции спуск - подъема снаряда и прочие вспомогательные действия;
• удержание ведущей и всей колонны труб, как на весу, так и процессе бурения;
• размещение секций (свечей) бурильных труб, в том числе утяжеленных (УБТ), талевой системы.

Во внутреннем пространстве вышки размещались также средства СП (спуск - подъема), инструменты. Здесь же размещались средства безопасности и возможной экстренной эвакуации верхового (помощника бурильщика).

2. Силовая и технологическая оснастка, энергетические и насосные агрегаты.

3. Циркуляционная и противовыбросовая система, цементировочное оборудование.

4. Система автоматизации, управления, контроля процесса.

5. Электротехническое обеспечение, средства механизации.

6. Комплекс измерительного оборудования, лабораторная техника и многое прочее.

В 2008 году Кольская сверхглубокая скважина была совсем заброшена, все ценное оборудование было демонтировано и вывезено (в большинстве было сдано на металлолом).

До 2012 года была демонтирована главная башня бурильной установки.

Сейчас работает только Кольский научный центр Российской академии наук в котором по сей день изучают керн добытый из сверхглубокой скважины.

Сам же керн вывезен в город Ярославль, где сейчас и хранится.

Документальное видео о Кольской сверхглубокой скважине

Новые рекорды сверхглубоких скважин

Кольская сверхглубокая скважина считалась самой глубокой скважиной в мире до 2008 года.

В 2008 году в нефтяном бассейне Аль-Шахин была пробурена под острым углом к поверхности земли нефтяная скважина Maersk Oil BD-04A, длина которой составляет 12 290 метров.

В январе 2011 и этот рекорд был побит, а побила её нефтяная скважина пробурена в Северном куполе (Одопту-море - газонефтяное месторождение в России), эта скважина также пробуренная под острым углом к поверхности земли, длина составила 12 345 метров.

В июне 2013 года скважина Z-42 Чайвинского месторождения снова побила рекорд глубины, длина составила 12 700 метров.