Кольская сверхглубокая скважина. На рисунке: А. Прогноз геологического разреза. Б. Геологический разрез, построенный на основании данных бурения СГ (стрелки от колонки А к колонке Б указывают, на какой глубине встречены прогнозируемые породы). На этом разрезе верхняя часть (до 7 км) - толща протерозоя со слоями вулканических (диабазы) и осадочных пород (песчаники, доломиты). Ниже 7 км - толща архея с повторяющимися пачками пород (в основном гнейсы и амфиболиты). Ее возраст - 2,86 млрд. лет.
В. Ствол скважины со многими пробуренными и потерянными стволами (ниже 7 км) по форме напоминает разветвленные корни гигантского растения. Скважина словно извивается, потому что бур постоянно отклоняется в сторону менее прочных пород.
Сотни тысяч скважин были пробурены в земной коре за последние десятилетия прошлого века. И это неудивительно, потому что поиск и добыча полезных ископаемых в наше время неизбежно связаны с глубоким бурением. Но среди всех этих скважин есть одна-единственная на планете - легендарная Кольская сверхглубокая (СГ), глубина которой до сих пор остается непревзойденной - более двенадцати километров. Кроме того, СГ - одна из немногих, которую бурили не ради разведки или добычи полезных ископаемых, а с чисто научными целями: изучить древнейшие породы нашей планеты и познать тайны идущих в них процессов.
Сегодня на Кольской сверхглубокой не ведут бурение, оно прекращено в 1992 году. СГ была не первой и не единственной в программе изучения глубинного строения Земли. Из зарубежных скважин три дошли до глубины от 9,1 до 9,6 км. Планировалось, что одна из них (в Германии) превзойдет Кольскую. Однако бурение на всех трех, так же как и на СГ, было прекращено из-за аварий и по техническим причинам пока не может быть продолжено.
Видно, не зря задачи бурения сверхглубоких скважин по сложности сравнивают с полетом в космос, с длительной космической экспедицией к другой планете. Образцы пород, извлеченные из земных недр, представляют не меньший интерес, чем образцы лунного грунта. Доставленный советским луноходом грунт исследовали в разных институтах, в том числе в Кольском научном центре. Оказалось, что лунный грунт по составу почти полностью соответствует породам, извлеченным из Кольской скважины с глубины около 3 км.
ВЫБОР МЕСТА И ПРОГНОЗ
Для бурения СГ была создана специальная геологоразведочная экспедиция (Кольская ГРЭ). Место бурения тоже конечно же выбрано не случайно - Балтийский щит в районе Кольского полуострова. Здесь на поверхность выходят древнейшие изверженные породы возрастом около 3 млрд. лет (а Земле всего-то 4,5 млрд. лет). Бурить именно в древнейших изверженных породах было интересно, потому что толщи осадочных пород до глубины 8 км уже неплохо изучены при добыче нефти. А в изверженные породы при добыче полезных ископаемых забираются обычно лишь на 1-2 км. Выбору места для СГ способствовало и то, что здесь находится печенегский прогиб - огромная чашеподобная структура, как бы вдавленная в древние породы. Ее происхождение связано с глубинным разломом. И именно здесь находятся крупные медно-никелевые месторождения. А в задачи, поставленные перед Кольской геологической экспедицией, входило выявить ряд особенностей геологических процессов и явлений, в том числе - рудообразования, определить природу границ, разделяющих слои в континентальной коре, собрать данные о вещественном составе и физическом состоянии горных пород.
До начала бурения был построен на основе сейсмологических данных разрез земной коры. Он послужил прогнозом появления тех земных слоев, которые пересекала скважина. Предполагалось, что до глубины 5 км идет гранитная толща, после нее ожидали более прочные и более древние базальтовые породы.
Итак, местом бурения выбрали северо-запад Кольского полуострова, в 10 км от города Заполярный, неподалеку от нашей границы с Норвегией. Заполярный - небольшой городок, выросший в пятидесятых годах рядом с никелевым комбинатом. Среди холмистой тундры на бугре, продуваемом всеми ветрами и метелями, стоит "квадратик", каждая сторона которого образована из семи пятиэтажных домов. Внутри - две улицы, на их пересечении площадь, где стоят Дом культуры и гостиница. В километре от городка, за оврагом, видны корпуса и высокие трубы никелевого комбината, за ним, по склону горы, темнеют отвалы пустой породы из ближайшего карьера. Рядом с городком проходит шоссе на город Никель и к небольшому озерцу, на другом берегу которого - уже Норвегия.
Земля тех мест в изобилии хранит следы прошедшей войны. Когда едешь на автобусе от Мурманска в Заполярный, примерно на половине пути пересекаешь небольшую речушку Западная Лица, на ее берегу памятный обелиск. Это единственное во всей России место, где фронт во время войны с 1941 по 1944 год простоял неподвижно, упираясь в Баренцево море. Хотя здесь все время шли жестокие бои и потери с обеих сторон были огромные. Немцы безуспешно стремились пробиться к Мурманску - единственному на нашем Севере незамерзающему порту. Зимой 1944 года советским войскам удалось прорвать фронт.
От Заполярного до Сверхглубокой - 10 км. Дорога идет мимо комбината, потом по краю карьера и дальше лезет в гору. С перевала открывается небольшая котловина, в которой и установлена буровая. Ее высота - с двадцатиэтажный дом. К каждой смене из Заполярного сюда шли "вахтовики". Всего в экспедиции работало около 3000 человек, жили они в городе в двух домах. С буровой круглосуточно слышалось ворчание каких-то механизмов. Тишина означала, что в бурении почему-то наступил перерыв. Зимой в долгую полярную ночь - а она там продолжается с 23 ноября по 23 января - вся буровая светилась огнями. Нередко к ним добавлялся свет полярного сияния.
Немного о персонале. В Кольской геологоразведочной экспедиции, созданной для бурения, собрался хороший, высококвалифицированный коллектив работников. Начальником ГРЭ, талантливым руководителем, подобравшим команду, почти бессменно был Д. Губерман. Главный инженер И. Васильченко отвечал за бурение. Командовал буровой А. Батищев, которого все звали просто Лехой. Геологией ведал В. Ланей, а геофизикой - Ю. Кузнецов. Огромную работу по обработке керна и созданию кернохранилища провел геолог Ю. Смирнов - тот самый, у кого был "заветный шкафчик", про который мы еще расскажем. В проведении исследований на СГ принимали участие более 10 научно-исследовательских институтов. Были в коллективе и свои "кулибины" и "левши" (особенно отличался С. Цериковский), которые придумывали и изготовляли различные устройства, порой позволяющие выходить из труднейших, казалось бы, безвыходных положений. Многие необходимые механизмы они сами создавали здесь же в хорошо оснащенных мастерских.
ИСТОРИЯ БУРЕНИЯ
Бурение скважины началось в 1970 году. Проходка до глубины 7263 м заняла 4 года. Ее вели серийной установкой, которую обычно используют при добыче нефти и газа. Всю вышку из-за постоянных ветров и холода пришлось обшить доверху деревянными щитами. Иначе тому, кто во время подъема колонны труб должен стоять наверху, работать просто невозможно.
Потом был годовой перерыв, связанный со строительством новой вышки и монтажом специально разработанной буровой установки - "Уралмаш-15000". Именно с ее помощью велось все дальнейшее сверхглубокое бурение. В новой установке - более мощное автоматизированное оборудование. Использовалось турбинное бурение - это когда вращается не вся колонна, а только буровая головка. Через колонну под давлением подавался буровой раствор, вращающий стоящую внизу многоступенчатую турбину. Общая ее длина - 46 м. Завершается турбина буровой головкой диаметром 214 мм (ее часто называют коронкой), имеющей кольцевую форму, поэтому в середине остается неразбуренный столбик породы - керн диаметром 60 мм. Через все секции турбины проходит труба - керноприемник, где собираются столбики добытой породы. Измельченная порода вместе с буровым раствором выносится по скважине на поверхность.
Масса колонны, погруженной в скважину с буровым раствором, около 200 тонн. Это при том, что использовались специально разработанные трубы из легких сплавов. Если колонну сделать из обычных стальных труб, она разорвется от собственного веса.
Сложностей, порой совершенно неожиданных, в процессе бурения на больших глубинах и с отбором керна возникает немало.
Проходка за один рейс, определяемая износом буровой головки, составляет обычно 7-10 м. (Рейс, или цикл, - это спуск колонны с турбиной и буровым инструментом, собственно бурение и полный подъем колонны.) Само бурение занимает 4 часа. А на спуск и подъем 12-километровой колонны уходит 18 часов. При подъеме колонна автоматически разбирается на секции (свечи) длиной по 33 м. В среднем за месяц удавалось пробурить 60 м. На проходку последних 5 км скважины было использовано 50 км труб. Такова степень их износа.
До глубины примерно 7 км скважина пересекала прочные, сравнительно однородные породы, и поэтому ствол скважины был ровный, почти соответствующий диаметру буровой головки. Работа продвигалась, можно сказать, спокойно. Однако на глубине 7 км пошли менее прочные трещиноватые, переслаивающиеся с небольшими очень твердыми прослойками породы - гнейсы, амфиболиты. Бурение осложнилось. Ствол принял овальную форму, появилось множество каверн. Участились аварии.
На рисунке, показаны первоначальный прогноз геологического разреза и тот, который составлен на основе данных бурения. Интересно отметить (колонка Б), что угол наклона пластов по скважине составляет около 50 градусов. Таким образом, понятно, что, породы, пересекаемые скважиной, выходят на поверхность. Тут-то и можно вспомнить об уже упомянутом "заветном шкафчике" геолога Ю. Смирнова. Там у него с одной стороны лежали образцы, полученные из скважины, а с другой - взятые на поверхности на том расстоянии от буровой, где выходит наверх соответствующий пласт. Совпадение пород почти полное.
1983 год ознаменовался непревзойденным до сих пор рекордом: глубина бурения превысила 12 км. Работы приостановили.
Приближался Международный геологический конгресс, который, по плану, проходил в Москве. К нему готовилась выставка Геоэкспо. Было решено не только прочитать доклады о результатах, достигнутых на СГ, но и показать участникам конгресса работу в натуре и добытые образцы породы. К конгрессу издали монографию "Кольская сверхглубокая".
На выставке Геоэкспо красовался большой стенд, посвященный работе СГ и самому главному - достижению рекордной глубины. Здесь были впечатляющие графики, рассказывающие о технике и технологии бурения, добытые образцы породы, фотографии техники и коллектива за работой. Но наибольшее внимание участников и гостей конгресса привлекла одна нетрадиционная для выставочного показа деталь: самая обычная и уже немного поржавевшая буровая головка со стертыми твердосплавными зубьями. На этикетке говорилось, что именно она была использована при бурении на глубине более 12 км. Эта буровая головка поражала даже специалистов. Вероятно, все невольно ожидали увидеть какое-то чудо техники, может, с алмазным оснащением... И они еще не знали, что на СГ рядом с буровой собрана большая куча точно таких же уже поржавевших буровых головок: ведь их приходилось менять на новые примерно через каждые пробуренные 7-8 м.
Многие делегаты конгресса захотели своими глазами увидеть уникальную буровую на Кольском полуострове и убедиться, что действительно в Союзе достигнута рекордная глубина бурения. Такой выезд состоялся. Там на месте провели заседание секции конгресса. Делегатам показали буровую, при них поднимали колонну из скважины, отсоединяя от нее 33-метровые секции. Фотографии и статьи о СГ обошли газеты и журналы почти всех стран мира. Была выпущена почтовая марка, организовано спецгашение конвертов. Не стану перечислять имена лауреатов разных премий и награжденных за работы...
Но праздники кончились, надо было продолжать бурение. И оно началось с крупнейшей аварии на первом же рейсе 27 сентября 1984 года - "черная дата" в истории СГ. Скважина не прощает, когда ее надолго оставляют без внимания. За время, пока не велось бурение, в ее стенках, тех, которые не были закреплены зацементированной стальной трубой, неизбежно происходили изменения.
Сначала все шло буднично. Буровики выполняли свои обычные операции: одну за другой опускали секции буровой колонны, к последней, верхней, присоединили трубу подачи бурового раствора, включили насосы. Начали бурение. Приборы на пульте перед оператором показывали обычный режим работы (количество оборотов буровой головки, ее давление на породу, расход жидкости на вращение турбины и т. д.).
Пробурив очередной 9-метровый отрезок на глубине более 12 км, что заняло 4 часа, достигли глубины 12,066 км. Приготовились к подъему колонны. Попробовали. Не идет. На таких глубинах уже не раз наблюдались "прихваты". Это когда какая-то секция колонны словно прилипает к стенкам (может, сверху что-то осыпалось, и ее немного заклинило). Чтобы стронуть колонну с места, требуется усилие, превышающее ее вес (около 200 тонн). Так поступили и на этот раз, но колонна не сдвинулась. Немного прибавили усилие, и стрелка прибора резко сбавила показания. Колонна сильно полегчала, такой потери веса при нормальном ходе операции быть не могло. Начали подъем: поочередно отвинчивали одну за другой секции. При последнем подъеме на крюке висел укороченный кусок трубы с неровным нижним краем. Это означало, что в скважине остались не только турбобур, но и
5 км буровых труб...
Семь месяцев пытались их достать. Ведь потеряли не просто 5 км труб, а результаты пятилетней работы.
Потом все попытки вернуть утерянное прекратили и начали вновь бурить с глубины 7 км. Надо сказать, что именно после седьмого километра геологические условия здесь для работы особенно сложны. Технология бурения каждого шага отрабатывается методом проб и ошибок. А начиная с глубины примерно в 10 км - еще сложнее. Бурение, эксплуатация оборудования и аппаратуры идут на предельном режиме.
Поэтому аварий тут приходится ждать в любую минуту. К ним готовятся. Заранее продумывают методы и средства их ликвидации. Типичная сложная авария - обрыв буровой компоновки вместе с частью колонны буровых труб. Основной метод ее ликвидации - создать уступ чуть выше потерянной части и с этого места вести бурение нового обходного ствола. Всего в скважине было пробурено 12 таких обходных стволов. Четыре из них - протяженностью от 2200 до 5000 м. Основная цена подобных аварий - годы потерянного труда.
Только в бытовом представлении скважина - вертикальная "дырка" от поверхности земли до забоя. В реальности это далеко не так. Особенно, если скважина сверхглубокая и пересекает наклонные пласты различной плотности. Тогда она словно извивается, потому что бур постоянно отклоняется в сторону менее прочных пород. После каждого замера, показывающего, что наклон скважины превышает допустимый, ее надо пытаться "вернуть на место". Для этого вместе с буровым инструментом опускают специальные "отклонители", которые помогают при бурении уменьшить угол наклона скважины. Нередко случаются аварии с потерей бурового инструмента и части труб. После этого новый ствол приходится делать, как мы уже говорили, отступив в сторону. Вот и представьте, как выглядит в земле скважина: что-то вроде разветвленных на глубине корней гигантского растения.
В этом причина особой длительности последней фазы бурения.
После крупнейшей аварии - "черной даты" 1984 года - снова подошли к глубине 12 км только через 6 лет. В 1990 году был достигнут максимум - 12 262 км. После еще нескольких аварий убедились, что глубже не пробиться. Все возможности современной техники исчерпаны. Казалось, будто Земля больше не хочет открывать свои тайны. Бурение прекратили в 1992 году.
ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ РАБОТА. ЦЕЛИ И МЕТОДЫ
Одной из очень важных целей бурения было получить керн-колонку образцов породы во всю длину скважины. И эта задача выполнена. Самый длинный в мире керн разметили, как линейку, на метры и уложили в соответствующем порядке в ящиках. Сверху указаны номер ящика и номера образцов. Всего таких ящиков на складе почти 900.
Теперь осталось только изучать керн, который действительно незаменим при определении строения породы, ее состава, свойств, возраста.
Но образец породы, поднятый на поверхность, имеет иные свойства, чем в массиве. Здесь, наверху, он освобожден от огромных механических напряжений, существующих на глубине. Во время бурения он растрескался, напитался буровым раствором. Даже если воссоздать в специальной камере глубинные условия, то все равно параметры, измеренные на образце, отличаются от тех, что в массиве. И еще одна маленькая "заковыка": на каждые 100 м пробуренной скважины не получают 100 м керна. На СГ с глубин более 5 км средний выход керна составил только около 30%, а с глубин более 9 км это были порой лишь отдельные бляшки толщиной 2-3 см, соответствующие наиболее прочным прослойкам.
Итак, керн, поднятый на СГ из скважины, не дает полной информации о глубинных породах.
Скважины бурили с научными целями, поэтому использовался весь комплекс современных методов исследования. Кроме извлечения керна обязательно проводились исследования свойств пород в их естественном залегании. Постоянно контролировали техническое состояние скважины. Измеряли температуру по всему стволу, естественную радиоактивность - гамма-излучение, наведенную радиоактивность после импульсного нейтронного облучения, электрические и магнитные свойства пород, скорость распространения упругих волн, исследовали состав газов в жидкости скважины.
До глубины 7 км использовали серийные приборы. Работа на больших глубинах и при более высоких температурах потребовала создания специальных термобаростойких приборов. Особые трудности возникли на последнем этапе бурения; когда температура в скважине подошла к 200оС, а давление превысило 1000 атмосфер, серийные приборы работать уже не могли. На помощь пришли геофизические ОКБ и профильные лаборатории нескольких НИИ, изготовившие единичные экземпляры термобаростойких приборов. Таким образом, все время работали только на отечественной аппаратуре.
Словом, скважина была достаточно детально исследована на всю ее глубину. Исследования проводили поэтапно, примерно раз в год, после углубления скважины на 1 км. Каждый раз после этого давали оценку достоверности полученных материалов. Соответствующие вычисления позволяли определить параметры той или иной породы. Обнаружили определенное чередование пластов и уже знали, к каким породам приурочены каверны и связанные с ними частичные потери информации. Научились буквально по "крошкам" идентифицировать породы и на этой основе воссоздавать полную картину того, что "утаила" скважина. Короче говоря, удалось построить детальную литологическую колонку - показать чередование пород и их свойства.
ИЗ СОБСТВЕННОГО ОПЫТА
Примерно раз в год, когда завершался очередной этап бурения - углубление скважины на 1 км, я тоже выезжал на СГ, чтобы провести измерения, которые мне были поручены. Скважину в это время обычно промывали и на месяц предоставляли для исследований. Время плановой остановки всегда было известно заранее. Телеграмма-вызов на проведение работ также приходила заблаговременно. Аппаратура проверена и упакована. Формальности, связанные с закрытыми работами в погранзоне, выполнены. Наконец все улажено. Едем.
Наша группа - маленький дружный коллектив: разработчик скважинного снаряда, разработчик новой наземной аппаратуры и я - методист. Приезжаем дней за 10 до измерений. Знакомимся с данными о техническом состоянии скважины. Составляем и утверждаем подробную программу измерений. Собираем и калибруем аппаратуру. Ждем звонка - вызова со скважины. Наша очередь "нырять" третья, но, если будет отказ у предшественников, скважину предоставят нам. На этот раз у них все в порядке, говорят, что завтра к утру кончат. С нами в одной бригаде геофизики -операторы, которые регистрируют сигналы, получаемые от аппаратуры в скважине, и командуют всеми операциями по спуску и подъему скважинного прибора, а также механики на подъемнике, они управляют сматыванием с барабана и наматыванием на него тех самых 12 км кабеля, на котором в скважину опускают прибор. Дежурят и буровики.
Работы начались. Прибор опущен в скважину на несколько метров. Последняя проверка. Поехали. Спуск идет медленно - около 1 км/ч, с непрерывным контролем сигнала, поступающего снизу. Пока все в порядке. Но вот на восьмом километре сигнал задергался и пропал. Значит, что-то не так. Полный подъем. (На всякий случай у нас подготовлен второй комплект аппаратуры.) Начинаем проверку всех деталей. На сей раз неисправным оказался кабель. Его заменяют. На это уходит больше суток. Новый спуск занял 10 часов. Наконец наблюдающий за сигналом сообщил: "Прибыли на одиннадцатый километр". Команда операторам: "Начать запись". Что и как - заранее расписано по программе. Теперь нужно несколько раз опустить и поднять скважинный прибор в заданном интервале, чтобы провести замеры. На этот раз аппаратура отработала нормально. Теперь полный подъем. Подняли на 3 км, и вдруг звонок лебедчика (он у нас человек с юмором): "Веревка кончилась". Как?! Что?! Увы, обрыв кабеля... Скважинный прибор и 8 км кабеля остались лежать на забое... К счастью, через сутки буровики сумели все это поднять, используя методику и приспособления, разработанные местными умельцами для ликвидации подобных ЧП.
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 12 262 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 (см. рисунок на стр. 39.). 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.
Кандидат технических наук А. ОСАДЧИЙ.
Автор выражает благодарность доктору геолого- минералогических наук Ю. Кузнецову за помощь в работе над статьей.
ЛИТЕРАТУРА
Кольская сверхглубокая. М.: Недра, 1984.
Кольская сверхглубокая. Научные результаты и опыты исследования. М., 1998.
Козловский Е. А. Всемирный форум геологов. "Наука и жизнь" N 10, 1984.
Козловский Е. А. Кольская сверхглубокая. "Наука и жизнь" N 11, 1985.
Гигантская буровая, высотой с двадцатиэтажный дом, наверное, еще долгие годы будет стоять как памятник достигнутого здесь рекорда глубины бурения.
Геологи В. Ланев (слева) и Ю. Смирнов рассматривают образцы керна.
Буровые коронки. Точно такая же, но именно та, которая была использована при бурении на глубине 12 км, стала экспонатом выставки на Международном геологическом конгрессе 1984 года.
На этом крюке опускали и поднимали колонну труб. Слева - в корзине - стоят подготовленные к спуску 33-метровые трубы - "свечи".
Отдельные образцы керна.
На этих образцах керна хорошо видны косые полоски, означающие, что здесь скважина проходила через пласты, расположенные наклонно.
Уникальное кернохранилище, где на полках в ящиках в строгом порядке, пронумерованные, разложены керны всей двенадцатикилометровой скважины.
Такие значки с гордостью носили все, кто работал на СГ.
http://nauka.relis.ru
