Кольская сверхглубокая скважина. Путешествие к центру Земли.

В 50-70 годах прошлого века мир менялся с невероятной скоростью. Появились вещи, без которых сложно представить сегодняшний мир: появился интернет, компьютер, сотовая связь, покорение космоса и морских глубин. Человек стремительно расширял сферы своего присутствия во Вселенной, но о строении своего «дома» – планеты Земля он все еще имел довольно приблизительные представления. Хотя уже тогда идея сверхглубокого бурения была не нова: еще в 1958 году американцы запустили проект «Mohole». Его название образовано от двух слов:

Moho – поверхность, названная в честь Андрия Мохоровичича – хорватского геофизика и сейсмолога, выделившего в 1909 году нижнюю границу земной коры, на которой происходит скачкообразное увеличение скорости сейсмических волн;

Hole – скважина, дырка, отверстие. Исходя из предположений, что толщина земной коры под океанами гораздо меньше, чем на суше, недалеко от острова Гуаделупе было пробурено 5 скважин глубиной около 180 метров (при глубине океана до 3,5 км). За пять лет исследователи пробурили пять скважин, собрали множество образцов из базальтового слоя, но до мантии не дошли. В итоге, проект был признан неудавшимся и работы свернули.

Фото из учебника по морской геологии

Рассказывает Алексей Зайцев (Москва): Одной из главных целей экспедиции "По дорогам Заполярья" стала Кольская сверхглубокая скважина (или объект СГ-3) – самая глубокая в мире. Впервые я узнал о ней еще в 2004 году, учась на первом курсе геологического факультета РГУ нефти и газа, на лекции по общей геологии. И с тех пор надеялся увидеть все своими глазами.

Времена изменились и, некогда труднодоступная, территория объекта СГ-3 находится сейчас в непосредственной близости к горно-обогатительному комбинату Кольской горно-металлургической компании. А проезд к скважине и вовсе проходит через технологические дороги.

Если ехать по навигатору, то после г. Заполярный он приведет к КПП горно-обогатительного комбината. На территорию охрана, разумеется, не пустит, а про Кольскую сверхглубокую якобы ничего не слышала.

Руководству комбината ожидаемо надоело постоянное паломничество к Кольской сверхглубокой разного рода нео-сталкеров, любителей геологии и охотников за металлом, поэтому дорогу к скважине перекопали экскаваторами и для верности пересыпали булыжниками.

Поэтому мы возвращаемся на место, где в последний раз работал мобильный интернет и ищем по спутнику накатанную альтернативную дорогу. Найдя заветную отворотку, поднимаем гидропневматическую подвеску нашего Toyota Land Cruiser 200 Executive в верхнее положение, и ползем холмами в сторону скважины. Дорога, как и полагается настоящему приключению, изобиловала разного рода препятствиями – броды, камни, даже озера.

Уже вернувшись в Мурманск и анализируя gps-трек (мы писали весь маршрут с помощью сервиса locme.ru, о нем я расскажу позже), я заметил, что на скважину мы ехали не оптимальным маршрутом и где-то сбились с пути, а вот обратно проехали уже как надо. О чем, я ни капли жалею.

И вот, взобравшись на очередной холм, нам открывается вид на некогда величественный научно-производственный комплекс Кольской сверхглубокой скважины.

Стремясь занять лидирующее положение во всех отраслях сразу,в 1962 году СССР запустил свою программу сверхглубокого бурения.
На подготовку проекта ушло 4 года: главная сложность заключалась в том, что согласно геотермическому градиенту (физической величине, описывающей увеличение температуры горных пород с глубиной), температура на глубине 10 км должна составлять порядка 300°С, а на 15 км — почти 500°С. На такую температуру не были рассчитаны ни буровой инструмент, ни измерительная аппаратура. К 1970 году, как раз к 100-летию со дня рождения Ленина, площадка под бурение была найдена – древний кристаллический щит Кольского полуострова. По данным отчета Института физики Земли, за миллиарды лет Кольский щит остыл, температура на глубине 15 км не должна была превышать 150°С. Согласно примерному разрезу, первые 7 километров должны быть сложены гранитными толщами верхней части земной коры, а ниже начинаться базальты. Площадку для буровой выбрали на северной оконечности Кольского полуострова близ озера Вильгискоддеоайвинъярви (по-фински это значит «Под волчьей горой»). К бурению скважины, проектная глубина которой составляла 15 километров, приступили в мае 1970 года.

Архивные фото взяты с сайта http://superdeep.pechenga.ru/

Несмотря на нетривиальную задачу, никакое специальное оборудование для работ не разрабатывалось – работали тем, что есть. На первых этапах применялась буровая установка «Уралмаш 4Э» грузоподъемностью 200 тонн и легкосплавные алюминиевые трубы. Дорогой алюминий использовался по целому ряду причин: трубы из «крылатого металла» имеют гораздо меньший вес, а при температурах свыше 150-160 градусов сталь серийных труб размягчается и хуже держит многотонные нагрузки — из-за этого возрастает вероятность опасных деформаций и обрыва колонны.

Архивные фото взяты с сайта http://superdeep.pechenga.ru/

Когда скважина достигла глубины 7000 метров, на площадке смонтировали новую буровую установку «Уралмаш 15000» — одну из самых современных на тот момент. 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. Один только вес буровой колонны при 15-километровой глубине достигал бы 200 тонн. А сама установка могла поднимать груз вплоть до 400 тонн. Рядом выросли ремонтно-механический завод, научные лаборатории и кернохранилище.

Архивные фото взяты с сайта http://superdeep.pechenga.ru/

Не так давно я уже рассказывал, как устроено бурение скважины: в 70е годы наибольшим распространением пользовалось роторное бурение, когда вся колонна труб проворачивалась ротором, находящимся на поверхности. Такой метод отлично подходил для относительно неглубоких скважин, но, когда длина ствола приближается к 7000, а то и 10000 метрам, роторное бурение становится бессильно. На СГ-3 бурение велось с помощью турбобура – гидравлического двигателя, вращение которого обеспечивалось энергией циркулирующего бурового раствора. Установленные на нижнем конце колонны 46 метровые секции вращали буровое долото.

Архивные фото взяты с сайта http://superdeep.pechenga.ru/

Ни в СССР, ни в мире на тот момент не было опыта бурения в породах кристаллического фундамента на подобных глубинах и помимо чисто технологических проблем, работа осложнялась 100% отбором керна. 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 около 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.

Архивные фото взяты с сайта http://superdeep.pechenga.ru/

Подъезжая к территории СГ-3, мы увидели «Буханку» и людей, суетливо складывающих внутрь куски железа. Это картина давно стала привычной для некогда передового научного центра – предполагалось, что Кольская сверхглубокая скважина после завершения ее проходки будет превращена в уникальную природную лабораторию для исследования с помощью специальных приборов глубинных процессов, протекающих в земной коре. Однако в 2008 году объект был окончательно заброшен, а все более-менее ценное оборудование демонтировано. С этого момента начался период разворовывания всего, что представляло хоть какую-то ценность – в первую очередь металла.

Расхитители металла, впрочем, оказались достаточно компанейскими ребятами, искренне удивились, зачем мы приехали сюда из Москвы – «тут же ничего не осталось!» и показали легендарную скважину. Сейчас она законсервирована, а ее устье закрывает стальная плита. Что происходит в самом стволе – не знает никто.

На базе СГ-3, помимо непосредственно буровой, работало несколько НИИ, собственное конструкторское бюро, токарный цех, кузница. Самые смелые технические решения рождались прямо на площадке, реализовывались своими силами и через несколько дней уже опробовались в работе. Все это требовало энергии и Кольскую сверхглубокую обслуживала собственная подстанция. Сейчас энергоблок выглядит вот так, когда-то здесь работало 48 человек.

У входа свалены ящики с уникальным оборудованием. Все ценное вырвано “с мясом”:

А чуть поодаль стоят опоры линии электропередач. Все провода, разумеется, давно срезали.

Согласно директиве «сверху» на СГ-3 использовалось только отечественное оборудование, да и не могло быть по-другому: на первых порах скважина была сверхсекретным режимным объектом. 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 приишли геофизические ОКБ и профильные лаборатории нескольких НИИ, изготовившие единичные экземпляры термобаростойкого оборудования. Конкурс на трудоустройство составлял десятки человек на место, а прошедшим суровый отбор сразу же давали квартиру. В то время, когда рядовой советский инженер получал 120 рублей в месяц, инженер на Кольской сверхглубокой зарабатывал невероятные 850 рублей – три зарплаты и можно купить машину. Всего в на Кольской сверхглубокой работало около 300 человек.

Архивные фото взяты с сайта http://superdeep.pechenga.ru/

Глубина в 7000 метров оказалась для Кольской сверхглубокой роковой. Выше по разрезу бурение проходило относительно спокойно, бур проходил через однородные прочные граниты. Но после этой глубины буровая головка вошла в менее прочные слоистые породы, и ствол никак не удавалось держать вертикально. Когда в первый раз скважина прошла отметку 12 км, ствол отклонился 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 нож 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. 6 июня 1979 года случилось первое историческое событие. Буровики отрапортовали о достижении отметки в 9584 метра. Кольская скважина стала самой глубокой скважиной в мире, превзойдя американскую нефтяную рекордсменку «Берту Роджерс» (9583 метра). 6 июня 1979 года буровой мастер Федор Атарщиков сделал в ваътенном журнале торжествующую запись: «Забой — 9584 метра. "Берта Роджерс", Чао, Гуд бай».

Архивные фото взяты с сайта http://superdeep.pechenga.ru/

Архивные фото взяты с сайта http://superdeep.pechenga.ru/

В начале 1980-х произошло и второе историческое событие. Кольская сверхглубокая прошла 11 022 метра, обойдя Марианскую впадину. На такую глубину внутрь собственной колыбели человечество еще не попадало.

Архивные фото взяты с сайта http://superdeep.pechenga.ru/

Одна из самых распространенных аварий при бурении – это прихват бурового инструмента, ситуация, когда осыпающиеся стенки скважины блокируют колонну и не дают вращаться инструменту. Зачастую попытки вытащить прихваченную колонну заканчиваются ее обрывом. 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.

Проходя по пустынным коридорам комплекса, несмотря на общую чудовищную разруху, чувствуешь былое величие того, что здесь происходило. В одном из кабинетов пол усеян редкой научной литературой – выпуски журнала «Дефектоскопия» за несколько лет и методичка по расчету бурильных колонн для сверхглубоких скважин – уникальность научного труда примерно сопоставима с «инструкцией по полету на Луну для чайников», если бы она существовала.

В другом – чудом сохранившееся рабочее место бурового мастера. Первая скважина в России была пробурена в 1864 году на Кубани. С тех пор и поныне – мастер почти всегда работает непосредственно на буровой площадке – чтобы видеть и контролировать все происходящее. А на Кольской сверхглубокой было не так! Оператор сидел аж в 250 метрах от устья и наблюдал за всем удаленно, в том числе за параметрами бурения. Космос!

Архивные фото взяты с сайта http://superdeep.pechenga.ru/

Стены обшарпаны, стекла выбиты суровым северным ветром, но не оставляет чувство, что вот-вот в кабинет зайдет лаборант и выгонит непрошенных гостей.

В сентябре 1984 года была впервые достигнута глубина в 12 066 метров, и тут случился очередной обрыв буровой колонны. Это стало настоящей трагедией для буровой бригады, ведь пришлось начинать все практически заново, все с тех же 7 километров, вновь и вновь проходя трещины и каверны нижнего слоя земной коры.

Архивные фото взяты с сайта http://superdeep.pechenga.ru/

Тогда же, в рамках Всемирного геологического конгресса, работы, проводимые в Заполярье, рассекретили. В научном мире скважина СГ-3 произвела настоящий фурор. В поселок Заполярный отправилась большая делегация геологов и журналистов. Посетителям показали буровую в действии, доставали и отсоединяли 33-метровые секции труб. Вокруг находились десятки точно таких же буровых долот, как и то, что лежало на стенде в Москве. СССР подтвердил статус передовой державы в области глубокого бурения.

Архивные фото взяты с сайта http://superdeep.pechenga.ru/

В июне 1990 года, когда СГ-3 достигла глубины 12 262 м, начались подготовительные работы к проходке до 14 км, вновь произошла авария. На отметке 8 550 м колонна труб оборвалась. Продолжение работ требовало долгого и дорогостоящего обновления техник, так что в 1994 году бурение Кольской сверхглубокой прекратили. Все возможности современной техники были исчерпаны. Через 3 года она попала в Книгу рекордов Гиннесса и до сих пор остается непревзойденной.

Что же дало сверхглубокое бурение на Кольском полуострове человечеству?
Прежде всего, она опровергла простое двуслойное строение Земли. 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.

Одной из важнейших целей бурения было получить керн (цилиндрический столбик горной породы) во всю длину скважины. 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.

Архивные фото взяты с сайта http://superdeep.pechenga.ru/

Сейсмические разделы в недрах, как оказалось, это не границы слоев из пород разного состава. Скорее они указывают на изменение петрофизических свойств пород с глубиной. При высоком давлении и температуре свойства настолько меняются, что граниты по своим физическим характеристикам становятся похожи на базальты, и наоборот. Считалось, что с глубиной и ростом давления пористость и трещиноватость пород уменьшаются. Однако, начиная с 9 километровой отметки, толщи оказались аномально пористыми и трещиноватыми. По густой системе трещин цикулировали 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. Кольская сверхглубокая скважина состарила Землю на целых 1,5 миллиарда лет: жизнь на планете появилась раньше, чем предполагалось. На глубинах, где считалось, что нет органики, обнаружили более 17 видов окаменевших микроорганизмов – микрофоссилий, а ведь возраст этих глубинных слоев превышал 2,8 миллиарда лет. И еще более десятка узконаправленных открытий.

Немногие знают, но на территории бывшего СССР было пробурено более 30 сверхглубоких скважин (на сегодняшний день все или почти все они уничтожены). По специальным транссектам (линиям измерений) их соединили между собой, получив региональные геологические профили длиной многие тысячи километров. Вдоль транссект размещалось специальное геофизическое оборудование, которое фиксировало все процессы, происходящие в недрах, в едином времени. В качестве источников возбуждения (импульса, который фиксировался в скважинах) до 1991 года применялись подземные ядерные взрывы.

Этот принципиально новый технический и методический подход к решению регионального глубинного строения земной коры и верхней мантии был основан на комплексировании данных сверхглубокого и глубокого бурения, а также сейсмического глубинного зондирования и других геофизических и геохимических методов. Для территории СССР была разработана система взаимной увязки данных геофизических профилей, опирающихся на опорные сверхглубокие скважины. Все это позволило провести достаточно детальное районирование, в первую очередь перспективных с точки зрения нефте- газо- и рудоносности зон, в масштабах всей страны.

В своих интервью директор геологического института Кольского научного центра РАН утверждает, что за 100 млн. рублей можно хоть сейчас восстановить комплекс Кольской сверхглубокой скважины, открыть на ее базе научно-технический центр и обучать специалистов по шельфовому бурению. Мне совершенно очевидно, что это не так. И вопрос,к сожалению, не в деньгах. Уникальный объект, по масштабу и значимости для человечества сравнимый разве что с полетом человека в космос, утерян. И утерян безвозвратно.

После СГ-3 в мире предпринималось и предпринимается немало попыток заглянуть в глубинные горизонты недр Земли, но к сожалению, ни один проект не приблизился по значимости к работе, проведенной в Заполярье.