Кольская сверхглубокая скважина. Подземное неземное

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.

Что мешает пробурить скважину до центра Земли и узнать, что там находится? О строении космоса мы знаем гораздо больше, чем о том, как устроен Земной шар. Хотя попытки проникнуть вглубь Земли предпринимались не раз. Первые две сверхглубокие скважины были пробурены в штате Луизиана в Северной Америке. Руководители проекта оборудовали скважину обсадными трубами метрового диаметра, уходящими на глубину 1 км, с тремя мощными автоматическими аварийными затворами. Рядом с буровой расположили специальный бетонозавод, который в случае аварии подавал бы быстротвердеющий раствор в обсадную трубу. До глубины в 9 км проходка шла как обычно. Но глубже столкнулись с увеличивающимся внутренним давлением, из скважины стал выделяться сероводород. Бурильщики шутили, что добурили до преисподней. С глубины 9,6 км из скважины пошла расплавленная сера, и проходчики начали терять сознание. Аварийные затворы закрылись. А бетонный завод обеспечил подачу спецраствора в о! бсадную трубу, и скважину удалось заглушить.

В СССР так же пытались пробурить несколько сверхглубоких скважин, но отечественных бурильщиков постигла та же печальная участь. Во время бурения скважины «Кумжа-9» на реке Печора в Архангельской области с глубины 7 км неожиданно ударил мощный фонтан из газа, нефти и бурового раствора. Да так сильно, что бур просто «влетел» в зону аномально высокого пластового давления. Трубы от буровой установки разлетелись, как макароны из кастрюли. Тут же ударил факел высотой 150 метров. Попробовали погасить факел танками – неудачно. Фонтан гудел, как реактивный двигатель. В итоге его удалось погасить лишь с помощью подземных ядерных взрывов. Для этого пробурили наклонную скважину в сторону аварийного ствола. Подвели по ней ядерный фугас и на глубине 1,5 км взорвали. Образовалась подземная камера, и зона бокового давления перекрыла ствол скважины.

Самую сверхглубокую скважину – СГС-3 глубиной 12,3 км – пробурили на Кольском полуострове в районе поселка Никель. Работы проводил специальный институт геофизики с общим числом сотрудников 5000 человек, а на самой шахте в советские годы трудилось 520 человек. Расчетная глубина бурения была установлена в 30 км. До 7 км бурение шло в обычном режиме. Сюрпризы начались на глубине 7,5 км, температура там, где бур непосредственно соприкасался с базальтом, взросла до 100°С, а плотность образцов, поднятых на поверхность, снизилась на 20%. Геохимики обнаружили в породе различные газы – водород и гелий, а биологи – неизвестные бактерии. Эти бактерии, извлеченные в кислородную атмосферу, погибали, и потому их назвали аэрофобные (боящиеся воздуха). Вдруг бур заклинило намертво, тогда приступили к проходке второго ствола. На глубине 8 км температура поднялась до 120°С, а керны стали пористыми, количество бактерий возросло. Обычные стальные трубы заменили на! новые, изготовленные из высокопрочной стали, бур сделали из молибдена, зерна алмаза заменили на искусственный материал эльбор, который превосходил алмаз по огнеупорности, прочности и твердости. Наконец, ствол скважины достиг глубины 12240 м. Бур снова заклинило, станок замолчал.

Немного о характеристиках буровой установки ("Уралмаш-15000"). Буровая колонна ниже 2000 метров была собрана трубами из лёгких алюминиевых сплавов (стальная просто разорвалась бы от своего веса). Вес колонны около 200 тонн.

Турбобур - турбина длиной 46 метров, действующая от давления бурового раствора, вращает буровую коронку (долото).

Керноприёмник - съёмная труба внутри турбобура, служащая для забора образцов породы (керна).

Использовались обычные буровые коронки из твёрдого сплава. Одна коронка служит приблизительно 4 часа, за это время удаётся пробурить 7-10 метров. На спуск и подъём колонны уходит до 18 часов. При этом колонна разбирается на секции из нескольких труб.

Первые 7 километров сложены вулканическими и осадочными породами: туфами, базальтами, брекчиями, песчаниками, доломитами. Глубже лежит так называемый раздел Конрада, после которого скорость сейсмических волн в породах резко увеличивается, что раньше интерпретировалось как граница между гранитами и базальтами. Этот раздел на Кольской скважине 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, согласно которой под гранитоидной корой материков должна находиться базальтовая кора, в которой материки, согласно теории тектоники плит, движутся по поверхности планеты. Сейсмические разделы в недрах планеты оказались не границами слоев из пород разного состава. Скорее они указывают на изменение свойств камня с глубиной. Поднятый на поверхность с 12-ти километровой глубины образец оказался не базальтом, как ожидалось по теории, а гранитом.

Прежде думали, что с удалением от поверхности земли и ростом давления породы становятся более монолитными, количество трещин в них уменьшается. Но скважина показала обратное – начиная с 9 км, толщи оказались очень пористыми и буквально напичканы трещинами, по которым циркулировали водные растворы. На глубине температура оказалось выше, чем рассчитывали: +80°С. На отметке 7 км температура в забое была 120°С, а на 12 км – +230°С. В образцах Кольской скважины ученые обнаружили золотое оруденение. Вкрапления драгоценного металла находились в древних породах на глубине 9,5–10,5 км (в среднем 37,7 мг золота на тонну породы).

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 - 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°С, на семи – за 120, а на глубине 12-ти км жарило сильнее 220°С, что на 100° выше предсказанного теоретиками! Результаты поставили под сомнение теорию послойного строения земной коры – по крайней мере, 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. Базальтов вообще не нашли. Все бурение прошло в гранитном слое. А ведь с теорией послойного строения Земли связаны все наши представления о возникновении и размещении полезных ископаемых. На глубинах, где считалось, что нет органики, обнаружили 14 видов 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 разрушило теорию биологического происхождения углеводородов, таких как нефть и газ.

Совершенно неожиданно для всех подтвердились прогнозы Алексея Толстого из романа «Гиперболоид инженера Гарина». На глубине свыше 9,5 километров обнаружили настоящую кладезь всевозможных ископаемых, в частности золота – настоящий оливиновый слой, гениально предсказанный писателем.

Проблемы на немецкой сверхглубокой скважине на юго-востоке Баварии, заложенной на остатках древней горной цепи возрастом в 300 млн. лет, начались после достижения глубины 7 км: в конце работ забой отклонился от вертикали на 300 м. Так же как и на Кольской, приходилось бурить новые стволы. Температура в скважине на глубине была 270°С, и это вынудило прекратить работы, не достигнув заветной цели. На предельной для бурения глубине залегали главным образом амфиболиты и гнейсы – древние метаморфические породы. Зоны перехода гранитоидной коры в гнейсовую здесь также не обнаружили.

В США продолжают глубинное бурения дна океанов в зонах вулканической и тектонической активности земной коры. Так, на Гавайских островах исследователи надеялись изучить подземную жизнь вулкана и приблизиться к мантийному языку – плюму, который, как полагают, и породил эти острова. Скважину у подножия вулкана Мауна-Кеа планировали пробурить до глубины 4,5 км, но из-за огромных температур осилить смогли только 3 км. Другой проект – глубинная обсерватория на разломе Сан-Андреас. Бурение скважины через этот разлом Североамериканского континента начали в июне 2004 года и прошли 2 из 3 запланированных километров. Уже сейчас добыча нефти и газа в США с глубин 6–7 км стала обычным делом. Тюменская сверхглубокая скважина показала, что в 7 километрах от поверхности есть перспективные для газовых месторождений толщи пород.

Одно из самых удивительных открытий, которое сделали с помощью бурения, – это наличие жизни глубоко под землей. И хотя жизнь эта представлена лишь бактериями, ее пределы простираются до невероятных глубин. Бактерии вездесущи. Они освоили подземное царство, казалось бы, совершенно непригодное для существования. Огромные давления, высокие температуры, отсутствие кислорода и жизненного пространства – ничто не смогло стать препятствием на пути распространения жизни в недрах литосферы. По некоторым подсчетам, масса микроорганизмов, обитающих под землей, может даже превышать массу всех живых существ, населяющих поверхность нашей планеты.

Еще в начале XX века американский ученый Эдсон Бастин обнаружил бактерии в воде из нефтеносного горизонта с глубины несколько сот метров. Обитавшие там микроорганизмы не нуждались в кислороде и солнечных лучах, они питались органическими соединениями нефти. Бастин предположил, что эти бактерии живут изолированно от поверхности уже 300 млн. лет – с тех пор как образовалось нефтяное месторождение. Но его смелая гипотеза осталась тогда невостребованной – в нее просто не поверили. Тогда считали, что жизнь – это лишь тонкая пленка на поверхности планеты.

В 1980 г. департамент энергетики США искал безопасные методы захоронения радиоактивных отходов. Для этих целей предполагалось использовать шахты в непроницаемых горных породах, где живут питающиеся радионуклидами бактерии. В 1987 году началось глубокое бурение нескольких скважин в штате Южная Каролина. С полукилометровой глубины и дальше вглубь отбирали образцы, соблюдая при этом всевозможные меры предосторожности, чтобы не занести бактерии и воздух с поверхности Земли. Изучением образцов занимались несколько независимых лабораторий, их результаты показали, что глубоких толщах обитали анаэробные бактерии, которые не нуждаются в кислороде.

Бактерии нашли и в породах золоторудной шахты в Южной Африке на глубине 2,8 км, где температура составляла 60°С. Они живут и глубоко под дном океанов при температуре свыше 100°. Как показала Кольская сверхглубокая скважина, условия для обитания микроорганизмов есть даже на глубине более 12 км, поскольку горные породы на большой глубине оказались пористыми, насыщенными водными растворами.

В сверхглубокой скважине, которая вскрывала кратер Сильян Ринг в Швеции, микробиологи тоже обнаружили колонии бактерий. Любопытно, что микроорганизмы обитали в древних гранитах. Хотя это были очень плотные, залегающие под большим давлением породы, но в них по системе микропор и трещин циркулировали подземные, по-видимому, ювенильные воды. Американский геолог Томас Голд считает, что магнетито-масляная паста на глубине 4–5 км – это не что иное, как продукт жизнедеятельности бактерий, которые питаются поступающим из мантии метаном.

Пределы выносливости литосферных бактерий изумляют, но похоже, что нижнюю границу их обитания все-таки устанавливает температура недр. Они могут размножаться при 110°С и выдерживать, хоть и короткое время, температуру в 140°С. Под океанским дном температура растет не так быстро, и нижняя граница жизни там может пролегать на глубине 7 км. Это означает, что биосфера Земли не может быть полностью уничтожена даже в случае самых серьезных катаклизмов, а на планетах, лишенных атмосферы и гидросферы, микроорганизмы вполне могут существовать в недрах.

Катрина Эдвардс (Katrina Edwards) со своими коллегами обнаружили, что на обнаженных твердых породах на дне глубоководных впадин в океане обитает в 3–4 раза больше бактерий, нежели в водных слоях океана. Жизнь может существовать в холодной темной и каменной среде, считает Сантелли: "Однако мы не ожидали найти такое обилие микробной жизни на больших глубинах". Пораженные присутствием огромного разнообразия микроорганизмов, исследователи пришли к выводу, что богатая микробная жизнь присутствует на всей поверхности океанского дна. Это открытие подтверждает теорию о том, что бактерии выживают благодаря эндогенной энергии, исходящей из глубин Земли – "процесс, который значительно дополнит наши знания о глубинном углеродном цикле и развитии жизни на земле", говорит Катрина Эдвардс.

К настоящему времени в мире существует несколько десятков сверхглубоких скважин. Вот наиболее известные из них: Берта-Роджерс, США, – 9 583 м. Бейден-Юнит, США, – 9 159 м. КТВ Hauptbohrung, Германия – 9 100 м. Юниверсити, США – 8 686 м. Цистердорф, Австрия – 8 553 м. Бигхорн, США, Вайоминг – 7 583 м. Сильян Ринг, Швеция – 6 800 м. Глубже Кольской (и то совсем ненамного) только скважина в Одопту, пробуренная компанией Еxxon Neftegas Limited (ENL) в конце 2010 - начале 2011 года (глубина 12 345 м) и скважина, пробуреная компанией Transocean для Maersk Oil в 2008 году в Катаре, в нефтяном бассейне Аль-Шахин, глубиной 12 289 метров.

Сверхглубокое бурение позволило заглянуть в недра и понять, как ведут себя горные породы при высоких давлениях и температуре. Представление о том, что горные породы с глубиной становятся плотнее и пористость их убывает, оказалось неверным, как и точка зрения о сухих недрах. Впервые это было обнаружено при бурении Кольской сверхглубокой скважины. Другие скважины в древних кристаллических толщах подтвердили факт, что на многокилометровой глубине горные породы разбиты трещинами и пронизаны многочисленными порами, а водные растворы (в науке называемые сверхкритическими флюидами) достаточно свободно движутся под давлением в несколько сот атмосфер. Учитывая информацию о состоянии недр, полученную в ходе сверхглубокого бурения, проекты создания могильников радиоактивных отходов в глубоких желобах океана ныне выглядят весьма рискованными. Согласно теории тектонических плит, в месте этих желобов океаническая плита "подсовывается" под материковую, и поме! щенные в такой желоб радиоактивные отходы в контейнерах должны были бы тоже "подсовываться" под материковую плиту и таким образом хорониться на значительной глубине. Но оказалось, что на самом деле никакие плиты в желобах друг под друга не подсовываются.

Нефтяная компания (НК) «Роснефть» в составе консорциума проекта «Сахалин-1» успешно завершила бурение самой протяженной скважины в мире на месторождении Чайво, сообщило управление информационной политики компании.

Эксплуатационная скважина О-14 имеет самую большую в мире глубину по стволу – 13 500 метров и горизонтальный участок ствола длиной 12 033 метра. Она пробурена в направлении крайней юго-восточной оконечности месторождения с буровой платформы «Орлан».

«Эта скважина – продолжение успешной реализации нашего выдающегося проекта. Выражаю признательность нашим партнерам – компании ExxonMobil, благодаря использованию технологий бурения которой стало возможно это достижение», – заявил глава «Роснефти» Игорь Сечин.

В ходе реализации проекта «Сахалин-1» с 2003 года было установлено уже несколько мировых рекордов по бурению скважин с большим отходом от вертикали. Так, например, в январе 2011 года нефтяная скважина месторождения Одопту-море, пробуренная под острым углом к поверхности земли, с длиной 12 345 метров стала самой длинной скважиной в мире.

В апреле 2013 года была пробурена скважина Z-43, глубина которой по стволу составила 12 450 метров, а в июне того же года на Чайвинском месторождении вновь был побит мировой рекорд: глубина по стволу скважины Z-42 составила 12 700 метров, плюс горизонтальный участок в 11 739 метров.

В апреле 2014 года бригада проекта «Сахалин-1» закончила бурение скважины Z-40 на шельфовом месторождении Чайво, которая до появления скважины О-14 имела самую большую в мире глубину по стволу, равную 13 000 метрам, и глубину горизонтального участка ствола – 12 130 метров.

На сегодня, с учетом новой рекордно глубокой скважины, консорциумом «Сахалин-1» пробурено 9 из 10 самых протяженных в мире скважин.

Успешное применение передовых технологий бурения позволяет сокращать затраты на строительство дополнительных морских сооружений, трубопроводов и прочих элементов промысловой инфраструктуры.

Кроме того, благодаря сокращению площади участков ведения буровых и добычных работ, передовые бурильные технологии, применяемые «Роснефтью», способствуют защите окружающей среды.

Кольская сверхглубокая скважина, заложенная в честь 100-летия со дня рождения Ленина, в 1970 году, остается самой глубокой вертикальной скважиной в мире, пробуренной на суше. Ее глубина составляет 12 262 метра.

Месторождение Чайво – одно из трех месторождений проекта «Сахалин-1». Находится к северо-востоку от берегов Сахалина. Глубина моря изменяется от 14 до 30 м, на участке установки платформы «Орлан» с буровым и жилым модулями глубина моря составляет 15 м, расстояние до берега – 5 км (ближняя граница) и 15 км (дальняя граница). Месторождение было введено в эксплуатацию в 2005 году.

Установка платформы «Орлан» была завершена в июле 2005 года, а буровые работы начаты в декабре 2005 года. На платформе предусмотрен минимум сооружений по подготовке продукции, так как вся добываемая продукция подается на береговой комплекс подготовки Чайво. Сталебетонная конструкция, на которой размещены буровой и жилой модули, используется для разработки юго-западной и юго-восточной части месторождения Чайво. Сталебетонное основание «Орлана» легко выдерживает натиск льда и гигантских торосов, достигающих высоты шестиэтажного дома.

«Сахалин-1» – первый масштабный шельфовый проект, осуществляемый в Российской Федерации на условиях Соглашения о разделе продукции (СРП), заключенного в 1996 году. Доли участников проекта: НК «Роснефть» – 20%, ExxonMobil – 30%, SODECO – 30%, ONGC Videsh Ltd – 20%.

Проект «Сахалин-1» включает в себя освоение трех морских месторождений: Чайво, Одопту и Аркутун-Даги, расположенных на северо-восточном шельфе острова Сахалин. Суммарные извлекаемые запасы по проекту составляют 236 млн тонн нефти и 487 млрд кубометров газа. В 2005 году было введено в эксплуатацию первое месторождение Чайво, в 2010 году – месторождение Одопту, в январе 2015 года – месторождение Аркутун-Даги. С начала реализации проекта добыто 70 млн тонн нефти, добыто и реализовано 16 млрд кубометров газа.

Сегодня научные изыскания человечества добрались до рубежей Солнечной системы: мы высаживали космические аппараты на планеты, их спутники, астероиды, кометы, отправили миссии к поясу Койпера и пересекли границу гелиопаузы. С помощью телескопов мы видим события, происходившие 13 миллиардов лет назад - когда Вселенной исполнилось всего несколько сотен миллионов лет. На фоне этого интересно оценить, насколько хорошо мы знаем нашу Землю. Лучший способ узнать ее внутреннее строение - пробурить скважину: чем глубже, тем лучше. Самая глубокая скважина на Земле - Кольская сверхглубокая, или СГ-3. В 1990 году ее глубина достигла 12 километров 262 метров. Если сравнить эту цифру с радиусом нашей планеты, то окажется, что это всего 0,2 процента пути до центра Земли. Но даже этого оказалось достаточно, чтобы перевернуть представления о строении земной коры.

Если вы представляете себе скважину как шахту, по которой можно спускаться на лифте в самые недра земли или хотя бы на пару километров, то это совсем не так. Диаметр бурового инструмента, с помощью которого инженеры создавали скважину, составлял всего 21,4 сантиметра. Верхний двухкилометровый отрезок скважины немного шире - его расширяли до 39,4 сантиметра, но все равно человеку туда никак не попасть. Чтобы представить себе пропорции скважины, лучшей аналогией будет 57-метровая швейная игла с диаметром в 1 миллиметр, немного утолщенная с одного конца.

Схема скважины

Но и это представление будет упрощенным. За время бурения на скважине происходило несколько аварий - часть буровой колонны при этом оказывалась под землей без возможности ее извлечь. Поэтому несколько раз скважину начинали проходить заново, с отметок в семь и девять километров. Есть четыре крупных ответвления и около десятка мелких. У основных ответвлений разная предельная глубина: два из них пересекают отметку в 12 километров, еще два не доходят до нее всего на 200-400 метров. Заметим, что глубина Марианской впадины на километр меньше - 10 994 метра относительно уровня моря.

Горизонтальная (слева) и вертикальная проекции траекторий СГ-3

Ю.Н. Яковлев et al. / Вестник Кольского научного центра РАН, 2014

Более того, было бы ошибкой воспринимать скважину как отвесную линию. Из-за того что на разных глубинах породы обладают разными механическими свойствами, бур в ходе работы отклонялся к менее плотным областям. Поэтому в большом масштабе профиль Кольской сверхглубокой выглядит как немного изогнутая проволока с несколькими ответвлениями.

Подойдя к скважине сегодня, мы увидим лишь верхнюю часть - металлический люк, привинченный к устью двенадцатью массивными болтами. Надпись на нем сделана с ошибкой, правильная глубина - 12 262 метра.

Как бурили сверхглубокую скважину?

Для начала необходимо отметить, что СГ-3 изначально задумывалась именно для научных целей. Исследователи выбрали для бурения место, где на поверхность земли выходили древние породы - возрастом до трех миллиардов лет. Один из аргументов при разведке состоял в том, что молодые осадочные породы были хорошо изучены при добыче нефти, а глубоко в древние слои никто еще не бурил. Кроме того, здесь находились и крупные медно-никелевые месторождения, разведка которых была бы полезным дополнением к научной миссии скважины.

Бурение началось в 1970 году. Первая часть скважины была пробурена серийной установкой «Уралмаш-4Э» - ее обычно использовали для бурения нефтяных скважин. Модификация установки позволила достичь глубины 7 километров 263 метра. На это ушло четыре года. Затем установку сменили на «Уралмаш-15000», названную так в честь запланированной глубины скважины - 15 километров. Новая буровая была разработана специально для Кольской сверхглубокой: бурение на таких больших глубинах требовало серьезной доработки техники и материалов. К примеру, один только вес буровой колонны при 15-километровой глубине достигал 200 тонн. Сама установка могла поднимать груз вплоть до 400 тонн.

Буровая колонна состоит из труб, соединенных между собой. С ее помощью инженеры опускают на дно скважины инструмент для бурения, и она же обеспечивает его работу. На конце колонны устанавливали специальные 46-метровые турбобуры, приводимые в движение потоком воды с поверхности. Они позволяли вращать дробящий породу инструмент отдельно от всей колонны.

Коронки, с помощью которых буровая колонна вгрызалась в гранит, вызывают ассоциации с футуристическими деталями от робота - несколько вращающихся шипастых дисков, соединенных с турбиной сверху. Одной такой коронки хватало всего на четыре часа работы - это примерно соответствует проходу на 7-10 метров, после чего всю буровую колонну нужно поднимать, разбирать и затем опускать заново. Постоянные спуски и подъемы сами по себе занимали до 8 часов.

Даже трубы для колонны в Кольской сверхглубокой пришлось использовать необычные. На глубине постепенно растут температура и давление, и, как рассказывают инженеры, 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. Поэтому разработчики выбрали более легкие и термостойкие алюминиевые сплавы. Каждая из труб имела длину около 33 метров и диаметр около 20 сантиметров - немного уже самой скважины.

Однако даже специально разработанные материалы не выдерживали условий бурения. После первого семикилометрового отрезка на дальнейшее бурение до отметки 12 000 метров ушло почти десять лет и более 50 километров труб. Инженеры столкнулись с тем, что ниже семи километров породы стали менее плотными и трещиноватыми - вязкими для бура. Кроме того, ствол самой скважины исказил форму и стал эллиптичным. В результате несколько раз колонна обрывалась, и, не имея возможности поднять ее обратно, инженеры вынуждены были бетонировать ответвление скважины и проходить ствол заново, теряя годы работы.

Одна из таких крупных аварий заставила буровиков в 1984 году забетонировать ответвление скважины, достигшее глубины 12 066 метров. Бурение пришлось начать заново с 7-километровой отметки. Этому предшествовала пауза в работе со скважиной - в тот момент существование СГ-3 рассекретили, а в Москве прошел международный геологический конгресс Геоэкспо, делегаты которого посетили объект.

Как рассказывают очевидцы аварии, после возобновления работ колонна пробурила скважину еще на девять метров вниз. После четырех часов бурения рабочие приготовились поднимать колонну обратно, но она «не пошла». Буровики решили, что труба где-то «прилипла» к стенкам скважины, и увеличили мощность на подъем. Нагрузка резко уменьшилась. Постепенно разбирая колонну на 33-метровые свечки, рабочие добрались до очередного отрезка, заканчивающегося неровным нижним краем: турбобур и еще пять километров труб остались в скважине, поднять их не удалось.

Вновь достигнуть 12-километровой отметки буровикам удалось лишь к 1990 году, тогда же был установлен и рекорд погружения - 12 262 метра. Затем произошла новая авария, а с 1994 года работы на скважине были остановлены.

Научная миссия сверхглубокой

Картина сейсмических испытаний на СГ-3

«Кольская сверхглубокая» Министерство геологии СССР, издательство «Недра», 1984

Скважину исследовали целым набором геологических и геофизических методов, начиная от сбора керна (столбика пород, соответствующих заданным глубинам) и заканчивая радиационными и сейсмологическими измерениями. К примеру, керн забирали с помощью керноприемников со специальными бурами - они похожи на трубы с зазубренными краями. В центре этих труб 6-7 сантиметровые отверстия, куда попадает порода.

Но даже с этой, казалось бы, простой (за исключением потребности поднимать этот керн с многокилометровой глубины) методикой возникали сложности. Из-за бурового раствора, - того самого, что приводил в движение бур, - керн напитывался жидкостью и изменял свои свойства. Кроме того, условия в глубине и на поверхности земли сильно различаются - образцы растрескивались от перепада давления.

На разных глубинах выход керна сильно отличался. Если на пяти километрах со 100-метрового отрезка можно было рассчитывать на 30 сантиметров керна, то при глубинах свыше девяти километров вместо столбика пород геологи получали набор шайб из плотной породы.

Микрофотография пород, поднятых с глубины 8028 метра

«Кольская сверхглубокая» Министерство геологии СССР, издательство «Недра», 1984

Исследования материала, поднятого из скважины, позволили сделать несколько важных выводов. Во-первых, строение земной коры нельзя упрощать до композиции из нескольких слоев. На это раньше указывали сейсмологические данные - геофизики видели волны, которые казались отраженными от гладкой границы. Исследования на СГ-3 показали, что такая видимость может возникнуть и при сложном распределении пород.

Это предположение сказалось на проектировании скважины - ученые ожидали, что на глубине семи километров ствол войдет в базальтовые породы, однако они не встретились и на 12-километровой отметке. Зато вместо базальта геологи обнаружили породы, обладавшие большим количеством трещин и низкой плотностью, чего совсем нельзя было ожидать от многокилометровой глубины. Больше того, в трещинах нашлись следы подземных вод - высказывались даже предположения, что они образованы прямой реакцией кислорода и водорода в толще Земли.

Среди научных результатов нашлись и прикладные - так, на небольших глубинах геологи нашли горизонт медно-никелевых руд, пригодных к добыче. А на глубине 9,5 километра обнаружился слой геохимической аномалии золота - в породе присутствовали микрометровые зерна самородного золота. Концентрации доходили до грамма на тонну породы. Впрочем, вряд ли добыча с такой глубины будет когда-нибудь рентабельна. Но само существование и свойства золотоносного слоя позволили уточнить модели эволюции минералов - петрогенеза.

Отдельно следует рассказать об исследованиях температурных градиентов и радиации. Для такого рода экспериментов используются внутрискважинные приборы, опускаемые на проводах-тросах. Большой проблемой было обеспечить их синхронность с наземным оборудованием, а также обеспечить работу на больших глубинах. К примеру, трудности возникали с тем, что тросы при длине в 12 километров растягивались примерно на 20 метров, что могло сильно снизить точность данных. Чтобы этого избежать, геофизикам пришлось создавать новые методы маркировки расстояний.

Большинство серийных приборов не было рассчитано на работу в суровых условиях нижних ярусов скважины. Поэтому для исследований на больших глубинах ученые применяли оборудование, разработанное специально для Кольской сверхглубокой.

Важнейший результат геотермических исследований - гораздо более высокие температурные градиенты, нежели ожидалось увидеть. Вблизи поверхности скорость роста температуры составляла 11 градусов на километр, до глубины двух километров - 14 градусов на километр. В интервале от 2,2 до 7,5 километра температура росла со скоростью, приближающейся к 24 градусам на километр, хотя существующие модели предсказывали величину в полтора раза меньшую. В результате уже на пятикилометровой глубине приборы фиксировали температуру в 70 градусов Цельсия, а к 12 километрам это значение достигло 220 градусов Цельсия.

Кольская сверхглубокая оказалась непохожей на другие скважины - к примеру, при анализе тепловыделения пород Украинского кристаллического щита и батолитов Сьерра-Невады геологи показали, что с глубиной тепловыделение падает. В СГ-3 оно наоборот росло. Более того, измерения показали, что основным источником тепла, обеспечивающим 45-55 процентов теплового потока, является распад радиоактивных элементов.

Несмотря на то что глубина залегания скважины кажется колоссальной, она не доходит и до трети толщины земной коры в Балтийском щите. Геологи оценивают, что подошва земной коры в этой области проходит примерно в 40 километрах под землей. Поэтому даже если бы СГ-3 достигла запланированной 15-километровой отсечки, до мантии мы бы все равно не добрались.

Такую амбициозную задачу ставили перед собой американские ученые, разрабатывая проект «Мохол». Геологи планировали достигнуть границы Мохоровичича - подземной области, где наблюдается резкая смена скорости распространения звуковых волн. Считается, что она связана с границей между корой и мантией. Стоит отметить, что буровики выбрали в качестве места для скважины дно океана вблизи острова Гуадалупе - расстояние до границы составляло всего несколько километров. Однако глубина самого океана достигала здесь 3,5 километра, что существенно осложняло буровые работы. Первые испытания в 1960-х годах позволили геологам пробурить скважины лишь на 183 метра.

Недавно стало известно о планах воскресить проект глубокого океанического бурения с помощью исследовательского бурового судна JOIDES Resolution. В качестве новой цели геологи выбрали точку в Индийском океане, неподалеку от Африки. Глубина залегания границы Мохоровичича там составляет лишь около 2,5 километра. В декабре 2015-го - январе 2016 года геологам удалось пробурить скважину глубиной в 789 метров - пятую по величине в мире из подводных скважин. Но эта величина - лишь половина от требовавшейся на первом этапе. Впрочем, команда планирует вернуться и завершить начатое.

***

0,2 процента длины пути к центру Земли - не такая уж впечатляющая величина по сравнению с масштабами космических путешествий. Однако следует учитывать, что и граница Солнечной системы не проходит по орбите Нептуна (или даже поясу Койпера). Гравитация Солнца преобладает над звездной вплоть до расстояний в два световых года от светила. Так что если аккуратно все посчитать, то окажется, что и «Вояджер-2» пролетел лишь десятую долю процента длины пути до окраин нашей системы.

Поэтому не стоит расстраиваться тем, как плохо мы знаем «внутренности» собственной планеты. У геологов есть свои телескопы - сейсмические исследования - и свои амбициозные планы по покорению недр. И если астрономы уже успели прикоснуться к солидной части небесных тел в Солнечной системе, то у геологов все самое интересное еще впереди.

Владимир Королёв

В 1970 году аккурат к 100-летнему юбилею Ленина советские ученые начали один из самых амбициозных проектов современности. На Кольском полуострове, в десяти километрах от поселка Заполярный, стартовало бурение скважины, которая в результате оказалась самой глубокой в мире и вошла в Книгу рекордов Гиннесса.

Грандиозный научный проект шел больше двадцати лет. Он принес массу интереснейших открытий, вошел в историю науки, а под конец оброс таким количеством легенд, слухов и сплетен, что хватило бы не на один фильм ужасов.

СССР. Кольский полуостров. 1 октября 1980 года. Передовые буровики скважины, достигшие рекордной глубины - 10 500 метров

Вход в ад

Во времена своего расцвета буровая на Кольском полуострове представляла собой циклопическое сооружение высотой в 20-этажный дом. Здесь работало до трех тысяч человек в смену. Коллектив возглавляли ведущие геологи страны. Буровую выстроили в тундре в десяти километрах от поселка Заполярный, и в полярной ночи она сияла огнями, как космический корабль.

Когда все это великолепие вдруг закрылось и огни погасли, сразу пошли слухи. По всем меркам бурение шло необычайно успешно. Никому в мире еще не удавалось достичь такой глубины - советские геологи опустили бур больше чем на 12 километров.

Внезапное завершение удачного проекта выглядело такой же нелепостью, как то, что американцы закрыли программу полетов на Луну. В крахе лунного проекта обвиняли инопланетян. В проблемах Кольской сверхглубокой - чертей и бесов.

Популярная легенда гласит, что с больших глубин бур не раз доставали оплавленным. Никаких физических причин этому не было - температура под землей не превышала 200 градусов по Цельсию, а бур был рассчитан на тысячу градусов. Затем аудиодатчики якобы стали улавливать некие стоны, крики и вздохи. Диспетчеры, следившие за показаниями приборов, жаловались на ощущения панического страха и тревоги.

По легенде выходило, что геологи добурились до ада. Стоны грешников, экстремально высокие температуры, атмосфера ужаса на буровой, - все это объясняло, почему все работы на Кольской сверхглубокой был внезапно свернуты.

Многие относились к этим слухам скептически. Однако в 1995 году, уже после остановки работ, на буровой прогремел мощный взрыв. Что там могло взорваться, не понимал никто, даже руководитель всего проекта, видный геолог Давид Губерман.

Сегодня к заброшенной буровой водят экскурсии и рассказывают туристам увлекательную историю о том, как ученые пробурили дырку в подземное царство мертвых. Как по установке бродят стенающие призраки, а к вечеру на поверхность вылезают бесы и норовят умыкнуть в пропасть зазевавшегося экстремала.

Подземная Луна

На самом деле вся история с «колодцем в ад» была выдумана финскими журналистами к 1 апреля. Их шуточную статью перепечатали американские газеты, и утка полетела в массы. Многолетнее бурение Кольской сверхглубокой шло без всякой мистики. Но то, что происходило там в реальности, было интереснее любых легенд.

Начать с того, что сверхглубокое бурение по поределению было обречено на многочисленные аварии. Под гнетом гигантского давления (до 1000 атмосфер) и высоких температур не выдерживали буры, забивалась скважина, ломались трубы, которыми укрепляли жерло. Бессчетное число раз узкая скважина искривлялась так, что приходилось пробуривать все новые ответвления.

Самая страшная авария произошла вскоре после главного триумфа геологов. В 1982 году они смогли преодолеть отметку в 12 километров. Эти результаты торжественно огласили в Москве на Международном геологическом конгрессе. Геологов со всего света привезли на Кольский полуостров, показали им буровую и образцы пород, добытые на фантастической глубине, до которой еще никогда не добиралось человечество.

После празднования бурение продолжили. Однако перерыв в работах оказался роковым. В 1984 году произошла самая страшная авария на буровой. Оторвались и забили скважину целых пять километров труб. Продолжать бурение было нельзя. В одночасье были потеряны результаты пяти лет работы.

Пришлось возобновлять бурение с 7-километровой отметки. Только в 1990 году геологам вновь удалось перевалить за 12 километров. 12 262 метра - такова окончательная глубина Кольской скважины.

Но параллельно страшным авариям чередой шли и невероятные открытия. Глубокое бурение - аналог машины времени. На Кольском полуострове к поверхности подходят древнейшие породы, возраст которых превышает 3 миллиарда лет. Забираясь все глубже, ученые получили ясное представление о том, что происходило на нашей планете во времена ее молодости.

Прежде всего, оказалось, что традиционная схема геологического разреза, составленная учеными, не соответствует реальности. «До 4 километров все шло по теории, а дальше началось светопреставление», - рассказывал потом Губерман

По расчетам, пробурив слой гранита, полагалось добраться до еще более твердых, базальтовых пород. Но никакого базальта не оказалось. После гранита шли неплотные слоистые породы, которые постоянно крошились и затрудняли движение вглубь.

Зато среди пород возрастом 2,8 миллиарда лет были найдены окаменевшие микроорганизмы. Это позволило уточнить время зарождения жизни на Земле. На еще больших глубинах нашли огромные залежи метана. Это прояснило вопрос о возникновении углеводородов - нефти и газа.

А на глубине свыше 9 километров ученые обнаружили золотосодержащий оливиновый слой, так ярко описанный Алексеем Толстым в «Гиперболоиде инженера Гарина».

Но самое фантастическое открытие произошло в конце 1970-х, когда советская лунная станция привезла образцы лунного грунта. Геологи с изумлением увидели, что его состав полностью совпадает с составом пород, добытых ими на глубине 3 километра. Как это было возможно?

Дело в том, что одна из гипотез происхождения Луны предполагает, что несколько миллиардов лет назад Земля столкнулась с каким-то небесным телом. В результате столкновения от нашей планеты откололся кусок и превратился в спутник. Возможно, этот кусок оторвался именно в районе нынешнего Кольского полуострова.

Финал

Так почему же все-таки закрыли Кольскую сверхглубокую?

Во-первых, основные задачи научной экспедиции были выполнены. Было создано, в экстремальных условиях протестировано и заметно усовершенствовано уникальное оборудование для бурения на больших глубинах. Собранные образцы пород был подробно исследованы и описаны. Кольская скважина помогла гораздо лучше понять строение земной коры и историю нашей планеты.

Во-вторых, само время не способствовало подобным амбициозным проектам. В 1992 году научной экспедиции прикрыли финансирование. Сотрудники уволились и разъехались по домам. Но и сегодня грандиозное здание буровой и загадочная скважина впечатляют своими масштабами.

Иногда кажется, что Кольская сверхглубокая еще не исчерпала весь запас своих чудес. В этом был уверен и руководитель знаменитого проекта. «Имеем самую глубокую дыру в мире - так надо пользоваться!» - восклицал Давид Губерман.