Журнал «Вокруг Света» № 10 за 2004 год (2769)
Шрифт:
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
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.
В конце 1980-х годов в Швеции в поисках природного газа небиологического происхождения пробурили скважину до глубины 6,8 км. Геологи решили проверить гипотезу, согласно которой нефть и газ образуются не из отмерших растений, как считает большинство ученых, а посредством мантийных флюидов – горячих смесей газов и жидкостей. Насыщенные углеводородами флюиды просачиваются из мантии в земную кору и накапливаются в больших количествах. В те годы идея о происхождении углеводородов не из органического вещества осадочных толщ, а посредством глубинных флюидов была в новинку, многие хотели ее проверить. Из этой идеи следует, что запасы углеводородов могут содержать не только осадочные, но также вулканические и метаморфические породы. Вот почему Швеция, большей частью расположенная на древнем кристаллическом щите, взялась поставить эксперимент.
Для бурения выбрали кратер Сильян Ринг диаметром 52 км. По геофизическим данным, на глубине 500—600 метров находились кальцинированные граниты – возможная покрышка для нижележащего резервуара углеводородов. Замеры ускорения силы тяжести, по изменению которой можно судить о составе и плотности залегающих в недрах горных пород, говорили о наличии высокопористых пород на глубине 5 км – возможного коллектора нефти и газа. Результаты бурения разочаровали ученых и инвесторов, вложивших в эти работы 60 млн. долларов. Пройденные толщи не содержали промышленных запасов углеводородов, только проявления нефти и газа явно биологического происхождения из древних битумов. Во всяком случае, никому не удалось доказать обратное.
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.
Когда в Нижегородской области были найдены мелкие алмазы, это немало озадачило геологов. Конечно, проще всего было предположить, что драгоценные камни принес ледник или речные воды откуда-то с севера. Но вдруг местные недра скрывают кимберлитовую трубку – вместилище алмазов? Проверить эту гипотезу решили в конце 1980-х годов, когда программа научного бурения в России набирала обороты. Место для бурения выбрали севернее Нижнего Новгорода, в центре гигантской кольцевой структуры, которая хорошо выделяется в рельефе. Одни считали ее метеоритным кратером, другие – трубкой взрыва или жерлом вулкана. Бурение прекратили, когда Воротиловская скважина достигла глубины 5 374 м, из которых более километра приходилось на кристаллические породы фундамента. Кимберлитов там не нашли, но справедливости ради следует сказать, что в споре о происхождении этой структуры точку тоже не поставили. Добытые из недр факты одинаково подходили для сторонников обеих гипотез, в итоге каждый остался при своем мнении. А скважину превратили в глубинную геолабораторию, которая действует и поныне.
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.