Кольская сверхглубокая: арктическое дно

Наука Полезные ископаемые
Сергей Палагин
29 Ноября, 2020, 06:13
Кольская сверхглубокая: арктическое дно
Фото: А. Варфоломеев, РИА Новости

 

В глубокой древности жители Норвегии называли Кольский полуостров Тренисес или Тернес, а финны Терским берегом, оба названия абсолютно не отражали истинную природу этой знаменитой впоследствии земли, так как названия переводились, как «Возвышенный берег». На самом деле, поверхность Кольского полуострова состоит из древней архейской породы, которая в иных местах залегает на глубине от 5 до 10 километров. Куда делся верхний слой, который, безусловно, существовал, сейчас неизвестно, однако точно установлено, что он переместился в результате кропотливой работы воды, ветра, дождя и ледника, полировавших землю Арктики в течение миллионов лет.

Когда пришло время фундаментально обживать полуостров, земля уже давно была поделена между странами путём проведения границ, на стороне СССР недалеко от Норвегии построили городок Заполярный, предоставив там жильё работникам находящегося рядом никелевого комбината. Так бы и стояли четырнадцать пятиэтажных домов вдоль двух улиц с площадью и гостиницей – главной достопримечательностью полярных сопок, если б в 1970 году в 10 километрах от Заполярного не начали бурить скважину, которая при диаметре в 23 сантиметра через двадцать лет имела длину 12 тысяч 262 метра. Являясь при этом самой глубокой в мире.

Место для будущего глубинного рекорда искали кропотливо и со знанием дела, Балтийский щит Кольского полуострова выбрали по причине того, что прямо на поверхности находится порода возрастом 3 миллиарда лет. С учётом того, что Земле не многим более 4,5 миллиардов лет, место, безусловно, уникальное.

Следует отметить, что глубина до 8 километров изучена достаточно хорошо по причине частого бурения скважин в поисках нефти, однако выбранная геологами площадка представляла собой огромную чашу, вдавленную дном в древнейшие породы, что вызвано глубинным разломом.

 

 Кольский п-ов_ЗАПОЛЯРНЫЙ_IMG_0604.jpg

Фото: Вадим Кантор

 

Перед буровиками стояла необычная задача – выявление особенностей слоёв геологических явлений, определение границ слоёв континентальной коры, сбор сведений о составе и состоянии горных глубинных пород.

В экспедиции по бурению скважины за двадцать лет работы принимало участие 3 000 человек, они жили в городке в двух специально выделенных домах. Работа на буровой велась круглосуточно с остановками по техническим причинам. Буровая представляла собой сооружение высотой более 60 метров, защищённое ветхими стенками из досок от ветра и дождя и снабжённое лампочками, горящими долгой полярной зимой на фоне северного сияния.

Проводимая буровиками работа была важной настолько, что в разборе добытых ими ископаемых принимали участие 10 научно-исследовательских институтов, буровая располагала современным техническим потенциалом, оснащёнными по последнему слову техники мастерскими.

Первых семь тысяч двести шестьдесят два метра прошли за четыре года, работали на обычной серийной аппаратуре, которую повсеместно использовали для добычи углеводородов на просторах бывшего СССР.

         

Кольская сверхглубокая скважина. Буровая первого этапа, 1974 г. Источник: Д.Ф. Сабуров, архив Юрия Яковлева

 

Затем бурение остановили на год, было необходимо установить новую, более совершенную вышку со специальной установкой «Уралмаш-15000», которая использовалась до конца работы.

Принцип турбинного бурения состоит в том, что вращается не вся колонна, а только буровая головка, куда к месту соприкосновения бура с породой через колонну под давлением подаётся буровой раствор, вращающий наконечник из многоступенчатой турбины. Суть бурения состоит в том, чтобы головка турбины, имеющей кольцевую форму диаметром 214 миллиметров, сохраняла нераздробленным столбик породы диаметром 60 миллиметров. Измельчённая порода вместе с отработанным буровым раствором поступает на поверхность. Сложно представить, как работает колонна с раствором при общей массе, равной 200 тоннам, сделанная из лёгких сплавов труб. Колонна из стали банально разорвётся просто от собственного веса.

Один рейс колонны представляет собой: спуск колонны с турбиной, бурение и подъём бурового инструмента. При этом рейсовая проходка при благоприятных условиях составляет от 7 до 10 миллиметров. Если сравнить время бурения и время спуска и подъёма, то пропорция составит 4 часа к 18. При подъёме 12-километровая колонна автоматически разбирается по секциям 33 метра каждая. В месяц удавалось пробурить до 60 метров. Наибольшему износу подвергались трубы скважин, например, на проходку последних 5 километров скважины ушло 50 километров труб.

В период прохождения первых 7 километров скважины работа шла в штатном режиме, способствовала однородность грунта, ствол шахты был ровным и соответствовал диаметру буровой головки. Затем пошла менее прочная порода с трещинами и очень твёрдыми прослойками. Ствол естественным образом начал принимать овальную форму, участились аварии.

 

Фото: undergroundexpert.info, по материалам публикации в журнале «Техника и технологии мира»

 

В 1983 году глубина бурения достигла 12 километров, буровую остановили, наступил праздник. В это время в Москве проходил Международный геологический конгресс, участником которого была представлена монография «Кольская сверхглубокая» и научный доклад. Участники конгресса были настолько впечатлены успехами советских геологов и буровиков, что настояли на организации секции конгресса на месте бурения. Выезд состоялся, советскую геологию ждал триумф, все газеты мира обошли фотографии с поднимающимися колоннами, выпустили и торжественно погасили почтовую марку, на участников посыпались награды и премии.

27 сентября 1984 года вновь приступили к работе. Спуск секций в скважину проходил буднично, последнюю традиционно снарядили агрегатом подачи раствора и включили насосы. Через четыре часа, прорубив 9-метровый участок, начали подъём... При подсчёте секций наверху выяснилось, что в скважине остался турбобур и 5 километров буровых труб. Хозяйка Медной горы не простила остановку работ, в скважине были похоронены результаты 5 лет работы.

Дело в том, что сверхглубокая скважина физически не может быть идеальным, вертикальным углублением от поверхности до дна забоя, потому что «извивается», пересекая пласты породы различной плотности. Отклоняющийся в сторону менее прочных пород бур необходимо периодически возвращать в исходное положение с помощью специальных «отклонителей», что часто приводит к авариям, потерям инструмента и труб. В случае подобного развития событий новый ствол необходимо бурить с отступлением в сторону. В разрезе скважина похожа на корневую систему огромного дерева.

После семи месяцев безуспешных попыток достать трубы и бур, работу вновь возобновили с семикилометровой точки, и пришли вновь к 12 километрам только через шесть лет в 1990 году, после чего достигли максимума в 12 262 метра.

 

Фото: undergroundexpert.info

 

Важнейшая, исключительно научная цель бурения состояла в получении колонки образцов породы, в идеале – на всю длину скважины. Самый длинный в мире керн разместили в линейку, начиная от поверхности вглубь земли, и уложили в специальные ящики числом почти 900 штук.

Порода, извлечённая из земли, меняет свойства, освобождаясь от значительных механических глубинных напряжений, образец трескается от повреждений, пропитывается раствором. Кроме того, чем глубже пласт породы, тем сложнее его извлечь на поверхность. С глубины более 5 километров на 100 метров скважины выход керна не превышает 30 процентов, после 9 километров недра позволяют получить незначительные образцы толщиной 2-3 сантиметра из наиболее прочных прослоек. Однако более полной информации о строении земли не существует, и добытые в ходе экспедиции материалы, безусловно, являются ценными научными артефактами, позволяющими ученым воссоздать эпохи образования нашей планеты.

Исследования проводили в различных сферах научных изысканий, используя самые передовые технологии, контролировали температуру всего ствола шахты, радиоактивность, поле импульсного нейтронного облучения, электрические и магнитные свойства пород, скорость распространения упругих волн, состав газов в скважине.

Неожиданные трудности возникли на последнем этапе бурения, что, в первую очередь, было связано с высокой температурой, превышающей 200 градусов по Цельсию, и давлением, превышающим 1000 атмосфер. Серийные приборы выходили из строя, однако научно-исследовательские институты смогли в короткий срок изготовить термобаростойкие приборы в единичных экземплярах. Аппаратура изготавливалась исключительно в отечественных НИИ, иностранные специалисты и зарубежные научные центры никакого участия в разработке скважины не принимали.

Предоставленные учёным материалы постепенно становились основой научных открытий и предоставляли более полную картину тайн недр земли.

Примерный возраст Земли составляет четыре с половиной миллиарда лет, советским ученым впервые в мире удалось получить информацию о составе планеты, образовавшейся в период от 1,5 до 3 миллиардов лет. Извлечённая порода стала предметом изучения 2/3 истории формирования земного шара.

 

Фото: undergroundexpert.info

 

Исследователи аргументированно заявили об ошибочном предположении состава и структуры земной коры. До анализа материалов добытых из скважины Кольского полуострова бытовало мнение, что порода по мере углубления становится более плотной, однако извлеченные из большой глубины образцы имели трещины и поры.

Результаты исследований опровергли гипотезу об отсутствии воды на значительной глубине, водные растворы свободно циркулируют по трещинам ниже отметки 9 километров.

Исследования образцов под мощным микроскопом значительно расширили представления о границах биосферы. На максимально достигнутой глубине обнаружены экстремофильные бактерии, мало гостеприимная среда не стала препятствием для живых организмов. Советские учёные не без основания предположили, что общая масса организмов, обитающих глубоко под землей, значительно превышает массу всех живых существ, выбравших для обитания поверхность земли.

Исследования геологической составляющей экспедиции продемонстрировали наличие на глубине более 10 километров образцов золота, несмотря на незначительную концентрацию, открытие расширило представления геологов о местах залеганий драгоценных металлов.

Учёные сравнили грунт, доставленный с поверхности Луны и извлечённый из глубины земли, результат оказался ошеломляющим, между образцами практически нет никакой разницы.

На поверку Земля оказалась более горячей, чем до бурения скважины предполагали ученые. Интерес представляет увеличение температуры в зависимости от углубления в толщу породы. До эксперимента было известно, что температура на глубине 5 километров незначительно превышает 70 градусов по Цельсию, после 7 – 120. Учёные полагали, что глубже температура не будет меняться, оставаясь константой, однако на глубине 12 километров приборы чётко зафиксировали 220 градусов по Цельсию.

 

Фото: mvestnik.ru

 

Кроме научных открытий, работа по бурению скважины носила прикладной характер, были разработаны и внедрены приборы для сверхглубокого бурения, создана уникальная аппаратура для исследования недр земли. На глубине, превышающей полтора километра, обнаружили промышленные залежи медно-никелевой руды, что позволило снабжать местный никелевый комбинат. Получены новые данные о процессе рудообразования.

Советский Союз стал первым государством, проникшим так глубоко в недра земли, что позволило людям чётко осознать, как мало они знают свой дом.

 

***

Сергей Палагин, специально для GoArctic

далее в рубрике