Попытка изучить геологический разрез и толщу вулканических пород, выходящих на поверхность земли, подвигло научные центры и, иже с ними, научно-исследовательские организации выявить происхождение глубинных разломов. Дело в том, что структурные образцы пород, ранее извлеченные из недр Земли и Луны, представляли тогда равный интерес для изучения. И выбор точки заложения устья пал на существующий огромный чашеподобный прогиб, происхождение которого связывается с наличием глубинного разлома на участке Кольского полуострова.
Считалось, что Земля представляет собой этакий бутерброд, состоящий из коры, мантии и ядра. К этому времени, близкие к поверхности, осадочные породы были достаточно исследованы при разработке нефтяных месторождений. Разведка же на цветные металлы редко сопровождалась бурением ниже 2000 - метровой отметки.
Кольская СГ (сверхглубокая), ниже глубины 5000 метров, предполагала обнаружить раздел гранитных и базальтовых пластов. Этого не случилось. Бурильный снаряд прошивал твердые гранитные породы до отметки 7000 метров. Далее проходка пошла по, относительно, мягким грунтам, что и стало причиной обрушения стенок ствола и образования каверн. Осыпанный грунт заклинивал головку инструмента настолько, что при подъёме колонна труб обрывалась, приводя к аварии. Кольская скважина должна была подтвердить или опровергнуть эти давно устоявшиеся учения. К тому же учёные круги не рисковали указывать интервалы, где именно проходят границы между этими тремя слоями. Кольская скважина предназначалась для разведки и изучения месторождений минеральных ресурсов, определения закономерности и поэтапного образования полей залегания запасов сырья. В основу была положена, прежде всего, научная обоснованность теории физических, гидрогеологических и прочих параметров глубин Земли. И достоверную информацию о геологическом строении недр могла дать только сверхглубокая проходка ствола.
Между тем, многолетняя подготовка к началу буровых работ, предусматривала: возможность возрастания температуры по мере углубления, увеличение гидростатического давления пластов, непредсказуемость поведения пород, их устойчивость в связи с наличием горного и пластового давлений.
С технической точки зрения во внимание были приняты все возможные трудности и препятствия, которые могли привести к замедлению процесса углубления из-за потерь времени на спуск-подъём снаряда, снижения скорости бурения в связи с изменением категории пород, увеличения затрат энергии на забойные движители.
Наиболее сложным фактором считалось постоянное увеличение веса обсадной колонны и бурильной трубы по мере углубления.
Успешными стали технические наработки в области:
- повышения грузоподъемности, мощности и других характеристик буровой оснастки и оборудования;
- термостойкости породоразрушающего инструмента;
- автоматизации управления всеми этапами процесса бурения;
- обработки информации, поступающей из забойной зоны;
- предупреждения об аварийных ситуациях с бурильной трубой или обсадной колонной.
Проходка сверхглубокого ствола должна была выявить верность или ошибочность научной гипотезы о глубинном строении планеты.
Целью этого, весьма затратного, строительства предусматривались исследования:
1. Глубинное строение Печенгского месторождения никеля и кристаллической подошвы Балтийского щита полуострова. Расшифровка контура месторождения полиметаллов на Печенге вкупе с проявлениями рудных тел.
2. Изучение природы и сил, вызывающих раздел пластовых границ континентальной коры. Выявление зон пластов, мотивов и характера образования высокой температуры. Определение физического и химического состава воды, газов, образующихся в трещинах, порах пород.
3. Получение исчерпывающего материала по вещественному составу пород и информации об интервалах раздела гранитного и базальтового «прокладок» коры. Всестороннее изучение физико-химических свойств извлечённого керна.
4. Разработка передовых технических средств и новых технологий проходки сверхглубоких стволов. Возможность применения геофизических методов исследования в зоне рудных проявлений.
5. Разработка и создание новейшей аппаратуры наблюдения, испытания, исследования, контроля хода бурового процесса.
Кольская скважина большей частью отвечала научным целям. В задачу входило изучение древнейших пород, из которых сложена планета и познание тайн процессов, в них происходящих.
Геологическое обоснование бурения на Кольском полуострове
Разведка и добыча залежей полезных руд всегда предопределяется бурением глубоких скважин. И почему на Кольском полуострове и именно в Мурманской области, и обязательно на Печенге. Предпосылкой тому послужил факт того, что этот регион считался настоящей кладовой минеральных ресурсов, с богатейшими запасами большого разнообразия рудного сырья (никель, магнетиты, апатиты, слюда, титан, медь).
Однако геологическая выкладка, выполненная на основе керна из скважины, выявила абсурдность мирового научного мнения. Семи километровая глубина оказалась сложенной из вулканических и осадочных пород (туфы, песчаники, доломиты, брекчии). Ниже этого интервала, как предполагалось, должны были находиться породы, разделяющие гранитный и базальтовый структуры. Но, увы, базальты так и не появились.
Выражаясь геологическими терминами, Балтийский щит полуострова с частичным охватом территорий Норвегии, Швеции, Финляндии и Карелии миллионы веков подвергались эрозии и эволюции. Природные всплески, разрушительные процессы вулканизма, явления магматизма, метаморфические видоизменения пород, осадкообразования наиболее четко отпечатались на геологической летописи Печенги. Это та часть Балтийского складчатого щита, где миллиарды лет складывалась геологическая история пластовых и рудных проявлений.
Особенно, многовековой коррозии подвергались северная и восточная части поверхности щита. В результате чего ледники, ветер, вода и другие природные катаклизмы, как бы сдирали (скребли) верхние пласты пород.
Основанием выбора места закладки скважины послужила серьёзная эрозия верхних слоев и обнажение древних архейских образований Земли. Эти обнажения значительно приближали и облегчали доступ к подземным кладовым природы.
Конструкция сверхглубокой скважины
Сверхглубокие сооружения имеют обязательную телескопическую конструкцию. В нашем случае, начальный диаметр устья имел 92 см, а конечный 21,5.
Проектная направляющая колонна или так называемый кондуктор диаметром 720 мм предусматривала проходку на глубину 39 погонных метров. Первая техническая колонна (стационарная обсадная), диаметром 324 мм и длиной в 2000 метров; съемная обсадная 245 мм, метражом в 8770 метров. Далее бурение намечалось вести открытым стволом до проектной отметки. Кристаллические породы позволяли рассчитывать на длительную устойчивость не обсаженной части стенок. Вторая съемная колонна, размеченная магнитными метками, позволяла бы осуществить сплошной отбор керна по всей длине ствола. Радиоактивные метки на забойной трубе были настроены фиксировать температуру среды бурения.
Техническая оснащенность буровой установки для бурения сверхглубокой скважины
Проходка с нуля велась установкой «Уралмаш-4Э», то есть серийным оборудованием, применяемым для бурения глубоких нефтегазовых скважин. До 2000 метров ствол проходился стальными бурильными трубами, с турбобуром на конце. Эта турбина в 46 метров длиной с долотом на конце приводилась во вращение под действием глинистого раствора, который закачивался в трубу давлением 40 атмосфер.
Далее, проходка осуществлялась с интервала 7264 метра отечественной установкой «Уралмаш-15000», с инновационной точки зрения, более мощным сооружением, грузоподъёмностью 400 тонн. Комплекс был укомплектован множеством технических, технологических, электронных и прочих передовых разработок.
Кольская скважина была оснащена высокотехнологичной и автоматизированной структурой:
1. Разведочная буровая установка, с мощным основанием, на котором смонтирована сама секционная вышка, высотой в 68 метров. Предназначалась для осуществления:
- проходка ствола, операции спуск - подъема снаряда и прочие вспомогательные действия;
- удержание ведущей и всей колонны труб, как на весу, так и процессе бурения;
- размещение секций (свечей) бурильных труб, в том числе утяжеленных (УБТ), талевой системы.
Во внутреннем пространстве вышки размещались также средства СП (спуск - подъема), инструменты. Здесь же размещались средства безопасности и возможной экстренной эвакуации верхового (помощника бурильщика).
2. Силовая и технологическая оснастка, энергетические и насосные агрегаты.
3. Циркуляционная и противовыбросовая система, цементировочное оборудование.
4. Система автоматизации, управления, контроля процесса.
5. Электротехническое обеспечение, средства механизации.
6. Комплекс измерительного оборудования, лабораторная техника и многое прочее.
Ниже 2000 отметки стальные трубы были заменены на алюминиевые ЛБТ (легкосплавные бурильные трубы). Толщина их варьировала в пределах 11-17 мм. Внутри турбобура размещалась съёмная труба, так называемый керноприемный узел, служащий для отрыва и забора керна. В качестве разрушающего инструмента использовались твердосплавные и алмазные коронки. Ресурс их составлял порядка 4 часа или 7-10 метров углубления. При съёме керна осуществлялась операция спуск - подъема всей колонны, с разбором её на свечи, длиной в 33 метра каждая.
При отсутствии технических проблем, рейсовая проходка составляла 4 часа, а операция спуск - подъема 12-километровой колонны труб занимала 18 часов. Механическая скорость углубления на некоторых интервалах не превышала 3 м/час. То есть между операциями спуск - подъема, проходка составляла не более 6-10 метров.
Средняя проходка в месяц составляла 60 погонных метров. На последние же 5000 метров бурения в результате интенсивного износа, было израсходовано 50000 метров труб. Проходка до интервала 7263 велась в течение 4 лет. С интервала 7264 метра проходка осуществлялась специально разработанной буровой установкой «Уралмаш-15000», с помощью которой удалось достичь глубины 12262 метра.
Технология проходки сверхглубокой Кольской скважины
Для бурения сверхглубокого ствола, традиционно, применялся забойный двигатель, который размещался на конце бурового снаряда. Двигатель в виде небольшой турбины вращался под действием раствора, закачиваемого в скважину с поверхности. Колонна труб, спускаемых на глубину, а в нашем случае более 12 тысяч метров, изготавливался из лёгких, но прочных, например, алюминиевых или титановых сплавов. Вес такой трубы значительно легче стальной, общая масса которой превышала не одну сотню тонн.
Плюс ко всему, на больших интервалах существовало несоответствие давления столба глинистого раствора и веса горных пород. Такая ситуация становилась причиной обрушения стенок ствола и заклинивания бурового снаряда вместе с инструментом. Во избежание аварии, постоянно возникала необходимость уравновешивания горного давления путём повышения плотности, нагнетаемого в скважину, раствора. Сложной технологической задачей считалась работа бурового снаряда в среде высоких температур. Это усложняло надёжную работу металлических труб, долота (коронки), смазки, раствора, измерительной техники.
Типичные аварии возникали и в результате обрыва труб, порой, длиной в несколько километров. Ликвидация такой технической неудачи вызывала необходимость бурения обводного ствола, начиная с интервала над потерянной частью труб. После подобной аварии в 1984 году, на проходку обводного ствола понадобилось 6 лет, чтобы достичь интервала 12000 метров.
Сложность в том, что современная буровая техника не рассчитана на длительную эксплуатацию в режиме высоких температур. В частности, термостойкость бурильного снаряда оказывалась перезагруженной при температуре 200-220 °C. Серьёзные проблемы (150 °C) имели место в работе электронной и прочей аппаратуры. Цементные растворы с водной составляющей при 130-150 °C начинали менять свои характерные свойства. Изменение плотности и вязкости вынуждало использовать смеси на нефтяной основе.
Между тем теория утверждала, что температура на интервале 15000 метров будет, сравнительно низкой, но на 5 - километровой глубине температура дошла до 70 °C, на 7-м составила 120 °C, а на 12 километре, подземный жар превысил 220 °C. Это достаточно высокая температура, которая считается одной из причин, затрудняющих проникновение в неизведанные недра.
Технически сложная задача была вызвана и множеством факторов самоискривления ствола скважины (рисунок ниже), из-за неоднородной плотности пород и неравномерного их разрушения. Так Кольский забой на интервале 12 км, имел отклонение в 840 метров.
Достижения сверхглубокой кольской скважины (кратко)
На сверхглубоком бурении были задействованы измерительные приборы, контролирующие процессы в стволе, до самого забоя. Традиционный каротаж с приборами, спущенными в скважину на кабеле из термостойкого материала, уже не отвечали насущным требованиям. Но современная телеметрическая, электронная и многочисленная автономная измерительная аппаратура, спускаемая вниз, могла, в случае надобности, извлекаться на поверхность потоком глинистого раствора. При этом сигналы приборов и различных датчиков могли передаваться импульсами давления через буровой раствор. В итоге были получены ценные сведения об изменениях тепловых режимов и водных составляющих с ранее недоступных глубин.
Но главным ожиданием геологов было пересечения гранитного и предполагаемого базальтового слоёв коры Земли. Увы, ожидания не оправдались.
Несмотря на разногласия в научном среде, геологическая природа и структура земной «плоти» на низких интервалах до сих пор остаётся спорной.
Казалось бы, нынешний технический уровень позволяет вести проходку сверхглубоких стволов на 10-15 тыс. метров. И научный подход дает основание полагать, что таковые технические инновации не заставят долго ждать. На это ориентированы программы и технологии научного метода бурения, что само по себе считается претендентом технического продвижения, особенно, если задействована международная кооперация. Свидетельством тому служит широкий спектр уникального оборудования, обеспечившее бурение глубочайшей скважины в Советском Союзе. Подтверждением тому и ценные научные исследования, проведенные в результате проходки сверхглубокого ствола в Германии.
Наряду с научными учреждениями, в исследованиях по изучению строения, состава и физических свойств пород были заинтересованы и принимали участие многие европейские страны. И сотрудничество европейских научных центров, России и США дали положительные результаты. Достигнуты большие успехи в сфере петрографии, минералогеохимии, геохронологии. Получена качественная информация о состоянии теплового режима, сейсмического, магнитного, радиоактивного геополей. Созданы новые типы скважинного высокочувствительного гравиметра и получена возможность математической интерпретации полученной информации. Выполнены геоэкологические исследования, включая анализ растворов в разрезах пород и, в целом, огромные объёмы других проектных изысканий. На глубине 10-12 км оказались трещиноватые и пористые породы с сильно насыщенной минерализованной водой. А присутствие её считается одной из причин рудообразования. На этом же интервале в керне обнаружилось золото с содержанием 1 гр./тонну породы.
Вопреки науке и новые открытия при бурении сверхглубокой скважины
Так, что происходит в глубине земной планеты. Ведь Земля и её температурные, радиационные, термодинамические и прочие характеристики на больших глубинах изучались десятки лет. Несмотря на то, что каждый метр проходки сопровождался научным открытием, Кольская скважина выявила серьезные ошибки ученых о строении и составе коры планеты. Научные обоснования о послойной конструкции Земли закончились на 4-м километре. Далее науке всё стало неподвластно. Не оправдала себя и теория о повышенной плотности ниже лежащих пород. Наоборот, на больших глубинах горные породы оказались испещрены трещинами и порами.
Обнаружение воды в условиях, где давление несколько сотен атмосфер, также стала в пику доказательствам учёных. Наличие живых существ, даже в виде бактерий, явилось серьёзным поводом для удивления. Земные глубины оказались намного горячее, чем предполагалось. В зоне интервала 15 км предсказывалась достаточно низкая температура, что позволяло бы довести бурение до земной мантии, то есть до 20000 метров. С интервала 7 километров, температура в стволе начала повышаться настолько, что шарошки долота извлекались сильно затупившиеся. Обнаруженные в керне более десятка различных окаменевших микроорганизмов, свидетельствовали о том, что появление жизни на Земле состоялась на миллиард и более лет раньше, чем мы думали.
Непредсказуемым стало и наличие большой концентрации газа метана, где его не должно было быть, поскольку там осадочные породы отсутствуют. Вот вам и наука. Считалось, что проявления метана несовместимо с теорией происхождения таких углеводородов, как нефть и газ. Это нонсенс, который не только опроверг, но и разрушил теорию образования углеводородов
Адские вести и мифи окутавшие Кольскую скважину
В прекращение буровых работ определённую лепту внесла и, поныне существующая, мистика с голосами, стонами, рыданиями, якобы, исходящими из глубины недр. Ажиотаж о проникновении долота во «владения» чёртиков муссируется до сих пор. Естественно, они возмутились, начали кричать, источать вопли и, не выдержав напора трубы, с воем вылетели из скважины. Исходят эти слухи и видения от некоего учёного Д. Аззакова, которого дотошные журналисты много лет не могут найти. А не был ли этот товарищ одним из духов, покинувшим некогда укромное, но уже разгаданное местопребывание. Напрашивается мысль, что вырвавшееся из земли «нечто» могло поселиться только в ближайшей, но обязательно сверхглубокой скважине. И обязательно вместе с автором слухов, поскольку учёный-геолог тоже канул куда-то. Его нет нигде. По логике вещей, в потусторонний мир, то есть в ад, души грешников затолкали на глубину 12 км. Стало быть, где-то на земной поверхности давно есть ещё одно такое отверстие, и оно действует поныне. Через него их прессуют как можно глубже. Но для этого нужен очень мощный компрессор. Непонятно, кто обслуживает эту машину и снабжает запасными частями. Ведь число грешных душ неимоверно растёт. Количество их многократно превышает численность ныне живущих.
Остаётся уповать на очередную скважину, которую когда - либо пройдут, ибо все это похоже на ОБС (Одна Баба Сказала). Вместе с тем дилетантство в области мистики, не дает основания затрагивать чувств суеверных людей.
Но дозволено будет напомнить: процесс бурения, особенно в неустойчивых породах, сопровождается образованием каверн. Это обрушение (обвал) стенок приводит к образованию пустот (ям, котлованов), порой объёмных. Если удаётся извлечь снаряд, то проходка продолжается. В случае заклинивания, когда инструмент извлечь не удаётся, ситуация считается аварийной и бурение продолжается с другой отметки. Спускается обсадная колонна до твёрдой породы, а затрубная полость (каверна) не заполняется. Это практически невозможно по ряду причин. Оторванная бурильная труба, падая почти вертикально с большой скоростью, издаёт очень сильный, своеобразный свист. Выходя под давлением, через разные плотности пород, воздух приводит к детонации труб и вызывает звуки разной тональности, вплоть до человеческих голосов. А при 12 с лишним километров, явление вполне возможное.
Кстати сказать, ракушка, приложенная к уху, имитирует морской шум, хотя моря и в помине нет. Это маленькое отклонение от сути дела.
И так мы имеем: многочисленные искривления ствола, наличие различных размеров каверн, оторванные и оставленные в забое, частично полые, трубы, движение (смещение) литосферных плит, непредвиденную температуру среды, наличие газов, вибрацию обсадной колонны и не только. Все эти накапливающиеся с каждым днём колебания воздуха и газов должны были, рано или поздно, вырваться наружу. А возможно взорваться и потом вырваться. То есть выпустить внутренний «пар». Это произошло параллельно с обрывом бурильной колонны на глубине 12262 метра. Не исключено, что «выдох» Земли произошел в результате этого обрыва.
Очередная авария оказалась непосильной, поскольку на том буровые работы были завершены. 1992 год полной остановки буровых работ и объяснялось это отсутствием финансовых средств. Это был конец всемирно известной Кольской сверхглубокой скважины.
Кольская сверхглубокая скважина и 20 с лишним лет спустя
Кольская скважина дала представление о реальном строении континентальной коры. Сформировала понятие о неоднородности и ложности пластовых границ. Внесла научные коррективы в геофизические измерения и геологические представления. Получена новейшая информация с интерпретацией ценных геофизических данных. Уникальность скважины и в том, что узнав многое, науке предстоит еще многое понять о строении планеты Земля. Это дает основание полагать, что сверхглубокое бурение - единственный путь научного развития геологии, как науки.
В 1995 году произвели консервацию скважины.
В 2008 году Кольская сверхглубокая скважина была совсем заброшена, все ценное оборудование было демонтировано и вывезено (в большинстве было сдано на металлолом).
До 2012 года была демонтирована главная башня бурильной установки.
Сейчас работает только Кольский научный центр Российской академии наук в котором по сей день изучают керн добытый из сверхглубокой скважины.
Сам же керн вывезен в город Ярославль, где сейчас и хранится.
Документальное видео о Кольской сверхглубокой скважине
Новые рекорды сверхглубоких скважин
Кольская сверхглубокая скважина считалась самой глубокой скважиной в мире до 2008 года.
В 2008 году в нефтяном бассейне Аль-Шахин была пробурена под острым углом к поверхности земли нефтяная скважина Maersk Oil BD-04A, длина которой составляет 12 290 метров.
В январе 2011 и этот рекорд был побит, а побила её нефтяная скважина пробурена в Северном куполе (Одопту-море - газонефтяное месторождение в России), эта скважина также пробуренная под острым углом к поверхности земли, длина составила 12 345 метров.
В июне 2013 года скважина Z-42 Чайвинского месторождения снова побила рекорд глубины, длина составила 12 700 метров.
