Кольская сверхглубокая скважина
сен 15
Аватар пользователя gruzdev

Кольская сверхглубокая скважина

image

Кое-что о земной коре континентов, конечно, знали. Тот факт, что континенты сложены очень древними породами, возрастом от 1,5 до 3 миллиардов лет, не опровергла даже Кольская скважина. Однако составленный на основании керна СГ-3 геологический разрез оказался прямо противоположным тому, что учёные 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.

Разрез Кольской скважины опроверг двухслойную модель земной коры и показал, что сейсмические разделы в недрах – это не границы слоев из пород разного состава. Скорее они указывают на изменение свойств камня с глубиной. При высоком давлении и температуре свойства пород, видимо, могут резко меняться, так, что граниты по своим физическим характеристикам становятся похожи на базальты, и наоборот. Но поднятый на поверхность с 12-километровой глубины «базальт» тут же становился гранитом, хоть и испытывал по пути сильнейший приступ «кессонной болезни» – керн крошился и распадался на плоские бляшки. Чем дальше уходила скважина, тем меньше качественных образцов попадало в руки учёных.

Глубина заключала в себе много неожиданностей. Раньше было естественно думать, что с удалением от поверхности земли, с ростом давления породы становятся более монолитными, с малым количеством трещин и пор. СГ-3 убедила учёных в обратном. Начиная с 9 километров, толщи оказались очень пористыми и буквально напичканы трещинами, по которым циркулировали 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 учёные 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.

image

Высокие температуры, встреченные буровиками под землей, навели ученых на мысль использовать этот практически неисчерпаемый источник энергии. Например, в молодых горах (каковыми являются Кавказ, Альпы, Памир) на 4-километровой глубине температура недр достигнет 200°С. Эту природную батарею можно заставить работать на себя. Надо пробурить рядом две глубокие скважины и соединить их горизонтальными штреками. Потом в одну скважину закачивать воду, а из другой извлекать горячий пар, который пойдет на отопление города или получение другого вида энергии. Серьёзной проблемой для таких предприятий могут стать едкие газы и флюиды, нередкие в сейсмически активных районах. В 1988 году американцам пришлось завершить бурение скважины на шельфе Мексиканского залива у берегов штата Алабама, достигнув глубины 7 399 м. Причиной тому стали температура недр, достигавшая 232°С, очень высокое давление и выбросы кислотных газов. В тех районах, где есть месторождения горячих подземных вод, можно добывать их прямо из скважин с довольно глубоких горизонтов. Такие проекты подходят для районов Кавказа, Памира, Дальнего Востока. Однако высокая стоимость работ ограничивает глубину добычи четырьмя километрами.

Демонстрация Кольской скважины в 1984 году произвела на мировую общественность глубокое впечатление. Многие страны начали готовить проекты по научному бурению на континентах. Такую программу утвердили и в Германии в конце 1980-х годов. Сверхглубокую скважину KTB Хауптборунг бурили с 1990 по 1994 год, по плану она должна была достичь глубины 12 км, но из-за непредсказуемо высоких температур удалось добраться только до отметки 9,1 км. Благодаря открытости данных по буровым и научным работам, хорошей технологии и документированности сверхглубокая скважина КТВ остается одной из самых известных в мире.

Место для бурения этой скважины выбрали на юго-востоке Баварии, на остатках древней горной цепи, чей возраст исчисляется 300 миллионами лет. Геологи полагали, что где-то здесь проходит зона соединения двух плит, бывших некогда берегами океана. По мнению учёных, со временем верхняя часть гор стёрлась, обнажив остатки древней океанской коры. Ещё глубже, в десяти километрах от поверхности, геофизики обнаружили крупное тело с аномально высокой электрической проводимостью. Его природу также надеялись прояснить с помощью скважины. Но основной задачей было достичь глубины 10 км, чтобы приобрести опыт сверхглубокого бурения. Изучив материалы Кольской СГ-3, немецкие буровики решили сначала пройти пробную скважину глубиной 4 км, чтобы составить более точное представление об условиях работы в недрах, опробовать технику и взять керн. По окончании пилотных работ многое из бурильного и научного оборудования пришлось переделывать, кое-что создавать заново.

Основную – сверхглубокую – скважину КТВ Хауптборунг заложили всего в двухстах метрах от первой. Для работ соорудили 83метровую вышку и создали мощнейшую по тем временам бурильную установку грузоподъёмностью 800 тонн. Многие бурильные операции автоматизировали, в первую очередь механизм спуска и подъёма колонны труб. Самонаводящаяся система вертикального бурения позволяла делать почти отвесный ствол. Теоретически с таким оборудованием можно было бурить до глубины 12 километров. Но реальность как всегда оказалась сложнее, и планы учёных не сбылись.

Проблемы на скважине КТВ начались после глубины 7 км, повторив многое из судьбы Кольской сверхглубокой. Сначала, как полагают из-за высокой температуры, сломалась система вертикального бурения и ствол пошел вкось. В конце работ забой отклонился от вертикали на 300 м. Потом начались аварии посложнее – обрыв бурильной колонны. Так же как и на Кольской, приходилось бурить новые стволы. Определённые трудности доставляло сужение скважины – вверху ее диаметр составлял 71 см, внизу – 16,5 см. Бесконечные аварии и высокая температура в забое –270°С вынудили буровиков прекратить работы невдалеке от заветной цели.

Нельзя сказать, что научные результаты КТВ Хауптборунг поразили воображение учёных. На глубине главным образом залегали амфиболиты и гнейсы – древние метаморфические породы. Зону схождения океана и остатки океанической коры нигде не обнаружили. Возможно, они есть в другом месте, здесь же находится небольшой кристаллический массив, вздёрнутый на высоту 10 км. В километре от поверхности обнаружили месторождение графита.

В 1996 году скважина КТВ, стоившая бюджету Германии 338 млн. долларов, перешла под патронат Научного центра геологии в Потсдаме, её превратили в лабораторию для наблюдений за глубокими недрами и объект туризма.

image

Рекорд Кольской скважины по-прежнему остается непревзойдённым, хотя в глубь Земли наверняка можно пройти 14 и даже 15 км. Однако вряд ли такое единичное усилие даст принципиально новые знания о земной коре, в то время как сверхглубокое бурение – дело весьма дорогое. Времена, когда с его помощью проверяли самые разные гипотезы, давно прошли. Скважины глубже 6-7 км с чисто научными целями почти перестали бурить. К примеру, в России остались всего два объекта такого рода – Уральская СГ-4 и Ен-Яхинская скважина в Западной Сибири. Их ведет государственное предприятие НПЦ «Недра», расположенное в Ярославле. В мире пробурено так много сверхглубоких и глубоких скважин, что ученые не успевают анализировать информацию. В последние годы геологи стремятся изучать и обобщать полученные с больших глубин факты. Научившись бурить на большие глубины, люди хотят теперь получше освоить доступный им горизонт, сконцентрировать усилия на практических задачах, которые принесут пользу уже сейчас. Так в России, выполнив программу научного бурения, пробурив все 12 задуманных сверхглубоких скважин, сейчас работают над системой для территории всего государства, в которой геофизические данные, полученные при помощи «просвечивания» недр сейсмическими волнами, будут увязаны с информацией, добытой сверхглубоким бурением. Без скважин разрезы земной коры, построенные геофизиками, – всего лишь модели. Чтобы на этих схемах появились конкретные горные породы, нужны данные бурения. Тогда геофизики, работы которых намного дешевле буровых и охватывают большую площадь, смогут гораздо точнее предсказывать месторождения полезных ископаемых.

В США продолжают заниматься программой глубинного бурения дна океанов и ведут несколько любопытных проектов 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 крупнейший разлом Североамериканского континента начали в июне 2004 года и прошли 2 из 3 запланированных километров. В глубинной лаборатории намерены исследовать зарождение землетрясений, что, быть может, позволит лучше понимать природу этих стихийных бедствий и составлять их прогноз.

Несмотря на то что современные программы сверхглубокого бурения уже не столь амбициозны, как прежде, им уготовано явно большое будущее. Недалёк тот день, когда наступит черёд больших глубин – там будут искать и открывать новые месторождения полезных ископаемых. Уже сейчас добыча нефти и газа в США с глубин 6-7 км становится обычным делом. В будущем Россия тоже должна будет качать углеводородное сырье с таких уровней. Как показала Тюменская сверхглубокая скважина, в 7 километрах от поверхности есть перспективные для газовых месторождений толщи осадочных пород.

Сверхглубокое бурение недаром сравнивают с покорением космоса. Такие программы, с глобальным размахом, вбирающие в себя все лучшее, чем располагает на данный момент человечество, дают толчок развитию многих отраслей промышленности, техники и в конечном итоге готовят почву для нового прорыва в науке.

image

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 учёных, 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 её 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 учёных 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.

Сверхглубокое бурение позволило заглянуть в недра и понять, как ведут себя горные породы при высоких давлениях и температуре. Представление, 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, другие скважины в древних кристаллических толщах подтвердили тот факт, что на многокилометровой глубине горные породы разбиты трещинами и пронизаны многочисленными порами, а водные растворы свободно движутся под давлением в несколько сот атмосфер. В этом открытии состоит одно из важнейших достижений сверхглубокого бурения. Оно заставило вновь обратиться к проблеме захоронения радиоактивных отходов, которые предполагалось помещать в глубокие скважины, что казалось совершенно безопасным. Учитывая информацию о состоянии недр, полученную в ходе сверхглубокого бурения, проекты создания подобных могильников ныне выглядят весьма рискованными.

Сводный разрез Кольской сверхглубокой скважины.

Одно из самых удивительных открытий, которое учёные сделали с помощью бурения, – это наличие жизни глубоко под землей. И хотя жизнь эта представлена лишь бактериями, её 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. По некоторым подсчётам, масса микроорганизмов, обитающих под землей, может превышать массу всех живых существ, населяющих поверхность нашей планеты.
Еще в начале XX века американский учёный 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 невостребованной, в нее просто не поверили. Тогда считали, что жизнь – это лишь тонкая плёнка на поверхности планеты.

Интерес к глубинным формам жизни может быть вполне практическим. В 1980-х годах 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 учёные отбирали образцы, соблюдая всевозможные меры предосторожности, чтобы не занести бактерии и воздух с поверхности Земли. Изучением образцов занимались несколько независимых лабораторий, их результаты оказались положительными: в глубоких толщах обитали так называемые анаэробные бактерии, которые не нуждаются в доступе кислорода.

Бактерии нашли и в породах золоторудной шахты в Южной Африке на глубине 2,8 км, где температура составляла 60°С. Живут они 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 оказались довольно пористыми, насыщенными водными растворами, а там, где есть вода, возможна жизнь.

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 воды. Настоящей сенсацией стала толща пород на глубине 5,5-6,7 км. Она была насыщена пастой из нефти с кристаллами магнетита. Одно из возможных объяснений этого феномена дал американский геолог Томас Голд, автор книги «Глубокая горячая биосфера». Голд предположил, что магнетито-масляная паста не что иное, как продукт жизнедеятельности бактерий, которые питаются поступающим из мантии метаном.

Как показывают исследования, бактерии довольствуются поистине спартанскими условиями. Пределы их выносливости остаются загадкой, но похоже, что нижнюю границу обитания бактерий все-таки устанавливает температура недр. Они могут размножаться при 110°С и выдерживать, хоть и короткое время, температуру в 140°С. Если считать, что на континентах температура увеличивается на 20-25° с каждым километром, то обнаружить живые сообщества можно до глубины 4 км. Под океанским дном температура растет не так быстро, и нижняя граница жизни может пролегать на глубине 7 км.

Это означает, что жизнь имеет колоссальный запас прочности. Следовательно, биосфера Земли не может быть полностью уничтожена даже в случае самых серьёзных катаклизмов и, вероятно, на планетах, лишённых атмосферы и гидросферы, микроорганизмы вполне могут существовать в недрах.

image

Самые глубокие скважины мира:
1. Аралсорская СГ-1, Прикаспийская низменность, 1962-1971, глубина – 6,8 км. Поиск нефти и газа.
2. Биикжальская СГ-2, Прикаспийская низменность, 1962-1971, глубина – 6,2 км. Поиск нефти и газа.
3. Кольская СГ-3, 1970-1994, глубина – 12 262 м. Проектная глубина – 15 км.
4. Саатлинская, Азербайджан, 1977-1990, глубина – 8 324 м. Проектная глубина – 11 км.
5. Колвинская, Архангельская область, 1961, глубина – 7 057 м.
6. Мурунтауская СГ-10, Узбекистан, 1984, глубина – 3 км. Проектная глубина – 7 км. Поиск золота.
7. Тимано-Печорская СГ-5, Северо-Восток России, 1984-1993, глубина – 6 904 м, проектная глубина – 7 км.
8. Тюменская СГ-6, Западная Сибирь, 1987-1996, глубина -7 502 м. Проектная глубина – 8 км. Поиск нефти и газа.
9. Ново-Елховская, Татарстан, 1988, глубина – 5 881 м.
10. Воротиловская скважина, Поволжье, 1989-1992, глубина – 5 374 м. Поиск алмазов, изучение Пучеж-Катункской астроблемы.
11. Криворожская СГ-8, Украина, 1984-1993, глубина – 5 382 м. Проектная глубина – 12 км. Поиск железистых кварцитов.
12. Уральская СГ-4, Средний Урал. Заложена в 1985 году. Проектная глубина – 15 000 м. Текущая глубина – 6 100 м. Поиск медных руд, изучение строения Урала.
13. Ен-Яхтинская СГ-7, Западная Сибирь. Проектная глубина – 7 500 м. Текущая глубина – 6 900 м. Поиск нефти и газа.

Скважины на нефть и газ:
Начала 70-х годов — Юниверсити, США, глубина – 8 686 м.
Бейден-Юнит, США, глубина – 9 159 м.
Берта-Роджерс, США, глубина – 9 583 м.
80-х годов — Цистердорф, Австрия, глубина 8 553 м.
Сильян Ринг, Швеция, глубина – 6,8 км.
Бигхорн, США, Вайоминг, глубина – 7 583 м.
КТВ Hauptbohrung, Германия, 1990-1994, глубина – 9 100 м. Проектная глубина – 10 км. Научное бурение.

Как-то раз Кольская сверхглубокая оказалась в центре мирового скандала. В одно прекрасное утро 1989 года директору скважины Давиду Губерману позвонили главный редактор областной газеты, секретарь обкома и ещё масса самых разных людей. Все хотели узнать про дьявола, которого буровики якобы подняли из недр, как о том сообщили некоторые газеты и радиостанции по всему миру. Директор опешил, и – было от чего! «Учёные обнаружили ад», «Сатана сбежал из ада» – гласили заголовки. Как сообщалось в прессе, геологи, работающие очень далеко в Сибири, а может быть, на Аляске или даже Кольском полуострове (единого мнения на сей счёт у журналистов не было), проводили бурение на глубине 14,4 км, как вдруг бур начал сильно болтаться из стороны в сторону. Значит, внизу большая дыра, подумали учёные, видимо, центр планеты – пустой. Датчики, опущенные вглубь, показывали температуру 2 000°С, а суперчувствительные микрофоны озвучили …вопли миллионов страдающих душ. В результате бурение было прекращено из-за опасений выпустить адские силы на поверхность. Конечно, советские учёные опровергли эту журналистскую «утку», но отголоски той давней истории ещё долго кочевали из газеты в газету, превратившись в своеобразный фольклор. Спустя несколько лет, когда байки про ад уже позабылись, сотрудники Кольской сверхглубокой побывали в Австралии с лекциями. Их пригласили на приём к губернатору штата Виктория, кокетливой даме, которая приветствовала русскую делегацию вопросом: «И какого черта вы оттуда подняли?»

Вот так выглядит кернохранилище и сам керн —

image

image

image

image

image

А вот так, судя по вики выглядит — «Оруденелая брекчия филлитов, алевролитов и песчаников с глубины 1675,5 м»

image

«Метабазальт микроклинизированный, брекчированный с глубины 5984,50 м „

image

Таким образом выглядит самый конец бура —

image

Аватар пользователя gruzdev
О нас:
Наша команда находится в Киеве, Украина. Если у вас есть желание встретится лично для обсуждения вашего проекта, мы этому будем рады. Мы считаем, что личные контакты способствуют взаимопониманию, а значит позитивно влияют на качество наших проектов.