Насколько заглянули внутрь Земли

«Бросок к недрам», «Штурм геокосмоса», «Старт в глубь Земли», «В глубь за тайнами», «К глубинам планеты» и даже «Окно в преисподнюю» — в этих необычных, звонких журналистских названиях статей своеобразно отразилось и продолжает отражаться удивление грандиозностью программы сверхглубокого бурения. Стало уже привычным высказывание видного советского геолога В. В. Белоусова о том, что создалось положение, когда мир звезд и галактик — далекое космическое пространство оказалось известным нам в некоторых отношениях лучше, чем глубины нашей собственной планеты. Такое положение не могло не ускорить практическое созревание идеи сверхглубокого бурения. Эпоха сверхглубокого бурения началась с конца 50-х годов (именно тогда появилась техническая возможность пробиться к большим глубинам), когда советские ученые начали разрабатывать программу такого бурения.

В 1961 г. начал реализовываться американский проект «Мохол» — бурение на мантию Земли. Скважину заложили на дне Тихого океана около острова Гуадалупе под 4-километровой толщей воды. Ожидалось, что буровой снаряд, пройдя тонкий слой рыхлых донных осадков, погрузится в 5,5-километровую толщу твердых пород, преодолеет их — и в руках исследователей окажется таинственное и долгожданное вещество мантии. Однако… все сложилось не так, как было задумано в проекте. Пробурив 36 метров и подняв снаряд с породой-керном на борт судна, специалисты-буровики затем не смогли снова попасть бурильной колонной в скважину на дне океана; устье скважины потеряли навсегда.

Но не потеряли надежду. Предельно отработав и отшлифовав технику и технологию нефтеразведочного бурения на шельфе, американские инженеры и ученые построили специальное судно для морского бурения грузоподъемностью 10 тыс. тонн. Судно назвали «Гломар Челленджер», что в переводе означает «Морской гигант, бросающий вызов». В 1968 г. «Гломар Чашленджер» вышел в океан и к 1975 г., когда был завершен этот проект сверхглубокого бурения, на дне под 1000-метровой толщей воды была пробурена скважина, которая хотя и вскрыла породы верхних слоев океанского дна, однако ни слова не сказала о нижних его этажах. Вызов, брошенный «Морским гигантом», недрами не был принят.

Американский проект глубоководного бурения скважин в океанах превратился позднее в международный с участием ряда других стран, в том числе и Советского Союза. С борта судна «Гломар Челленджер» за 96 рейсов было пробурено около 600 скважин во всех океанах. Теперь (в январе 1985 г.) на смену ему вышло в свое первое плавание новое научно-исследовательское буровое судно «Джойдес Ресолюшн» («JOIDES Resolution»). Скважины, пробуренные с этого судна в районе Багамских островов, достигли отметки 1600 м под дном океана. Дальнейшие планы предусматривают бурение в Норвежском и Тирренском морях, Баффиновом заливе, других морях и океанах. С особым интересом ждут ученые результатов бурения в рифтовых зонах срединно-океанических хребтов.

Нет сомнения в большой ценности для науки океанического проекта глубокого бурения, что и обусловило участие в нем советских ученых. Но, будучи самым обширным материковым государством, наша страна особенно заинтересована в выяснении закономерностей строения и развития континентальной земной коры, чтобы иметь научную основу для прогноза полезных ископаемых. В связи с этим и была разработана комплексная программа изучения глубинного строения земных недр территории нашей страны.

Первенцами среди отечественных сверхглубоких скважин были Аралсорская СГ-1 (6805 м) и Биикжальская СГ-2 (6028 м), если считать их в порядке заложения. Но по значимости, по ценности научных геологических и технических результатов лидером, безусловно, стала Кольская СГ-3 (рис. 16). Нам посчастливилось побывать на этом «заводе в тундре». Да и было бы странно, работая в геологии на северо-западе страны, не посетить это одно из современных технических чудес света! Многое удивляет, поражает и восхищает здесь специалиста, наполняет гордостью за отечественную научную и инженерную мысль. Еще большее удивление вызывает эта грандиозная программа у неспециалистов, например журналистов. Вот как отразились вехи истории Кольской сверхглубокой в хронике нашего времени.

«Мы плохо знаем, как устроена Земля, а нам, ее обитателям, это непростительно. При радиусе Земли в 6370 км человек проник в глубь ее шахтами на три, а скважинами — на семь километров, что составляет соответственно 0,05 и 0,1 процента. Это в немалой степени и определяет весьма низкий уровень наших знаний о строении Земли…

Мы рассчитываем и на прямое более глубокое проникновение в земные недра буровыми скважинами, в первую очередь до 10–15 км, а затем и глубже. Такие скважины уже бурятся» (Академик В. Смирнов. 7 октября 1975 г. «Правда»).

«Преодолеть земное притяжение и уйти в заманчивую бесконечность космоса… оказалось легче, чем пробиться на 10—15-километровую глубь Земли. Хотя прежде всего недра таких глубин обещают человечеству реальные богатства. Пока что максимум, который достигнут буровым инструментом, — 9583 м в США и около 8 тыс. м у нас в стране, на Кольском полуострове. Бурение Кольской скважины продолжается» (5 февраля 1978 г. «Социалистическая индустрия»).

«До 1979 г. самой глубокой в мире скважиной была скважина, пробуренная в США, — 9583 м. В июне 1979 г. проходчики Кольской сверхглубокой пересекли рубеж абсолютного мирового рекорда. В прошлом году скважина достигла отметки 10 500 м, а в начале нынешнего — 10 780 м.

В результате наша страна стала лидером в сверхглубоком бурении и комплексном исследовании слоев земной коры, сложенных самыми твердыми кристаллическими породами. Получены уникальные образцы горных пород, представляющих каждый дециметр вскрытого скважиной разреза» (14 июля 1981 г. «Ленинградская правда»).

Хотите подарок с глубины 11000 м? Он к вашим услугам. Его можно потрогать руками… Камень еще тепленький. Его только что достали с этой сумасшедшей глубины заполярные геологи. Впервые так далеко забралось долото бурильщиков.

Одиннадцатый километр — рекордный. Прежде считалось фантастикой так «забуриться». А сейчас не только бурят, но и получают информацию о происходящем в сверхглубоком забое.

Бурение продолжается. И девиз геологов, начинавших свой поход во главе с академиком Ферсманом на Кольском полуострове, все тот же: «Вперед, за камнем!» (10 ноября 1981 г. «Комсомольская правда»).

«С места события: На глубину свыше 11 км в недра Земли проникли буровики Кольской сверхглубокой скважины. Таких горизонтов не достигал никто еще в мире.

Данные, получаемые с неведомых отметок геологами, геофизиками и другими специалистами Кольской геологоразведочной экспедиции, позволяют уточнять, корректировать ранее сложившиеся представления о строении и свойствах коры нашей планеты.

Другая сторона эксперимента — совершенствование технического арсенала, научных методов проходки и изучения сверхглубин» (26 мая 1982 г. «Правда»).

«И вот 27 декабря в 16 часов алмазное долото буровой пронзило 12-й километр земной коры. Так глубоко внутрь Земли еще никто в мире не проникал…

Балтийский кристаллический щит на протяжении многих сотен миллионов лет подвергался разрушительным силам эрозии. Специалисты считают, что ледниками и водой „слизано“ примерно 5—15 км его верхней части. С учетом этого глубина проникновения Кольской скважины по существу должна составлять не 12, а 15–25 км…

Конечной цели—15 км — планируется достичь к концу следующей пятилетки» (2 января 1984 г. «Правда»).

Как вы заметили, наиболее часто употребляемые в приведенных репортажах («ключевые») слова — это «впервые в мире». Чем это вызвано? Только ли удивлением достигнутым рекордом? Конечно, нет!

Поражает грандиозность поставленной цели и полученных результатов.

Цель? Комплексная программа изучения глубинных недр предусматривает бурение глубоких и сверхглубоких скважин в сочетании с геологическими, геохимическими и геофизическими исследованиями. В результате появляется возможность планомерно выяснять закономерности строения и развития континентальной земной коры, решать проблему научного прогнозирования поисков месторождений, которые залегают глубоко. И одновременно создаются новые технические средства бурения, проникновения на глубины до 15 км. А это уже по нашей теме; то, что интересует нас, — будущее бурения, бурового дела.

А результат? Его оценка?

«Уникальные результаты получены при изучении глубинного строения земных недр. Мы гордимся тем, что благодаря Кольской сверхглубокой скважине в Советском Союзе впервые в мире изучен 12-кнлометровый непрерывный разрез древнейших пород земной коры и получены представления о их физических и химических свойствах. Раньше мы были склонны предполагать, что там могут быть какие-то другие, чем на поверхности, образования. Но это не подтвердилось. Проверены и некоторые гипотезы, связанные со строением земной коры, с процессами образования руд. Словом, итоги исключительно важные.

Отдельного и большого разговора достойны те, кто конструировал оригинальную автоматизированную буровую установку „Уралмаш-15000“, кто во ВНИИ буровой техники разработал проект проходки скважины и создал такие турбобуры, которые способны разрушать любые породы, и многие другие, обеспечившие невиданный прорыв в недра» (Е. А. Козловский, министр геологии СССР. «Геология: взгляд вперед»).

Как же достигнуты эти цель и результаты? Каким оборудованием, машинами, станками, инструментом выполнено это уникальное дело?

Сложный научно-технический эксперимент по бурению Кольской скважины осуществлен с применением только отечественной техники и технологии. Созданы и внедрены породоразрушающие инструменты, забойные двигатели с соответствующей глубинным условиям характеристикой, средства контроля за работой турбобура на забое (крайне необходимые при работе двигателя на глубинах более 8 км), высокопрочные и термостойкие бурильные трубы из легких сплавов (обеспечившие практически безаварийную работу при высоких скоростях спуска и подъема бурового инструмента). Весьма высоки научно-технический уровень и эффективность созданных средств: большинство из них выполнены на уровне изобретений (новизна! впервые в мире!), о чем говорят более 40 авторских свидетельств.

Оригинальная автоматизированная буровая установка «Уралмаш-15000» уникальна своей меньшей грузоподъемностью — 300 тонн — в сравнении с 600—800-тонными зарубежными установками для сверхглубокого бурения и 1000-тонной лебедкой на скважине «Берта Роджерс».

Турбобур — первый свидетель глубокоземных тайн — и по замыслу и по исполнению также оригинален и высокоэффективен. Вращается при бурении не весь многокилометровый вал бурильных труб с долотом на конце (как это было — помните? — у американцев при проходке скважины «Берта Роджерс»), поглощая колоссальную мощность, а лишь несколько метров самого бурового устройства — турбобура.

Следующее уникальное устройство — керноприемный снаряд. Следует иметь в виду, что на забое сверхглубокой скважины горная порода, из которой выбуривают керн, находится при температуре 200 °C и давлении 300 кгс/см2 (1 кгс/см2 ? 105 Па). Выбуренный из такого горного массива образец породы, мгновенно сбрасывая горное давление, освобождается от воздействовавших на него сил. В результате керн растрескивается, деформируется и на земную поверхность поступает образец не в его естественном залегании (состоянии), а в виде отдельных бесформенных кусков. Но поскольку на сверхглубокой скважине отбор керна — главная работа, а сам керн — основная продукция, для его получения требовались принципиально новая техника и технология. И эта задача была решена. Специалисты разработали оригинальное керноприемное устройство, в котором в качестве транспортного средства использован поток промывочной жидкости, постоянно циркулирующей по скважине.

Техническую эффективность глубоких скважин оценивают, как правило, по конструкции скважины, т. е. по числу колонн труб, опущенных в ствол: чем их больше, тем скважина сложнее и дороже. Кольская скважина сломала эту традицию. И действительно, что может быть проще: всего две (!) колонны труб только до глубины 2 км и открытый, необсаженный ствол 10-километровой длины (рис. 17). При обычной же технологии, когда очередную обсадную колонну труб опускают через каждые 2 км, в Кольской скважине должно было бы находиться одна в другой шесть колонн труб.

Наибольшая трудность при бурении глубоких скважин — это сохранение вертикальности ее ствола. Эта проблема была решена с помощью специального турбинного отклонителя с телеметрической системой, улавливающей малейшее отклонение от вертикали. В результате Кольская скважина, как ни одна другая сверхглубокая скважина в мире, удивительно прямолинейна: отклонение ствола на каждой 1000 м не превышает одного градуса, т. е. вся скважина отклонилась примерно на 12°. Для сравнения опять обратимся к скважине «Берта Роджерс». Ее 9,5-километровый ствол отклонился от вертикали на 25°. В два с лишним раза «точнее» оказалась работа наших буровиков по сравнению с результатами их заокеанских коллег!

О технических новинках, находках и изобретениях на Кольской сверхглубокой, как и о ней самой, можно рассказывать долго. И если кто-либо из читателей заинтересовался этой темой, мы можем порекомендовать обратиться к статьям А. Маликова и А. Перевозчикова, интересно и технически квалифицированно описавших свои журналистские впечатления в журналах «Вокруг света» (1982 г., № 1) и «Техника — молодежи» (1984 г., № 1). Если же вы хотите получить более строгое научное описание состояния и перспектив изучения глубинного строения земных недр, то небезынтересно и полезно прочитать статью профессора Е. А. Козловского в журнале «Разведка и охрана недр» (1984 г., № 7, 8); кстати, это ежемесячный отраслевой журнал Министерства геологии СССР, регулярно и широко освещающий кроме научно-технических проблем также жизнь и работу буровых бригад.

Что же дальше? Перспективы сверхглубокого?

Предусматривается, что после завершения бурения Кольской сверхглубокой скважины она будет превращена в уникальную природную лабораторию, где будут исследоваться глубинные процессы, протекающие в земной коре, проводиться долговременные наблюдения за температурным режимом, испытываться приборы и методы различных скважинных исследований.

В нашей стране планируется и дальнейшее значительное увеличение объемов глубокого и сверхглубокого бурения. Намечено начать проходку Тюменской, Анастасьевско-Троицкой и Уральской сверхглубоких скважин (до 12–15 км). Начнется бурение и шести глубоких скважин (6–8 км): трех в нефтегазоносных провинциях (Днепровско-Донецкая, Прикаспийская, Тимано-Печорская) и трех в рудных районах (Криворожская, Мурунтауская, Норильская).

Мечтают (но реально!) и о больших глубинах: создается специальный стенд, который позволит моделировать условия бурения скважин глубиной до 20 км при температуре на забое 300–400 °C и давлении 2000–3000 кгс/см2.

А теперь вернемся из рекордных сверхглубин на земную поверхность и поговорим о типовом, самом распространенном бурении. Для начала надо остановиться на способах бурения и хотя бы бегло ответить на вопросы —