Глубокое и сверхглубокое научное бурение на континентах

Курсовая работа

ГЛУБОКОЕ И СВЕРХГЛУБОКОЕ НАУЧНОЕ БУРЕНИЕ НА КОНТИНЕНТАХ

Аннотация В работе говорится о глубоких и сверхглубоких пробурённых скважинах в России и других странах. Подробно рассмотрено сверхглубокое бурение на Кольском полуострове.

Выявлены основные результаты данного процесса. Изложены основные современные знания в этой области, а также, история получения и развития этих знаний людьми.

Материал включает вопросы методов и средств бурения. Большое внимание уделено сравнению сейсмологических данных и данных, полученных при бурении.

Введение

В этой работе я хотел затронуть такую тему как глубокое и сверхглубокое научное бурение на континентах, а также подробно изучить и понять результаты этих исследований. Я выбрал эту тему, потому что она мне очень интересна, касается моей специальности и, как мне кажется, будет интересна всем остальным слушателям моей работы.

Моей целью было ознакомиться со всем обилием материала на данную тему и не просто ознакомиться, а также разобрать и попытаться понять каждое предложение, ведь для защиты курсовой недостаточно просто найти и списать информацию из литературных источников. Кроме того, необходимо было отобрать только необходимые мне сведения и четко и кратко изложить их в докладе. Ещё одной целью было получить навыки участия в дискуссиях и критической оценки своих коллег.

Исторический обзор Земля как объект исследования геологии доступна для прямого наблюдения только с поверхности, а о составе и строении земных глубин можно судить лишь по косвенным данным. Поэтому геологи стремятся проникнуть как можно дальше в глубь Земли с помощью бурения. Буровые скважины чаще всего проходят для поисков и разведки месторождений полезных ископаемых, для извлечения из недр воды, нефти и газа, для инженерных изысканий и других прикладных целей. Кроме этого, в последние десятилетия бурение все шире используется как метод решения фундаментальных научных проблем современной геологии. Результаты научного бурения во многом оказались неожиданными и заставили пересмотреть теоретические представления, которые до этого казались очевидными и незыблемыми.

Трудолюбивые китайцы в XIII веке рыли скважины глубиной 1 200 метров. Европейцы побили китайский рекорд в 1930 году, научившись пронзать земную твердь при помощи буровых на 3 километра. В конце 1950;х годов скважины удлинились до 7 километров. Начиналась эпоха сверхглубокого бурения.

Как и большинство глобальных проектов, идея пробурить верхнюю оболочку Земли возникла в 1960;х годах XX века, в разгар космических полётов и веры в безграничные возможности науки и техники. Американцы задумали ни много ни мало пройти скважиной всю земную кору и получить образцы пород верхней мантии. Представления о мантии тогда (как, впрочем, и сейчас) строились лишь на косвенных данных — скорости распространения сейсмических волн в недрах, изменение которой интерпретировалось как граница слоев горных пород разного возраста и состава. Учёные считали, что земная кора похожа на бутерброд: сверху молодые породы, снизу — древние. Однако лишь сверхглубокое бурение могло дать доподлинную картину строения и состава внешней оболочки Земли и верхней мантии.

В 1958 году в США появилась программа сверхглубокого бурения «Мохол». Это один из самых смелых и загадочных проектов послевоенной Америки. Как и многие другие программы, «Мохол» был призван обогнать СССР в научном соперничестве, установив мировой рекорд в сверхглубоком бурении. Название проекта происходит от слов «Мохоровичич» — это фамилия хорватского учёного, который выделил поверхность раздела между земной корой и мантией — границу Мохо, и «hole», что по-английски значит «скважина». Создатели программы решили бурить в океане, где, по данным геофизиков, земная кора значительно тоньше, чем на материках. Надо было спустить трубы на несколько километров в воду, пройти 5 километров океанского дна и достичь верхней мантии.

В апреле 1961 года у острова Гваделупа в Карибском море, где водная толща достигает 3,5 км, геологи пробурили пять скважин, самая глубокая из них вошла в дно на 183 метра. По предварительным расчётам, в этом месте под осадочными породами ожидали встретить верхний слой земной коры — гранитный. Но поднятый из-под осадков керн содержал чистые базальты — эдакий антипод гранитов. Результат бурения обескуражил и в то же время окрылил учёных, они стали готовить новую фазу бурения. Но когда стоимость проекта перевалила за 100 млн. долларов, конгресс США прекратил финансирование. «Мохол» не ответил ни на один из поставленных вопросов, но он показал главное — сверхглубокое бурение в океане возможно.

С тех пор мир заболел сверхглубоким бурением. В США готовили новую программу изучения океанского дна (Deep Sea Drilling Project). Построенное специально для этого проекта судно «Гломар Челленджер» несколько лет провело в водах различных океанов и морей, пробурив в их дне почти 800 скважин, достигнув максимальной глубины 760 м. К середине 1980;х годов результаты морского бурения подтвердили теорию тектоники плит. Геология как наука родилась заново. Тем временем Россия шла своим путём. Интерес к проблеме, разбуженный успехами США, вылился в программу «Изучение недр Земли и сверхглубокое бурение», но не в океане, а на континенте. Несмотря на многовековую историю, континентальное бурение представлялось совершенно новым делом. Ведь речь шла о недостижимых ранее глубинах — более 7 километров. В 1962 году Никита Хрущев утвердил эту программу, хотя руководствовался он скорее политическими мотивами, нежели научными. Ему не хотелось отстать от США.

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, причём не обязательно техникой завтрашнего дня, достаточно того оборудования, что уже есть. Главная проблема — жара на глубине. Согласно расчётам, 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 °C, а на 15 км — почти 500 °C. Такого нагрева бурильные инструменты и приборы не выдержат. Надо было искать место, где недра не столь горячи…

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 °C. 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.

Создания принципиально новых устройств и гигантских машин бурение Кольской скважины СГ-3 не требовало. Начинали работать с тем, что уже имелось: установка «Уралмаш 4Э» грузоподъёмностью 200 тонн и легкосплавные трубы. Что действительно было нужно на тот момент, так это нестандартные технологические решения. Ведь в твёрдых 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, надёжная, с автоматическим спускоподъёмным 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.

Толщи осадочных пород к тому времени были хорошо изучены при добыче нефти. Интереснее было бурить там, где вулканические породы возрастом около 3 млрд лет (для сравнения: возраст Земли оценивается в 4,5 млрд лет) выходят на поверхность. Для добычи полезных ископаемых такие породы редко бурят глубже 1—2 км. Предполагалось, что уже на глубине 5 км гранитный слой сменится базальтовым.

После того, как геологическая экспедиция указала место для скважины, 24 мая 1970 года началось собственно бурение. 6 июня 1979 года скважина побила рекорд в 9583 метра, ранее принадлежавший скважине Берта-Роджерс (англ. Bertha Rogers) (нефтяная скважина в Оклахоме).

В 1983 году пробурили 12 066 метров и временно остановились — готовились к Международному геологическому конгрессу, который должен был проходить в 1984 году в Москве. 27 сентября 1984 года бурение было продолжено. При первом же спуске произошла авария — оборвалась буровая колонна. Бурение возобновили с глубины 7000 м.

В июне 1990 года СГ-3 достигла глубины 12 262 м. Скважину стали готовить к проходке до 14 км, и тут вновь произошла авария — на отметке 8 550 м колонна труб оборвалась. Продолжение работ требовало долгой подготовки, обновления техники и новых затрат. В 1994 году бурение Кольской сверхглубокой прекратили. Через 3 года она попала в Книгу рекордов Гиннесса и до сих пор остается непревзойденной. Сейчас скважина представляет собой лабораторию для изучения глубоких недр.

В 1977 году было начато бурение Саатлинской скважины в Куринской впадине на территории Азербайджана. Проектная глубина этой скважины была 11 км, но по некоторым причинам бурение остановили на глубине 8324 м, не выполнив всех научных задач.

В последующие годы в СССР пробурили еще 10 научных скважин глубиной от 4 до 9 км. Для выполнения программы комплексного изучения недр Земли и сверхглубокого бурения в 1986 году было создано специальное государственное научно-производственное предприятие (ГНПП) «Недра» (Ярославль). В настоящее время в России продолжается бурение только одной Уральской сверхглубокой скважины.

Успехи Советского Союза стимулировали разработку программ научного континентального бурения в Германии, Франции, США, Канаде, Японии, Великобритании и других странах. Одним из наиболее известных результатов явилось бурение немецкой сверхглубокой скважины КТБ-Оберпфальц в Баварии (1990;1994 годы), которая достигла глубины 9101 м.

Объекты изучения, цели и задачи исследований в выбранном резделе геологии Глубинные исследования недр предусматривают решение комплекса задач, создания фундаментальных основ строения земной коры и верхней мантии, разработки теории нефте-газонакопления и рудогенеза для повышения эффективности прогноза месторождений полезных ископаемых. Они включают комплексные геолого-геофизические работы по региональным геотраверсам, исследования на геодинамических полигонах и бурение глубоких (ГС) и сверхглубоких (СГС) скважин. Результаты глубокого и сверхглубокого бурения позволяют существенно повысить достоверность интерпретации огромного геолого-геофизического материала, по-новому подойти к решению фундаментальных проблем эволюции земной коры и выявить происходящие в ней геологические процессы. Эффективность глубокого и сверхглубокого бурения прямо влияет на реализацию программы глубинных исследований недр в целом.

Глубокое и сверхглубокое бурение обеспечивает решение следующих главных задач :

максимальное вскрытие разрезов геоструктур основных типов в стратиграфическом диапазоне мощностью более 60 км;

получение прямых данных о состоянии и составе пород на больших глубинах и их изменениях в значительном диапазоне глубин;

создание фактографической основы для моделирования процессов рудои нефте-газообразования и вариаций состояния геологической среды на значительных глубинах;

выяснение природы геофизических границ и аномалиеобразующих объектов, получение данных о фактических свойствах пород в реальных термодинамических условиях;

оценка перспектив нефтегазоносности и рудоносности глубоких горизонтов земной коры, выявление нетрадиционных источников рудного вещества и энергии;

создание принципиально новых технологий и технических средств глубинного изучения и использования недр.

Современные знания в данной области Говоря о системе современных знаний в области глубокого и сверхглубокового научного бурения, хотелось бы начать с фразы, которую сказал известный геолог, академик Владимир Белоусов. В 1984 году в Москве состоялся Всемирный геологический конгресс. Зарубежных коллег интересовала в первую очередь Кольская сверхглубокая. В посёлок Заполярный отправилась большая делегация геологов и журналистов. Так вот во время пресс-конференции из зала ему задали вопрос:

— Что же самое главное показала Кольская скважина?

— Господа! Главное, она показала то, что мы ничего не знаем о континентальной коре, — честно ответил учёный.

А ведь он был абсолютно прав. Кольская сверхглубокая была уникальна! Человечество может достаточно точно рассуждать о том, что происходит в самом отдаленном космосе, но степень проникновения в тайны собственной планеты сравнима пожалуй с легким булавочным уколом в кожуру арбуза. Средняя толщина земной коры, как предполагают ученые, составляет около сорока километров. Что происходит там, внизу? Какие сырьевые богатства там скрываются? Что является причиной катастрофических землетрясений, уносящих десятки тысяч человеческих жизней, как научиться предвидеть эти грозные явления природы? Возможность получить точные ответы появилась перед отечественной наукой в начале 60 годов прошлого века, когда в 1962 году при Всесоюзном НИИ буровой техники была создана лаборатория сверхглубокого бурения.

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.

Главная задача перед первыми СГС и результаты бурения Главная задача, которая стояла перед первыми сверхглубокими скважинами — Кольской и Саатлинской, — заключалась в достижении кровли так называемого базальтового слоя земной коры, который давно уже выделялся по геофизическим данным, указывающим на возрастание скорости прохождения упругих волн и увеличение плотности горных пород с глубиной. Интерпретируя эти данные, выделяли верхний гранитный слой со скоростями продольных волн 5,5−6,5 км/с и средней плотностью 2,7 г/см3, а также нижний базальтовый слой со скоростями 6,7−7,5 км/с и средней плотностью 2,9 г/см3. Такие параметры были получены в лабораторных условиях для магматических пород гранитного (SiO2 > 65 мас. %) и базальтового (SiO2 < < 53 мас. %) составов. Давно стало ясно, что на самом деле оба этих слоя сложены разнообразными по составу породами и приведенные выше характеристики являются интегральными, но прямых сведений о составе базальтового слоя не было. Сверхглубокие скважины были специально заложены в тех местах, где, по геофизическим данным, предполагались выступы базальтового слоя и его кровля достигала глубины 6−7 км от современной дневной поверхности.

Результаты бурения оказались прямо противоположными тому, что следовало из интерпретации геофизических данных. В Саатлинской скважине вместо выступа древних высокоскоростных пород основного состава, бедных кремнеземом (SiO2), в интервале 3540−8324 м были вскрыты меловые и юрские (110−150 млн лет) вулканические породы, причем содержание кремнезема в них возрастает с глубиной так, что на уровне базальтового слоя залегают породы, близкие по составу к гранитам. Кольская скважина пересекла кровлю базальтового слоя на глубине 6842 м. Оказалось, что на этой глубине проходит граница между протерозойскими (1,9−1,6 млрд лет) базальтами и подстилающими их архейскими (> 2,8 млрд лет) гранитогнейсами.

Изучение керна и материалов каротажа сверхглубоких скважин показало, что сейсмическая поверхность, которая принималась за границу между гранитным и базальтовым слоями, на самом деле фиксирует зону разуплотнения, связанную с увеличением пористости и микротрещиноватости пород в основании гранитного слоя. Формирование такой зоны вызвано тем, что при температуре 60−100°С химически и физически связанная вода и другие летучие соединения переходят в свободное состояние с образованием гидроразрывов и частичным растворением горных пород. Этот эффект затем был обнаружен и в других глубоких и сверхглубоких скважинах. Тем самым было доказано, что волновая картина, которая фиксируется сейсмическими методами, отражает не столько изменение состава пород с глубиной, сколько изменение его напряженного состояния и фильтрационных свойств. Стало ясно, что двуслойная модель строения континентальной земной коры по крайней мере не является универсальной.

Эти результаты важны не только для интерпретации геофизических данных. Они позволили по-новому оценить общие условия формирования глубинной гидросферы Земли и понять природу некоторых явлений, которые ранее оставались необъяснимыми: в частности, появление глубинных зон избыточного давления, не соответствующего весу вышележащих пород, противодействие глинистых толщ уплотнению при их погружении на большие глубины, когда они превращаются из традиционных малопроницаемых водоупоров в пористые коллекторы нефти и газа.

Как следует из материалов бурения Саатлинской скважины, подземные воды могут проникать в изначально сухие кристаллические породы из перекрывающих осадочных толщ (механизм нисходящей фильтрации). Таким путем могут формироваться и глубокие залежи нефти. Тюменская сверхглубокая скважина, пробуренная в 20 км к западу от Уренгоя до глубины 7502 м, подтвердила этот вывод. На глубинах от 6424 м до забоя она вскрыла толщу базальтов, которые в отличие от аналогичных по возрасту и составу пород, обнаженных на поверхности в Восточной Сибири, оказались очень пористыми и микротрещиноватыми, поскольку выделявшаяся при уплотнении вышележащих осадочных толщ вода вступала во взаимодействие с подстилающими сухими базальтами так, что в конце концов они превратились в проницаемые глубинные коллекторы, благоприятные для накопления газоконденсатных и газовых залежей.

Изучение распределения химических элементов в керне глубоких и сверхглубоких скважин привело к выводу, что процессы геохимической миграции с образованием локальных повышенных концентраций тех или иных металлов характерны не только для приповерхностной зоны, но протекают и на глубине многих километров. Так, аномально высокие содержания золота и серебра были установлены в Кольской скважине на глубине около 10 км. Следовательно, руды могут залегать на весьма большой глубине, что согласуется с результатами разведки некоторых известных месторождений, где оруденение прослежено скважинами и горными выработками на несколько километров от дневной поверхности. Так, в пустыне Кызылкумы вблизи золоторудного месторождения Мурунтау, которое является одним из крупнейших в мире, пробурены глубокая скважина, а также четыре скважины-спутника суммарной глубиной 5000 м. С их помощью удалось изучить состав и строение рудовмещающих осадочных пород, а на глубине около 4000 м вскрыть купол гранитов. Промышленное золотое оруденение было прослежено до глубины 1100 м. По данным бурения, на глубоких горизонтах месторождения можно ожидать запасы золота, которые оцениваются в 3 тыс. т.

Если целесообразность практического извлечения руд с глубины 5−10 км проблематична, то теоретическое значение геохимических данных, полученных при сверхглубоком бурении, в сочетании с открытиями, которые относятся к сохранению высокой проницаемости и пористости горных пород до 10−12 км, исключительно велико. Эти данные подтверждают возможность широкомасштабной циркуляции нагретых вод, которые взаимодействуют с породами земной коры. Если это так, то источники рудного вещества на месторождениях следует связывать не с гипотетическими подкоровыми глубинами, а с реальными процессами перераспределения химических элементов в верхней и средней частях континентальной коры.

Главная задача бурения Уральской сверхглубокой скважины заключается в получении прямой информации о фундаменте Уральского подвижного пояса. В настоящее время специалисты обсуждают две альтернативные модели. Согласно одной из них, на месте Урала ранее существовал обширный океан. Другая модель предполагает, что Уральский пояс был заложен на континентальном основании. Обе модели имеют далеко идущие геологические следствия. Прямые сведения о составе пород, залегающих сейчас на глубине 10−15 км, внесут ясность в эту проблему.

KTB Хауптборунг в Германии 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.

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.

Предполагаемый геологический разрез Ни одна из сверхглубоких скважин не подтвердила полностью геологического разреза, который предполагался до начала бурения; во многих случаях расхождения оказались кардинальными. Сам этот факт подтверждает приблизительный характер современных знаний о глубинном строении континентальной земной коры и доказывает необходимость глубокого научного бурения. Так, Криворожская скважина была пробурена в центре железорудного бассейна с целью доказать, что железистые кварциты, выходящие на поверхность в виде полосы протяженностью около 120 км, погружаются до глубины 6−8 км, а затем, изгибаясь, снова выходят на поверхность. Результаты бурения показали, что глубинная структура этого бассейна представляет собой не изогнутую складку, а серию параллельных наклонных пластов, уходящих на глубину более 10 км. Надежды на открытие новых рудных залежей на доступных для добычи глубинах не оправдались.

Пучеж-Катункская астроблема Большой интерес представляют результаты бурения Воротиловской скважины, которая была заложена в 60 км к северо-востоку от Нижнего Новгорода для изучения Пучеж-Катункской астроблемы — кратера, который образовался при падении крупного метеорита. Это событие произошло примерно 200 млн лет назад и сопровождалось мощным взрывом. Горные породы были раздроблены и разбиты многочисленными трещинами до глубины около 3 км. В эпицентре взрыва под воздействием взрывной волны кристаллическая решетка многих минералов оказалась разупорядоченной, и они превратились в аморфные стекла. В момент взрыва температура достигала 2000;3000°С, и после прохождения ударной волны, когда давление резко снизилось, твердые породы плавились и, возможно, частично испарялись. Позднее взрывной кратер был перекрыт более молодой осадочной толщей. Скважина глубиной 5374 м вскрыла полный вертикальный разрез кратера, что позволило детально изучить все эффекты древнего взрыва, последствия которого поражают воображение. В результате удара метеорита крупный блок земной коры сначала был сильно сжат, а затем выдвинулся вверх почти на 2 км относительно первоначального положения. На поверхности образовался кратер диаметром 80 км, заполненный раздробленным и частично расплавленным материалом. Среди новообразованных минералов были обнаружены и алмазы, которые возникли в момент взрыва из органического углерода, первоначально заключенного в осадочных породах мишени.

Теплофизические измерения на глубине Теплофизические измерения в глубоких и сверхглубоких скважинах позволили существенно уточнить распределение температур и величину глубинного теплового потока. Оказалось, что температуры и плотность теплового потока во многих случаях заметно превышают те оценки, которые получены экстраполяцией данных по приповерхностной зоне. Так, в Кольской скважине температура на глубине 12 км оказалась равной 212 °C вместо предполагавшихся 120 °C. Скорее всего, это связано с тем, что нижняя часть разреза этой скважины сложена гранитными породами, которые содержат значительно больше теплотворных радиоактивных элементов (U, Th, K), чем породы базальтового слоя в проектном разрезе. По расчетам температура в районе этой скважины на глубине 30 км равна 460 °C, а на глубине 42 км в основании земной коры достигает 580 °C.

Аномально высокие температуры характерны для Тырныаузской скважины, пробуренной на Северном Кавказе. Температура на глубине 4 км повышается здесь до 223 °C. Эта скважина пересекает граниты, которые были внедрены в земную кору всего 2 млн лет назад в виде магматического расплава с начальной температурой 900−700°С. К настоящему времени граниты не успели окончательно остыть.

Согласно проекту, разработанному в ГНПП «Недра», Тырныаузская скважина должна была служить главным элементом опытной геотермальной станции, использующей тепло сухих нагретых гранитов. Для этого предполагалось закачивать в эту скважину холодную воду, а через пробуренную рядом вторую скважину извлекать горячую воду на поверхность. Планировалось зацементировать ствол до глубины 3457 м, ниже пробурить 350−400-метровое наклонное ответвление, а рядом — еще одну скважину для подъема воды. Вода, нагнетаемая под давлением, должна была расширять трещины в граните, увеличивая его проницаемость, нагреваться до 240 °C и подниматься наверх. Согласно расчетам, такая конструкция могла обеспечить горячей водой соседний город Тырныауз. К сожалению, из-за возникших экономических трудностей этот интересный проект остается пока нереализованным. Существуют и другие, еще более смелые проекты глубокого бурения с целью практического использования тепла Земли.

О гипотезе образования нефти и газа 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.

Как ведут себя горные породы при высоких давлениях и температурах 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.

Удивительное открытие жизни глубоко под землей 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.

Бактерии нашли и в породах золоторудной шахты в Южной Африке на глубине 2,8 км, где температура составляла 60 °C. 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 °C и выдерживать, хоть и короткое время, температуру в 140 °C. 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.

Ближайшие перспективы 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.

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.

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.

Современные методы и средства исследования Существуют разные способы бурения. Если глубина скважин невелика (сотни метров), то двигатель, находящийся на поверхности, вращает колонну стальных бурильных труб; на нижнем конце трубы крепится буровая коронка, армированная твердыми сплавами или алмазами (рис. 1). Вращаясь коронка вырезает цилиндрический столбик породы, который постепенно заполняет специальную внутреннюю (колонковую) трубу. При бурении без отбора керна часто используют буровые головки, которые представляют собой систему нескольких вращающихся конусов, армированных твердыми сплавами (см. рис. 1). Если стенки скважины неустойчивы, в нее опускают стальную обсадную трубу. В процессе бурения насос постоянно закачивает в скважину специальный глинистый раствор, необходимый для придания устойчивости стенкам, охлаждения инструмента, выноса мелких частиц породы (шлама) и для других целей. Время от времени колонну буровых труб поднимают на поверхность с помощью лебедки, установленной на буровой вышке, выгружают керн, если необходимо, заменяют изношенную коронку на новую и опять опускают буровой снаряд на забой.

а) б) Буровая коронка (а) и шарошечная головка (б), которые применялись при бурении сверхглубокой скважины КТБ-Оберпфальц в Германии (по Э. Лаушу, 1996)

Бурение сопровождается измерениями физических свойств пород вдоль ствола скважины. Для этого на специальном кабеле в скважину опускают приборы, которые фиксируют температуру, электропроводность, магнитную восприимчивость, радиоактивность и другие свойства пород. Этот процесс называют каротажем скважин.

Как показывает опыт бурения в США и других странах, увеличивая мощность двигателей и давление насосов, нагнетающих буровой раствор, повышая грузоподъемность лебедок и прочность стальных буровых труб, таким способом можно бурить скважины глубиной до 9−10 км. Для более глубоких скважин нужны нетрадиционные инженерные решения. Многие из них были предложены и реализованы в ходе выполнения программ сверхглубокого научного бурения.

Так, если забой скважины находится на многокилометровой глубине, целесообразно использовать забойные двигатели, установленные не на поверхности, а в нижней части буровой колонны, которая при этом сама не вращается. Забойные двигатели представляют собой миниатюрные турбины или винтовые механизмы, которые приводятся во вращение буровым раствором, нагнетаемым под давлением в скважину.

Для того чтобы уменьшить вес колонны буровых труб длиной в несколько километров, их изготавливают из специальных легких, но достаточно прочных и термостойких сплавов. Например, при бурении Кольской скважины использовали алюминиевые сплавы, которые в 2,4 раза легче стали. Для этих же целей предлагается применять трубы из титановых сплавов.

Когда скважина достигает большой глубины, возникает значительная разница между гидростатическим давлением столба бурового раствора и литостатическим (горным) давлением, обусловленным весом горных пород. В результате стенки скважины могут быть разрушены, что приводит к серьезным осложнениям при бурении. Для того чтобы уравновесить горное давление, увеличивают плотность бурового раствора примерно до 2 г/см3, добавляя в него специальные наполнители.

Одна из наиболее сложных технических задач заключается в том, чтобы обеспечить надежную работу бурового оборудования при высоких температурах, существующих в сверхглубоких скважинах (см. табл. 1). Это касается металлических деталей, их соединений, смазок, бурового раствора и измерительной аппаратуры. Хотя на забое, то есть в самой нижней точке скважины Солтон-Си в США на глубине 3220 м была зафиксирована температура 355 °C, а в другой скважине, пробуренной до 1440 м в одной из молодых вулканических структур на западе США, измеренная температура достигала 465 °C, современные технические средства не позволяют бурить сверхглубокие скважины при столь высоких температурах в течение длительного времени, поскольку термостойкость существующего бурового оборудования не превышает 200−300°С. Самые большие проблемы возникают с измерительной аппаратурой, особенно с электроникой, которая отказывает уже при 150 °C. Водные буровые растворы сохраняют технологические свойства до 230−250°С. При более высокой температуре приходится переходить на нефтяную основу растворов и применять более сложные смеси. Высокая температура земных недр остается одним из главных факторов, ограничивающих глубину научного бурения.

Серьезные технические трудности связаны с самопроизвольным искривлением глубоких скважин в процессе бурения из-за неравномерного разрушения пород на забое, геологических неоднородностей разреза и других причин. Например, забой Кольской скважины на глубине около 12 км отклонился от вертикали на 840 м. Существуют технические приемы удержания скважины в вертикальном положении. Так, благодаря удачной конструкции специального приспособления скважина КТБ-Оберпфальц в Германии оставалась до глубины 7500 м самой вертикальной скважиной в мире. Однако глубже это приспособление вышло из строя из-за высокой температуры и давления, и скважина пошла своим путем; в результате на глубине 9101 м она отклонилась от вертикали на 300 м.

Сверхглубокое бурение требует создания специальной измерительной аппаратуры, контролирующей условия вдоль ствола и на забое. Обычная технология каротажа с датчиками, которые опускают в скважину на термостойком кабеле, мало пригодна для этих целей. Разработана телеметрическая и другая электронная аппаратура, которая крепится на буровом снаряде, а также автономные измерительные приборы, которые опускаются вниз и выносятся наверх потоком бурового раствора. Сигналы датчиков могут передаваться не по проводам, а гидравлическим способом путем создания импульсов давления в буровом растворе.

Глубокие и сверхглубокие скважины имеют телескопическую конструкцию. Бурение начинают с самого большого диаметра (92 см в Кольской скважине, 71 см в скважине КТБ-Оберпфальц), а затем переходят на меньшие. Нижняя часть Кольской скважины пробурена диаметром 21,5 см, а диаметр скважины КТБ-Оберпфальц на забое был 16,5 см.

Механическая скорость бурения (углубления) сверхглубоких научных скважин составляет 1−3 м/ч. За один рейс между спуско-подъемными операциями углубляются на 6−10 м. Средняя скорость подъема колонны буровых труб равна 0,3−0,5 м/с. Не менее 10% времени тратится на измерения в скважине. В целом бурение одной сверхглубокой скважины занимает годы (см. табл. 1) и стоит очень дорого. Например, бурение сверхглубокой скважины в Германии обошлось в 583 млн немецких марок. Затраты на сверхглубокое бурение в нашей стране были не меньше.

При бурении глубоких скважин нередко возникают аварии, вызванные мертвым прихватом бурового снаряда и другими причинами. На устранение аварий требуется много времени, зачастую их вообще невозможно устранить, приходится начинать бурение нового ствола. Поэтому многокилометровый столбик керна диаметром от 5 до 20 см, который является одним из основных, но не единственным результатом научного бурения, становится поистине драгоценным. Керн тщательно документируют и хранят в специальных помещениях. Его изучением занимаются большие коллективы специалистов, которые проводят разнообразные исследования. Например, материал, полученный при бурении немецкой сверхглубокой скважины, изучали около 400 ученых, результаты этих исследований изложены в 2000 научных публикаций!

После того как бурение сверхглубокой скважины закончено, она превращается в постоянно действующую лабораторию. Специалисты следят за изменением режима земных недр вдоль ствола скважины и в околоскважинном пространстве, проводят различные эксперименты. Такие лаборатории созданы на базе Кольской и Воротиловской скважин в России и скважины КТБ-Оберпфальц в Германии.

Так выглядит кернохранилище и сам керн:

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

научное бурение скважина Современная техника позволяет бурить скважины на континентах глубиной до 10−15 км. Прямое проникновение на бЧльшие глубины требует новых технологий бурения и остается пока делом будущего. Первые впечатляющие научные результаты позволяют надеяться, что необходимые технические средства будут созданы достаточно быстро.

Полученные с помощью глубокого и сверхглубокого бурения новые данные о реальном глубинном строении земной коры, в том числе о явлениях активного взаимодействия вода-порода, которые приводят к формированию неоднородностей типа волноводов и ложных границ, заставили внести серьезные коррективы в интерпретацию геофизических измерений.

Следует подчеркнуть, что сами программы научного бурения являются мощным стимулом технического прогресса и международной кооперации ученых. Например, благодаря такой программе в СССР было создано уникальное буровое оборудование, изготовленное на отечественных заводах, которое позволило пробурить самую глубокую в мире скважину (12,3 км). Опыт бурения сверхглубокой скважины в Германии был очень полезным с точки зрения организации и проведения научных исследований. В ближайшие годы, вероятно, будет реализована широкая международная программа глубокого научного бурения на континентах, сопоставимая по размаху с бурением в океанах. Сейчас стало очевидным, что это совершенно необходимо для дальнейшего развития геологической науки.

1. Резанов И. А. Сверхглубокое бурение. М.: Наука, 1981.

2. Кольская сверхглубокая. М.: Недра, 1984.

3. Казанский В. И. Континентальное научное бурение // Геология руд. месторождений. 1990. № 2.

4. Хахаев Б. Н., Певзнер Л. А., Кременецкий А. А. Континентальное научное бурение в России, состояние и основные направления развития // Разведка и охрана недр. 1994. № 1.

5. Кременецкий А. А. ТЭЦ под землей // Природа и человек. 1995. № 11.

6. Глубокое и сверхглубокое научное бурение на континентах (Попов В.С., Кременецкий А. А., 1999), НАУКИ О ЗЕМЛЕ