Для чего бурили кольскую сверхглубокую
Зачем бурили Кольскую сверхглубокую скважину?
Редакция портала «Подземный эксперт»
В СССР подземное строительство представляло собой крупную и важную отрасль, внесшую вклад в развитие советской экономики и науки. Была создана научная национальная школа, специалисты которой реализовывали смелые проекты, проектировали и планировали уникальные объекты. Так в мае 1970 года было начато бурение Кольской скважины, по сложности сопоставимое с полетом в космос.
Кольский полуостров. Автор фото: Alexey Elfimov/Unsplash
Зачем нужны скважины?
Вторая половина XX века в мире характеризовалось ростом урбанизации, формированием «общества потребления», научно-технической революцией (НТР). Теперь наука, применение принципиально новых технологий, автоматизация производства стали главными факторами роста и развития экономики. Развивались наукоёмкие направления — электроника, атомная энергетика, космонавтика. Возрастала роль сырья, наблюдался рост использования алюминия, титана, нефти и газа.
Тема изучения глубинного строения земной коры стала весьма актуальной для дальнейшего развития добывающей промышленности. Более того, человечество смогло бы получить ответы на многие вопросы, связанные с возникновением планеты Земля, образованием месторождений полезных ископаемых.
Поэтому подобные скважины бурили по всему миру. Но, достигнуть глубины 12 262 метра смогли только советские специалисты. Например, в США на тот момент скважины в среднем были глубиной до 9 600 метров, американцы применяли установки грузоподъемностью 6-8 М, давлением насосов 50 Мпа.
Но, советские инженеры смогли создать технологию проходки, обеспечивающую бурение скважины на запланированные большие глубины, с помощью установки меньшей грузоподъемности – 5МН и давлением нагнетания (40 Мпа).
В Германии хотели повторить рекорд советских ученых на Кольской скважине, однако бурение было прекращено из-за аварий и по техническим причинам. А, в 1992 году прекратили работы и на Кольской сверхглубокой скважине.
Побить рекорд Кольской скважины все-таки смогли, но только по показателю длины. Это наклонные скважины для разработки больших газовых и нефтяных месторождений, которые бурились под острым углом. В 2008 году пробурена нефтяная скважина Maersk Oil BD-04A, длина которой составила 12 290 метров в нефтяном бассейне Аль-Шахин, Катар. В 2011 году этот рекорд уже был побит нефтяной скважиной месторождения Одопту-море проекта Сахалин-1 (длина 12 345 метров). В июне 2013 года была пробурена скважина Z-42 Чайвинского месторождения (длина 12 700 метров).
Секрет советской технологии
Особенность советской технологии заключалась в проводке скважины опережающим стволом с помощью отечественного турбинного способа бурения с применением бурильных труб из алюминиевых сплавов. Эту установку создал коллектив Уралмашзавода (г. Свердловск/ н. в. Екатеринбург).
Были разработаны и внедрены породоразрушающие инструменты и забойные двигатели с соответствующей глубинным условиям характеристикой, в том числе долота с маслонаполненной герметизированной опорой, редукторные турбобуры, устойчиво работающие в области оптимальных скоростей вращения.
Созданы и внедрены средства контроля работы турбобура на забое, без которых невозможно бурение забойным двигателем на глубинах более 8—9 км. Внедрены высокопрочные (с пределом текучести до 500 МПа) и термостойкие (до 200 °С) легкосплавные трубы, обеспечивающие практически безаварийные условия работы при высоких скоростях спуска и подъема бурильного инструмента в скважине.
Анализ данных сверхглубокого бурения
Кольский полуостров сложен главным образом докембрийскими кристаллическими породами, которые распространены и на территории Финляндии, Швеции, Норвегии. Изучению геологического строения этого региона геологи посвятили многие годы.
В начале 60-х гг. XX века идея организации глубинного изучения земных недр стала наиболее актуальной, так на тот момент в СССР и США были пробурены скважины глубиной 7-9 км для поиска нефти и горючего газа, которые закладывались в осадочных бассейнах. Но, такие скважины были неэффективны для изучения строения и состава глубоких областей коры.
В 1965 г. была разработана комплексная научно-техническая программа изучения глубинного строения земной коры. В ней было обозначено, что в первую очередь необходимо осуществить бурение Кольской и Саатлинской сверхглубоких скважин.
Аналогичная программа была разработана и в США – проект «Мохол»/ Project Mohole. Проект осуществлял Национальный научный фонд США/ National Science Foundation, но американцев больше всего интересовало бурение коры под Тихим океаном. Исследователи, работающие над проектом, руководствовались гипотезой о том, что толщина океанского дна до поверхности Мохоровичича (нижняя граница земной коры, отделяющая земную кору от мантии) гораздо меньше, чем на суше. Кстати, в честь ученого, изучавшего земную кору и мантию Андрии Мохоровичича/ Andrija Mohorovičić и был назван проект, в названии также фигурирует слово hole/«дыра»
Для бурения было выбрано место с глубиной океана порядка 3,5 км недалеко от острова Гуадалупе. Всего было пробурено 5 пробных скважин с заглублением в дно до 180 метров. Но, проект закрыли в связи с перерасходом средств.
К началу 70-х годов были закончены подготовительные работы для бурения Кольской сверхглубокой скважины, а в мае 1970 г. было начато бурение Кольской скважины СГ-3, через 10 лет ее глубина уже составляла 10,7 км. В целях организации работ по бурению скважины была образована Кольская комплексная геолого-разведывательная экспедиция глубокого бурения. С 1992 года она была преобразована в Научно-производственный центр «Кольская сверхглубокая»), работавшая под руководством Давида Губермана.
На тот момент была получена уникальная геолого-геофизическая информация о глубинном строении Балтийского щита. На основании непосредственного изучения минерально-геохимического состава пород керна и проведения комплекса геофизических исследований в стволе скважины, получены данные о вещественном составе и физическом состоянии глубинных пород, существенно отличающиеся от данных модели разреза, составленной по геофизическим данным до бурения скважины.
Они имеют важное значение для прогноза скрытых месторождений минерального сырья — железных руд, меди, никеля, слюды и редких металлов не только на Кольском полуострове, но и в других древних массивах.
На основании этих данных стала также возможной обоснованная интерпретация геофизических материалов, играющая большую роль при разработке тектонических проблем геологии. Сделан существенный вклад в разработку термической модели формирования земной коры, учитывающий реальную долю эндогенного тепла.
После завершения работ на Кольской скважине, когда глубина скважины достигла бы 13 000 метров, планировалось создать уникальную в мире природную лабораторию для исследования глубинных процессов, протекающих в земной коре, проведения долговременных наблюдений за температурным режимом, изучения условий и возможностей захоронения промышленных отходов на больших глубинах, испытаний и совершенствования приборов и методов геолого-геофизических, геохимических и гидрогеологических исследований.
Кольская сверхглубокая скважина сегодня
Но, планам по созданию лаборатории не суждено было исполнится. Ходило много слухов и мифов о скважине, в том числе, что советских инженеров дальше дьявол не пустил, из скважины были слышны стоны грешников. В том, числе, что именно из-за бурения Кольской скважины распался Советский Союз. Эти мифы и слухи, как правило, запускали юмористы и специалисты, работающие на бурении скважины. А, в Финляндии, как-то на 1 апреля в одной из местных газет был специально подготовлен юмористический материал об адской советской скважине.
В 1984 году случилась авария – буровая колонная застряла на глубине 12 066 метров, при подъеме сам бур и несколько труб так и остались в скважине. Дальнейшие попытки тоже были безуспешными. В 1992 году, когда глубина скважины достигла 12 226 метров было принято решение прекратить работы и законсервировать скважину. В 1997 году скважина была отмечена в Книге рекордов Гиннесса.
Не смотря на большое количество мифов и слухов о скважине, сегодня научно-производственный центр «Кольская сверхглубокая» выглядит именно, как после адского взрыва. В 1995 году финансирование центра было полностью прекращено, в 2008 году в научном центре числилось всего 20 сотрудников, хотя на начало 80-х гг. штат сотрудников составлял порядка 500 специалистов.
В дальнейшем Росимущество по Мурманской области ликвидировал научный центр, в связи с «нерентабельностью». Оставшееся оборудование демонтировали, остались только разрушенные постройки. Сама скважина законсервирована и постепенно разрушается. Стоимость восстановления — около ста миллионов рублей.
По мнению специалистов, на данный момент можно восстановить научную аппаратуру и открыть институт для обучения специалистов по шельфовому бурению. Помимо научного центра можно создать музей, туристический комплекс, ведь скважина является местом притяжения туристов. Но, сейчас достижения советской науки и техники находятся в руинах.
П о материалам книги Кольская сверхглубокая. Исследование глубинного строения континентальной коры с помощью бурения Кольской сверхглубокой скважины.— М: Недра. 1984,—490 с. (Министерство геологии СССР).
Путешествие к центру Земли: история Кольской сверхглубокой скважины
29 мая 1953 года Эдмунд Хиллари и шерпа Тенцинг Норгей впервые в истории взошли на «Вершину мира», наконец-то покорив Эверест. 23 января 1960-го Дон Уолш и Жак Пикар спустились на батискафе «Триест» на дно Марианской впадины. В 1961 году Юрий Гагарин полетел в космос, а в 1969-м Нил Армстронг ступил на Луну. В 1950—1960-е годы казалось, что возможности человека ограничены только его фантазией. Бросив себе очередной вызов, люди решили проникнуть и в земные недра — так глубоко, как никогда ранее. В 1970 году в СССР началось сооружение 15-километровой скважины, которая должна была вплотную приблизиться к границе Мохоровичича — условного слоя, разделяющего земную кору и мантию. Onliner.by рассказывает об уникальном советском проекте по изучению непознанного, трудностях при его реализации и сделанных в процессе открытиях, шокировавших ученых.
О структурном устройстве Земли все наверняка еще помнят из школьного курса географии. В центре расположено ядро с твердой железо-никелевой серединой, окруженной жидкой расплавленной оболочкой. Достичь его невозможно сейчас и вряд ли станет реально в сколь-нибудь обозримом будущем. Выше ядра находится мантия, состоящая преимущественно из вязких силикатных пород, богатых железом и магнием. Сверху все это богатство прикрыто относительно тонкой и твердой земной корой.
На континентах земная кора толще, чем под океанами. Она складывается из гранитного и базальтового слоев и присыпана осадочными породами. В основе же океанических бассейнов — лишь осадочный и базальтовый слои, гранитный отсутствует, что делает мантию достижимой мечтой всех геологов. Этим обстоятельством и решили воспользоваться американцы в самом начале 1960-х.
В 1961 году в активную фазу вошел проект «Мохол». Его целью было пробурить в Тихом океане рядом с мексиканским островом Гуадалупе скважину, которая прошла бы через земную кору и достигла границы Мохоровичича. В рамках экспериментального этапа проекта весной 1961-го американцы пробурили пять пробных скважин, глубочайшая из которых достигла 180 метров под дном океана. Это был уникальный опыт, доказавший, что даже с плавучей незакрепленной платформы, под которой находилось 3,5 километра воды, бурение принципиально возможно.
Впрочем, на пути беспрецедентных научных успехов США стал Конгресс страны, отказавшийся в конечном итоге финансировать дорогостоящий «Мохол». Его цели, какими бы фундаментальными они ни были для человечества, оказались совершенно непонятны сенаторам и конгрессменам. Впрочем, эстафету у Соединенных Штатов тут же подхватил их заклятый враг — Советский Союз.
На фоне яростной космической гонки и прочего противостояния во всех возможных сферах жизни СССР не мог, разумеется, остаться равнодушным к достижениям американцев. В 1962 году Никита Хрущев утвердил научную программу «Изучение недр Земли и сверхглубокое бурение». Была поставлена задача соорудить скважину, которая достигла бы семикилометровой глубины. Причем сделать это предполагалось не в океане, а на континенте, что существенно усложняло проект. При этом геологи предполагали, что увеличение стоимости и продолжительности работ компенсируется несравнимо более ценными научными результатами.
Площадкой для реализации эксперимента был выбран Кольский полуостров. Этот самый север европейской части страны располагается на Балтийском щите. Данное образование сложено из древнейших пород и к тому же подверглось сильной эрозии. Осадочный слой здесь оказался минимальным, а во многих местах гранит земной коры выходит прямо на поверхность. Это должно было облегчить работу буровиков, первой целью которых было прохождение гранитов и достижение границы Конрада, то есть кровли базальтового слоя коры, за которым уже находилась мантия. Предполагалось, что базальт начинается на глубине 6—7 километров. Впоследствии проектная глубина скважины выросла в два с лишним раза — до 15 километров.
В конце 1960-х геологи, отвечавшие за проект, обосновались на севере Мурманской области, в 10 километрах от города Заполярный у озера с невероятным названием Вильгискоддеоайвинъярви. После подготовительной стадии, в мае 1970-го, бурение Кольской сверхглубокой скважины началось.
Как происходит стандартное бурение какой-нибудь средней скважины, скажем, для нефтегазового комплекса? Двигатель буровой установки, расположенной на поверхности, вращает колонну стальных труб, в нижней части которой находятся долота с одной или несколькими буровыми коронками, армированными твердыми сплавами или алмазами. Одновременно в формируемую скважину закачивается специальный буровой раствор. Это особая сложносоставная глинистая смесь, выполняющая множество важных функций. Во-первых, она охлаждает породоразрушающий инструмент, во-вторых, ее давление обеспечивает дополнительную устойчивость стенкам буровой колонны, в-третьих, эта смесь, возвращаясь на поверхность, выносит с собой шлам, мелкие частицы породы.
Бурение сверхглубоких скважин имеет свои характерные особенности, значительно усложняющие его. В первую очередь, необходимо уменьшить вес многокилометровой колонны буровых труб. Для этого вместо стальных труб на Кольском полуострове использовали трубы из легких алюминиевых сплавов. По мере увеличения глубины скважины растет и горное давление, обусловленное весом породы. Чтобы компенсировать его и обеспечить устойчивость колонны трубы, модифицируется состав бурового раствора. Наконец, вместо двигателей на поверхности, обеспечивающих функционирование всего механизма, используются специальные турбины, которые расположены непосредственно у буровых коронок и приводятся в движение давлением раствора.
В среднем скорость бурения Кольской сверхглубокой составляла около 1—3 метров в час. По прохождении приблизительно десятка метров буровую колонну приходилось поднимать на поверхность для извлечения керна, цилиндра горной породы, образующегося в полой буровой трубе по мере ее углубления. Именно керн представлял особый интерес для геологов, а его изучение позволило сделать выводы о внутренней структуре земной коры. По мере роста длины скважины росло и время, которое требовалось для спуско-подъемных операций.
До глубины в 7 километров работы по бурению Кольской сверхглубокой скважины проходили в более-менее штатном режиме. Далее ученые прогнозировали окончание стабильного гранитного слоя и границу Конрада — переход в нижний слой земной коры, базальтовый. При этом в своих предположениях геологи основывались на резком увеличении скорости сейсмических волн после семикилометровой отметки, что означало принципиальное изменение состава горной породы. Оно действительно произошло, но полученные результаты анализа керна оказались совершенно неожиданными.
Ранее ученые предполагали, что ниже гранитов находится еще более плотная порода. Вместо этого они обнаружили высокопористую многокилометровую зону с кавернами и большим содержанием водорода, к тому же пропитанную водным раствором. Это было совершенно феноменальное открытие, абсолютно не согласовывавшееся с прежними представлениями об устройстве земной коры, по крайней мере на этом участке Балтийского щита. Вместе с научным шоком изменение условий бурения принесло и тяжелые проблемы.
В октябре 1976 года вместо серийной буровой установки «Уралмаш-4Э», работавшей до глубины в 7 километров, на площадке Кольской сверхглубокой была смонтирована новая уникальная буровая «Уралмаш-15000», которая и должна была достичь красивой цифры. Должна была, но не достигла.
Технология бурения Кольской сверхглубокой скважины
Похожие записи
Бурение глубокой скважины
Технология бурения Кольской сверхглубокой скважины
Бурение глубокой скважины и тем более сверхглубокой — сложное и дорогое предприятие. В мировой практике глубокие скважины бурят очень мощными и дорогими установками грузоподъемностью 600-800 тонн.
Таких установок изготовлено до сих пор всего несколько штук, меньше, чем пальцев на одной руке.
Наш проект предусматривает проводку скважины большой глубины с помощью обычной буровой установки.
При этом сохраняется классическая схема разрушения и выноса породы на поверхность земли, но применяются новые технологические приемы, некоторые новые инструменты и, главное, новый подход к проблеме глубокого бурения.
Важнейший элемент в комплексе оборудования — буровые насосы, заставляющие буровой (глинистый) раствор под большим давлением циркулировать вниз по бурильным трубам, а затем вверх по кольцевому зазору между колонной труб и стенками скважины.
Энергия насосов преобразуется в полезную работу турбобура, вращающего на забое долото, и обеспечивает подъем разбуренной породы на поверхность земли.
Выходящий из Кольской сверхглубокой скважины раствор очищают от кусочков породы и вновь закачивают в бурильные трубы. Циркуляция идет по замкнутому циклу.
Если вы окажетесь на буровой во время подъема бурильной колонны, то увидите внутри вышки вертикальные ряды «свечей» — отдельные трубы, на которые расчленяется колонна. Обычно колонну составляют «свечи» высотой 36 метров. Их диаметр около 15 сантиметров.
Износилось долото — поднимают всю колонну, навинчивают новое и в обратном порядке спускают «свечи» в скважину. Таких рейсов при бурении глубоких скважин долото делает несколько сотен, а при проходке сверхглубоких — более тысячи!
При этом надо сохранить вертикальность ствола в пределах определенных допусков, своевременно закреплять вскрытые породы обсадными трубами, отбирать с забоя образцы породы — керны, проводить комплекс внутрискважинных геофизических исследований и многие другие работы.
Буровая для проходки глубокой скважины — по сути дела, большой современный завод. Весь комплекс оборудования предназначается для того, чтобы пробурить в земной коре неширокий цилиндрический ход длиной в несколько километров. Это всего лишь укол в недра Земли. Но как трудно его сделать…
Обычно глубокую скважину начинают бурить долотом большого диаметра. Бурение ведут до тех пор, пока в скважине не появляются какие-либо осложнения (приток воды, нефти и газа, уходы бурового раствора, обвалы стенок), делающие невозможным дальнейшее углубление скважины.
Теперь скважина одета в броню, и бурение можно продолжать (долотами несколько меньшего диаметра) до тех пор, пока какие-либо новые осложнения не преградят путь долоту.
Тогда в скважину спускают и цементируют еще одну колонну труб, меньшим диаметром, чем первая. Таких труб в скважину спускают столько, сколько встретится зон осложнений.
Каждая глубокая скважина похожа на подземный телескоп, направленный в сторону, противоположную от звезд. По количеству ступеней (труб) в этом телескопе судят о степени сложности и дороговизне бурения.
Заранее определить нужное количество звеньев телескопа и соотношения их размеров очень трудно. Практически невозможно предсказать, на какой глубине произойдет осложнение, которое потребует спуска в скважину обсадной колонны — очередного звена телескопа.
Недра очень изменчивы: буквально соседние скважины могут отличаться друг от друга по условиям проходки. То неожиданно встретится напорный водоносный горизонт, от которого следует оградиться обсадными трубами, то попадется прослойка трещиноватых пород, и буровой раствор начнет утекать по ним вместо того, чтобы уносить наверх разрушенную породу, то вдруг стенки скважины начнут обрушиваться, то образуются каверны…
Невозможно предусмотреть все трудности на будущем подземном пути. Направляясь в путешествие, космонавты, наверное, больше знают о своих трассах, чем атакующие земные недра буровики…
Ведь не случайно сейчас в лабораториях многих стран ученые заняты исследованием кернового материала, доставленного с Луны советскими и американскими летательными аппаратами, но ни в одной лаборатории мира пока нет образцов земных пород, извлеченных из глубины хотя бы 10 километров!
Кольская сверхглубокая: технология бурения
Для СГ-3 требовалось разработать такую технологию, которая обеспечивала бы свободу маневра в случае каких-либо осложнений на глубине.
Была предложена новая технологическая схема — бурение опережающим стволом. Что это такое?
Кольскую сверхглубокую начали проходить долотом диаметром 920 миллиметров. Углубились на 40 метров и обсадили пройденный отрезок трубами 720 миллиметров.
Затем в отличие от общепринятой технологии спустили в скважину еще одну металлическую колонну диаметром 245 миллиметров.
Ее не укрепляли и не цементировали. Получилось нечто вроде защитного чехла — колонна в колонне. Причем внутреннюю, несцементированную колонну при необходимости можно извлечь. И только после этого, следуя новой технологии, началось продвижение в недра СГ-3 открытым стволом.
Таким образом, стратегией бурения СГ-3 предусматривалась проходка открытым опережающим стволом на максимальную глубину при минимальном диаметре долота с тем, чтобы не исчерпать все звенья телескопа преждевременно.
Когда шло бурение Кольской сверхглубокой на глубине 5300 метров, на отметке 1800 метров начались опасные кавернообразования — разрушение породы. Противостоящий маневр состоял в том, что скважину с 40 и до 2000 метров расширили долотами диаметром 394 миллиметра, а затем весь этот участок обсадили 325-миллиметровыми трубами. Место, на котором произошло осложнение, оказалось за металлической стенкой.
Теперь сверхглубокая стала похожей на телескоп: до 40 метров шло его широкое основание, дальше до 2000 метров выдвинулась труба диаметром поменьше. Удлинилась и съемная колонна — обсадные трубы диаметром 245 миллиметров продлили до 2000 метров.
Буровой телескоп может иметь довольно большой начальный диаметр и вполне определенный конечный. Поэтому стратегия бурения первым делом предусматривала как можно глубже бурить долотами наименьшего диаметра — 214 миллиметров.
Вот почему в ход пустили это же долото и достигли глубины 7263 метра. Впервые в мировой практике проходка «голым» стволом составила более 5200 метров. У буровиков на Кольской сверхглубокой в запасе осталось еще одно звено телескопа, что для столь глубокой скважины — большое достижение.
Несцементированные трубы съемной колонны 245 миллиметров играют роль первой оборонительной линии. Внутри них движется вверх-вниз буровой инструмент, течет буровой раствор.
Конечно, трубы изнашиваются, протираются, но зато не подвергаются износу стоящие за ними цементированные трубы. Их-то извлечь нельзя, и если бы они оказались протертыми, то мечте о 15-километровой глубине — конец.
А съемную колонну можно заменить. Сейчас, после окончания первого этапа бурения СГ-3, ее извлекли — трубы оказались с предельным износом. Перед тем, как начать следующий этап бурения, в скважину опустят новую съемную колонну.