Кольская сверхглубокая скважина (СГ-3) - выдающееся достижение советской науки и техники, пробурена в древних кристаллических породах в рамках программы «Изучение недр Земли и сверхглубокое бурение» в Арктической зоне России. Скважина была пройдена с полным отбором керна и достигла глубины 12262 м, что позволило изучить глубинное строение земной коры и пересмотреть интерпретацию данных глубинных сейсмических исследований. Получены новые сведения по температурному градиенту, составу и физическим свойствам пород на глубоких горизонтах. В разрезе скважины выявлены зоны тектонических нарушений и шесть типов рудной минерализации.
Бурение Кольской сверхглубокой скважины в Печенгском районе Мурманской области в Арктической зоне, явилось знаменательным событием в истории мировой геологии. Проходка самой глубокой в мире научной скважины, достигшей рекордной глубины 12262 м, в недра планеты Земля советскими буровиками и геологами сопоставима только с космическим полетом и является величайшим достижением мировой геологической науки в XX веке.
Проблема изучения континентальной земной коры с помощью сверхглубокого бурения возникла и обсуждалась в СССР в конце 50-х - начале 60-х годов. Главной ее задачей считалась «возможность получить непосредственно с больших глубин фактический материал, крайне необходимый для познания эндогенных процессов и связанных с ними месторождений полезных ископаемых» [20].
Научные основы программы сверхглубокого континентального бурения были определены на совместном заседании Президиума АН СССР и коллегии Министерства геологии и охраны недр СССР. Сама программа была утверждена Председателем Совета министров СССР Н.С.Хрущевым на основе решения по докладу академика-секретаря Отделения геолого-географических наук АН СССР Д.И.Щербакова в 1962 г. Программа сверхглубокого бурения СССР была ответом на Программу океанического бурения США.
Развитие науки и техники во второй половине XX века во многом определялось соперничеством между СССР и США. Если достижения в космосе широко освещались, то гонка в сверхглубоком бурении осуществлялась не так открыто, но не менее напряженно.
В 1958 г. в США появилась программа сверхглубокого бурения «Мохол», которая была призвана обогнать СССР в научном соперничестве, установив мировой рекорд в сверхглубоком бурении. Было решено бурить скважины в океане, где, по данным геофизиков, земная кора значительно тоньше, чем на материках. В этом месте под осадочными породами ожидали встретить верхний слой земной коры - «гранитный», но поднятый керн содержал океанические базальты, а пройти земную кору и войти в мантию не удалось. Учёные считали, что в земной коре сверху молодые породы, снизу – древние. Однако лишь сверхглубокое бурение могло дать истинную картину строения и состава внешней оболочки Земли и верхней мантии [9, 10].
В 1968 г. в США было спущено на воду судно «Гломар Челенджер», специально построенное для реализации программы глубоководного бурения. Результат бурения обескуражил и в то же время окрылил ученых, они стали готовить новую фазу бурения. Но когда стоимость проекта перевалила за 100 млн. долларов, конгресс США прекратил финансирование. Проект «Мохол» не ответил ни на один из поставленных вопросов, но он показал главное - сверхглубокое бурение в океане возможно. В США подготовили новую программу изучения океанского дна (Deep Sea Drilling Project). Построенные специально для этого проекта судно «Гломар Челленджер» и сменившее его в 1985 году судно «Джойдес Резолюшн», с 1968 года пробурили в дне различных океанов и морей почти 800 скважин, достигнув максимальной глубины 1741 м ниже дна океана. К середине 1980-х годов результаты морского бурения подтвердили теорию тектоники плит.
Программа сверхглубокого бурения СССР
Советский Союз создал программу «Изучение недр Земли и сверхглубокое бурение», но не в океане, а на континенте. Несмотря на многовековую историю бурения скважин, континентальное сверхглубокое бурение являлось совершенно новым делом, так как работы планировались на недостижимых ранее глубинах - более 7 километров. Эта программа была утверждена, так как СССР не хотел отстать от США.
Для организации, координации и практического руководства работами по глубинному изучению земных недр в 1963 г. был образован Межведомственный научный совет по проблеме «Изучение недр Земли и сверхглубокое бурение», который объединил около 200 ученых и специалистов из научных и производственных организаций различных министерств и ведомств. Первым председателем этого совета был Министр геологии СССР, академик АН СССР А.В.Сидоренко. Затем его возглавил доктор технических наук Н.С.Тимофеев, а в 1974 г. председателем совета был назначен Министр геологии СССР Е.А.Козловский.
Программой работ на 70-е годы намечались: разработка модели строения земной коры и верхней мантии, а также новых методов прогноза месторождений полезных ископаемых, составление прогнозных карт с количественной оценкой природных ресурсов и запасов и определение направления поисковых и разведочных работ на основные виды полезных ископаемых в перспективных районах страны.
Был разработан новый технический и методический подход к решению регионального глубинного строения земной коры и верхней мантии, основанный на комплексировании данных глубокого бурения (3000-6000 м) и сверхглубокого ( более 6000 м), а также сейсмического глубинного зондирования и других геофизических и геохимических методов. Для территории СССР была разработана система взаимной увязки данных геофизических профилей, опирающихся на опорные сверхглубокие скважины. По программе были намечены в первую очередь Кольская (СГ-3) и Саатлинская (СГ-1) сверхглубокие скважины [9, 10].
Программа сверхглубокого бурения развивалась одновременно с программой освоения космоса СССР и была как бы космическим полетом в недра планеты Земли, что сопоставимо по объему научных исследований, разработке нового оборудования и финансированию. Программа «Изучение недр Земли и сверхглубокое бурение», на континенте представлялась совершенно новым делом. Результаты научного бурения во многом оказались неожиданными и заставили пересмотреть теоретические представления, которые до этого казались очевидными и незыблемыми. В программе была поставлена цель получение представления о разрезе земной коры, начиная от осадочного чехла и кончая «базальтовым» слоем и границей Мохоровичича [4, 5]. Глубина планируемых скважин оценивалась в 15 км. Места расположения скважин были выбраны так, чтобы каждая скважина полностью вскрывала какой-либо сейсмический слой, наиболее развитый в месте бурения, все скважины в сумме позволили бы получить представление о различных слоях и типах континентальной коры.
Скважина на Кольском полуострове планировалась для вскрытия «базальтового» слоя. Важным шагом на пути к изучению глубинного строения недр было создание в 1964 г. во Всесоюзном научно-исследовательском институте буровой техники (ВНИИБТ) лаборатории по бурению на мантию, которую возглавил Н.С.Тимофеев. В течение 1964-1966 гг. был проведен научный анализ технических проблем строительства сверхглубоких скважин и намечены стратегические пути решения стоящих задач [19].
Для последовательного наращивания технического потенциала в соответствии с принципом от простого к сложному, целесообразно решать проблему с соблюдением очередности бурения скважин, а именно в последовательности названных разрезов земной коры. Было решено начать бурение Кольской скважины (СГ-3) в кристаллических породах Балтийского щита.
ВНИИБТ был разработан технический проект первого этапа бурения (до 7000 м) Кольской скважины. Буровую установку «Уралмаш-15000» разработали специалисты завода «Уралмаш». Была обоснована перспективность технологии бурения гидравлическими забойными двигателями с применением, впервые в мире в области техники и технологии бурения сверхглубоких скважин, бурильных труб из легких алюминиевых сплавов, которые изготавливались на оборонных предприятиях авиационной промышленности. Разработан принципиально новый технологический подход, при котором конструкция скважины формировалась непосредственно в ходе строительства скважины на основании текущей информации о геологическом разрезе [9].
Головной организацией в осуществлении намеченных задач было определено Министерство геологии СССР, а для реализации программы привлечено более 150 научных и производственных организаций этого министерства, АН СССР, академий союзных республик, Минвуза СССР и Минвуза РСФСР, отраслевых министерств и ведомств. После обсуждения на межведомственном научном совете по проблеме «Изучение недр Земли и сверхглубокое бурение», технические требования были переданы научно-исследовательскому институту тяжелого машиностроения для разработки технической документации и последующего изготовления на заводе «Уралмаш» двух опытных экземпляров буровой установки для сверхбольших глубин.
Кольская сверхглубокая скважина
Кольская сверхглубокая скважина (СГ-3) задумывалась в качестве фундаментального научно-исследовательского проекта, нацеленного на изучение недр Земли и процессов, идущих в них. Одна из основных задач бурения скважины заключалась в достижении гипотетического «базальтового» слоя земной коры. Предположение, что континентальная кора состоит из верхнего «гранитного» и нижнего «базальтового» слоёв строилось на основе сейсмических данных, свидетельствующих об увеличении плотности горных пород с глубиной.
Место заложения СГ-3 в 1968 г. было выбрано Межведомственной комиссией под руководством академика В.И.Смирнова (рис. 2). В начале ее предполагалось пробурить в архейских гнейсах вблизи п. Лиинахамари на побережье Баренцева моря, но затем был принят другой вариант, решающий практическую задачу по определению перспектив нижних горизонтов Печенгского рудного поля в отношении сульфидных медно-никелевых руд. СГ-3 была заложена в северо-западной части Кольского полуострова, в 10 км к западу от г. Заполярного, где развиты древнейшие на Земле рудоносные тектонические структуры раннего протерозоя и архея. При проектной глубине 15 км, к 1990 г. скважина должна была достигнуть глубины 13 км [9].
Выбор места заложения скважины СГ-3 определили результаты глубинного сейсмического зондирования по профилю Баренцево море-Печенга-Ловно, выполненного в 1958-1962 г.г. [12]. Определено, что под центральной и северо-восточной частями Печенгской структуры верхняя граница «базальтового» или «гранулит-базальтового» слоя находится на наименьшей глубине (рис. 1).
Под Печенгским синклинорием была сейсмическая граница со скачкообразным ростом скорости продольных сейсмических волн Vp от 6,1 до 6,5 км/с на глубине около 7–7,5 км. Было высказано предположение, что этот скачок «маркирует» границу Конрада между «гранитным» и «базальтовым» слоем континентальной коры [11]. Традиционно считалось, что по данным сейсмологии граница Конрада на континентах фиксируется на глубинах 20–25 км, а в Печенгском районе прогнозная глубина этой границы по результатам ГСЗ была оценена всего лишь в 7,5 км, что давало шанс достичь ее и получить уникальные образцы горных пород из пограничного слоя недр при помощи сверхглубокого бурения с подъемом керна.
Бурение Кольской скважины было поручено специально организованной Кольской геологоразведочной экспедиции объединения «Волгокамскгеология» (с 1986 г. - объединение «Недра») Мингео СССР. На скважине одновременно работали до 3000 специалистов и 16 научно-исследовательских лабораторий. Начальником Кольской ГРЭ стал Д.М.Губерман, в команду геологов вошли геологи В.С.Ланев, Ю.П.Смирнов и другие. Бурение было начато 24 мая 1970 г. не только с чисто научной целью - изучить древнейшие породы нашей планеты и идущие в них процессы, но и обнаружить новые залежи медно-никелевых руд Печенгского рудного поля [5, 9].
Целью бурения СГ-3 являлось изучение глубинного строения докембрийских структур Балтийского щита, типичных для фундамента древних платформ, и оценка их рудоносности. Основные задачи работ были следующие:1. Изучить глубинное строение никеленосного Печенгского комплекса и архейского кристаллического основания Балтийского щита, выяснить особенности проявления на больших глубинах геологических процессов, включая процессы рудообразования.
2. Выяснить геологическую природу сейсмических границ в континентальной земной коре и получить новые данные о тепловом режиме недр, глубинных водных растворах и газах.
3. Получить максимально полную информацию о вещественном составе горных пород и их физическом состоянии, вскрыть и изучить пограничную зону между «гранитным» и «базальтовым» слоями земной коры.
4. Усовершенствовать имеющиеся и создать новые технологии и технические средства для бурения и комплексных геофизических исследований сверхглубоких скважин. [9]
Основой решения этих вопросов должны быть результаты изучения керна геологическими, петрографическими, минералогическими, геохимическими методами с применением оптических, рентгеновских, микрозондовых, термических, химико-аналитических, спектроскопических, и других способов анализа. Важной задачей являлась отработка технико-технологических решений бурения скважин на сверхбольшие глубины.
Вначале бурение велось серийной буровой установкой «Уралмаш-4Э», которую применяли для разведки и добычи нефти и газа. Проходка до глубины 7263 м заняла 4 года (рис. 3).
Первый этап бурения был завершен в мае 1975 г., когда скважина достигла глубины 7263 м. К этому времени был пересечен разрез раннепротерозойской северопеченгской вулканогенно-осадочной серии пород, и скважина вошла в подстилающие их архейские гнейсы. Успешное осуществление первого этапа бурения оказало решающее влияние на разработку оптимального пути развития сверхглубокого бурения. Одним из важнейших технических достижений первого этапа бурения была отработка технологии проводки скважин в кристаллических породах до 7 км при помощи бурового оборудования и инструмента отечественного производства [9]. Далее был почти годовой перерыв для замены буровой установки. Буровая установка «Уралмаш-4Э» была разобрана, а на её месте смонтирован специально созданный комплект бурового оборудования «Уралмаш 15000» грузоподъемностью 400 т с максимальной автоматизацией и бесступенчатым регулированием основных технических процессов.
В 1976 г. после окончания монтажа бурового комплекса начался второй этап бурения. Именно с помощью этой установки велось дальнейшее бурение, и она позволила проникнуть вглубь земной коры на 12262 метра. В июне 1979 г. скважина побила рекорд в 9583 метра, принадлежащий скважине США, достигнув глубины 9584 метра. В 1983 г. скважина достигла глубины 12066 м. По состоянию на 01.05.1991 г. глубина скважины составляла 12262 м. [10].
В процессе второго этапа бурения СГ-3 был решён ряд сложных технических проблем. Так, на глубинах более 8 км контролировать работу долота по наземным датчикам и приборам оказалось практически невозможным. Исследования выявили перспективность гидравлического канала связи для передачи информации от забойных датчиков на поверхность методом частотной модуляции импульсов давления в жидкости. [6]. Наиболее важными были требования обеспечения максимального отбора керна и сохранения вертикальности ствола. 27 декабря 1983 г. глубина скважины достигла 12000 м, буровики готовились к бурению до проектной глубины.
После достижения рекордной глубины 12066 метров бурение было приостановлено, так как шла подготовка к XXVII сессии Международного геологического конгресса, который должен был проходить в 1984 году в Москве. Выдающиеся достижения Советского Союза в области глубинного исследования недр Земли привлекли широкое внимание геологов, инженеров, технологов и других специалистов как у нас в стране, так и за рубежом. Было решено сообщить на специальной сессии Конгресса основные результаты изучения СГ-3, но и показать участникам конгресса работу скважины в натуре и поднятые из глубины образцы керна. Была организована специальная экскурсия министров геологии многих стран мира на СГ-3. Кольская сверхглубокая скважина была признана самым выдающимся достижением мировой науки XX века [10]. Она была внесена в книгу рекордов Гиннеса как мировое достижение [9,13].
В 1990 г. была достигнута максимальная глубина - 12262 м., не превзойденная до сих пор. Однако резкое сокращение финансирования не позволило продолжить работы. Бурение прекратили в 1992 году. Предполагалось, что Кольская сверхглубокая скважина после завершения бурения будет превращена в уникальную лабораторию для исследования с помощью специальных приборов глубинных процессов, протекающих в земной коре. Однако в 1995 г. все научные работы из-за отсутствия финансирования были прекращены, а сама скважина законсервирована [13,14].
Решение о демонтаже уникального бурового оборудования «Уралмаш 15000» было принято летом 2007 г. специальной экспертной комиссией представителей Роснедр и Росимущества.
Особенности технологии бурения СГ-3
Бурение Кольской скважины было осуществлено с применением только отечественной техники и технологии. Все оборудование для бурения было сделано на предприятиях оборонной промышленности СССР, также как при работе по проектам создания атомного оружия и космических кораблей. Была создана уникальная буровая установка «Уралмаш 15000» грузоподъемностью 400 т, при давлении нагнетания бурового раствора 40 МПа, с максимальной автоматизацией процессов бурения. Установка была рассчитана для проходки скважин до глубины 15 км [9].
