Кольская сверхглубокая скважина

Устье Кольской сверхглубокой скважины

Ко́льская эксперимента́льная опо́рная сверхглубо́кая сква́жина (СГ-3) — глубочайшая подземная выработка в мире с исключительно научным значением. В Советском Союзе она была частью опорной сети сверхглубоких скважин, пройденных в главных рудных районах. Расположена в Печенгском районе Мурманской области Российской Федерации.

В 1997 году скважина была зарегистрирована в Книге рекордов Гиннесса как самое глубокое вторжение человека в земную кору, и этот рекорд сохраняется до настоящего времени. Кольская сверхглубокая более двадцати лет удерживала титул самой длинной в мире скважины. В 2008 году её превзошла пробуренная под острым углом к поверхности земли нефтяная скважина Maersk Oil BD-04A (12 290 м) из катарского нефтя ного бассейна Аль-Шахин. На данный момент самой длинной считается нефтяная скважина Z-44 Чайво на Сахалине, которая достигла 15 км в 2017 году, а Кольская сверхглубокая не входит даже в десятку самых протяжённых, уступая нефтяным скважинам с большим отходом от вертикали.

С 1970 по 1991 год бурением и анализом материалов занималась Кольская комплексная геолого-разведывательная экспедиция глубокого бурения под руководством Давида Губермана. Максимальная глубина скважины составила 12 262 метра. После ряда аварий в 1994 году скважина была закрыта, а весной 2020 года в Мурманске были анонсированы планы сделать её туристическим объектом.

Физико-географическое положение

Скважина расположена на севере европейской части Российской Федерации, на северо-западе Мурманской области. Расстояние от ближайших населённых пунктов примерно одинаковое: 15 км к востоку от посёлка Никель и 12 км к западу от города Заполярный.

Рельеф местности – горный массив Печенгские тундры с максимальными высотами около 500-600 метров. Кольская сверхглубокая находится у озера Вильгискоддеоайвинъярви, название которого переводится с саамского как «Озеро под Волчьей горой».

Геологическое положение

В отличие от других крупных сверхглубоких скважин, создававшихся с конкретными практическими целями — для извлечения нефти, газа или проведения геологоразведки, Кольская скважина была пробурена исключительно с целью научных исследований. Поэтому Кольскую сверхглубокую пробурили в северо-восточной части Балтийского щита, где отсутствует осадочный слой, в зоне соединения рудоносных докембрийских образований, характерных для основ древних платформ. В результате бурения вскрыт разрез раннепротерозойского вулканогенно-осадочного рифтогенного комплекса, сформировавшегося 2,3 – 1,9 млрд лет назад на гранито-гнейсовом основании архейского возраста (2,8 – 3,1 млрд лет назад).

Предыстория

Попытки изучить глубины Земли имеют долгую историю. В XIII веке китайцы смогли пробурить скважины до 1200 метров. К началу XX века наука уже обладала значительными знаниями о верхних слоях литосферы. Произошло множество попыток создания очень глубоких скважин для проверки научных теорий. В 1930 году в Европе удалось достичь глубины трёх километров. К концу 1950-х годов глубина бурения возросла до семи километров. В 1957 году США начали свой проект, а в 1958 году появилась программа «Мохол», предназначенная для бурения коры под Тихим океаном. Этот проект получил имя в честь хорватского геофизика и сейсмолога Андрии Мохоровичича, исследовавшего земную кору. Это была первая попытка достигнуть поверхности Мохоровичича – границы земной коры и мантии. Однако работа над проектом завершилась в 1966 году из-за финансовых трудностей и разногласий среди участников.

В Советском Союзе была разработана программа по строительству опорных скважин глубиной 2 — 3 км, утверждённая в конце 1950-х. В 1960 — 1962 годах была создана первая мировая программа по изучению недр и сверхглубокому бурению, свыше семи километров. Идеальными местами для таких бурений считаются участки с минимальной толщиной осадочного слоя. Мурманская область, находящаяся на Балтийском щите,— одно из немногих мест в России и мире, где вода, ветер и ледники «содрали» верхние осадочные слои пород, а обнажившиеся породы кристаллического фундамента платформы облегчили доступ к нижним этажам земной коры. В 1968 году была основана Кольская геологоразведочная экспедиция сверхглубокого бурения под руководством Давида Мироновича Губермана. Само бурение началось 24 мая 1970 года, в год столетнего юбилея основателя Советского Союза Владимира Ильича Ленина.

Цели и задачи

Основная цель бурения заключалась в подтверждении теоретических моделей строения нижних слоёв земной коры, включая гранитные и базальтовые породы, а также исследование характеристик границ между ними (границы Конрада) и границей с мантией Земли (поверхность Мохоровичича).

Исходя из цели ставились задачи:

• анализ внутреннего строения никеленосного Печенгского комплекса и архейской кристаллической основы Балтийского щита в окрестностях Кольского полуострова, а также изучение особенностей геологических процессов, в том числе процессов формирования руд;
• исследование геологической природы сейсмических границ в континентальной коре Земли и получение новых данных о термическом режиме недр, составных частях глубинных газах и водных растворах;
• сбор максимально полной информации о составе пород и их физических свойствах, а также раскрытие и изучение границы между гранитными и базальтовыми слоями земной коры;
• модернизация существующей и разработка новой технологий для сверхглубокого бурения, а также методов комплексных геофизических исследований как пород, так и руд на больших глубинах.

Хроника

Бурение началось 24 мая 1970 года. До достижения глубины 7000 метров процесс проходил достаточно гладко, так как бур проходил через однородные крепкие граниты. С этой глубины буровая головка перешла в менее прочные слоистые породы, что привело к обрушению стенок скважины и образованию полых пространств.

Из-за обрушения буровую колонну заклинило. При попытке поднять бур, головка колонны оборвалась. После цементирования потерянных участков колонны, процесс бурения продолжался, невзирая на отклонения инструмента. Похожие инциденты неоднократно повторялись, поэтому бурение затянулось на несколько лет. В результате скважина приобрела форму, напоминающую крону дерева с многочисленными ответвлениями.

Изначально бурение выполнялось серийной установкой «Уралмаш-4Э», предназначенной для создания скважин в процессе поиска и изучения месторождений нефти и газа. На глубине 7263 метра бурение было продолжено с помощью установки «Уралмаш-15000».

СГ-3 имела статус секретного объекта из-за своего расположения в приграничной зоне, рядом со стратегически важными месторождениями полезных ископаемых. СССР также стремился сохранить своё научное превосходство в области литосферных исследований. Тем не менее, уже в начале 1970-х годов буровую установку посетил один из высокопоставленных представителей Академии наук Чехословакии.

Кольская сверхглубокая скважина, 2007 год

6 июня 1979 года скважина установила рекорд глубины в 9583 метра, превзойдя прежний рекорд нефтяной скважины Берта Роджерс из Оклахомы. В лучший период на СГ-3 работали одновременно 16 лабораторий под руководством министра геологии СССР Александр Сидоренко, который ещё в 1975 году упомянул Кольскую сверхглубокую в газете «Правда».

В 1983 году достигнута отметка 12066 метров, после чего бурение временно приостановили перед международным геологическим конгрессом. В 1984 году в Москве состоялся Международный геологический конгресс, на котором проходила выставка, где один из стендов был посвящён СГ-3. После проведения конгресса в посёлок Заполярный прибыла международная делегация геологов и журналистов, которые могли наблюдать работу буровой установки, а также видели, как извлекаются и соединяются тридцатитрёхметровые трубы, керны и буровые головки.

27 сентября 1984 года бурение возобновилось, но снова произошёл обрыв колонны. К 1990 году новое ответвление достигло глубины 12262 метров, после чего работы были вновь остановлены. В 1994 году бурение завершилось окончательно. Из-за неравномерного разрушения пород и геологических особенностей ствол скважины искривился, и на максимальной глубине произошло отклонение от вертикали на 840 метров. В 1991 году скважина была зафиксирована в Книге рекордов Гиннесса как самая глубокая на планете.

Характеристики бурения

Буровая колонна на глубине ниже 2000 метров была собрана из лёгких алюминиевых сплавов, так как стальные трубы не смогли бы выдержать собственный вес. Общая масса колонны составляла около 200 тонн. Турбобур — это 46-метровая турбина, работающая от давления бурового раствора и приводящая в движение буровую коронку (долото). Керноприёмник — это съёмная труба внутри турбобура, используемая для извлечения образцов породы (керна).

Для бурения применялись стандартные буровые коронки из твёрдого сплава, каждая из которых служит примерно 4 часа, за это время бурится 7—10 метров. На опускание и подъем колонны уходит до 18 часов, при этом колонна разбирается на секции из нескольких труб.

Современное состояние

Кольская сверхглубокая, 2020 год

Буровая установка была частью научно-производственного центра, находившегося на её территории. После 1991 года исследовательский центр начал испытывать трудности. Официальное прекращение бурения произошло в 1992 году, а к 1995 году финансирование практически полностью прекратилось. В то время, как в 1980-х годах в научно-производственном центре «Кольская сверхглубокая» работало около 500 человек, в апреле 2008 года по штатному расписанию числилось всего 20 сотрудников. В 2008 году, по решению начальника управления Росимущества по Мурманской области, научно-производственный центр был ликвидирован «в связи с нерентабельностью», и вскоре комплекс зданий был заброшен, оборудование демонтировано, а металлические части начали расхищать. Ведущая к скважине линия электропередачи также была ликвидирована.

По состоянию на 2010 год, согласно заявлению Юрия Леонидовича Войтеховского, директора Геологического института Кольского научного центра РАН, скважина медленно разрушается после консервации. Восстановление потребовало бы более ста миллионов рублей. В 2013 году формальным правопреемником НПЦ при Кольской сверхглубокой стало АО «НПЦ Недра», расположенное в Ярославле. В августе 2022 года волонтёры проекта «Чистая Арктика» очистили территорию устья скважины от бытового и промышленного мусора, а площадку вокруг устья засыпали песком. В августе 2023 года волонтёры собрали около трёхсот тонн мусора вокруг скважины, в основном металлолом и фрагменты строительных конструкций.

Проведённые исследования

Несмотря на ожидания относительно чётко выраженной границы между гранитным и базальтовым слоями, в образцах на всех глубинах были выявлены лишь граниты. Однако их физические характеристики значительно изменялись из-за высокого давления и высокой температуры.

Часто при подъёме керна происходило его разрушение из-за активного выделения газа в шлам, что было вызвано резкими изменениями давления. Извлечь целый фрагмент керна удавалось только при очень медленном подъёме бурового инструмента, когда избыточный газ еще находился под высоким давлением и успевал покинуть породу.

Интересно, что плотность трещин на значительных глубинах, вопреки ожиданиям, возрастала. На этих глубинах также была обнаружена вода, заполнявшая сеть обнаруженных трещин.

Для изучения физических свойств исследователи выделили в скважине 12 уровней по одному километру. Более глубокие слои, как правило, демонстрировали бо́льшую однородность, в то время как на средних уровнях высокая анизотропия указывала на тектоническую активность.

Хоть исследования принесли множество ценных данных о недрах Земли, неожиданные результаты не помогли в чётком понимании природы мантии и структуры поверхности Мохоровичича. На глубине пяти километров температура превышала 70 °C, на семи километрах достигала 120 °C, а на двенадцати километрах фиксировалась 212 °C.

Результаты исследований

• Геолого-геофизическая информация о структуре Балтийского щита значительно изменила представления, существовавшие до начала бурения. На основе анализа минерально-геохимического состава образцов керна и выполнения различных геофизических исследований в скважине были получены данные о химическом составе и физических характеристиках глубинных пород, которые значительно отличались от предварительной модели, построенной на основе предшествующих геофизических данных. Эти результаты позволили провести более обоснованную интерпретацию геофизической информации, что стало важным аспектом решения тектонических вопросов в геологии.
• Выявлены регулярные изменения состава и свойств пород с глубиной. Впервые была обнаружена вертикальная зональность метаморфизма в едином профиле, что противоречит теоретическим моделям, и это способствовало развитию теории формирования пород.
• Установлены различные режимы поведения свободной и связанной воды при зональном метаморфизме, а также выявлены изохимические свойства петрогенных элементов и перераспределение примесных элементов при усилении метаморфизма.
• Древние микроорганизмы были обнаружены на большем глубинном уровне, чем считалось ранее.
• Экспериментально определены характеристики геотермического режима древней земной коры и установлены более высокие, чем ожидалось, геотермические градиенты.