XX століття|вік| ознаменувалося тріумфом людини в повітрі і підкоренням
найглибших западин Світового океану. Лише мрія проникнути до серця нашої
планети і пізнати приховане досі життя її надр як і раніше залишається
недосяжною. «Подорож|мандрівка| до центру Землі|грунту|» обіцяє бути
незвичайно важкою і захоплюючою,
таїть в собі масу несподіванок і неймовірних відкриттів|відчиняти|. Перші кроки на
цьому шляху|дорозі|
вже зроблені — в світі пробурено декілька десятків надглибоких свердловин|щілин|.
Інформація, отримана|одержувати| за допомогою надглибокого буріння,
виявилася настільки|так| приголомшуючою, що поколивала сталі|устояні|
уявлення геологів про будову|споруду| нашої планети і дала багатющі
матеріали для дослідників в самих різних галузях знань.
Доторкнутися до мантії
Працелюбні китайці в XIII столітті рили свердловини завглибшки 1200 метрів. Європейці побили китайський рекорд в 1930 році, навчившись пронизувати земну твердь за допомогою бурових на 3 кілометри. В кінці 1950-х років свердловини подовжилися до 7 кілометрів. Зачиналася епоха надглибокого буріння. Як і більшість глобальних проектів, ідея пробурити верхню оболонку Землі виникла в 1960-х роках XX століття, в розпал космічних польотів і віри в безмежні можливості науки і техніки. Американці задумали не мало не багато минути свердловиною всю земну кору і отримати зразки порід верхньої мантії. Уявлення про мантію тоді (як, втім, і зараз) будувалися лише на непрямих даних — швидкості поширення сейсмічних хвиль в надрах, зміна якої інтерпретувалася як кордон шарів гірських порід різного віку і складу. Учені вважали, що земна кора схожа на бутерброд: зверху молоді породи, знизу — древні. Проте лише надглибоке буріння могло дати справжню картину будови і складу зовнішньої оболонки Землі і верхньої мантії.
Проект «Мохол»
У 1958 році в США з'явилася програма надглибокого буріння «Мохол». Це один з найсміливіших і загадковіших проектів післявоєнної Америки. Як і багато інших програм, «Мохол» був покликаний обігнати СРСР в науковому суперництві, встановивши світовий рекорд в надглибокому бурінні. Назва проекту походить від слів «Мохоровічич» — це прізвище хорватського ученого, який виділив поверхню розділу між земною корою і мантією, — кордон Мохо, і «hole», що по-англійськи означає «свердловина». Творці програми вирішили бурити в океані, де, за даними геофізиків, земна кора значно тонша, ніж на материках. Треба було спустити труби на декілька кілометрів у воду, минути 5 кілометрів океанського дна і досягти верхньої мантії. У квітні 1961 року біля острова Гваделупа в Карибському морі, де водна товща досягає 3,5 км., геологи пробурили п'ять свердловин, найглибша з них увійшла до дна на 183 метри. По попередніх розрахунках, в цьому місці під осадковими породами чекали зустріти верхній шар земної кори — гранітний. Але піднятий з-під опадів керн містив чисті базальти — антипод гранітів. Результат буріння збентежив і в той же час окрилив учених, вони почали готувати нову фазу буріння. Але коли вартість проекту перевалила за 100 млн. доларів, конгрес США припинив фінансування. «Мохол» не відповів ні на одне з поставлених питань, але він показав головне — надглибоке буріння в океані можливо.
Похорони відкладаються
Надглибоке буріння дозволило заглянути в надра і зрозуміти, як поводяться гірські породи при високому тиску і температурі. Уявлення, що гірські породи з глибиною стають щільнішими і пористість їх убуває, виявилося невірним, як і точка зору про сухі надра. Вперше це було виявлено при бурінні Кольської надглибокої, інші свердловини в древніх кристалічних товщах підтвердили той факт, що на багатокілометровій глибині гірські породи розбиті тріщинами і пронизані багаточисельними порами, а водні розчини вільно рухаються під тиском в декілька сот атмосфер. У цьому відкритті полягає одне з найважливіших досягнень надглибокого буріння. Воно змусило знов звернутися до проблеми поховання радіоактивних відходів, які передбачалося поміщати в глибокі свердловини, що здавалося абсолютно безпечним. Враховуючи інформацію про стан надр, отриману в ході надглибокого буріння, проекти створення подібних могильників нині виглядають вельми ризикованими.
У пошуках захололого пекла
З тих пір світ захворів надглибоким бурінням. У США готували нову програму вивчення океанського дна (Deep Sea Drilling Project). Побудоване спеціально для цього проекту судно «Гломар Челленджер» декілька років провело у водах різних океанів і морів, пробуривши в їх дні майже 800 свердловин, досягнувши максимальної глибини 760 м. До середини 1980-х років результати морського буріння підтвердили теорію тектоніки плит. Геологія як наука народилася заново. Тим часом Росія йшла своїм шляхом. Інтерес до проблеми, розбуджений успіхами США, вилився в програму «Вивчення надр Землі і надглибоке буріння», але не в океані, а на континенті. Не дивлячись на багатовікову історію, континентальне буріння представлялося абсолютно новою справою. Адже мова йшла про недосяжні раніше глибини — більше 7 кілометрів. У 1962 році Микита Хрущев утвердил цю програму, хоча керувався він швидше політичними мотивами, ніж науковими. Йому не хотілося відстати від США.
Очолив знов створену лабораторію при Інституті бурової техніки відомий нафтовик доктор технічних наук Микола Тимоша. Йому було доручено обгрунтувати можливість надглибокого буріння в кристалічних породах — гранітах і гнейсах. На дослідження пішло 4 роки, і в 1966 році експерти винесли вердикт — бурити можна, причому не обов'язково технікою завтрашнього дня, досить того устаткування, що вже є. Головна проблема — високі температури на глибині. Згідно рз озрахунками, у міру заглиблення в гірські породи, що складають земну кору, температура повинна збільшуватися через кожних 33 метри на 1 градус. Значить, на глибині 10 км. треба очікувати 300°С, а на 15 км - майже 500°С. Такого нагріву бурильні інструменти і прилади не витримають. Треба було шукати місце, де надра не настільки гарячі.
Таке місце знайшли — древній кристалічною щит Кольського півострова. Звіт, підготовлений в Інституті фізики Землі, свідчив: за мільярди років свого існування Кольський щит охолов, температура на глибині 15 км не перевищує 150°С. А геофізики підготували зразковий розріз надр Кольського півострова. За їх даними, перші 7 кілометрів — це гранітні товщі верхньої частки земної кори, потім розпочинається базальтовий шар. Тоді уявлення про двошарову будову земної кори було загальноприйнятим. Але як виявився пізніше, і фізики, і геофізики помилялися. Майданчик для бурової вибрали на північному краю Кольського півострова поблизу озера Вільгиськоддеоайвін'ярві. По-фінськи це означає «Під вовчою горою», хоча ні гори, ні вовків в тому місці немає. До буріння свердловини, проектна глибина якої складала 15 кілометрів, приступили в травні 1970 року.
Розчарування шведів
В кінці 1980-х років в Швеції у пошуках природного газу небіологічного походження пробурили свердловину до глибини 6,8 км. Геологи вирішили перевірити гіпотезу, згідно якої нафта і газ утворюються не з відмерлих рослин, як вважають більшість учених, а за допомогою флюїдів мантії - гарячих сумішей газів і рідин. Насичені вуглеводнями флюїди просочуються з мантії в земну кору і накопичуються у великих кількостях. В ті роки ідея про походження вуглеводнів не з органічної речовини осадкових товщ, а за допомогою глибинних флюїдів була в новинку, багато хто хотів її перевірити. З цієї ідеї виходить, що запаси вуглеводнів можуть містити не лише осадкові, але також вулканічні і метаморфічні породи. Ось чому Швеція, переважно розташована на древньому кристалічному щиті, узялася поставити експеримент.
Для буріння вибрали кратер Сильян Ринг діаметром 52 км. За геофізичними даними, на глибині 500—600 метрів знаходилися кальциновані граніти – можлива покришка для резервуару вуглеводнів, що лежали нижче. Виміри прискорення сили тяжіння, по зміні якої можна судити про склад і щільність гірських порід, що залягають в надрах, говорили про наявність високопористих порід на глибині 5 км – можливого колектора нафти і газу. Результати буріння розчарували учених і інвесторів, що вклали в ці роботи 60 млн. доларів. Пройдені товщі, що минули, не містили промислових запасів вуглеводнів, тільки прояви нафти і газу явно біологічного походження з древніх бітумів. В усякому разі, нікому не удалося довести зворотне.
Інструмент для пекла
Створення принципово нових пристроїв і гігантських машин буріння Кольської свердловини СГ-3 не вимагало. Зачинали працювати з тим, що вже було: установка «Уралмаш 4Э» вантажопідйомністю 200 тонн і легкосплавные труби. Що дійсно було потрібне на той момент, так це нестандартні технологічні рішення. Адже в твердих кристалічних породах на настільки велику глибину ніхто не бурив, і що там буде, уявляли собі тільки у загальних рисах. Дослідні бурильники, проте, розуміли, що яким би детальним не був проект, реальна свердловина виявиться набагато складнішою. Через 5 років, коли глибина свердловини СГ-3 перевищила 7 кілометрів, змонтували нову бурову установку «Уралмаш 15 000» — одну з найсучасніших на ті часи. Потужна, надійна, з автоматичним спускоподъемным механізмом, вона могла витримати колону труб завдовжки до 15 км. Бурова перетворилася на повністю обшиту вежу заввишки 68 м, непокірну сильним вітрам, що бушують в Заполярье. Поруч виросли мінізавод, наукові лабораторії і кернохранилище.
При бурінні на невеликі глибини мотор, який обертає колону труб з буром на кінці, встановлюють на поверхні. Буром є залізний циліндр із зубами з алмазів або твердих сплавів — коронку. Ця коронка вгризається в породи і вирізує з них тонкий стовпчик — керн. Щоб охолодити інструмент і витягувати зі свердловини дрібне сміття, в неї нагнітають буровий розчин — рідку глину, яка весь час циркулює по стовбуру, немов кров в судинах. Через якийсь час труби піднімають на поверхню, звільняють від керна, міняють коронку і знов опускають колону в забій. Так ведеться звичайне буріння.
А якщо довжина стовбура 10—12 кілометрів при діаметрі 215 міліметрів? Колона труб стає якнайтоншою ниткою, опущеною в свердловину. Як нею управляти? Як побачити, що твориться в забої? Тому на Кольській свердловині внизу бурильної колони встановили мініатюрні турбіни, їх запускав буровий розчин, що нагнітається по трубах під тиском. Турбіни обертали твердосплавну коронку і вирізували керн. Вся технологія була добре відпрацьована, оператор на пульті управління бачив обертання коронки, знав її швидкість і міг управляти процесом.
Кожні 8—10 метрів багатокілометрову колону труб доводилося піднімати вгору. Спуск і підйом в цілому займали 18 годин.
