Как побить рекорд самой глубокой скважины в мире: вместе с нефтяниками ищем ответы за полярным кругом

Кольская скважина по сей день остается самой глубокой в мире — она уходит под землю больше чем на 12 километров (это примерно 15 небоскребов «Бурдж-Халифа» в Дубае). Что искали советские геологи так глубоко под землей и почему остановились именно на этой отметке? Чтобы изучить тайны сверхглубокой и выяснить, можно ли побить ее рекорд сегодня, «Энергия+» отправилась за полярный круг на самое северное материковое действующее месторождение нефти.

Тайны Кольской скважины

На Восточно-Мессояхском месторождении нефти и газа углеводороды залегают под вечной мерзлотой на глубине 800 метров и больше. Бурить скважины здесь — дело непростое, и нефтяники знают все тонкости строительства таких сложных объектов. Путь к месторождению неблизкий: трехчасовой рейс из Петербурга в Новый Уренгой и два часа тряски в вертолете над арктической тундрой. Как раз хватит времени, чтобы изучить архивы и окунуться в историю Кольской сверхглубокой.

В конце 1960-х советские геологи решили бурить скважину-рекордсменку в Мурманской области: между городом Заполярным и поселком Никель. В этих краях Кольского полуострова на поверхность выходят древнейшие изверженные породы возрастом три миллиарда лет: всего на 1,5 миллиарда лет младше возраста самой Земли. В отличие от осадочных такие породы на тот момент были извлечены и изучены с глубины двух километров. Ученые хотели исследовать всю толщу земной коры и добурить до границы Мохоровичича — предполагалось, что здесь она подходит ближе к поверхности, чем в других локациях СССР.

Граница Мохоровичича — нижняя граница земной коры, которая отделяет ее от мантии. Находится на глубине 5–10 километров под океанами и 20–90 километров под сушей. Открыта в 1909 году хорватским геофизиком, сейсмологом Андрией Мохоровичичем.

В 1968 году в Заполярье направили геологическую экспедицию из трех тысяч человек. На место претендовала сотня соискателей, и не только из-за жажды научных открытий: платить обещали 750–850 рублей в месяц, хотя столичный инженер в те годы зарабатывал около 150 рублей.

Исследовательская скважина помогла уточнить данные о составе пород Балтийского щита, их электрических, радиоактивных и магнитных свойствах. На глубине 9–11 километров ученые нашли воду и золотоносную руду, а на 12 километрах зафиксировали температуру 220 градусов и пластовое давление 1000 атмосфер. До этого считалось, что на такой глубине не должно быть жарче 150 градусов.

В процессе бурения никаких подземных монстров из фантастических фильмов ученые не нашли, зато обнаружили 14 видов окаменелостей древних микроорганизмов и поняли, что жизнь на планете зародилась гораздо раньше, чем считалось ранее.

Как строят скважины

Мы добрались до месторождения, облачились в теплые комбинезоны и защитные каски и сразу поехали на буровую установку. Там нас ожидал высокий плечистый мужчина, больше похожий на баскетболиста, чем на бурового мастера. Однако с первых слов стало понятно: Денис Стебнев идеально разбирается в теме строительства скважин.

Колонна бурильных труб может вращаться целиком, а может перемалывать породу только долотом при помощи забойного двигателя. Число оборотов достигает сотен в минуту. При этом скорость бурения зависит и от породы. Песчаник можно проходить со скоростью более 200 метров в час, а в твердых плотных породах на глубине больше 3000 метров темп может упасть до метра в час.

Ствол скважины укрепляют с помощью колонны обсадных труб и цемента. Сначала его заливают внутрь колонны, а затем, как шприцем, продавливают в пространство между трубами и породами. Цементирование предотвращает осыпание и затопление скважины подземными водами, а в северных регионах еще и защищает вечную мерзлоту от таяния. Цемент застыл — пора продолжать бурение, и так — пока не доберутся до нужной глубины: границы Мохоровичича или пласта с углеводородами.

При бурении каждого нового интервала диаметр обсадных труб уменьшается — новые вставляют в прежние, словно части телескопической подзорной трубы. Так, диаметр Кольской сверхглубокой наверху составлял 92 сантиметра, внизу — 21,5 сантиметра.

Добраться до больших глубин было бы невозможно без бурового раствора, который прокачивают через колонну бурильных труб. Раствор помогает избежать осыпания, вымывает перемолотую породу на поверхность, смазывает и охлаждает инструмент. Столб жидкости противодействует пластовому давлению, которое выше атмосферного и увеличивается с глубиной. Так, на отметке 3000 метров давление составляет 300 атмосфер.

Чем дальше долото от поверхности, тем более плотный раствор его сопровождает. Это из-за плотности — единственного, что может регулировать нефтяник в процессе бурения. Кроме нее давление столба бурового раствора зависит от его высоты и ускорения свободного падения: Р = ρgh.

Как побить рекорд

Рекорд Кольской скважины по длине был побит лишь в 2010-х. Все скважины мира, которые превзошли длину Кольской, находятся в России, на Сахалине:

К скважинам, достигшим длины Кольской сверхглубокой, причисляют BD-04A, пробуренную в Катаре в 2008 году. Ее длина всего на метр меньше — 12 290 метров. Можно ли побить глубинный рекорд Кольской? Ответить на этот вопрос помог эксперт по бурению Сергей Овчинников, с которым мы встретились в общежитии для вахтовиков, куда отправились сразу после экскурсии на скважину.

Утвердительный ответ получили сразу: если будет нужно, то буровым мастерам покорится и глубина в 15 километров, а существующие разработки в этом помогут.

«В зависимости от температуры подбираются буровые установки и инструменты, обсадные трубы: особое внимание уделяется прочностным характеристикам и резьбовым соединениям. Также исходя из “погоды” в недрах нужно создать стабильный буровой раствор, который сохранял бы свойства при сотнях градусов и атмосфер», — объяснил эксперт.

В теории такой раствор сохранит свои свойства до температуры плавления стали: 1350–1535 градусов. Дальше потребуются другие рецептуры раствора, более тугоплавкий металл для оборудования, более прочный материал для буровой вышки, которая держит тяжелую колонну труб, — и можно продолжить путь в глубины. Правда, скорость бурения вряд ли превысит несколько метров в сутки, а стоимость работ станет космической, то есть сравнится с финансированием исследований космоса.