Краткая хронология
Рискну предположить, что керн с глубины 12 км земной коры не менее значим для науки, чем керн с Луны, или из скважин, пробуренных со дна океана при глубине воды до 7 км.
Все эти достижения сосредоточились в сравнительно узком временном отрезке 70 – 90-х гг. ХХ столетия, и все они связаны с выдающимися учеными и организаторами проектов – личностями и коллективами. Эти события происходили также в узком пространственном поле – только СССР и США позволяли себе тратить серьезные деньги на подобные проекты, в конце 80-х к ним присоединилась Германия, а в 90-х Япония.
Так выглядела Кольская сверхглубокая скважина до своего окончательного разрушения
Космос
Бурение с отбором керна на Луне произведено станциями «Луна 16», «Луна 20» и «Луна 26» соответственно в 1970 г., 1972 г. и 1976 г. Советский «Луноход» и астронавты США в ходе миссии «Аполло» также занимались бурением небольших скважин. Конечно, «лунные» скважины нельзя назвать глубокими, но по масштабу решенных задач они, конечно, сопоставимы. Начиная с 1998 г., в США развивается проект создания системы бурения на Марсе.Континенты
Проект изучения недр Земли с помощью сверхглубоких скважин осуществлялся в СССР, начиная с 1965 г., и фактически закончился с распадом Союза, хотя программы бурения с научными целями параметрических скважин продолжает НПЦ «Недра». Глубины 13 законченных скважин составили от 3000 м до рекорда Кольской 12 262 м. Бурение глубоких скважин с научными целями вели и в США по программе DOSECC с 1990 г. (глубины – менее 4000 м), в Швеции скважина Gravberg-1 достигла 6770 м, но крупнейшей зарубежной программой была КТБ в Германии, по которой в 1987 – 1994 гг. пробурили две скважины глубиной 4000 и 9001 м. В Японии бурение глубоких скважин развивалось для получения геотермальной энергии, но идеи их использования с научными целями всегда обсуждались. Наиболее глубокой и «горячей» была скважина WD-1A, пробуренная в 1995 г. до глубины 3729 м, где температура достигала 500°C. Прогноз землетрясений и мониторинг вулканов имеют для Японии не только научный, но и вполне практический интерес, однако научное бурение в океане было признано более эффективным инструментом, и было принято решение о строительстве бурового судна.Начиная с 1996 г., различные национальные программы объединились под флагом Международной программы континентального научного бурения ICDP со штаб-квартирой в Потсдаме, Германия. В рамках ICDP осуществляется также Программа бурения на озерах. В России аналогичной была Программа бурения на озере Байкал, выполнявшаяся ПГО «Недра» в сотрудничестве с Сибирским отделением РАН и зарубежными организациями в 1992 – 1999 гг.
В XXI веке бурение сверхглубоких скважин пока не выходит за рамки обсуждений научных задач и составления планов, однако до 2020-го бурение такой скважины, скорее всего, начнется в Китае.
Океан
Научное бурение и на суше, и на море начиналось с идеи получения керна глубже границы Мохоровичича, отделяющей земную кору от верхней мантии. Предполагалось, что путь через океанскую кору короче, поэтому все началось с первой фазы проекта «Мохол» в 1958 – 1966 гг. в США. Вторая фаза «Мохол» трансформировалась в проекты глубоководного научного бурения DSDP(1968 – 1983) и ODP (1983 – 2002). СССР, наряду с другими странами, участвовал в DSDP в 1975 – 1982 гг., а затем Россия в 1991–1993 гг. – в ODP. Нужно отметить, что выход СССР из DSDP был обусловлен политикой, а выход России из ODP – экономикой, а вернее, неразберихой между министерствами и РАН – никто не хотел платить членские взносы, смехотворные для России даже в 1992 – 1993 гг. В 1983, когда «империю зла» отлучили от международной океанической науки, в СССР было принято решение строить буровое судно «Наука». К 1992 г. был построен корпус судна и изготовлено основное оборудование. В 1991 г. проведены испытания технологии глубоководного бурения в Атлантическом океане с НИС «Бавенит». Проект был прекращен с распадом СССР, а судно достроено в другой стране для нефтяного бурения.С 2003 г. началась международная фаза научного бурения в океане – IODP, но опять без России. В ходе научного бурения в океане пробурены тысячи скважин различной глубины и конструкции во всех районах мирового океана. Но скважин в кристаллическом фундаменте океанической коры глубиной более 1500 м всего три. Рекордная ODP 504В достигла 2111 м ниже дна океана при глубине воды 3475 м.
Д.М. Губерман, О.Ю. Бергштейн, Н.С. Тимофеев, 1970.
Былое
Настоящая статья посвящена памяти Давида Мироновича Губермана, который ушел от нас в прошлом 2011 г., 14 октября. Он был одним из родоначальников этого метода, реализовал его в наиболее выдающемся и фактически основополагающем проекте, создав организацию – коллектив единомышленников, для бурения и исследований Кольской сверхглубокой скважины, который на протяжении 30 лет строил, бурил, исследовал керн и ствол скважины, ремонтировал, проектировал и создавал новый инструмент для бурения и исследований. Каждый день каждый сотрудник, от рабочего на буровой до мастера, инженера, исследователя и руководителя, узнавал новое, преодолевал трудности, решал сложнейшие задачи, находил решения проблем. С ними работали десятки организаций и сотни специалистов, которые не только использовали свои идеи, технику, знания, но и сами постоянно обогащались и учились на опыте строительства этой СКВАЖИНЫ.
М.И. Ворожбитов, Д.М. Губерман и Е.А. Козловский на скважине «Спутник» при демонстрации метода бурения без подъема труб, 1975
Кольская СГ-3 – Д.М. Губерман и соратники
Автор услышал о проекте Кольской сверхглубокой во ВНИИБТ, где начал свою трудовую деятельность в 1965 г. Познакомиться с сотрудниками Проблемной лаборатории по бурению на мантию Земли удалось в 1969-м, после перехода в Лабораторию бурения без подъема труб (ББПТ) Г.С. Баршая. Проблемная лаборатория была создана в 1965 г. в соответствии с решением Правительства о Программе изучения недр земли. Давид Миронович был ее сотрудником с момента основания, а в 1968-м с благословления руководителя лаборатории и главного идеолога сверхглубокого научного бурения, профессора Николая Степановича Тимофеева, стал начальником Кольской геологоразведочной экспедиции сверхглубокого бурения.В начале 70-х была принята к разработке идея – применить метод бурения извлекаемым инструментом для бурения с отбором керна сверхглубоких скважин. В основе лежала возможность сокращения затрат времени на спуско-подъемные операции бурильной колонны, которые были значительными из-за малой стойкости долот в крепких породах и необходимости отбора керна, что ограничивало проходку за рейс длиной керноприемника.
Зимой 1973 г. я впервые поехал в командировку в Кольскую ГРЭ (г. Заполярный), где впервые встретился с Давидом Мироновичем. Целью поездки было принятие плана запуска и подготовки к испытаниям новой технологии бурения на скважине «Спутник СГ-3», станок для которой – стандартный БУ-125, был только что смонтирован в 50 м от основного ствола СГ-3. Идея состояла в том, чтобы новые методы бурения, новые геофизические приборы и другие инструменты для скважины СГ-3 сначала проходили апробацию в скважине «Спутник». Встреча с Кольской произвела громадное впечатление не только потому, что никогда до этого я не видел ничего похожего, но и той атмосферой интереса к делу сотрудников экспедиции, вполне осознающих, какой проект они реализуют и какая ответственность на них лежит. Конечно же, в центре этого энтузиазма был начальник экспедиции – Давид Миронович Губерман. Д.М. Губерман пользовался непререкаемым уважением всех сотрудников и нас – командированных. Известна его забота о коллективе – квартиры, питание, транспорт, но и командированные в Заполярный специалисты жили «как дома»: в выделенных для них квартирах в том же доме, где жили сотрудники и сам Давид Миронович. Чаще других на Кольской находились сотрудники Проблемной лаборатории: М.И. Ворожбитов, который стал руководителем лаборатории после ухода из жизни в 1973 г. Н.С. Тимофеева, О.Ю. Бергштейн, М.А. Великосельский и Р.Б. Вугин. Они вводили всех других в курс дела, знакомили с экспедицией и СКВАЖИНОЙ.
После пуска скважины «Спутник СГ-3», осенью 1973-го, были проведены первые испытания раздвижных лопастных расширителей – одного из элементов технологии ББПТ. Работы на «Спутнике» проводились с апреля по октябрь резервной вахтой. Многие «новенькие» буровики проходили стажировку – проверку на прочность проходила не только техника, но и люди. Испытания метода ББПТ закончились в 1978 г., отдельные его элементы были испытаны в основном стволе. Но в условиях реального 5000-метрового открытого ствола СКВАЖИНЫ применение метода, основанного на 168-мм равнопроходной бурильной колонне, оказалось невозможным.
Д.М. Губерман и М.Я. Гельфгат на Геологическом конгрессе в Рио-де-Жанейро, 2000
Кольская ГРЭ выполняла общесоюзные задачи, определенные постановлениями высших органов власти и науки. Только имея поддержку на этом уровне, можно было успешно работать с подрядчиками, поставщиками техники, материалов и услуг, координировать исследования с многочисленными институтами. Такую поддержку обеспечивали: Е.А. Козловский – министр геологии СССР с декабря 1975 г. и председатель межведомственного научного совета по изучению недр Земли, Н.П. Лаверов – руководитель геолого-геофизических исследований, начальник Управления науки Мингео СССР, а затем вице-президент АН СССР, Н.И. Андрианов – главный специалист ГКНТ СССР.
Д.М. Губерман умел вести диалог на любом уровне, всегда находил нужные аргументы, был убежденным полемистом и блестящим докладчиком на совещаниях и конференциях. Для Давида Мироновича все эти люди – от помощника бурильщика до министра и от лаборанта до академика, были соратниками – товарищами в деле бурения и исследования СКВАЖИНЫ.
Техника и технология
Известно, что концепция бурения СГ-3 была построена на 3 основных принципах:- Бурение опережающим стволом диаметром 214 мм со 100-процентным отбором керна;
- Применение гидравлических забойных двигателей;
- Применение алюминиевых бурильных труб.
Криворожская СГ-8
После завершения испытаний на «Спутнике» было принято решение применить технологию ББПТ на одной из последующих скважин Программы изучения недр Земли. Выбор пал на Криворожскую СГ-8, где ожидались сверхтвердые породы и множество осложнений. Визит руководителя отдела технологии буровых работ ВНИИБТ Я.А. Гельфгата и автора статьи в Мингео УССР (г. Киев) в январе 1981-го позволил реально начать подготовку проекта. Геологи Криворожской партии глубокого бурения были прекрасно подготовлены для решения геологических задач и уже имели предложения по месту заложения. Наконец, нужно было формировать организацию для строительства скважины, и здесь естественно было обратиться к опыту Д.М. Губермана и Кольской, с чего Н.Е. Бакланов – единственный сотрудник и начальник Криворожской ГРЭ, начал свою работу в 1983-м. Затем приехали бурильщики, имеющие «кольский» опыт, которые позже стали мастерами, подбирали и воспитывали бригады по кольской традиции. Специалисты Кольской всегда были готовы помочь советом, оборудованием, принимали активное участие в обсуждении проблем. Такой подход существовал и по отношению к другим сверхглубоким скважинам – Уральской СГ-4, Тюменской СГ-6. Криворожская скважина была начата бурением в июне 1984-го, а в 1992-м все прекратилось на глубине 5382 м – просто кончились деньги. Уральская была долгожительницей, работала еще в 2003-м, на глубине 6100 м. Тюменский проект успешно завершился на глубине 7502 м.Международное сотрудничество
До окончания первого этапа бурения СГ-3 никакой информации о проекте не публиковалось. Первая статья министра геологии СССР, академика А.В. Сидоренко «Кольская сверхглубокая» появилась в газете «Правда» 11 мая 1975 г. после завершения первого этапа бурения. Но подлинное открытие СГ-3 миру состоялось во время 27-го Геологического конгресса в Москве в 1984 г., когда глубина скважины была уже 12 066 м. Тогда мир геологов и инженеров-буровиков узнал факты и имена, состоялось знаменитое посещение Кольской, описанное в целом ряде статей, где, конечно, не было недостатка в сравнении космических исследований и изучения Земли сверхглубоким бурением. Еще более значимым для установления сотрудничества в этой области стал международный семинар в Ярославле в 1988 г. «Сверхглубокое континентальное бурение и глубинные геофизические исследования», организованный ПГО «Недра» под руководством Б.Н. Хахаева. На семинар приехали инженеры и ученые из 19 стран, в том числе ФРГ, США, Японии, Швеции, где научное бурение уже применялось. В СССР, кроме Кольской, в то время находились в бурении Криворожская и Уральская скважины. В ФРГ Программа сверхглубокого бурения КТБ уже стартовала бурением пилотной скважины. Семинар был продолжен в Кривом Роге, где были продемонстрированы результаты бурения, а также рейс вставного инструмента – спуск, отбор керна и подъем в колонне бурильных труб – ЛБТПН-168. Особый интерес вызвал опыт бурения роторно-турбинными бурами (РТБ), которые обеспечивали хорошие показатели по темпам углубления скважины и, главное, вертикальность ствола. Системы РТБ для бурения крепких пород были доработаны в лаборатории А.А. Рыбалко во ВНИИБТ. В 1988 – 1990-е специалисты КТБ еще не раз приезжали на Кольскую и Криворожскую скважины для обмена опытом и попытки его применения в основной скважине КТБ.В 1990 г. семинар, аналогичный ярославскому, проходил в Регенсбурге, Германия, сразу после торжественной церемонии пуска скважины КТБ. Большой коллектив ученых и инженеров из России участвовал в этом событии. Директор ВНИИБТ А.В. Мнацаканов и автор статьи прибыли в Windischeschenbach (деревня рядом с буровой) за день до официальных мероприятий, что позволило очень подробно ознакомиться с буровой и инструментом. Впечатление было очень сильным – БУ представляла собой квинтэссенцию достижений того времени в области бурового оборудования, был учтен опыт работы на морских платформах, уникальной была система расстановки свечей и наращивания инструмента. Для обеспечения вертикальности применили систему с управляемым лопастным центратором фирмы ДСТ, которая стала прообразом роторных управляемых систем направленного бурения. Скважина КТБ также служила полигоном для отработки нового инструмента и оборудования. Для бурения скважины в нижнем интервале, когда температура не позволяла применять электронные системы управления КНБК, во ВНИИБТ был заказан бур РТБ-375. Бур был разработан, но не изготовлен, так как конструкция скважины была изменена на меньший диаметр. При бурении КТБ встретились те же проблемы, что и на Кольской, – потеря устойчивости стенок и искривление ствола скважины, но передать «наш» опыт, чтобы попытаться решить «их» проблемы, не получилось.
Российский и германский проекты закончились практически одновременно, но последующая судьба их различна: музей на точке бурения КТБ и полностью разрушенный объект на том месте, где была самая знаменитая в мире скважина.
Клаус Кур, технический директор КТБ в 90-х, написал автору статьи 12.12.11: «Развитие района бурения КТБ после завершения буровых работ – это настоящий пример успеха. По окончании проекта был организован Центр исследований и информации, который теперь развился в «ГЕО-Центр и КТБ». Основные цели – это обучение и подготовка студентов и преподавателей в области геонаук и энергетики. В Центре расположен музей, который собирает 25 000 посетителей ежегодно. Буровая вышка доступна для посещения как часть музея. «GEO-Zentrum an der KTB» финансирует фонд, организованный прилегающими странами, местным банком и КСА «Дойтаг».
Клаус Кур – КТБ достигла глубины 9000 м. Музей в Германии
Дела морские
В истории Кольской и Криворожской сверхглубоких, до того как было прекращено бурение, была еще одна страница – морская. При работе над проектом судна «Наука», естественно, использовался опыт Кольской, в том числе создания и эксплуатации оборудования, обработки керна и каротажных работ. За основу была принята технология бурения Криворожской СГ-8. Равнопроходные ЛБТПН-168 позволяли использовать извлекаемый керноотборный инструмент большего, чем в IODP, диаметра и более разнообразного по типам. Испытания проводились в Атлантическом океане с бурового судна для геотехнических работ «Бавенит», принадлежащего АМИГЭ, Мурманск. Специалисты, участвовавшие в подготовке и проведении испытаний, были сотрудниками или имели опыт работы в Кольской и Криворожской ГРЭ. Заказчиком был ИОАН СССР в лице Г.Р. Гамсахурдия, который был основным «двигателем» экспедиции. Мы отправлялись в море в марте 1991 г., и никто не мог знать, будет ли проект создания судна «Наука» еще существовать после нашего возвращения. Д.М. Губерман поддерживал новое направление работ, которое позволяло продолжать дело научного бурения. Испытания продемонстрировали широкие возможности разработанной технологии отбора керна, которая вызвала интерес мирового лидера в области морской геотехники – Fugro Engineers. Именно это обстоятельство позволило сохранить команду, получившую опыт морских исследований, и продолжить работы уже под флагом ЗАО «Акватик». В проектах 1993 – 1995 гг. в Норвежском море и в проливе Гибралтар «Акватик» сотрудничал с Кольской как при подготовке инструмента, так и выполнении работ. Без личного участия Давида Мироновича решение сложных организационных и многих технических проблем было бы просто невозможно, и здесь опыт «Кольской эпопеи» сказал свое слово.
Страна не сохранила свою гордость – так выглядят сегодня останки знаменитой Кольской сверхглубокой (12 262 м)
Вместо заключения
Последняя встреча автора с Давидом Мироновичем в рабочей обстановке состоялась в августе 2000 г. на Геологическом конгрессе в Рио-де-Жанейро. ПГО «Недра» представило доклады о создании геолабораторий на базе российских скважин (Д.М. Губерман) и о результатах работ на Уральской СГ-4 (Б.Н. Хахаев). Доклад ЗАО «Акватик» был о технологии морского научного бурения на основе результатов глубоководных проектов с НИС «Бавенит» и других геотехнических судов. Тогда состоялась замечательная беседа с воспоминаниями о прекрасном и трудном прошлом и надеждами о возможностях научного бурения в будущем.Научное бурение, как инструмент познания планеты Земля, живет и не теряет своего значения в XXI веке. Мы можем по праву гордиться тем, что этот метод создавался и развивался в нашей стране отечественными специалистами на базе отечественного оборудования.
Верим, что история не имеет конца, а изучение прошлого помогает определить цели развития и понять будущее. Научное бурение на суше и в океане, а также на других планетах Солнечной системы, будет продолжать свое поступательное движение. Хотелось бы надеяться, что это так или иначе будет происходить с участием российских ученых и инженеров.
