Морское бурение: как ученые исследуют дно океана

Океан — не самая благоприятная среда для инженерных систем. На поверхности их работе мешают штормы, разъедающая электронику соленая вода и отсутствие устойчивой связи для передачи данных. Под водой условия еще суровее и становятся испытанием даже для новейшей робототехники: свет и радиоволны распространяются лишь на небольшую глубину, а давление деформирует материалы.

На уровне пяти километров в толще Атлантического океана давление водяного столба достигает примерно 500 атмосфер. Если опустить туда алюминиевую термокружку, то вместо цилиндра получится аккуратная многогранная призма. Исследователи иногда привязывают такие кружки к глубоководным измерительным приборам и после их подъема со дна оставляют себе как сувениры. Есть такая и у меня.

Атлантический океан — главный объект моей научной деятельности. Я изучаю процессы, происходящие в нем последние 2,5 миллиона лет. Меня интересует, как придонные течения формировали рельеф и строение океанического дна, прорезали в донных илах и горных породах каналы длиной в сотни километров и намывали протяженные осадочные валы высотой в сотни метров.

Но всё это процесс не быстрый. В среднем за тысячу лет на дне океана формируется слой толщиной от миллиметров до нескольких сантиметров. На глубинах в сотни и тысячи метров под дном рыхлые осадки при высоком давлении и температуре постепенно превращаются в горные породы, сохраняя информацию об океане и климате прошлого. Ее ученые могут получить только одним способом — исследовав керн, аккуратно извлеченный из скважины.

Для бурения скважин и первичных исследований керна используются специализированные суда, спроектированные специально под задачи ученых. Их научная работа начинается прямо на борту, где керн рассекают на части и «читают» зашифрованную в нем историю океана: изучают химический состав, микроскопические окаменелости, размер частиц, магнитные и другие физические свойства. В лаборатории на суше этот процесс продолжается.

Для детального анализа извлеченной породы используют сложные автоматизированные системы: сканеры кернов и компьютерные томографы, похожие на те самые, что можно встретить в больницах. Их устанавливают на некоторых судах в лабораториях или морских контейнерах на палубе.

За полвека международные программы научного океанического бурения подняли более 490 километров керна. Эти образцы помогли подтвердить теорию тектоники плит и дали материал для развития палеоокеанологии, геомикробиологии и других направлений.

Причина в том, что бизнес и фундаментальная наука ставят разные задачи и задают разные вопросы. Например, компании важно быстрее добраться до перспективного горизонта полезных ископаемых, поэтому вышележащие слои можно пройти без отбора керна. Ученым же зачастую нужен весь разрез, потому что любой пропущенный интервал означает несколько потерянных страниц геологической истории.

Кроме того, у промышленного материала есть владелец, и он может не желать раскрывать коммерчески чувствительные сведения. Научные сотрудники, наоборот, стремятся сделать результаты своих исследований достоянием общественности. Полученный в научных экспедициях керн обычно делят на рабочую и архивную части, помещают в хранилище и со временем открывают к нему доступ другим исследователям.

Бурение скважины на дне океана может стоить миллионы и десятки миллионов долларов. Кроме того, оно всегда сопряжено с целым рядом геоэкологических рисков, из-за чего цена ошибки в выборе места бурения крайне высока. А ошибиться просто: на поверхности океана соседние точки могут выглядеть совершенно одинаково, при этом под водой одна окажется на склоне подводного канала, другая — на границе древнего оползня. Промах даже на несколько сотен метров способен привести геологов совсем не к той толще, ради которой организовали экспедицию.

Поэтому бурению предшествует геофизическая съемка. Судно — сначала не буровое, а экспедиционное — исследует предполагаемый район по системе галсов, а установленный в его корпусе многолучевой эхолот излучает и принимает отраженный от дна акустический сигнал. Это позволяет создать цифровую модель донного рельефа: постепенно на экране мониторов появляются хребты и впадины, уступы, русла каналов и осадочные валы — весь ландшафт, скрытый под сотнями метров, а иногда и несколькими километрами воды.

В отличие от обычного однолучевого эхолота, многолучевая система посылает вниз веер из нескольких сотен акустических лучей и за один проход обследует широкую полосу дна — около 15 км при глубине океана 5 км. При этом система измеряет не только глубину, но и интенсивность отраженного сигнала: твердая скала отражает звук сильнее, чем мягкий ил.

Однако карта рельефа показывает только поверхность, тогда как нужная нам история скрыта под ней. Чтобы дистанционно заглянуть в толщу осадков и пород, применяются сейсмические и сейсмоакустические методы.

Для детальных исследований верхней части осадочной толщи до глубины 100−150 м ниже поверхности дна часто используют параметрические профилографы — эхолот «на максималках». Этот тип прибора посылает два близких по частоте сигнала, которые взаимодействуют в воде, порождая новый, но уже более низкочастотный сигнал. Это позволяет добиться высокого разрешения записи при значительной глубине проникновения сигнала в дно и малом угле раскрытия луча.

Часть звуковой энергии при этом отражается от границ, на которых меняются плотность осадка и скорость распространения в нем звука. Прибор принимает эти отражения, и вместо обычной линии дна мы получаем вертикальный разрез: видим отдельные слои, оцениваем их мощность и прослеживаем, как они изгибаются, обрываются или выклиниваются по ходу движения судна.

В зоне разломов Вима мы использовали профилограф SES-2000 deep, который позволял просматривать верхние 60−80 метров осадочной толщи.

С его помощью мы стали первыми, кто обнаружил в этом районе контуритовую систему — комплекс форм, созданных придонным течением. Эту нашу работу опубликовал научный журнал Scientific Reports.

А чтобы заглянуть еще глубже в осадочную толщу, нам понадобится снизить частоту излучаемого сигнала. При частоте 10−100 Гц сигнал сможет проникнуть на несколько километров под дно. Однако для этого нам потребуются мощные источники колебаний в виде крупных буксируемых за судном пневматических пушек и гирлянд приемников — сейсмокос, — которые иногда тысячи метров растягиваются за судном.

Пока еще нет. Бурением практически невозможно получить ненарушенный керн самых верхних горизонтов осадочной толщи. Для этого используются грунтовые или гравитационные ударные трубы длиной до 10−12 метров и массой в несколько тонн. Такую трубку спускают на стальном тросе за борт, и под собственным весом она входит в мягкий донный осадок.

В нижней части трубки установлен лепестковый клапан. Он пропускает осадок внутрь, пока трубка погружается, а когда ее начинают поднимать, то лепестки закрываются и удерживают «улов» от вымывания.

Сам спуск может показаться несложным, но на практике это совсем не так. Только дорога до дна и обратно занимает несколько часов, а трос приходится рассчитывать как самостоятельную инженерную конструкцию, ведь его верхняя часть несет не только грунтовую трубку, но и вес нескольких километров самого троса. По этой причине ближе к лебедке он должен быть толще и прочнее, чем внизу.

Итак, точка выбрана, и судну теперь нужно удержаться точно над ней. На суше это не проблема, но в океане — сложнейшая задача. Поставить буровое судно на якоря можно далеко не везде. На большой глубине для этого потребуются километры тяжелых цепей и огромное пространство для их размещения. Поэтому буровые суда удерживаются движителями с помощью динамического позиционирования: бортовая система собирает единую картину из множества сигналов и корректирует положение судна.

Чтобы понять, куда и с какой силой двигать корпус, автоматика непрерывно собирает данные. Спутниковая навигация определяет координаты судна, гирокомпасы следят за курсом, инерциальные датчики фиксируют его движение, а датчики ветра оценивают внешнюю нагрузку.

Но этих данных недостаточно. Спутник видит судно на карте, а не точку бурения под километрами воды. Поэтому рядом с ней устанавливают акустический транспондер. Он отвечает на звуковые запросы, позволяя системе рассчитать направление и расстояние до устья скважины. Так автоматика видит любое смещение корпуса относительно дна и сразу включает нужные движители.

Дальше система рассчитывает, какую тягу нужно создать и как распределить ее между винтами и подруливающими устройствами. Контроллер при этом учитывает математическую модель судна, доступную мощность и ограничения каждого привода.

Но, конечно, полностью обездвижить в океане никакой объект невозможно. Автоматика лишь удерживает судно внутри допустимой зоны, где изгиб и натяжение буровой колонны остаются безопасными. Кроме того, даже оставаясь над маяком, судно продолжает подниматься и опускаться на волнах, и при бурении это невозможно игнорировать: если жестко связать колонну с корпусом, дорого начнет то отрываться от забоя, то ударять по нему. Вместо ровной проходки возникнут вибрации, способные повредить инструмент и раскрошить керн. Чтобы этого не произошло, бурильную колонну подвешивают к судну через компенсатор качки. Он бывает двух видов — пассивный и активный. На судах сейчас, как правило, используют их в комбинации.

Когда судно удерживается над точкой, работа перемещается на буровую палубу. Секции труб по одной подают к центру установки, механизированным ключом свинчивают в длинные свечи и опускают через мунпул — вертикальную шахту в корпусе судна. Таким образом в проеме постепенно исчезают десятки, а затем и тысячи метров стали.

В простейшей безрайзерной схеме бурения ко дну опускается только бурильная колонна. По ней вниз насосами подают морскую воду или в отдельных случаях специальный буровой раствор. Поток жидкости охлаждает долото, подхватывает шлам и вместе с ним выходит на морское дно. Такая система проще и позволяет быстрее менять локации, но имеет значительные ограничения по глубине бурения и контролю за пластовым давлением.

Для проходки скважин в сложных породах, при наличии рисков выброса флюида под высоким давлением, между судном и устьем скважины устанавливают райзер, то есть водоотделяющую колонну — высокопрочную направляющую трубу большого диаметра. Внутри райзера вращается бурильная труба, а по кольцевому зазору наверх возвращается раствор со шламом.

На палубе выбуренную породу отсеивают, жидкость очищают и снова закачивают вниз. Меняя ее плотность и вязкость, инженеры уравновешивают пластовое давление.

На самом дне океана райзер стыкуется с массивным противовыбросовым оборудованием. Это сверхнадежный предохранитель, который намертво перекроет скважину за секунды, если снизу резко пойдет поток газа или нефти.

От таких инцидентов и высокого давления пройденные участки нужно защищать — укреплять, чтобы они не осыпались.

Схема устройства бурового снаряда со съемным керноприемником

Схема устройства ловителя для спуска и подъема съемного керноприемника внутри буровой колонны.

Когда приемник заполняется, многокилометровую колонну не разбирают. Сверху на тросе опускают захват, подцепляют внутренний снаряд и вытягивают его на палубу. Затем пустой приемник отправляют обратно. Получается небольшой грузовой лифт, который курсирует внутри бурильных труб между забоем и судном.

Инструмент выбирают по состоянию породы. Плотные осадки и твердый камень приходится проходить вращающейся коронкой. У шарошечного инструмента по забою катятся зубчатые конусы, дробя породу.

В буровой коронке режущими элементами могут выступать металлические резцы из твердых сплавов или пластины из поликристаллического алмаза (PDC). Они расположены кольцом, чтобы при бурении сохранить ненарушенным центральный столбик породы. Для мягких, уплотненных и кристаллических пород применяют разные системы отбора керна.

Через сопла в коронке под давлением идет промывочная жидкость. Она охлаждает резцы и уносит шлам из-под инструмента. Поток должен очистить забой, но не размыть образец. На пульте буровик следит за нагрузкой, крутящим моментом и давлением насосов. По изменению этих кривых можно заметить, что коронка вошла в новый слой или начала изнашиваться, задолго до ее подъема на палубу. Стоимость таких породоразрушающих инструментов достигает десятков тысяч долларов.

Даже хороший керн не сохраняет разрез полностью. При подъеме меняются давление и температура, мягкий материал деформируется, а часть интервалов остается в скважине. Эти пробелы восполняет каротаж: спущенный в ствол зонд непрерывно измеряет свойства пород, после чего запись сопоставляют с лабораторными данными.

Осуществляется он так: на палубе разматывается бронированный кабель, а в скважину уходит связка цилиндрических приборов. Одни датчики регистрируют естественную радиоактивность, другие измеряют электрическое сопротивление, скорость звука и дополнительные параметры для оценки плотности и пористости пород. На экране круглая стенка ствола разворачивается в плоское изображение, где проступают границы слоев, трещины и их наклон.

Каротаж дает почти непрерывную запись, однако его показания тоже приходится очищать от помех. На глубину положения инструмента влияют растяжение кабеля, качка, на сигнал воздействуют буровой раствор, неровности ствола и расстояние между датчиком и стенкой. Поэтому данные корректируют и только затем совмещают с керном и сейсмическим разрезом. Если ствол скважины имеет сложную геометрию или ее стенки склонны к обрушению, то используют специальный инструмент с датчиками над долотом и проводят каротаж во время бурения.

По мере углубления долото изнашивается, соединения устают, а шлам может прихватить инструмент. А еще бурению может помешать сильным шторм. Во всех этих случаях конструкцию приходится разбирать или отсоединять.

Безрайзерную буровую колонну стараются поднять, пока она не повредилась из-за смещения судна. В райзерной системе скважину перекрывают донным блоком, после чего верхнюю часть конструкции отсоединяют и судно уходит в безопасный район. Когда море успокаивается, ему предстоит, ориентируясь на сигналы подводных датчиков и видеосигнала от подводных аппаратов найти устье и состыковаться с ним заново.

Если колонна буровых труб все-таки обрывается, вместо долота вниз отправляют захват или метчик и часто почти вслепую пытаются сцепиться с металлом, ориентируясь по глубине, нагрузке и поведению колонны. Если достать обломок не удается, поврежденный участок цементируют и бурят обходной ствол.

На самом деле судьбу скважины определяют еще при подготовке экспедиции. Если возвращаться к ней не планируют, а вскрытые пласты могут сообщаться между собой, ствол приводят в безопасное состояние. Иногда его цементируют целиком. В некоторых случаях цементный раствор закачивают в расчетные интервалы, где он затвердевает и образует мосты между пластами, обсадными трубами и поверхностью. Положение и прочность пробок затем проверяют.

Конкретная схема зависит от разреза, конструкции скважины и местных правил. Например, такие барьеры и их испытания подробно описаны в требованиях к ликвидации морских скважин.

Но некоторые научные скважины не ликвидируют вовсе. Вместо этого в устье устанавливают герметичную обсерваторию CORK с датчиками, пробоотборными линиями и подводным регистратором. Она отделяет ствол от океанской воды и годами записывает давление и температуру, позволяя отбирать глубинные флюиды. Позже к платформе возвращается подводный аппарат, забирает данные и меняет приборы.

Но некоторые научные скважины не ликвидируют вовсе. Вместо этого в устье устанавливают измерительные приборы, например, обсерваторию CORK с датчиками, пробоотборными линиями и подводным регистратором. Она изолирует внутреннее пространство скважины от окружающей воды и годами записывает давление и температуру в недрах. Специальные осмотические насосы непрерывно «всасывают» микродозы вещества из глубин пласта в тонкие капиллярные трубки. Это позволяет узнать, какие химические процессы происходят в земной коре и живут ли в таких экстремальных условиях бактерии. Спустя время к платформе возвращается подводный аппарат, забирает данные и меняет оборудование. Также накопленная информация может передаваться по подводным кабелям в лаборатории на сушу.

Всё это происходит глубоко под водой, но не менее удивительна надводная часть процесса. Об этом мы поговорим в другой статье. Разберем пять научных буровых судов и пять разных задач, которые они выполняют: от экспедиции в арктическом льду до первой попытки добраться до верхней мантии. Посмотрим, чем отличается инженерия известных российских проектов «Бавенит» и «Валентин Шашин», легендарного американского судна JOIDES Resolution, японского Chikyu и китайского «Мэнсян». А еще поговорим о трендах в этой сфере — рое автономных подводных дронов для исследований дна перед бурением, телеуправляемых подводных буровых установках и методах машинного обучения для автоматического анализа результатов каротажа.