Серьезные технические трудности связаны с самопроизвольным искривлением глубоких скважин в процессе бурения из-за неравномерного разрушения пород на забое, геологических неоднородностей разреза и других причин. Например, забой Кольской скважины на глубине около 12 километров отклонился от вертикали на 840 метров. Существуют технические приемы удержания скважины в вертикальном положении. Так, благодаря удачной конструкции специального приспособления скважина КТБ-Оберпфальц в Германии оставалась до глубины 7500 метров самой вертикальной скважиной в мире. Однако глубже это приспособление вышло из строя из-за высокой температуры и давления, и скважина пошла своим путем; в результате на глубине 9101 метр она отклонилась от вертикали на 300 метров».
Сверхглубокое бурение потребовало создания специальной измерительной аппаратуры, контролирующей условия вдоль ствола и на забое. Малопригодной оказалась обычная технология каротажа с датчиками, которые опускают в скважину на термостойком кабеле. В результате длительных поисков удалось разработать телеметрическую и другую электронную аппаратуру, крепящуюся на буровом снаряде, а также автономные измерительные приборы, которые опускаются вниз и выносятся наверх потоком бурового раствора. Теперь сигналы датчиков могут передаваться не по проводам, а гидравлическим способом путем создания импульсов давления в буровом растворе.
Надо отметить, что глубокие и сверхглубокие скважины имеют телескопическую конструкцию. Бурение начинают с самого большого диаметра, а затем переходят на меньшие. Так, в Кольской скважине диаметр с 92 сантиметров в верхней части снизился до 21,5 сантиметров. А в скважине КТБ-Оберпфальц – с 71 сантиметра до 16,5 сантиметров.
Механическая скорость бурения сверхглубоких скважин составляет 1-3 метра в час. За один рейс между спуско-подъемными операциями можно углубиться на 6-10 метров. Средняя скорость подъема колонны буровых труб равна 0,3-0,5 метров в секунду. В целом бурение одной сверхглубокой скважины занимает годы и стоит очень дорого. Например, бурение сверхглубокой скважины в Германии обошлось в 583 миллиона немецких марок. Затраты на сверхглубокое бурение в нашей стране были не меньше.
При бурении глубоких скважин не обходится, конечно, и без аварий. Наиболее часто они вызваны мертвым прихватом бурового снаряда. На устранение аварий требуется много времени. Порою же они не позволяют продолжить работу, и приходится начинать бурение нового ствола. Можно понять, насколько дорог и в прямом, и переносном смысле многокилометровый столбик керна диаметром от 5 до 20 сантиметров, который является одним из основных, но не единственным результатом научного бурения. Керн тщательно документируют и хранят в специальных помещениях. Затем его подробно изучают большие коллективы специалистов. Так, материал, полученный при бурении немецкой сверхглубокой скважины, изучали около 400 ученых. Позднее они опубликовали на их основе 2000 научных работ!
Когда собственно бурение завершено, работа на сверхглубокой скважине не прекращается. Скважина превращается в постоянно действующую лабораторию. Специалисты продолжают следить за изменением режима земных недр вдоль ствола скважины и в околоскважинном пространстве, проводят различные эксперименты. Такие лаборатории были созданы на базе Кольской и Воротиловской скважин в России и скважины КТБ-Оберпфальц в Германии.
Глубоководный обитаемый подводный аппарат «Мир»
Одно из самых древних приспособлений для спуска человека под воду – водолазный колокол. Говорят, что в таком устройстве спускался под воду еще Александр Македонский. Сначала колокол очень походил на большую деревянную бочку, подвешенную на веревке вверх дном и опущенную в таком положении в воду. Воздух в бочке давал возможность дышать сидящему в ней водолазу. Со временем водолазный колокол совершенствовался, оснащался различными приспособлениями, облегчающими работу человека под водой. Он и сегодня применяется для доставки водолазов к месту работы.
Недостаток колокола очевиден – он очень ограничивает возможность передвижения под водой. А вот созданный в конце XIX века водолазный скафандр позволил человеку свободно работать под водой. Сейчас используются скафандры двух типов – мягкие и жесткие. Первые состоят из резинового костюма и металлического шлема со смотровым окном – иллюминатором. Воздух для дыхания подается с поверхности по резиновому шлангу, присоединенному к шлему, а отработанный воздух выпускается через специальный клапан в воду. В таком скафандре человек может работать на глубине до 100 метров. Жесткий скафандр состоит из стального цилиндра для туловища и системы меньших цилиндров для рук и ног, закрепленных на шарнирах. Он позволяет погружаться на глубину вдвое больше.
В начале 1940-х годов известные французские ученые Ж.И. Кусто и Э. Ганьяном изобрели акваланг. Именно он позволил приобщиться к глубинам моря самому широкому кругу людей: спортсменам-подводникам, археологам, исследователям морской флоры и фауны, геологам и океанологам. Однако в акваланге нельзя погружаться на большие глубины.
Начать освоение больших глубин помогла батисфера (от греческих слов «батхиз» – «глубокий» и «сфера» – «шар») – прочная стальная камера шарообразной формы с герметичным входным люком и несколькими иллюминаторами из прочного стекла. Она опускается с надводного судна на прочном стальном тросе. Запас воздуха хранится в баллонах, а углекислый газ и водяные пары поглощаются специальными химическими веществами. На одном из таких аппаратов под названием «Век прогресса» в 1934 году американцы У. Биб и О. Бартон спустились на рекордную для того времени глубину – 923 метра.
Но самых больших успехов в исследовании морских глубин достиг швейцарский ученый Огюст Пиккар. Еще в 1937 году он начал конструировать свой первый батискаф. Однако работу прервала война. Поэтому первый аппарат им был построен только в 1948 году. Он был сделан в виде металлического поплавка, заполненного бензином, потому что бензин легче воды, практически не поддается сжатию и оболочка поплавка не деформируется под влиянием огромных давлений. Снизу к поплавку подвешена шарообразная гондола из прочнейшей стали и балласт.
В 1953 году Огюст и его сын Жак опустились в батискафе «Триест» на глубину 3160 метров. А в январе 1960 года Ж. Пиккар и американец Д. Уолш в том же, только усовершенствованном, батискафе достигли самой глубокой отметки Мирового океана – дна Марианской впадины в Тихом океане на глубине 10912 метров.
Однако таких сверхглубоких впадин немного. Главные богатства скрыты на средних глубинах – от нескольких десятков метров до 2-3 километров. И здесь вместо малоподвижных батисфер и батискафов нужны маневренные аппараты, оснащенные современными комплексами приборов и механизмов. Таким аппаратом стал советский «Мир».
Глубоководный обитаемый подводный аппарат «Мир» предназначен для исследований на глубинах до 6000 метров. Он может находиться под водой целых 80 часов. Длина аппарата – 6,8 метра, ширина – 3,6 метра, а высота – 3 метра. Диаметр сферического корпуса «Мира» – 2,1 метра. Вход расположен в верхней части. На борту «Мира» могут работать одновременно три человека. Экипаж поддерживает постоянную связь с судном по гидроакустическому каналу.
Когда «Мир» погружается, балластные цистерны заполняются водой, а при подъеме на поверхность включаются насосы и выкачивают воду. Ходовой электродвигатель, который питается от аккумуляторов, позволяет двигаться со скоростью до 9 километров в час. Два боковых двигателя позволяют осуществлять сложные маневры.