Страница:
По мнению Сергея Транковского: «Настоящим подарком голография стала для инженеров: теперь они могут исследовать и регистрировать процессы и явления, описанные порой только теоретически.
Например, лопатки турбореактивного авиационного двигателя во время работы нагреваются до сотен градусов и деформируются. Каким образом распределяется при этом напряжение в детали, где находится ее слабое место, угрожающее разрушением, – определить это прежде было либо крайне сложно, либо вообще невозможно. С помощью голографических методов такие исследования проводят без особого труда.
Освещенная лазерным светом, голограмма восстанавливает световую волну, отраженную деталью при съемке, и изображение появляется там, где раньше находилась деталь. Если же деталь осталась на месте, возникают сразу две волны: одна идет непосредственно от объекта, другая – от голограммы. Эти волны когерентны и могут интерферировать. В том случае, если объект во время наблюдения подвергся деформации, его изображение покрывается полосами, по которым судят о характере изменений.
Методы топографического контроля очень удобны. Они позволяют измерять величину деформации деталей и амплитуду их вибрации, исследовать поверхности предметов сложной формы, следить за точностью изготовления как очень больших изделий (например, зеркал диаметром в несколько метров для телескопов), так и миниатюрных линз (как в микроскопе). Объект может плохо отражать свет, иметь неровную поверхность, быть совершенно прозрачным – на качество голограммы это не влияет. Благодаря мощным лазерным импульсам голограммы записывают за тысячные доли секунды. А потому сейчас можно изучать взрывы, электрические разряды и потоки газов, движущиеся со сверхзвуковой скоростью».
С помощью голограммы можно видеть сквозь матовое стекло или другую рассеивающую свет преграду. С рассеивателя снимают голограмму и совмещают одно из восстановленных с нее изображений с самим рассеивателем. Световые волны, идущие навстречу друг другу от голограммы и от рассеивателя, складываются и взаимно уничтожаются. Преграда исчезает, а предмет, лежащий за ней, становится виден во всех подробностях.
У современных технологов появилась новая идея. Она основана на способности лазера по заданной программе «сделать» из заготовки деталь любой формы и размера. Достаточно внутрь технологического лазера вставить голограмму эталонной детали, чтобы избавиться от необходимости писать программу и настраивать лазерную установку. Голограмма сама «подберет» такую конфигурацию луча и распределение его интенсивности, что «вырезанная» деталь будет точной копией эталона.
Надо обратить внимание на еще один, очень похожий способ выделения полезных сигналов, который называется оптической фильтрацией, или распознаванием образов. Подобным образом можно отыскивать нужные изображения среди множества других похожих, например отпечатков пальцев. Для этого с эталона необходимо сделать голограмму, а затем поставить на пути светового пучка, отраженного от проверяемого объекта. Голограмма пропустит свет только от объекта, полностью идентичного эталону, «бракуя» другие изображения. Яркое пятно на выходе оптического фильтра – сигнал, что объект обнаружен. Примечательно, что поиск ведется с огромной скоростью, недостижимой при использовании других методов, поскольку он может вестись автоматически.
«Голографические методы, – пишет Транковский, – применимы не только к свету – электромагнитному излучению, но и к любым другим волнам. В частности, предмет, погруженный в непрозрачную или мутную жидкость, можно разглядеть с помощью звука. Излучатели акустических колебаний создают в жидкости две когерентные волны. Одна (предметная) «озвучивает» предмет, вторая (опорная) – поверхность жидкости. Их интерференция вызывает на ней рябь – так называемую акустическую голограмму. Освещая ее пучком лазерного света, восстанавливают объемное изображение предмета, лежащего в воде. Впрочем, поступают и по-другому: сигнал от системы миниатюрных микрофонов записывают на фотопластинку в виде полос почернения, а потом восстанавливают с нее объемное изображение лучом лазера».
Тепловизорная диагностика
Сверхглубокое бурение скважин
Глубоководный обитаемый подводный аппарат «Мир»
Например, лопатки турбореактивного авиационного двигателя во время работы нагреваются до сотен градусов и деформируются. Каким образом распределяется при этом напряжение в детали, где находится ее слабое место, угрожающее разрушением, – определить это прежде было либо крайне сложно, либо вообще невозможно. С помощью голографических методов такие исследования проводят без особого труда.
Освещенная лазерным светом, голограмма восстанавливает световую волну, отраженную деталью при съемке, и изображение появляется там, где раньше находилась деталь. Если же деталь осталась на месте, возникают сразу две волны: одна идет непосредственно от объекта, другая – от голограммы. Эти волны когерентны и могут интерферировать. В том случае, если объект во время наблюдения подвергся деформации, его изображение покрывается полосами, по которым судят о характере изменений.
Методы топографического контроля очень удобны. Они позволяют измерять величину деформации деталей и амплитуду их вибрации, исследовать поверхности предметов сложной формы, следить за точностью изготовления как очень больших изделий (например, зеркал диаметром в несколько метров для телескопов), так и миниатюрных линз (как в микроскопе). Объект может плохо отражать свет, иметь неровную поверхность, быть совершенно прозрачным – на качество голограммы это не влияет. Благодаря мощным лазерным импульсам голограммы записывают за тысячные доли секунды. А потому сейчас можно изучать взрывы, электрические разряды и потоки газов, движущиеся со сверхзвуковой скоростью».
С помощью голограммы можно видеть сквозь матовое стекло или другую рассеивающую свет преграду. С рассеивателя снимают голограмму и совмещают одно из восстановленных с нее изображений с самим рассеивателем. Световые волны, идущие навстречу друг другу от голограммы и от рассеивателя, складываются и взаимно уничтожаются. Преграда исчезает, а предмет, лежащий за ней, становится виден во всех подробностях.
У современных технологов появилась новая идея. Она основана на способности лазера по заданной программе «сделать» из заготовки деталь любой формы и размера. Достаточно внутрь технологического лазера вставить голограмму эталонной детали, чтобы избавиться от необходимости писать программу и настраивать лазерную установку. Голограмма сама «подберет» такую конфигурацию луча и распределение его интенсивности, что «вырезанная» деталь будет точной копией эталона.
Надо обратить внимание на еще один, очень похожий способ выделения полезных сигналов, который называется оптической фильтрацией, или распознаванием образов. Подобным образом можно отыскивать нужные изображения среди множества других похожих, например отпечатков пальцев. Для этого с эталона необходимо сделать голограмму, а затем поставить на пути светового пучка, отраженного от проверяемого объекта. Голограмма пропустит свет только от объекта, полностью идентичного эталону, «бракуя» другие изображения. Яркое пятно на выходе оптического фильтра – сигнал, что объект обнаружен. Примечательно, что поиск ведется с огромной скоростью, недостижимой при использовании других методов, поскольку он может вестись автоматически.
«Голографические методы, – пишет Транковский, – применимы не только к свету – электромагнитному излучению, но и к любым другим волнам. В частности, предмет, погруженный в непрозрачную или мутную жидкость, можно разглядеть с помощью звука. Излучатели акустических колебаний создают в жидкости две когерентные волны. Одна (предметная) «озвучивает» предмет, вторая (опорная) – поверхность жидкости. Их интерференция вызывает на ней рябь – так называемую акустическую голограмму. Освещая ее пучком лазерного света, восстанавливают объемное изображение предмета, лежащего в воде. Впрочем, поступают и по-другому: сигнал от системы миниатюрных микрофонов записывают на фотопластинку в виде полос почернения, а потом восстанавливают с нее объемное изображение лучом лазера».
Тепловизорная диагностика
Внутреннее строение Земли, веществ, из которых она состоит, изучают геология и геофизика. Геологические методы позволяют исследовать только верхнюю часть земной коры. Пробурить скважину даже на глубину в несколько километров очень непросто. Геофизика позволяет проникнуть внутрь Земли гораздо дальше. Эта наука исследует аномалии земных полей, такие как отклонения плотности, магнитной восприимчивости, удельного электрического сопротивления, скорости распространения упругих волн и т д.
Для глубинного (до 10000 метров) изучения крупных частей суши и океанов, разведки месторождений нефти, газа и твердых полезных ископаемых используют методы разведочной геофизики. Они включают в себя гравиразведку, магниторазведку, электроразведку, сейсморазведку, терморазведку, ядерную геофизику – всего более ста методов.
Метод гравиразведки основан на очень точном измерении силы тяжести Земли, то есть гравитационного поля планеты. Земля – не однородный шар, в ней есть пустоты и области уплотнения, например залежи руды. В результате сила тяжести над ними оказывается либо чуть меньше, либо чуть больше среднего значения. Эти изменения и регистрируют гравиметрами.
С помощью магниторазведки изучают геомагнитное, или естественное магнитное, поле Земли. Его величина зависит от размеров и глубины залегания намагниченных объектов, например залежей железных руд. Магнитометрами измеряют абсолютную величину магнитного поля либо его относительные значения, которые сравнивают с измеренными в опорных пунктах.
Методы электроразведки основаны на изучении возникающих природных и искусственных электрических полей. Первые – результат солнечного и космического излучений, непрерывных ударов молний в землю, химических и физических реакций. Вторые возникают при воздействии на Землю линий электропередачи, антенн теле– и радиостанций. По характеристикам электрического поля (например, по сопротивлению) исследователи научились различать горные породы и залежи металлических руд.
При радиолокационных исследованиях применяют георадары. Такой радиолокатор «смотрит» внутрь Земли. Антенна георадара излучает радиоимпульс, отражающийся от плотных пород и возвращающийся к принимающей антенне. Почва и горные породы быстро поглощают радиоволны, поэтому проникают они только на глубину в несколько десятков метров. Метод основан на отличии скорости распространения радиоволн, зависящей от физических свойств горных пород и жидкостей, их насыщающих (воды, нефти).
Тепловые поля Земли, возникшие в результате сложных физических и химических процессов, исследуются при помощи тепловизоров. Их чувствительные элементы принимают инфракрасное (тепловое) излучение глубинных пород. Излучение это очень слабое, поэтому приемники тепловизора охлаждаются жидким азотом или гелием до температуры минус 200—230 градусов Цельсия. Принятые сигналы поступают на экран телевизора или фиксируются на фотопленке. Распределение температур зависит от внутреннего строения планеты.
Разлом земной коры, даже давно затянувшийся наносными породами, дает о себе знать температурными аномалиями на поверхности земли. Изучая их динамику, можно судить о явлениях, которые вызывают напряжения и деформации в земной коре, чреватые катаклизмами. Сотрудники Института аэрокосмического приборостроения из столицы Татарии это делать научились.
«Потрясающие снимки показал мне Роберт Мухамедяров, – пишет в журнале «Чудеса и приключения» Михаил Дмитрук, – на них видно все, что находится в недрах на глубинах до нескольких километров.
– Смотрите: это разломы земной коры, – провел он пальцем вдоль светлых полос. А потом указал на темные пятна: – Здесь находятся месторождения нефти и газа.
Эти снимки получены с помощью аэрокосмической аппаратуры, которая сделала недра почти прозрачными. Сквозь землю стало видно, как сквозь стекло. Что за чудеса?
– Мы установили взаимосвязь между плотностью пород и температурой на поверхности земли, – объясняет Роберт Давлетович. – Проще не скажешь. В разных местах температура отклоняется на мизерные величины, но их фиксирует наша сверхчувствительная аппаратура. Компьютер вычерчивает на снимке линии одинаковых температур. Там, где линии сгущаются, выше плотность вещества в недрах (скальные породы, залежи металлических руд). А разрежаются линии там, где породы разуплотнены (разломы земной коры, карстовые пустоты, линзы подземных озер, залежи угля, нефти, газа). Дешифровав тепловизорные снимки, компьютер выдает цветные изображения местности, на которых, как на ладони, видно глубинное строение недр.
Профессор развеял мои сомнения. Он показал другие подземные снимки, которые очень легко проверить. Их сделали не из космоса, а с самолета или вертолета, поэтому разрешающая способность снимков повысилась в сотни раз. И на них четко видны подземные коммуникации – их невозможно различить даже на поверхности невооруженным глазом. Вот передо мной поле, где скосили урожай пшеницы. На его тепловом изображении видны перекрещивающиеся газопроводы, которые под полем зарыты в землю. А вот план этих сооружений, взятый у газовиков: он точно совпадает с тепловизорным снимком. Мало того, на нем четко видны места повреждения изоляции на подземных трубах, а также утечки газа. Эта информация очень нужна газовикам, и ученые готовы предоставить ее. Кстати, их летающая аппаратура дает раз в десять больше сведений, чем робот, ползающий в трубе. А получить эти данные сверху можно в тысячи раз быстрее. Но, может, это стоит бешеных денег? Нет, аэрокосмическая диагностика гораздо дешевле внутритрубной».
В 1979 году Роберта Мухамедярова, будущего доктора технических наук, профессора, перевели в НПО «Государственный институт прикладной оптики» начальником отдела и главным конструктором приборов для космических аппаратов. Позднее именно под его руководством отдел перерос в отделение, а в 1990 году выделился из НПО как самостоятельный Институт аэрокосмического приборостроения в Казани. Однако в новейшую российскую историю, как и многие российские предприятия, благополучно сел на мель.
До сих пор на спутнике «Океан» аппаратура, сделанная в институте, дает изображение не хуже, чем американская. Но вместе с кризисом космической отрасли в России стала не нужна и казанская аппаратура для спутников. Работа в новых условиях заставила перейти на самолеты и вертолеты. Но, как говорится, нет худа без добра: с малых высот сотрудники института при помощи своей аппаратуры стали делать еще более удивительные открытия, чем из космоса.
Тепловизорные снимки могут потрясти любого. Так, к примеру, сквозь огромную металлическую емкость для хранения нефти сверху можно увидеть… трещину в железобетонном фундаменте этого сооружения. Машины давно уехали, а на стоянке остались их тепловые тени. Глубоко в море виден тепловой след затонувшего корабля. А вот еще одно чудо: на снимке сквозь землю проступают контуры еще не раскопанных археологами фундаментов древних зданий!
«Но Роберт Давлетович гордится и другими снимками, – пишет Дмитрук, – по которым можно диагностировать здания и сооружения. Под домами, мостами, дорогами, трубопроводами четко видны разломы коры, карстовые пустоты, коллекторы, потоки грунтовых вод, прочие сюрпризы природы. Если бы о них заранее знали строители, то обошли бы стороной эти гиблые места. Но объекты уже построены, их фундаменты и опоры проваливаются в пустоты и плывуны, вызывая деформацию зданий и сооружений. Долго ли они еще простоят и в каких местах их надо укреплять? Это тоже видно: все напряжения и деформации вызывают небольшие отклонения температуры, которые ясно проявляются на снимках».
В институте запатентовали много новых принципов и устройств, которые позволяют увеличивать разрешающую способность тепловизоров практически неограниченно. Здесь научились улавливать одну десятитысячную долю градуса – это вполне достаточно для технической диагностики зданий и сооружений. Кроме того, снимки можно делать ночью во время сжатия строительных материалов и днем – во время их температурного расширения. В такие моменты особенно ярко проявляются все дефекты – и настоящие, и будущие.
Но главное – диагностика земной коры: по напряжениям и деформациям в ее пластах можно прогнозировать подвижки, вызывающие землетрясения. Предвидеть землетрясения архиважно для любой страны, которая находится в зоне повышенной сейсмичности.
Мухамедяров готов дать прогноз, где и когда случатся такие катаклизмы. При одном условии – если получит средства на эти исследования.
Для глубинного (до 10000 метров) изучения крупных частей суши и океанов, разведки месторождений нефти, газа и твердых полезных ископаемых используют методы разведочной геофизики. Они включают в себя гравиразведку, магниторазведку, электроразведку, сейсморазведку, терморазведку, ядерную геофизику – всего более ста методов.
Метод гравиразведки основан на очень точном измерении силы тяжести Земли, то есть гравитационного поля планеты. Земля – не однородный шар, в ней есть пустоты и области уплотнения, например залежи руды. В результате сила тяжести над ними оказывается либо чуть меньше, либо чуть больше среднего значения. Эти изменения и регистрируют гравиметрами.
С помощью магниторазведки изучают геомагнитное, или естественное магнитное, поле Земли. Его величина зависит от размеров и глубины залегания намагниченных объектов, например залежей железных руд. Магнитометрами измеряют абсолютную величину магнитного поля либо его относительные значения, которые сравнивают с измеренными в опорных пунктах.
Методы электроразведки основаны на изучении возникающих природных и искусственных электрических полей. Первые – результат солнечного и космического излучений, непрерывных ударов молний в землю, химических и физических реакций. Вторые возникают при воздействии на Землю линий электропередачи, антенн теле– и радиостанций. По характеристикам электрического поля (например, по сопротивлению) исследователи научились различать горные породы и залежи металлических руд.
При радиолокационных исследованиях применяют георадары. Такой радиолокатор «смотрит» внутрь Земли. Антенна георадара излучает радиоимпульс, отражающийся от плотных пород и возвращающийся к принимающей антенне. Почва и горные породы быстро поглощают радиоволны, поэтому проникают они только на глубину в несколько десятков метров. Метод основан на отличии скорости распространения радиоволн, зависящей от физических свойств горных пород и жидкостей, их насыщающих (воды, нефти).
Тепловые поля Земли, возникшие в результате сложных физических и химических процессов, исследуются при помощи тепловизоров. Их чувствительные элементы принимают инфракрасное (тепловое) излучение глубинных пород. Излучение это очень слабое, поэтому приемники тепловизора охлаждаются жидким азотом или гелием до температуры минус 200—230 градусов Цельсия. Принятые сигналы поступают на экран телевизора или фиксируются на фотопленке. Распределение температур зависит от внутреннего строения планеты.
Разлом земной коры, даже давно затянувшийся наносными породами, дает о себе знать температурными аномалиями на поверхности земли. Изучая их динамику, можно судить о явлениях, которые вызывают напряжения и деформации в земной коре, чреватые катаклизмами. Сотрудники Института аэрокосмического приборостроения из столицы Татарии это делать научились.
«Потрясающие снимки показал мне Роберт Мухамедяров, – пишет в журнале «Чудеса и приключения» Михаил Дмитрук, – на них видно все, что находится в недрах на глубинах до нескольких километров.
– Смотрите: это разломы земной коры, – провел он пальцем вдоль светлых полос. А потом указал на темные пятна: – Здесь находятся месторождения нефти и газа.
Эти снимки получены с помощью аэрокосмической аппаратуры, которая сделала недра почти прозрачными. Сквозь землю стало видно, как сквозь стекло. Что за чудеса?
– Мы установили взаимосвязь между плотностью пород и температурой на поверхности земли, – объясняет Роберт Давлетович. – Проще не скажешь. В разных местах температура отклоняется на мизерные величины, но их фиксирует наша сверхчувствительная аппаратура. Компьютер вычерчивает на снимке линии одинаковых температур. Там, где линии сгущаются, выше плотность вещества в недрах (скальные породы, залежи металлических руд). А разрежаются линии там, где породы разуплотнены (разломы земной коры, карстовые пустоты, линзы подземных озер, залежи угля, нефти, газа). Дешифровав тепловизорные снимки, компьютер выдает цветные изображения местности, на которых, как на ладони, видно глубинное строение недр.
Профессор развеял мои сомнения. Он показал другие подземные снимки, которые очень легко проверить. Их сделали не из космоса, а с самолета или вертолета, поэтому разрешающая способность снимков повысилась в сотни раз. И на них четко видны подземные коммуникации – их невозможно различить даже на поверхности невооруженным глазом. Вот передо мной поле, где скосили урожай пшеницы. На его тепловом изображении видны перекрещивающиеся газопроводы, которые под полем зарыты в землю. А вот план этих сооружений, взятый у газовиков: он точно совпадает с тепловизорным снимком. Мало того, на нем четко видны места повреждения изоляции на подземных трубах, а также утечки газа. Эта информация очень нужна газовикам, и ученые готовы предоставить ее. Кстати, их летающая аппаратура дает раз в десять больше сведений, чем робот, ползающий в трубе. А получить эти данные сверху можно в тысячи раз быстрее. Но, может, это стоит бешеных денег? Нет, аэрокосмическая диагностика гораздо дешевле внутритрубной».
В 1979 году Роберта Мухамедярова, будущего доктора технических наук, профессора, перевели в НПО «Государственный институт прикладной оптики» начальником отдела и главным конструктором приборов для космических аппаратов. Позднее именно под его руководством отдел перерос в отделение, а в 1990 году выделился из НПО как самостоятельный Институт аэрокосмического приборостроения в Казани. Однако в новейшую российскую историю, как и многие российские предприятия, благополучно сел на мель.
До сих пор на спутнике «Океан» аппаратура, сделанная в институте, дает изображение не хуже, чем американская. Но вместе с кризисом космической отрасли в России стала не нужна и казанская аппаратура для спутников. Работа в новых условиях заставила перейти на самолеты и вертолеты. Но, как говорится, нет худа без добра: с малых высот сотрудники института при помощи своей аппаратуры стали делать еще более удивительные открытия, чем из космоса.
Тепловизорные снимки могут потрясти любого. Так, к примеру, сквозь огромную металлическую емкость для хранения нефти сверху можно увидеть… трещину в железобетонном фундаменте этого сооружения. Машины давно уехали, а на стоянке остались их тепловые тени. Глубоко в море виден тепловой след затонувшего корабля. А вот еще одно чудо: на снимке сквозь землю проступают контуры еще не раскопанных археологами фундаментов древних зданий!
«Но Роберт Давлетович гордится и другими снимками, – пишет Дмитрук, – по которым можно диагностировать здания и сооружения. Под домами, мостами, дорогами, трубопроводами четко видны разломы коры, карстовые пустоты, коллекторы, потоки грунтовых вод, прочие сюрпризы природы. Если бы о них заранее знали строители, то обошли бы стороной эти гиблые места. Но объекты уже построены, их фундаменты и опоры проваливаются в пустоты и плывуны, вызывая деформацию зданий и сооружений. Долго ли они еще простоят и в каких местах их надо укреплять? Это тоже видно: все напряжения и деформации вызывают небольшие отклонения температуры, которые ясно проявляются на снимках».
В институте запатентовали много новых принципов и устройств, которые позволяют увеличивать разрешающую способность тепловизоров практически неограниченно. Здесь научились улавливать одну десятитысячную долю градуса – это вполне достаточно для технической диагностики зданий и сооружений. Кроме того, снимки можно делать ночью во время сжатия строительных материалов и днем – во время их температурного расширения. В такие моменты особенно ярко проявляются все дефекты – и настоящие, и будущие.
Но главное – диагностика земной коры: по напряжениям и деформациям в ее пластах можно прогнозировать подвижки, вызывающие землетрясения. Предвидеть землетрясения архиважно для любой страны, которая находится в зоне повышенной сейсмичности.
Мухамедяров готов дать прогноз, где и когда случатся такие катаклизмы. При одном условии – если получит средства на эти исследования.
Сверхглубокое бурение скважин
Земля как объект исследования геологии доступна для прямого наблюдения только с поверхности. О ее составе и строении можно судить лишь по косвенным данным. Оттого и стремятся геологи проникнуть как можно дальше в глубь Земли с помощью бурения. Современная техника позволяет бурить скважины на континентах глубиной до 10-15 километров.
Буровые скважины чаще всего делают для разведки месторождений полезных ископаемых, для извлечения из недр воды, нефти и газа, а также для инженерных изысканий и других прикладных целей. Кроме того, с 1970-х годов бурение все шире используется как метод решения фундаментальных научных проблем современной геологии. Кстати, сами результаты научного бурения во многом оказались неожиданными и заставили пересмотреть теоретические представления, которые до этого казались очевидными и незыблемыми.
Начало систематического научного бурения относится к 1960-м годам. В 1968 году в США было спущено на воду специальное буровое судно, и началась реализация международной программы глубоководного бурения в океанах. За более чем тридцатилетнюю историю в Мировом океане пробурили сотни скважин, которые пересекли рыхлые осадки океанского дна и углубились в подстилающие базальты. Самая глубокая из скважин была пробурена в Тихом океане к югу от берегов Коста-Рики. Ее глубина достигла 2105 метров ниже океанского дна. Океанское бурение открыло новую страницу в геологии, поскольку раньше точных данных о строении дна океанов практически не было.
Теперь о бурении на суше. Скважины научного бурения на континентах, как правило, относятся к категориям глубоких (3-7 километров) или сверхглубоких (более 7 километров). В этом отношении с ними можно сопоставить лишь скважины, которые бурятся для поисков, разведки и эксплуатации глубоко залегающих месторождений нефти и газа в США. Самая глубокая скважина из них – Берта Роджерс (9583 метра) была пробурена в 1973—1974 годах всего за 502 дня. Столь высокая скорость проходки обусловлена двумя факторами. Первый – возможности американской техники. Второй – бурение осуществлялось без отбора керна, то есть без подъема образцов горных пород на поверхность. Отбор керна требует большого дополнительного времени, но совершенно необходим при научном бурении. По этой причине глубокие и сверхглубокие поисковые и разведочные скважины имеют достаточно ограниченное значение как источники научной информации.
Первая программа систематического сверхглубокого континентального бурения с научными целями разработана и осуществлена в СССР. Основы этой программы были сформулированы еще в 1960—1962 годах. В мае же 1970 года на севере Мурманской области в десяти километрах от города Заполярного началось бурение Кольской сверхглубокой скважины. Ее проектную глубину определили в пятнадцать километров Но достичь ее не удалось, в 1991 году бурение прекратили на глубине 12261 метр. Тем не менее Кольская скважина до сих пор остается самой глубокой в мире.
Успехи Советского Союза не могли не подстегнуть другие страны. Ускорили разработку программ научного континентального бурения в Германии, Франции, США, Канаде, Японии, Великобритании. Одного из лучших результатов добились немцы, пробурившие сверхглубокую скважину КТБ-Оберпфальц в Баварии (1990—1994 годы), которая достигла глубины 9101 метр.
«Существуют разные способы бурения, – пишут в «Соросовском образовательном журнале» В.С. Попов и А.А. Кременецкий. – Если глубина скважин невелика (сотни метров), то двигатель, находящийся на поверхности, вращает колонну стальных бурильных труб, на нижнем конце трубы крепится буровая коронка, армированная твердыми сплавами или алмазами. Вращаясь, коронка вырезает цилиндрический столбик породы, который постепенно заполняет специальную внутреннюю (колонковую) трубу. При бурении без отбора керна часто используют буровые головки, которые представляют собой систему нескольких вращающихся конусов, армированных твердыми сплавами. Если стенки скважины неустойчивы, в нее опускают стальную обсадную трубу. В процессе бурения насос постоянно закачивает в скважину специальный глинистый раствор, необходимый для придания устойчивости стенкам, охлаждения инструмента, выноса мелких частиц породы (шлама) и для других целей. Время от времени колонну буровых труб поднимают на поверхность с помощью лебедки, установленной на буровой вышке, выгружают керн, если необходимо, заменяют изношенную коронку на новую и опять опускают буровой снаряд на забой.
Бурение сопровождается измерениями физических свойств пород вдоль ствола скважины. Для этого на специальном кабеле в скважину опускают приборы, которые фиксируют температуру, электропроводность, магнитную восприимчивость, радиоактивность и другие свойства пород. Этот процесс называют каротажем скважин».
Опыт бурения в США и других странах показал следующее. За счет мощности двигателей и давления насосов, нагнетающих буровой раствор, а также увеличения грузоподъемности лебедок и прочности стальных буровых труб, таким способом можно бурить скважины глубиной до 9-10 километров. Для бурения более глубоких скважин необходимы другие нетрадиционные инженерные решения. И такие решения были предложены и реализованы в ходе выполнения программ сверхглубокого научного бурения.
Выяснилось, что в тех случаях, когда забой скважины находится на многокилометровой глубине, целесообразно использовать забойные двигатели, установленные не на поверхности, а в нижней части буровой колонны, которая при этом сама не вращается. Забойные двигатели – это миниатюрные турбины или винтовые механизмы, которые приводятся во вращение буровым раствором, нагнетаемым под давлением в скважину.
Для уменьшения веса колонны буровых труб, достигающих длины несколько километров, их изготавливают из специальных легких, но достаточно прочных и термостойких сплавов. Алюминиевые сплавы, использованные при бурении Кольской скважины, были в 2,4 раза легче стали.
При достижении большой глубины возникает значительная разница между гидростатическим давлением столба бурового раствора и литостатическим (горным) давлением, обусловленным весом горных пород. Это может привести к разрушению стенок скважины, а это, в свою очередь, вызывает серьезные осложнения при бурении. Для достижения равновесия горного давления увеличивают плотность бурового раствора, добавляя в него специальные наполнители.
«Одна из наиболее сложных технических задач, – пишут Попов и Кременецкий, – заключается в том, чтобы обеспечить надежную работу бурового оборудования при высоких температурах, существующих в сверхглубоких скважинах. Это касается металлических деталей, их соединений, смазок, бурового раствора и измерительной аппаратуры. Хотя на забое, то есть в самой нижней точке скважины Солтон-Си в США на глубине 3220 метров была зафиксирована температура 355 градусов Цельсия, а в другой скважине, пробуренной до 1440 метров в одной из молодых вулканических структур на западе США, измеренная температура достигала 465 градусов, современные технические средства не позволяют бурить сверхглубокие скважины при столь высоких температурах в течение длительного времени, поскольку термостойкость существующего бурового оборудования не превышает 200—300 градусов. Самые большие проблемы возникают с измерительной аппаратурой, особенно с электроникой, которая отказывает уже при 150 градусов. Водные буровые растворы сохраняют технологические свойства до 230—250 градусов. При более высокой температуре приходится переходить на нефтяную основу растворов и применять более сложные смеси. Высокая температура земных недр остается одним из главных факторов, ограничивающих глубину научного бурения.
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.
Буровые скважины чаще всего делают для разведки месторождений полезных ископаемых, для извлечения из недр воды, нефти и газа, а также для инженерных изысканий и других прикладных целей. Кроме того, с 1970-х годов бурение все шире используется как метод решения фундаментальных научных проблем современной геологии. Кстати, сами результаты научного бурения во многом оказались неожиданными и заставили пересмотреть теоретические представления, которые до этого казались очевидными и незыблемыми.
Начало систематического научного бурения относится к 1960-м годам. В 1968 году в США было спущено на воду специальное буровое судно, и началась реализация международной программы глубоководного бурения в океанах. За более чем тридцатилетнюю историю в Мировом океане пробурили сотни скважин, которые пересекли рыхлые осадки океанского дна и углубились в подстилающие базальты. Самая глубокая из скважин была пробурена в Тихом океане к югу от берегов Коста-Рики. Ее глубина достигла 2105 метров ниже океанского дна. Океанское бурение открыло новую страницу в геологии, поскольку раньше точных данных о строении дна океанов практически не было.
Теперь о бурении на суше. Скважины научного бурения на континентах, как правило, относятся к категориям глубоких (3-7 километров) или сверхглубоких (более 7 километров). В этом отношении с ними можно сопоставить лишь скважины, которые бурятся для поисков, разведки и эксплуатации глубоко залегающих месторождений нефти и газа в США. Самая глубокая скважина из них – Берта Роджерс (9583 метра) была пробурена в 1973—1974 годах всего за 502 дня. Столь высокая скорость проходки обусловлена двумя факторами. Первый – возможности американской техники. Второй – бурение осуществлялось без отбора керна, то есть без подъема образцов горных пород на поверхность. Отбор керна требует большого дополнительного времени, но совершенно необходим при научном бурении. По этой причине глубокие и сверхглубокие поисковые и разведочные скважины имеют достаточно ограниченное значение как источники научной информации.
Первая программа систематического сверхглубокого континентального бурения с научными целями разработана и осуществлена в СССР. Основы этой программы были сформулированы еще в 1960—1962 годах. В мае же 1970 года на севере Мурманской области в десяти километрах от города Заполярного началось бурение Кольской сверхглубокой скважины. Ее проектную глубину определили в пятнадцать километров Но достичь ее не удалось, в 1991 году бурение прекратили на глубине 12261 метр. Тем не менее Кольская скважина до сих пор остается самой глубокой в мире.
Успехи Советского Союза не могли не подстегнуть другие страны. Ускорили разработку программ научного континентального бурения в Германии, Франции, США, Канаде, Японии, Великобритании. Одного из лучших результатов добились немцы, пробурившие сверхглубокую скважину КТБ-Оберпфальц в Баварии (1990—1994 годы), которая достигла глубины 9101 метр.
«Существуют разные способы бурения, – пишут в «Соросовском образовательном журнале» В.С. Попов и А.А. Кременецкий. – Если глубина скважин невелика (сотни метров), то двигатель, находящийся на поверхности, вращает колонну стальных бурильных труб, на нижнем конце трубы крепится буровая коронка, армированная твердыми сплавами или алмазами. Вращаясь, коронка вырезает цилиндрический столбик породы, который постепенно заполняет специальную внутреннюю (колонковую) трубу. При бурении без отбора керна часто используют буровые головки, которые представляют собой систему нескольких вращающихся конусов, армированных твердыми сплавами. Если стенки скважины неустойчивы, в нее опускают стальную обсадную трубу. В процессе бурения насос постоянно закачивает в скважину специальный глинистый раствор, необходимый для придания устойчивости стенкам, охлаждения инструмента, выноса мелких частиц породы (шлама) и для других целей. Время от времени колонну буровых труб поднимают на поверхность с помощью лебедки, установленной на буровой вышке, выгружают керн, если необходимо, заменяют изношенную коронку на новую и опять опускают буровой снаряд на забой.
Бурение сопровождается измерениями физических свойств пород вдоль ствола скважины. Для этого на специальном кабеле в скважину опускают приборы, которые фиксируют температуру, электропроводность, магнитную восприимчивость, радиоактивность и другие свойства пород. Этот процесс называют каротажем скважин».
Опыт бурения в США и других странах показал следующее. За счет мощности двигателей и давления насосов, нагнетающих буровой раствор, а также увеличения грузоподъемности лебедок и прочности стальных буровых труб, таким способом можно бурить скважины глубиной до 9-10 километров. Для бурения более глубоких скважин необходимы другие нетрадиционные инженерные решения. И такие решения были предложены и реализованы в ходе выполнения программ сверхглубокого научного бурения.
Выяснилось, что в тех случаях, когда забой скважины находится на многокилометровой глубине, целесообразно использовать забойные двигатели, установленные не на поверхности, а в нижней части буровой колонны, которая при этом сама не вращается. Забойные двигатели – это миниатюрные турбины или винтовые механизмы, которые приводятся во вращение буровым раствором, нагнетаемым под давлением в скважину.
Для уменьшения веса колонны буровых труб, достигающих длины несколько километров, их изготавливают из специальных легких, но достаточно прочных и термостойких сплавов. Алюминиевые сплавы, использованные при бурении Кольской скважины, были в 2,4 раза легче стали.
При достижении большой глубины возникает значительная разница между гидростатическим давлением столба бурового раствора и литостатическим (горным) давлением, обусловленным весом горных пород. Это может привести к разрушению стенок скважины, а это, в свою очередь, вызывает серьезные осложнения при бурении. Для достижения равновесия горного давления увеличивают плотность бурового раствора, добавляя в него специальные наполнители.
«Одна из наиболее сложных технических задач, – пишут Попов и Кременецкий, – заключается в том, чтобы обеспечить надежную работу бурового оборудования при высоких температурах, существующих в сверхглубоких скважинах. Это касается металлических деталей, их соединений, смазок, бурового раствора и измерительной аппаратуры. Хотя на забое, то есть в самой нижней точке скважины Солтон-Си в США на глубине 3220 метров была зафиксирована температура 355 градусов Цельсия, а в другой скважине, пробуренной до 1440 метров в одной из молодых вулканических структур на западе США, измеренная температура достигала 465 градусов, современные технические средства не позволяют бурить сверхглубокие скважины при столь высоких температурах в течение длительного времени, поскольку термостойкость существующего бурового оборудования не превышает 200—300 градусов. Самые большие проблемы возникают с измерительной аппаратурой, особенно с электроникой, которая отказывает уже при 150 градусов. Водные буровые растворы сохраняют технологические свойства до 230—250 градусов. При более высокой температуре приходится переходить на нефтяную основу растворов и применять более сложные смеси. Высокая температура земных недр остается одним из главных факторов, ограничивающих глубину научного бурения.
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.
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.