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钻一口全世界最深的井,到底有多难

2017-11-23 09:51 来源:科技日报 刘园园

  “松辽盆地大陆科学钻探2号井”是全球第一口钻穿白垩纪陆相地层的大陆科学钻探井,设计井深为6400米。

  地球平均半径6371千米,而当今世界最深的钻孔也就12262米。也就是说,人类花了大约300年,仅向地心钻进了大约0.2%。用中国科学院院士高锐的话说,“如果把地球比作一个鸡蛋的话,现在连鸡蛋皮都没钻破!”

  这个12262米深的钻孔还是前苏联的科拉超深井创造的记录,迄今20多年无人打破。不过,11月15日召开的香山科学会议上传出令人振奋的消息,我国科学家们提出大胆设想,将在中国钻若干口超过万米,甚至打破前苏联科拉超深井纪录的特深钻孔。这将使我国的地球科学研究水平提升至国际先进水平。

  寻找藏在地下的答案和资源

  正如人最不了解的是自己一样,人类虽然世世代代生活在地球上,却对它所知甚少。很多看似很简单的地球科学问题,至今仍没有确切答案。

  比如,地震的原因是什么?地壳中有什么样的流体?是什么力引发了造山运动?地壳中曾经和正在进行什么样的物理化学过程?

  “如果能够打造若干条通往地球深部的通道,并在地层深处埋设长期观测的仪器,建立起对地球内部进行长期观测的网络,那么上述问题或许可以在一定程度上得到回答。” 中国地质调查局原副局长王达说。

  另一个原因,与地底下丰富的自然资源相关。

  目前世界先进水平的矿产勘探开采深度已达2500米至4000米,而我国大多在500米以内。科学家估计,如果我国的矿产勘查深度能从平均500米增至2000米,我国的金属资源量可以翻一番。

  事实证明,地球更深处埋藏着众多“惊喜”,这也是为什么特深层油气资源已经成为全球勘探开发的热点。中国石化石油工程技术研究院高级工程师曾义金介绍,截至2014年底,全世界6000米以上的超深层油气藏104个,8000米以上的有28个,其中包括我国的塔里木油田。除了油气,还有大量的地热资源等待我们去开发利用。

  地球“三高”堪称世界级难题

  要钻这么深的井,需要利用强大的机器,钻透一层又一层坚硬的岩石。“在这个过程中,会遭遇很多世界级难题。”吉林大学副校长孙友宏介绍,其中就包括地球的“三高”问题。

  第一“高”是高温。科学家预计,钻到地球深处超万米处,温度将达到300摄氏度以上。这意味着,钻探机器上所使用的孔底马达、震击器、轴承密封等材料得耐得住这样的高温才行。可惜现阶段很多材料的耐高温性能还没这么厉害。

  第二“高”是高压。如果钻孔深度达到一万多米,预计井内泥浆压力将达到175MPa以上,地层压力将达到400MPa。而现有很多测量仪器所能耐受的压力为140MPa到170MPa之间。更要命的是,在高温、高压之下,岩石的物理力学性质会发生改变,容易破碎。一旦井壁岩石出现破碎,又会严重阻碍钻井施工的顺利进行。

  第三“高”是高地应力。所谓地应力,是地壳内岩石在受到外力而变形时,各部分之间产生相互作用的内力。高地应力非常容易造成井壁垮塌、卡钻等井下事故。前苏联的科拉超深井和德国的KTB井,在6000米至7000米以下井段施工时,就曾因为高地应力频频发生事故,从而浪费了大量的时间和经费。

  考验科技实力的时刻到了

  据测算,钻一口这样的井需要花10年甚至20年时间,大约需要20亿人民币。要想把这笔巨资花得响,必须得有十足的把握才能动工。为此,科学家们提出了不少施工策略。

  就拿对付地球的高温来说吧。对于地球万米深处300摄氏度高温,首先挑战的是钻具上的橡胶、尼龙等有机材料,比如钻具的密封件。此外还有钻具上使用的电子元器件,目前大多数元器件能耐受的最高温度在200摄氏度以内。

  “最简单直接的办法就是研究出更耐高温的橡胶、聚氨酯和电子元器件。”王达说,如果这些材料仍然达不到要求,可以尝试用耐高温的金属材料来替代它们。

  还有一个办法是给钻具降温。比如泥浆可以提取到地面进行冷却,通过泥浆的循环来带走钻具内的热量。还有一个设想是采用专门的制冷设备,像空调一样给钻具降温。遗憾的是,可以在高温高压环境下使用的制冷机目前还没有诞生。

  为了防止井壁坍塌,科学家提出,可以加大泥浆的密度,尽量缩小最大地应力与最小地应力之间的差距。还可以采用多层套管或者膨胀套管来阻隔地层的崩塌。

  所以,表面上看是打一口井,实际上却是在考验一个国家的经济实力、基础工业实力和整个科技的发展水平。正如王达所言,要想完成世界第一的特深钻孔,必须拿出世界第一的钻探技术才行!

(责任编辑:王蔚)

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