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鑽一口全世界最深的井,到底有多難
2017-11-23 08:17:30 來源: 科技日報
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  “松遼盆地大陸科學鑽探2號井”是全球第一口鑽穿白堊紀陸相地層的大陸科學鑽探井,設計井深為6400米。

  地球平均半徑6371千米,而當今世界最深的鑽孔也就12262米。也就是説,人類花了大約300年,僅向地心鑽進了大約0.2%。用中國科學院院士高銳的話説,“如果把地球比作一個雞蛋的話,現在連雞蛋皮都沒鑽破!”

  這個12262米深的鑽孔還是前蘇聯的科拉超深井創造的記錄,迄今20多年無人打破。不過,11月15日召開的香山科學會議上傳出令人振奮的消息,我國科學家們提出大膽設想,將在中國鑽若幹口超過萬米,甚至打破前蘇聯科拉超深井紀錄的特深鑽孔。這將使我國的地球科學研究水準提升至國際先進水準。

  尋找藏在地下的答案和資源

  正如人最不了解的是自己一樣,人類雖然世世代代生活在地球上,卻對它所知甚少。很多看似很簡單的地球科學問題,至今仍沒有確切答案。

  比如,地震的原因是什麼?地殼中有什麼樣的流體?是什麼力引發了造山運動?地殼中曾經和正在進行什麼樣的物理化學過程?

  “如果能夠打造若幹條通往地球深部的通道,並在地層深處埋設長期觀測的儀器,建立起對地球內部進行長期觀測的網絡,那麼上述問題或許可以在一定程度上得到回答。” 中國地質調查局原副局長王達説。

  另一個原因,與地底下豐富的自然資源相關。

  目前世界先進水準的礦産勘探開採深度已達2500米至4000米,而我國大多在500米以內。科學家估計,如果我國的礦産勘查深度能從平均500米增至2000米,我國的金屬資源量可以翻一番。

  事實證明,地球更深處埋藏著眾多“驚喜”,這也是為什麼特深層油氣資源已經成為全球勘探開發的熱點。中國石化石油工程技術研究院高級工程師曾義金介紹,截至2014年底,全世界6000米以上的超深層油氣藏104個,8000米以上的有28個,其中包括我國的塔裏木油田。除了油氣,還有大量的地熱資源等待我們去開發利用。

  地球“三高”堪稱世界級難題

  要鑽這麼深的井,需要利用強大的機器,鑽透一層又一層堅硬的岩石。“在這個過程中,會遭遇很多世界級難題。”吉林大學副校長孫友宏介紹,其中就包括地球的“三高”問題。

  第一“高”是高溫。科學家預計,鑽到地球深處超萬米處,溫度將達到300攝氏度以上。這意味著,鑽探機器上所使用的孔底馬達、震擊器、軸承密封等材料得耐得住這樣的高溫才行。可惜現階段很多材料的耐高溫性能還沒這麼厲害。

  第二“高”是高壓。如果鑽孔深度達到一萬多米,預計井內泥漿壓力將達到175MPa以上,地層壓力將達到400MPa。而現有很多測量儀器所能耐受的壓力為140MPa到170MPa之間。更要命的是,在高溫、高壓之下,岩石的物理力學性質會發生改變,容易破碎。一旦井壁岩石出現破碎,又會嚴重阻礙鑽井施工的順利進行。

  第三“高”是高地應力。所謂地應力,是地殼內岩石在受到外力而變形時,各部分之間産生相互作用的內力。高地應力非常容易造成井壁垮塌、卡鑽等井下事故。前蘇聯的科拉超深井和德國的KTB井,在6000米至7000米以下井段施工時,就曾因為高地應力頻頻發生事故,從而浪費了大量的時間和經費。

  考驗科技實力的時刻到了

  據測算,鑽一口這樣的井需要花10年甚至20年時間,大約需要20億人民幣。要想把這筆巨資花得響,必須得有十足的把握才能動工。為此,科學家們提出了不少施工策略。

  就拿對付地球的高溫來説吧。對于地球萬米深處300攝氏度高溫,首先挑戰的是鑽具上的橡膠、尼龍等有機材料,比如鑽具的密封件。此外還有鑽具上使用的電子元器件,目前大多數元器件能耐受的最高溫度在200攝氏度以內。

  “最簡單直接的辦法就是研究出更耐高溫的橡膠、聚氨酯和電子元器件。”王達説,如果這些材料仍然達不到要求,可以嘗試用耐高溫的金屬材料來替代它們。

  還有一個辦法是給鑽具降溫。比如泥漿可以提取到地面進行冷卻,通過泥漿的迴圈來帶走鑽具內的熱量。還有一個設想是採用專門的制冷設備,像空調一樣給鑽具降溫。遺憾的是,可以在高溫高壓環境下使用的制冷機目前還沒有誕生。

  為了防止井壁坍塌,科學家提出,可以加大泥漿的密度,盡量縮小最大地應力與最小地應力之間的差距。還可以採用多層套管或者膨脹套管來阻隔地層的崩塌。

  所以,表面上看是打一口井,實際上卻是在考驗一個國家的經濟實力、基礎工業實力和整個科技的發展水準。正如王達所言,要想完成世界第一的特深鑽孔,必須拿出世界第一的鑽探技術才行!

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【糾錯】 責任編輯: 陳聽雨
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