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世界之最 在地球上钻一口全世界最深的井,有多难?

作者:婷婷张 · 发布时间:2019-12-14 11:54:11

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江苏连云港有三样东西比较有名,其一是传说中齐天大圣孙悟空占山为王的花果山水帘洞,其二是打造了毛主席水晶棺的东海水晶,还有一个,就是被当地老百姓称为“中国地眼”的中国大陆科学钻探工程CCSD—1号井(以下简称科钻一井)。

  这个科钻一井,你可以姑且把它理解为一口井,只不过这是一口很深很深的井。有多深呢?深入地下5158米。

  如果和地球的平均半径6371千米比较的话,这个深度简直是小巫见大巫,但这已经是人类在陆地钻探方面不错的成绩了,要知道向地球深处打洞可不是个容易事儿。中国正是凭借科钻一井这一深度成为了全世界第三个陆地钻探深度超过5000米的国家,前两个分别是前苏联和德国。

  这口井跟普通的井有什么不同?在地下这么深的地方打洞究竟有什么用?如果人类一直向地壳深处打洞,会不会把地球打穿?接下来我们一一揭晓。

  (中国大陆科学钻探工程CCSD—1号井)

  (一)地球内部究竟什么样?打个洞看看

  一百五十多年前,凡尔纳在《地心游记》这部经典科幻小说中,讲述了主人公通过火山口深入地底所经历的一系列奇幻的景象,这里有巨大的海、巨型的植物,早已灭绝的远古生物,甚至古人类遗骸……真实的地下是否也像小说中描述的那样呢?这一直是个令人着迷的问题。

  为了研究我们的地球,地质学家想了很多很多办法,然而,除了使用各种间接的方法(比如通过地震波研究地球结构),最直观、最准确的方法还是打开地球看一看——钻探。

  通过钻探取回的岩芯样本,地质学家可以分析研究岩石的成分、地壳的结构,进而推断地壳的演化过程。

  (科钻一井取回的岩芯照片)

  根据岩芯里面的矿石成分,结合地质构造,人们可以知道去哪里找矿藏、石油、天然气。

  (2017年中国在南海成功开采可燃冰)

  此外,通过钻探,人们还可以研究生物的演化和灭绝的历史

  (科学钻探可以研究生物演化史)

  中国的科钻一井就是这样一口用来进行科学研究的钻井,通过科钻一井获得的岩心,在科学家手里可是无价之宝。

  除了这些,在钻井的基础上建立地壳的长期观测站,还可以研究地震是怎么发生的,对以后地震的预测和预报都有很大的帮助。

  而且,科学钻探的超大深度、超高压力本身对钻井技术、机械设备、材料制造以及工程管理等方面提出很高的要求,这也会大大推动钻探技术的发展。

  当然,科学钻探还能研究很多其他的问题,所以,各个国家都在积(feng)极(kuang)地打钻。

  (二)向地球深处钻探,人类300年走了0.2%

  正如大家所知道的,世界上垂直距离上最深的钻孔是前苏联的科拉超深钻,它深达12262米,这一纪录至今近30年过去了依旧无人能打破,这个深度只有地球平均半径的0.2%左右。

  (前苏联科拉钻井,深达12262米)

  在科拉超深钻的基础上,前苏联/俄罗斯建立了世界上第一个地学实验室,专门研究古地壳结构。

  除了前苏联外,全世界排名第二的深井是德国KTB钻井,深度达9100米。美国也已经实施了13口钻孔。

  在此背景下,中国科学家也不甘落后。除了参加国际大陆钻探项目外,在国内,中国大陆科学钻探工程(Chinese Continental Scientific Drilling, CCSD)也如火如荼展开。

  科钻一井于2001年6月25日开钻,2005年4月18日完钻,终孔深度5158米。

  所谓孕镶金刚石钻头,就是在钻头胎体里均匀包镶着金刚石颗粒的钻头。钻进时胎体磨损,金刚石不断出露,切削岩石。孕镶金刚石钻头即使在胎体全部磨完时都有新出露的金刚石进行工作,大大提高了钻头的工作效率。

  (科钻一井使用的不同规格的钻头)

  (孕镶金刚石取芯钻头)

  常见的钻探技术有地质岩芯钻探技术和石油钻探技术两大类,但是各有优缺点。地质钻探技术使用顶驱动力式岩芯钻机,可以获取全部的岩芯,但是钻孔直径小,最深不超过3000米;而石油钻探技术则可以钻的很深(可超过10000米),但是取回的岩芯很少,一般不超过5%。

  所以,工程师就把二者的优势结合起来,利用石油转盘钻机和顶驱动力系统,进行金刚石绳索取芯钻进。这便是“组合式钻探技术”。

  (四)地下望远镜,科学钻探发现了啥?

  科钻一井施工获得的岩芯样品和测井所获得的大量原位信息为地学研究提供了丰富、翔实、可靠的实物资料。地质学家经过研究,已经取得许多研究成果。

  科钻一井揭示了50种类型的岩石。

  (中国大陆科学钻探工程主孔0~2000米岩性简化剖面)

  1-榴辉岩,2-角闪岩化榴辉岩,3-石榴角闪岩,4-斜长角闪岩,5-超基性岩,6-石榴(角闪)黑云斜长(二长)片麻岩,7-绿帘黑云斜长(二长)片麻岩,8-花岗质片麻岩,9-破碎带。

  第一次在世界上超高压变质岩区建立了深入地下5000米精细的由岩性、地球化学、氧同位素、构造变形、矿化、岩石物性、测井、地震VSP剖面和地下流体等系列剖面组成的“金柱子”,为相关领域的研究提供了基础资料。

  科钻一井项目还在国内首次开展三维地震探测,提供了精细地震和地质构造解释结果和波速模型,对中国的地震发生机制的研究和地震预测预报工作有重要的推动作用。

  此外,科钻一井钻出的岩心,在不同深度、不同岩性的岩石中发现大量极端条件下形成的微生物,在地质微生物研究方面取得了重大的进展。

  结语

  中国大陆科学钻探工程,是亚洲第一个深部地质作用长期观测实验基地,也是亚洲第一个大陆科学钻探和地球物理遥测数据信息库,亚洲第一个研究地幔物质的标本岩心馆和配套实验室,使中国超高压变质带和地幔物质研究达到国际领先水平。

  在科钻一井之后,中国又陆续开钻了中国环境科学钻探青海湖工程、中国白垩纪大陆科学钻探工程——松科1井和松科2井,并取得丰硕的研究成果。

  其中,“松科2井”截至2016年11月1日已经钻进至5877.06米,超越了中国大陆科钻(CCSD)1井的终孔深度5158米,不仅刷新了中国大陆科学钻探的记录,而且实物资料丰富,多项技术已突破了国内外科学钻探的前沿技术,树起了科学钻探领域的又一里程碑。

  井场位于江苏省连云港市东海县安峰镇以西7.5km处,是在具有全球地学意义的大别-苏鲁超高压变质带实施的第一口5000米级科学深钻。如今,在井场上建立了中国大陆科学钻探工程长期观测站。

  (中国大陆科学钻探工程井场位置图)

  (三)打一个5000米深的钻孔,有多难?

  我们都知道,地壳深处是一个高温高压的环境,这个高究竟能高到什么程度呢?

  有科学家预计,当钻头钻到地下万米后,温度将达到300摄氏度以上,也就是说,钻头每前进一米都要经受更高温度的考验。对付岩石,金属钻头是一把好手,但面对高温,它们立马就蔫了。

  万米下的压力同样令机器不堪重负,科学家预估,在钻到一万米地下后,钻井内泥浆压力将达到175兆帕以上,地层压力将达到400兆帕。

  而高温和高压又会导致岩石容易破碎。

  因此,想要钻一个5000米深的钻孔,困难重重。

  而且,科钻一井这样的大陆深地钻探在中国尚无先例,没有可以借鉴的案例和技术,也没有地下深部的资料,施工的难度和风险都极大。

  为了解决这个问题,工程师们设计和创造了“灵活的双孔方案”

  双孔方案是在最终目标钻孔附近先钻一个直径较小、深度较浅的取芯钻孔,然后再进行最终目标钻孔的钻取。

  直径较小、深度较浅孔称为先导孔,最终目标钻孔称为主孔。根据不同的施工要求而灵活运用两种施工程序的整体方案,解决了没有资料和技术等诸多问题。

  (科钻一井双孔方案)

  为了科研的需要,这个钻孔还不能太细,即使在5158米深的井底,钻孔的直径也达到了156毫米,而且还要连续获取岩芯。这都对钻机系统和钻头工艺提出了很高的要求。

  科钻一井施工使用的是完全国产的钻机。它用电驱动,技术先进,自动化程度高,操作方便。钻机能实现无极调速,与各子系统配合,可以设计不同的钻进模式,扩大了钻机的使用范围,更适合在同一井内使用多种工艺方法施工,满足了科学钻探的需要。

  (科钻一井使用的钻机)

  科钻一井遇到的岩石主要是片麻岩和榴辉岩,这两种岩石是原有岩石在地壳极大的压力下变质形成的,因此十分坚硬,难以钻进。所以,钻头的硬度要高,耐磨性要好。

  (坚硬的榴辉岩,需要硬度高而且耐磨的钻头才能钻进)

  在钻进时,科钻一井采用了薄壁孕镶金刚石取芯钻头为主的金刚石取芯钻进工艺方法,建立了“组合式钻探技术”。

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