上天容易入地难!7018米深井现场总指挥讲述真实版“地心游记”(4)

2020-12-20 07:58     互联网

三大难题:高温、高压、高地应力

张金昌告诉记者,给地球深部打洞,主要依赖于钻头和中空的钻杆进行。其中钻头是能够“冲锋陷阵”的“地下先锋”,由高强度的昂贵人造金刚石构成,而钻杆都有螺纹接头,一根一根相接,就可以不断钻入地球的深部。

进行地球深部钻探时会遇到一系列的难题和挑战。如何保障钻头在持续超高温下不“罢工”,就是科学家们面临的重要问题,因为钻头在钻探时需要降温,钻井越深,温度越高。

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。可现阶段很多材料的耐高温性能还没这么厉害。

因此实施钻探时,深度越大用于降温用的循环钻井液面临的挑战就越大,此外还必须通过井下温度传感器实施精确监控。否则,钻头被烧坏,损失就大了。在钻探松科二井时,每往下钻进100米,地下温度会升高3℃至4℃,等钻到孔底的时候温度已超过240℃。

通过反复研究和实验,张金昌团队研发出新型水基钻井液配方,经受住了井底高温的考验,这刷新了我国钻井液应用的最高温度纪录。

给地球深部钻探降温,现在一些科学家也在设想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。

高压也是深部钻探的一大挑战。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。这也是现阶段我国深部钻探还没有突破1万米大关的重要原因。

更麻烦的是,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。

高地应力是深部钻探不能忽视的另一重威胁。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。张金昌透露,为了顺利推进钻探的进行,松科二井就实施了很多技术革新。比如采用国内首创的大直径同径取心钻探工具,使用钻探工具直接钻进一个大井眼,可以一次性钻进至设计的井眼直径。

损失1厘米岩心相当于损失1万年纪录

“钻地”成功后科学家们又面临“取心”的挑战。在一个极不均匀和复杂的球体上“动刀”,在保证钻的井眼不能坍塌和崩裂的同时,还要完整无缺地取出深部岩心,难度极大。

为了克服十分坚硬岩层钻进难、钻进速度低的问题,工程技术人员在这种情况出现时就在钻头上部安装了一个液动锤,每秒钟冲击5-20次先将岩石震碎,这样就降低了钻头破碎岩石的难度,提高了钻进速度。

要是遇到了破碎的岩石和不稳固的地层,为了避免洞壁坍塌造成麻烦,他们就给洞壁装上支架撑开,就如同给一些心血管狭窄的疾病患者安装支架一样。当孔已经很深时,为了避免提钻取心占用过多的辅助时间,研制成功了绳索取心技术。这样不用取出钻头和钻杆,一两个小时就能够取出岩心。张金昌说要不是通过这样的方式,通过取出钻头钻杆时一起取出岩心,每取一次就得花好几十个小时,这将会大大降低钻井的效率。

岩心是根据地质勘查工作或工程的需要,使用环状岩心钻头及其他取心工具,从孔内取出的圆柱状岩石样品。岩心是研究和了解地下地质和矿产情况的重要实物地质资料。

中国科学院院士王成善表示,提取岩心率必须达到95%才符合要求。岩心采取率是指从钻孔中某一孔段采出的岩心长度与该孔段实际进尺的百分比。

王成善告诉钻探人员,损失一厘米岩心,用地质年代换算,特殊情况下相当于损失一万年记录。岩心的提取率将直接影响后期的研究成果,在科研人员的不懈努力下,如今松科二井岩心提取率已经超过96%。

岩心具体是怎么取出来的呢?请看下图:

研究地球的气候与地质演化

为何给地球深部打洞?张金昌说,古生物与古气候研究是其一项极为重要的使命。研究证明,古生物的兴衰与气候变迁具有很大的关系,而大地的深处埋藏着很多信息,获取的岩心就是最为重要的证据资料。

目前松科二井岩心已经全部采集完毕,这将会在研究白垩纪古气候演变以及未来人类生存环境演化方面发挥关键作用。“我们打到了7018米的深度,这几乎等同于我们经过了1.4亿年的还原。”张金昌说。

白垩纪指约1亿4550万年前至6550万年前,这个时期地球变得温暖、干旱,平均气温和二氧化碳含量都比现在要高。许多新的恐龙、最大的恐龙在这个时期出现。值得一提的是, 6600万年之前地球上发生了一次大规模生物灭绝事件,地球上约75%的动物与植物都在这次生物浩劫中消失尽管这一灭绝事件的原因众说纷纭,气候环境的变换依旧是科学界最为怀疑的对象。

在科学界,比较一致的观点认为,利用地球深部钻探找出当时的岩心进行研究是分析白垩纪气候变化极为重要的方式。

让研究古生物与古气候的科学家十分欣喜的是,通过岩心复原,松科二井科学钻探工程首次建立了白垩纪最完整、最连续高清晰度的陆相地层“金柱子”,成为白垩纪的标尺和标杆。这将有助于我国引领全球白垩纪陆相古气候研究,显著提升我国在地质历史古气候研究领域的国际影响力。

并且在对松科二井深部信息资料的研究中,科学家发现当时气候出现巨大波动,捕捉到大规模火山爆发排放二氧化碳引发陆相气候剧烈波动的重要信息,证实了气候快速变化是导致恐龙灭绝的诱发因素。而小行星撞击地球发生在此后,可能是压垮骆驼的最后一根稻草。

王成善表示,白垩纪这一时期是离我们最近的温室气候时期,也是高二氧化碳、高海平面和高温的“三高”时期。搞清楚白垩纪,对于研究未来地球演化尤其是可能会进入这种“三高”时期具有重要借鉴作用。

近百年来,全球气候正在经历一次以变暖为主要特征的显著变化,人类文明的发展迫切要求我们对这种变化的发展趋势及其环境与资源效应有更加深入的了解。据了解,目前正在实施的国际大陆科学钻探项目有30余项,其中近一半的项目是针对“全球环境与气候变化”的研究。

为能源调查和地震研究提供重要支撑

给地球深部打洞也能够为地球上的能源研究与寻找、地质调查、地震科学研究等提供十分重要的支撑。通过科学钻探,科学家可以对岩石圈进行直接观测和获得连续的岩石记录,这对解决人类社会发展所面临的资源、灾害和环境三大问题都有十分重要的意义。

如7018米的松科二井揭示了松辽盆地形成的原因、过程和结果,为支撑大庆油田未来50年发展,保证我国能源安全提供了重要数据支撑。

目前,大庆油田开采的油气资源深度大约在3000米以内。而通过此次“松科二井”钻探,地质学家在松辽盆地深部凹陷带3350米以下的地层中发现了累计厚度达102米的高甲烷含量地层,这也将拓展我国深部能源勘查开发的新空间。

地球深部蕴藏了绝大部分的资源和能源,是维系万物生存的物质和能量基础。从理论上讲,地球内部可利用的成矿空间分布在从地表到地下1万米,目前世界先进水平勘探开采深度已达2500米至4000米,而我国大多小于500米。

有学者研究认为,如果我国固体矿产勘查深度达到2000米,探明的资源储量可以在现有基础上翻一番。

此外,松科二井还首次在井深4400米~7018米发现了温度在150℃~240℃的具备开发条件的高温干热岩和2层含高放射性元素异常地层,展示了松辽盆地具有良好的地热能开发应用潜力。

张金昌表示,在完成钻探并获取岩心以后并不是就要进行回填处理,只要没有意外状况,就要下放一些科学仪器进行跟踪研究。比如这样的场所是地震信号捕捉的最佳场所,通过监测仪器的布设将会给地震科学研究带来很大的帮助。

刚触及地球表层不会引发火山爆发

地球的深部钻探,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。这也是目前世界上只有少数国家能够钻探超过5000米深度的重要原因。

根据规划,中国未来还将有深度更深的地球深部钻探工程。下一步,中国科学家将继续研发15000米国产超深钻探装备系列,做好我国超万米大陆科学钻探工程。

“随着技术的发展,现在智能钻探、定向钻探已经成了地球深部钻探的主要发展方向,在不久的将来希望我们就能够实现想钻到哪里就打到哪里。”张金昌说。

有一些人担心,给地球深部打洞,如果不慎可能会导致火山等灾难性事故。张金昌认为当前这样的担忧过虑了,因为就当前的钻探深度而言,才刚刚触及了地壳的皮毛,根本不会因为打到岩浆层导致火山喷发。

就是将来人类可以打得更深了,也可以在打洞之前根据获得的地质信息资料对打洞风险进行评估,并采取合适的策略。

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