打开地球深部通道

2018-07-12 03:45 来源:光明网-《光明日报》 

  【科学向未来】

  作者:曹龙龙;王稳石(松科二井钻探技术团队的核心技术人员;松科二井工程指挥部钻井工程室主任、高级工程师)

  46亿年前,地球诞生了,它内部有地核、地幔、地壳结构,外部有水圈、大气圈和磁场。它就像母亲的摇篮一样承载着人类的发展,其蕴藏的丰富资源也是人类赖以生存的物质基础。然而,地球有它自己的“怪脾气”,如地震、火山和泥石流等,这些“怪脾气”让人类损失巨大,也让人类望而生畏。

  由于地球内部岩层、水层、温度、压力等千变万化,迄今为止,人类对地球内部仍知之甚少。科学家可以通过通过向地下钻进深孔获取地壳岩石实物资料,从地壳内部取芯钻探来打开探秘地球深部的通道。比如,2013年,松科二井重大地调科研项目启动,钻井的深度就超过7000米。

  超过7000米的超深井在向下钻进的过程中,一要保证钻的井眼不能坍塌和崩裂,二要保证取出的深部岩芯完好无缺。要想达到这两个目标,不但需要有先进的钻进方法,而且必须有适合地下各种复杂多变地层的“挖石利器”——取芯钻探工具。

  这种取芯钻探工具和匹配的钻头是向地下钻进并抓取岩石的保障,其工作过程为:钻头在最底部通过高速转动不断“咬碎”周围的岩石,把中间的柱状岩石样本送入取芯钻具里抓取、携带岩芯的内筒,而取芯钻具外筒源源不断地将钻进中需要的压力和转速传递给钻头,同时在转动过程中修整井壁,保护内筒。

  传统的科学钻探中大直径井段是先取芯钻进一个小井眼,再用扩孔钻头重新钻进去扩大井眼至设计井眼直径。然而,在科学超深井钻探中面临的挑战是如何在大直径井眼中高效钻进,并且完整地抓取岩芯。松科二井在钻探过程中取得一系列技术创新,如大直径同径取芯、长钻程技术和大直径岩芯原状出筒技术等,是我国科学超深井钻探取得的新突破。

  在超深井向下连续钻进过程中,既要让上部井眼完好且不坍塌,也要让钻头“咬碎”的岩渣从井底顺利排出,还要保证高速转动的钻头不会因为发热而提前报废,这些都得依靠“泥浆”即钻井液来实现,它就像人的血液一样,在钻眼过程中从地面到井眼最底部不停地循环、净化,传递水动力、冷却并润滑钻具,携带和悬浮岩屑,维护井眼周围井壁的稳定。

  超深井在钻到一定深度的时候会遇到各种困难,比如地球内部温度高、压力大等。科学家们已预想到了这些问题,如在大直径井眼取芯钻进中怎么能不把钻杆全部从孔里提出来就可以把岩芯全部取上来;在高温地层、较硬的岩石中怎么能让钻头更高转速去“咬碎”岩石;怎么能在钻眼的同时把井眼底下的数据直接输送到地面。

  “上天入地”揭开宇宙的神秘面纱,探索地心深处的奥秘,科学钻探路漫漫其修远兮,尽管现在只钻穿了地球的“皮毛”,但笔者相信,在地质科学家不懈努力和探索下,通过将来实施万米科学钻探、超万米科学钻探,人类一定会打开探秘地球深部的通道。那时,人们距离地心会越来越近,并逐步揭开地球深部的秘密。

  《光明日报》( 2018年07月12日 13版)

[责任编辑:李伯玺]

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