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“地殼一號(hào)”鉆機(jī): 將人類(lèi)“視距”延伸至地下萬(wàn)米

來(lái)源:新華社 時(shí)間:2021-06-06 23:07:03

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夜幕下的“地殼一號(hào)”萬(wàn)米鉆機(jī)整機(jī)系統(tǒng) 新華社記者 許暢攝


“上天、入地、下海、登極”是人類(lèi)認(rèn)識(shí)自然和挑戰(zhàn)自然的四大壯舉。以大陸科學(xué)鉆探為主的“入地”工程是獲取地下實(shí)物信息的唯一手段, 其難度絕不亞于“上天”工程。


  受困于地殼巖石阻隔,人類(lèi)對(duì)地球內(nèi)部知之甚少。若想對(duì)地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)和物質(zhì)成分進(jìn)行探測(cè),最直接、最有效和最可靠的方法是向地球縱深打一口科學(xué)鉆探井,將人類(lèi)的“視距”向地球內(nèi)部延伸數(shù)千米甚至上萬(wàn)米,進(jìn)而一探究竟。


  7018米!


  2018年6月2日,由我國(guó)自主研發(fā)的萬(wàn)米鉆機(jī)“地殼一號(hào)”正式宣布完成“首秀”:以完鉆井深7018米創(chuàng)亞洲國(guó)家大陸科學(xué)鉆井新紀(jì)錄,標(biāo)志著中國(guó)成為繼俄羅斯和德國(guó)之后,世界上第三個(gè)擁有實(shí)施萬(wàn)米大陸鉆探計(jì)劃專用裝備和相關(guān)技術(shù)的國(guó)家,這讓參與其中的科研人員激動(dòng)不已。


  為滿足我國(guó)地球深部探測(cè)工程的重大需求,我國(guó)于2009年啟動(dòng)了“深部探測(cè)技術(shù)與實(shí)驗(yàn)研究專項(xiàng)”,其中第九項(xiàng)目“深部探測(cè)關(guān)鍵儀器裝備研制與實(shí)驗(yàn)”由吉林大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師黃大年擔(dān)任負(fù)責(zé)人,該項(xiàng)目的第五課題“深部大陸科學(xué)鉆探裝備研制”由時(shí)任吉林大學(xué)副校長(zhǎng)、教授孫友宏擔(dān)任負(fù)責(zé)人,該課題的主要任務(wù)是研制“地殼一號(hào)”萬(wàn)米鉆機(jī)。


  2013年10月15日,50輛大型拖車(chē)裝載著被分拆成零件的“地殼一號(hào)”從四川省廣漢市出發(fā)前往東北;2014年4月13日零點(diǎn),“地殼一號(hào)”萬(wàn)米鉆機(jī)在位于松遼盆地的松科二井現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施開(kāi)鉆作業(yè);2018年,松科二井正式完井,超額完成預(yù)定目標(biāo),在理論、技術(shù)、工程、裝備等方面均實(shí)現(xiàn)了重大突破,極大地提升了我國(guó)地球深部探測(cè)的能力和影響力。


  進(jìn)軍 一場(chǎng)科技競(jìng)賽在地球內(nèi)部展開(kāi)


  “上天、入地、下海、登極”是人類(lèi)認(rèn)識(shí)自然和挑戰(zhàn)自然的四大壯舉。以大陸科學(xué)鉆探為主的“入地”工程是獲取地下實(shí)物信息的唯一手段, 其難度絕不亞于“上天”工程。


  受困于地殼巖石阻隔,人類(lèi)對(duì)地球內(nèi)部知之甚少。若想對(duì)地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)和物質(zhì)成分進(jìn)行探測(cè),最直接、最有效和最可靠的方法是縱深向地球內(nèi)部打一口科學(xué)鉆探井,將人類(lèi)的“視距”向地球內(nèi)部延伸數(shù)千米甚至上萬(wàn)米,進(jìn)而一探究竟。


  通過(guò)科學(xué)鉆探,在地質(zhì)學(xué)方面,可以研究地球深部構(gòu)造及演化、地球深部流體及其作用,校驗(yàn)地球物理探測(cè)結(jié)果;在資源能源開(kāi)發(fā)利用方面,可以研究成礦理論、油氣成因,調(diào)查和開(kāi)發(fā)深部熱能;在環(huán)境科學(xué)方面,可以研究地震成因、火山噴發(fā)機(jī)理、地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警、地球氣候演變、生命演化歷史。因此,科學(xué)鉆探被形象地譽(yù)為了解地球內(nèi)部信息的“望遠(yuǎn)鏡”。


  基于此,上世紀(jì)末一些先行者開(kāi)始向地球深處“進(jìn)軍”。


  大陸科學(xué)鉆探工程開(kāi)始于20世紀(jì)60年代初,蘇聯(lián)地質(zhì)學(xué)家H.A.別里亞耶夫斯基等人根據(jù)深部地球物理資料提出,為獲取整個(gè)地殼剖面,至少要在全球6個(gè)地區(qū)打超深井。


  1970年,由蘇聯(lián)科學(xué)家主導(dǎo)的科拉超深鉆孔工程啟動(dòng),其中最深的一個(gè)鉆孔SG-3超深孔1986年3月達(dá)到11300米。與此同時(shí),其他國(guó)家也開(kāi)始了在這方面的探索,例如美國(guó)的羅杰斯1號(hào)孔(9583米,1974年)和德國(guó)的KTB井(9101米,1994年)。


  1996年,國(guó)際大陸科學(xué)鉆探計(jì)劃(ICDP)正式成立以來(lái),更多國(guó)家開(kāi)始參與制定并組織實(shí)施科學(xué)鉆探,加入到國(guó)際大陸科學(xué)鉆探計(jì)劃中來(lái)。此時(shí),各國(guó)爭(zhēng)先恐后的重要原因,在于以深井油氣鉆探裝備為依托的大陸科學(xué)鉆探工程,在一定程度上反映了一個(gè)國(guó)家的經(jīng)濟(jì)實(shí)力和科技發(fā)展水平。這是一場(chǎng)科技競(jìng)賽,誰(shuí)也輕易不敢掉隊(duì)。


  而在那時(shí),我國(guó)最深的科學(xué)鉆探孔為CCSD-1孔,深度僅為5158米。


  攻關(guān) 見(jiàn)招拆招解決“三高”難題


  超深孔鉆探面臨一系列的世界級(jí)難題,其中最難以攻克的,便是要在地球的高溫、高壓、高地應(yīng)力“三高”條件下,確保鉆具的配件和電子元件能正常工作、取芯工作能夠順利進(jìn)行。


  為解決“三高”難題,我國(guó)的科技工作者們進(jìn)行了艱苦卓絕的科研攻關(guān)。


  經(jīng)過(guò)4年多的努力,吉林大學(xué)成功研發(fā)出了我國(guó)首臺(tái)萬(wàn)米大陸科學(xué)鉆探專用裝備——“地殼一號(hào)”萬(wàn)米鉆機(jī),解決了我國(guó)深部鉆探裝備轉(zhuǎn)盤(pán)回轉(zhuǎn)速度低、設(shè)備自動(dòng)化程度低和深部鉆探鉆頭壓力控制精度低的三大技術(shù)難題,突破了高轉(zhuǎn)速全液壓頂部驅(qū)動(dòng)鉆進(jìn)、高精度自動(dòng)化擺排管、高速度鉆桿柱自動(dòng)擰卸輸送和高精度自動(dòng)送鉆四大深部鉆探裝備關(guān)鍵技術(shù),形成了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高性能深部科學(xué)鉆探裝備和配套裝置,填補(bǔ)了我國(guó)在深部大陸科學(xué)鉆探裝備領(lǐng)域空白,大大提高了我國(guó)超深井科學(xué)鉆探裝備的技術(shù)水平。


  “此外,‘地殼一號(hào)’萬(wàn)米鉆機(jī)還應(yīng)用了一套由我們研發(fā)的自動(dòng)化鉆井裝置,其主要包括自動(dòng)擺排管裝置、自動(dòng)擰卸裝置、自動(dòng)‘貓道’裝置以及我們國(guó)內(nèi)鉆深能力最大的一臺(tái)全液壓頂驅(qū)裝置。”吉林大學(xué)機(jī)械學(xué)院教授沙永柏說(shuō)。


  地球內(nèi)部的高溫泥漿,被譽(yù)為鉆井的“血液”。在鉆井過(guò)程中,井鉆得越深,泥漿溫度越高,鉆探技術(shù)難度越大。


  在對(duì)國(guó)內(nèi)外近30家泥漿材料供應(yīng)商的產(chǎn)品進(jìn)行遴選和配方試驗(yàn)后,中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院勘察與基礎(chǔ)工程系教授烏效鳴研制出一種超高溫水基鉆井液配方,使鉆井設(shè)備可經(jīng)受住240攝氏度以上的高溫考驗(yàn),刷新我國(guó)鉆井液應(yīng)用的最高溫度紀(jì)錄,給工程節(jié)省大量資金,保障了鉆孔安全。


  成就 相關(guān)成果服務(wù)“一帶一路”


  巖心作為地下巖石的剖面截取物,是人類(lèi)了解地球深部唯一的實(shí)物資料。取出巖心后,地學(xué)家們通過(guò)技術(shù)手段對(duì)其進(jìn)行分析研究,借此來(lái)了解地球的成因、研究古環(huán)境古氣候的變化規(guī)律、研究地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、發(fā)現(xiàn)礦產(chǎn)資源和油氣資源。


  “高于96%的取心率,獲得了連續(xù)完整的4014米巖心?!薄暗貧ひ惶?hào)”工程項(xiàng)目取得的眾多成果中,這一項(xiàng)被地質(zhì)專家們津津樂(lè)道。


  按照要求,從井中取出的圓柱形巖心,無(wú)論大小,其每間隔10厘米或20厘米要貼上唯一的“身份證”編碼,包括鉆孔名稱、回次號(hào)、巖心段等信息。這些數(shù)據(jù)伴隨巖心一起被存入國(guó)家實(shí)物地質(zhì)資料庫(kù)。借助“地殼一號(hào)”萬(wàn)米鉆機(jī)獲得的這些巖心,為我國(guó)科學(xué)家建立地球演化檔案提供了難得的資料,也為大慶油田未來(lái)50年時(shí)發(fā)展和我國(guó)能源安全提供了重要的數(shù)據(jù)支撐。


  松科二井工程首席科學(xué)家、中國(guó)科學(xué)院院士王成善說(shuō),松科二井完井是國(guó)際大陸科學(xué)鉆探計(jì)劃歷程中一件大事,也是中國(guó)入地工程的一件標(biāo)志性事件。實(shí)施這個(gè)工程最主要目的就是要探究距今6500萬(wàn)年至1億4千萬(wàn)年期間,即白堊紀(jì)時(shí)期重大地質(zhì)事件、烴源巖的生成與古環(huán)境古氣候變化的奧秘。


  據(jù)了解,目前“地殼一號(hào)”鉆機(jī)的相關(guān)技術(shù)成果已經(jīng)成功應(yīng)用于我國(guó)低溫鉆機(jī)系列設(shè)備中,比如“極光”號(hào)極地鉆機(jī)。


  目前,“極光”號(hào)極地鉆機(jī)已被應(yīng)用在俄羅斯北極圈亞馬爾高寒地區(qū)油氣勘探作業(yè)中。亞馬爾液化天然氣項(xiàng)目是中俄能源合作的重大項(xiàng)目,是中國(guó)提出“一帶一路”倡議后實(shí)施的首個(gè)海外特大型項(xiàng)目。


  “極光”號(hào)極地鉆機(jī)是應(yīng)用于中俄亞馬爾液化天然氣項(xiàng)目的重要大型設(shè)備,該鉆機(jī)可在零下50攝氏度低溫和12級(jí)以上強(qiáng)風(fēng)環(huán)境下連續(xù)工作。這也是我國(guó)制造的首臺(tái)可以在零下55攝氏度環(huán)境作業(yè)的極地鉆機(jī)。


  “地殼一號(hào)”項(xiàng)目的技術(shù)成果還被廣泛應(yīng)用于深部油氣鉆機(jī)和海洋鉆機(jī)鉆井包中,應(yīng)用其成果的相關(guān)設(shè)備出口到阿聯(lián)酋、委內(nèi)瑞拉、俄羅斯、美國(guó)等多個(gè)國(guó)家和地區(qū)。


  相關(guān)行業(yè)專家表示,“地殼一號(hào)”萬(wàn)米鉆機(jī)的研制及應(yīng)用,標(biāo)志著我國(guó)地學(xué)領(lǐng)域?qū)Φ厍蛏畈刻綔y(cè)的“入地”計(jì)劃取得重大階段性進(jìn)展,為后續(xù)國(guó)家地殼探測(cè)工程的全面實(shí)施、探求地球深部奧秘提供了高技術(shù)手段,也將帶動(dòng)我國(guó)深部油氣資源和地?zé)豳Y源勘探開(kāi)發(fā)行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步。


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