“地殼一號”鑽機：將人類“視距”延伸至地下萬米

2021-06-02

“上天、入地、下海、登極”是人類認識自然和挑戰自然的四大壯舉。以大陸科學鑽探為主的“入地”工程是獲取地下實物信息的唯一手段, 其難度絕不亞於“上天”工程。

受困於地殼岩石阻隔，人類對地球內部知之甚少。若想對地球內部結構和物質成分進行探測，最直接、最有效和最可靠的方法是向地球縱深打一口科學鑽探井，將人類的“視距”向地球內部延伸數千米甚至上萬米，進而一探究竟。

7018米！

2018年6月2日，由我國自主研發的萬米鑽機“地殼一號”正式宣佈完成“首秀”：以完鑽井深7018米創亞洲國家大陸科學鑽井新紀錄,標誌着中國成為繼俄羅斯和德國之後,世界上第三個擁有實施萬米大陸鑽探計劃專用裝備和相關技術的國家，這讓參與其中的科研人員激動不已。

為滿足我國地球深部探測工程的重大需求，我國於2009年啓動了“深部探測技術與實驗研究專項”，其中第九項目“深部探測關鍵儀器裝備研製與實驗”由吉林大學教授、博士生導師黃大年擔任負責人，該項目的第五課題“深部大陸科學鑽探裝備研製”由時任吉林大學副校長、教授孫友宏擔任負責人，該課題的主要任務是研製“地殼一號”萬米鑽機。

2013年10月15日，50輛大型拖車裝載着被分拆成零件的“地殼一號”從四川省廣漢市出發前往東北；2014年4月13日零點，“地殼一號”萬米鑽機在位於松遼盆地的松科二井現場實施開鑽作業；2018年，松科二井正式完井，超額完成預定目標，在理論、技術、工程、裝備等方面均實現了重大突破，極大地提升了我國地球深部探測的能力和影響力。

進軍

一場科技競賽在地球內部展開

受困於地殼岩石阻隔，人類對地球內部知之甚少。若想對地球內部結構和物質成分進行探測，最直接、最有效和最可靠的方法是縱深向地球內部打一口科學鑽探井，將人類的“視距”向地球內部延伸數千米甚至上萬米，進而一探究竟。

通過科學鑽探，在地質學方面，可以研究地球深部構造及演化、地球深部流體及其作用，校驗地球物理探測結果；在資源能源開發利用方面，可以研究成礦理論、油氣成因，調查和開發深部熱能；在環境科學方面，可以研究地震成因、火山噴發機理、地質災害預警、地球氣候演變、生命演化歷史。因此，科學鑽探被形象地譽為了解地球內部信息的“望遠鏡”。

基於此，上世紀末一些先行者開始向地球深處“進軍”。

大陸科學鑽探工程開始於20世紀60年代初，蘇聯地質學家H.A.別里亞耶夫斯基等人根據深部地球物理資料提出，為獲取整個地殼剖面，至少要在全球6個地區打超深井。

1970年，由蘇聯科學家主導的科拉超深鑽孔工程啓動，其中最深的一個鑽孔SG-3超深孔1986年3月達到11300米。與此同時，其他國家也開始了在這方面的探索，例如美國的羅傑斯1號孔（9583米，1974年）和德國的KTB井（9101米，1994年）。

1996年，國際大陸科學鑽探計劃(ICDP)正式成立以來，更多國家開始參與制定並組織實施科學鑽探，加入到國際大陸科學鑽探計劃中來。此時，各國爭先恐後的重要原因，在於以深井油氣鑽探裝備為依託的大陸科學鑽探工程，在一定程度上反映了一個國家的經濟實力和科技發展水平。這是一場科技競賽，誰也輕易不敢掉隊。

而在那時，我國最深的科學鑽探孔為CCSD-1孔，深度僅為5158米。

攻關

見招拆招解決“三高”難題

超深孔鑽探面臨一系列的世界級難題，其中最難以攻克的，便是要在地球的高温、高壓、高地應力“三高”條件下，確保鑽具的配件和電子元件能正常工作、取芯工作能夠順利進行。

為解決“三高”難題，我國的科技工作者們進行了艱苦卓絕的科研攻關。

經過4年多的努力，吉林大學成功研發出了我國首台萬米大陸科學鑽探專用裝備——“地殼一號”萬米鑽機，解決了我國深部鑽探裝備轉盤迴轉速度低、設備自動化程度低和深部鑽探鑽頭壓力控制精度低的三大技術難題，突破了高轉速全液壓頂部驅動鑽進、高精度自動化擺排管、高速度鑽桿柱自動擰卸輸送和高精度自動送鑽四大深部鑽探裝備關鍵技術，形成了具有自主知識產權的高性能深部科學鑽探裝備和配套裝置，填補了我國在深部大陸科學鑽探裝備領域空白，大大提高了我國超深井科學鑽探裝備的技術水平。

“此外，‘地殼一號’萬米鑽機還應用了一套由我們研發的自動化鑽井裝置，其主要包括自動擺排管裝置、自動擰卸裝置、自動‘貓道’裝置以及我們國內鑽深能力最大的一台全液壓頂驅裝置。”吉林大學機械學院教授沙永柏説。

地球內部的高温泥漿，被譽為鑽井的“血液”。在鑽井過程中，井鑽得越深，泥漿温度越高，鑽探技術難度越大。

在對國內外近30家泥漿材料供應商的產品進行遴選和配方試驗後，中國地質大學（武漢）工程學院勘察與基礎工程系教授烏效鳴研製出一種超高温水基鑽井液配方，使鑽井設備可經受住240攝氏度以上的高温考驗，刷新我國鑽井液應用的最高温度紀錄，給工程節省大量資金，保障了鑽孔安全。

成就

相關成果服務“一帶一路”

岩心作為地下岩石的剖面截取物，是人類瞭解地球深部唯一的實物資料。取出岩心後，地學家們通過技術手段對其進行分析研究，藉此來了解地球的成因、研究古環境古氣候的變化規律、研究地質構造運動、發現礦產資源和油氣資源。

“高於96%的取心率，獲得了連續完整的4014米岩心。”“地殼一號”工程項目取得的眾多成果中，這一項被地質專家們津津樂道。

按照要求，從井中取出的圓柱形岩心，無論大小，其每間隔10釐米或20釐米要貼上唯一的“身份證”編碼，包括鑽孔名稱、回次號、岩心段等信息。這些數據伴隨岩心一起被存入國家實物地質資料庫。藉助“地殼一號”萬米鑽機獲得的這些岩心，為我國科學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50年時發展和我國能源安全提供了重要的數據支撐。

松科二井工程首席科學家、中國科學院院士王成善説，松科二井完井是國際大陸科學鑽探計劃歷程中一件大事，也是中國入地工程的一件標誌性事件。實施這個工程最主要目的就是要探究距今6500萬年至1億4千萬年期間，即白堊紀時期重大地質事件、烴源巖的生成與古環境古氣候變化的奧秘。

據瞭解，目前“地殼一號”鑽機的相關技術成果已經成功應用於我國低温鑽機系列設備中，比如“極光”號極地鑽機。

目前，“極光”號極地鑽機已被應用在俄羅斯北極圈亞馬爾高寒地區油氣勘探作業中。亞馬爾液化天然氣項目是中俄能源合作的重大項目，是中國提出“一帶一路”倡議後實施的首個海外特大型項目。

“極光”號極地鑽機是應用於中俄亞馬爾液化天然氣項目的重要大型設備，該鑽機可在零下50攝氏度低温和12級以上強風環境下連續工作。這也是我國製造的首台可以在零下55攝氏度環境作業的極地鑽機。

“地殼一號”項目的技術成果還被廣泛應用於深部油氣鑽機和海洋鑽機鑽井包中，應用其成果的相關設備出口到阿聯酋、委內瑞拉、俄羅斯、美國等多個國家和地區。

相關行業專家表示，“地殼一號”萬米鑽機的研製及應用，標誌着我國地學領域對地球深部探測的“入地”計劃取得重大階段性進展，為後續國家地殼探測工程的全面實施、探求地球深部奧秘提供了高技術手段，也將帶動我國深部油氣資源和地熱資源勘探開發行業的技術進步。