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“地殼一號”鉆機: 將人類“視距”延伸至地下萬米

2021年06月03日 09:32   來源:科技日報   參與互動參與互動
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  “地殼一號”鉆機: 將人類“視距”延伸至地下萬米

  ◎本報記者 楊 侖 綜合報道

  “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。以大陸科學鉆探為主的“入地”工程是獲取地下實物信息的唯一手段, 其難度絕不亞于“上天”工程。

  受困于地殼巖石阻隔,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鉆探井,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鉆機“地殼一號”正式宣布完成“首秀”:以完鉆井深7018米創亞洲國家大陸科學鉆井新紀錄,標志著中國成為繼俄羅斯和德國之后,世界上第三個擁有實施萬米大陸鉆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,我國于2009年啟動了“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制與實驗”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“深部大陸科學鉆探裝備研制”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制“地殼一號”萬米鉆機。

  2013年10月15日,50輛大型拖車裝載著被分拆成零件的“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”萬米鉆機在位于松遼盆地的松科二井現場實施開鉆作業;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

  “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。以大陸科學鉆探為主的“入地”工程是獲取地下實物信息的唯一手段, 其難度絕不亞于“上天”工程。

  受困于地殼巖石阻隔,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鉆探井,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。

  通過科學鉆探,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,科學鉆探被形象地譽為了解地球內部信息的“望遠鏡”。

  基于此,上世紀末一些先行者開始向地球深處“進軍”。

  大陸科學鉆探工程開始于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鉆孔工程啟動,其中最深的一個鉆孔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,例如美國的羅杰斯1號孔(9583米,1974年)和德國的KTB井(9101米,1994年)。

  1996年,國際大陸科學鉆探計劃(ICDP)正式成立以來,更多國家開始參與制定并組織實施科學鉆探,加入到國際大陸科學鉆探計劃中來。此時,各國爭先恐后的重要原因,在于以深井油氣鉆探裝備為依托的大陸科學鉆探工程,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,我國最深的科學鉆探孔為CCSD-1孔,深度僅為5158米。

  攻關

  見招拆招解決“三高”難題

  超深孔鉆探面臨一系列的世界級難題,其中最難以攻克的,便是要在地球的高溫、高壓、高地應力“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臺萬米大陸科學鉆探專用裝備——“地殼一號”萬米鉆機,解決了我國深部鉆探裝備轉盤回轉速度低、設備自動化程度低和深部鉆探鉆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鉆進、高精度自動化擺排管、高速度鉆桿柱自動擰卸輸送和高精度自動送鉆四大深部鉆探裝備關鍵技術,形成了具有自主知識產權的高性能深部科學鉆探裝備和配套裝置,填補了我國在深部大陸科學鉆探裝備領域空白,大大提高了我國超深井科學鉆探裝備的技術水平。

  “此外,‘地殼一號’萬米鉆機還應用了一套由我們研發的自動化鉆井裝置,其主要包括自動擺排管裝置、自動擰卸裝置、自動‘貓道’裝置以及我們國內鉆深能力最大的一臺全液壓頂驅裝置。”吉林大學機械學院教授沙永柏說。

  地球內部的高溫泥漿,被譽為鉆井的“血液”。在鉆井過程中,井鉆得越深,泥漿溫度越高,鉆探技術難度越大。

  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后,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制出一種超高溫水基鉆井液配方,使鉆井設備可經受住240攝氏度以上的高溫考驗,刷新我國鉆井液應用的最高溫度紀錄,給工程節省大量資金,保障了鉆孔安全。

  成就

  相關成果服務“一帶一路”

  巖心作為地下巖石的剖面截取物,是人類了解地球深部唯一的實物資料。取出巖心后,地學家們通過技術手段對其進行分析研究,借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。

  “高于96%的取心率,獲得了連續完整的4014米巖心。”“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巖心,無論大小,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、巖心段等信息。這些數據伴隨巖心一起被存入國家實物地質資料庫。借助“地殼一號”萬米鉆機獲得的這些巖心,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說,松科二井完井是國際大陸科學鉆探計劃歷程中一件大事,也是中國入地工程的一件標志性事件。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。

  據了解,目前“地殼一號”鉆機的相關技術成果已經成功應用于我國低溫鉆機系列設備中,比如“極光”號極地鉆機。

  目前,“極光”號極地鉆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”倡議后實施的首個海外特大型項目。

  “極光”號極地鉆機是應用于中俄亞馬爾液化天然氣項目的重要大型設備,該鉆機可在零下50攝氏度低溫和12級以上強風環境下連續工作。這也是我國制造的首臺可以在零下55攝氏度環境作業的極地鉆機。

  “地殼一號”項目的技術成果還被廣泛應用于深部油氣鉆機和海洋鉆機鉆井包中,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”萬米鉆機的研制及應用,標志著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,為后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。

【責任編輯:李明陽】
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