English

向地球深部進軍 豎起新地標

2018-07-12 03:45 來源﹕光明網-《光明日報》 

  作者﹕張金昌(自然資源部中國地質調查局勘探技術研究所所長﹑松科二井工程總指揮)

  編者按

  地球深部探測能力是一個國家科技創新能力的重要體現。“向地球深部進軍”被列入《“十三五”國家科技創新規劃》。“松科二井”是自然資源部中國地質調查局踐行“向地球深部進軍”的具體行動﹐主要圍繞松遼盆地深部能源資源調查﹑建立松遼盆地深部地層結構剖面﹑尋求白堊紀氣候變化地質證據以及研發深部探測技術等四大科學目標展開。今年6月﹐松科二井的科學鑽探工程以完井深度7018米的成績﹐刷新了國際大陸科學鑽探計劃實施22年以來的新紀錄。

  21世紀人類面臨可持續發展的新考驗﹐面臨資源匱乏﹐環境變化及災害頻繁等巨大挑戰。人類必須向地球深部進軍﹐這已成為全球科學家的共識。20世紀90年代﹐德國﹑中國﹑美國的科學家共同發起“國際大陸科學鑽探計劃”。“松遼盆地大陸科學鑽探工程”的松科二井作為“國際大陸科學鑽探計劃”的重要組成部分﹐是全球在陸地上實施的第一口陸相白堊紀科學鑽探井。

  2018年6月﹐松科二井入地7018米﹐成為國際大陸科學鑽探計劃實施22年以來最深的深度﹐代表了中國“入地”的能力。這是中國積極投身地質領域科技創新﹐為全人類美好未來奮鬥的一次壯舉﹐也是自然資源部中國地質調查局圍繞國家重大需求﹐以破解深部鑽探技術和探索松遼盆地深部資源環境重大地質問題為目標﹐多部門協作﹑多專業多學科融合﹑產學研用結合的協同攻關機制的實踐﹐成功經驗值得好好總結。

  解讀地球深部埋藏的億萬年演化記錄﹐為預測未來全球氣候變化提供科學依據

  地球深部埋藏著億萬年演化記錄﹐能夠幫助人類解決今天面臨的重要生存發展問題。但由於固體岩石的阻隔﹐人類對地球內部直接觀察困難重重。相較于上天﹑入海﹐人們對自己生活的地球內部所知甚少。

向地球深部進軍 豎起新地標

松科二井鑽井現場。圖片由自然資源部中國地質調查局提供。

  隨著科學技術的發展﹐從20世紀60年代開始﹐地質學家才開始利用鑽探技術向地球深處伸出“望遠鏡”。中國地質科學家也清晰地認識到﹐大陸科學鑽探工程的開展﹐對於進一步瞭解地殼結構﹐掌握地球運動規律﹐豐富對生命科學﹑氣候變化的認識﹐探索解決資源環境重大問題都具有重要意義。但當時﹐我國缺乏相關的技術﹐無法向地球深部進軍。

  直到二十一世紀﹐在中國地質大學(北京)教授王成善等中國地質科學家努力下﹐“松遼盆地大陸科學鑽探”納入國際大陸科學鑽探計劃﹐中國地質調查局啟動了松科二井工程。

向地球深部進軍 豎起新地標

松科二井工程技術人員在現場作業。圖片由自然資源部中國地質調查局提供。

  2014年8月﹐在中國地質調查局組織下﹐中國地質大學(北京)﹑吉林大學﹑中國地質大學(武漢)等多家單位的地球科學家和國際地科聯﹑國際大陸科學鑽探計劃﹑國際地球深部探測計劃等國際地學研究機構的負責人﹐美國科學基金委員會﹑日本地質學會﹑韓國地質學會的專家學者﹐齊聚松遼盆地﹐現場考察了松科二井工程實施進展情況。

  當時﹐中國地質調查局局長鐘自然提出了松科二井工程將主要實現的目標﹕一是研究距今6500萬年至1.45億年間白堊紀地球溫室氣候和環境變化﹐為預測未來全球氣候變化提供科學依據﹔二是建立服務“百年大慶”目標和基礎地質研究的“金柱子”﹐為松遼盆地及其類似盆地的地球物理勘探提供科學“標尺”﹔三是攻克高溫鑽井﹑固井﹑測井和超長井段連續取芯等關鍵工程技術﹐為萬米超深井科學鑽探提供技術儲備﹐促進我國深部勘查技術發展﹔四是搭建國際合作交流平臺﹐為我國培養具有國際視野的地球科學專家和人才。

向地球深部進軍 豎起新地標

松科二井地址提取上來的岩芯。圖片由自然資源部中國地質調查局提供。

  經過4年多的艱苦攻關和組織實施﹐松科二井終成為全球第一口鑽穿白堊紀陸相地層的大陸科學鑽井﹐成為亞洲國家實施的最深大陸科學鑽井和國際大陸科學鑽探計劃成立22年來實施的最深鑽井。

  科學鑽探工程不是簡單打一口鑽井

  科學鑽探工程﹐表面上看是打一口井﹐實際上卻是在考驗一個國家的經濟實力﹑基礎工業實力﹐以及整個地質領域科技發展水平。

  大陸科學鑽探不同於普通石油鑽探﹐大陸科學鑽探的目的是進行各項科學研究。因此﹐松科二井不僅要“打到預定深度”﹐還要把這麼長的地層岩芯完好地“拿上來”﹐然後從岩芯中讀取數據和開展科學研究﹐讀取的數據越清晰規範﹐越有科學研究價值和指導意義。

  換句話說﹐科學鑽探的鑽進深度和獲取岩心都至關重要。

  而科學鑽探過程中會遭遇很多世界級難題﹐其中就包括地球的“三高”(高溫﹑高壓﹑高地應力)問題。在“三高”條件下﹐首先要確保鑽機的配件和電子元件能正常工作﹔其次﹐在此條件下﹐盡一切可能避免井壁岩石破碎﹐造成井壁垮塌﹑卡鑽等井下事故。在數千米深的地下﹐一次斷裂﹐甚至細微的角度偏差﹐都會造成工程返工﹐影響進度﹐增加巨量成本﹔更重要的是﹐歷經千辛萬苦取出的樣品會因質量不達標而喪失研究價值。

  具體在松科二井鑽探工程中﹐一要保證岩芯的連續性完整性﹐二要克服松遼盆地複雜沉積岩地層以及地下高溫對鑽進的阻礙。同時﹐還要在保證安全和鑽孔質量的前提下﹐提高鑽進效率以提昇經濟效益。

  最終﹐松科二井工程以高於96%的岩芯採取率獲得了連續完整的6500米岩芯﹐成為大陸和大洋科學鑽探計劃最長岩心記錄﹐它代表了中國鑽探工程的技術已經成熟﹔以厘米級刻畫﹐研究時間跨度超過6000萬年的白堊紀陸地溫室氣候變化﹐它代表了中國在深時古氣候研究領域又向前邁進了一大步。

  松科二井工程實施團隊還創造了多項世界紀錄﹐為松科二井三開段壓縮施工時間至少4個月﹐節約鑽探成本超千萬元。其中﹐針對取芯長度和工程進度無法兼顧的世界難題﹐在世界上第一次研發並成功應用大口徑一次取心成井等技術﹐將鑽進速度提高了2倍﹐提高了取芯成功率﹔自主研發國產出系列大口徑取芯鑽具。針對超高溫無法施工問題﹐成功自主研發抗高溫鑽井液體系和固井技術﹐創造了國內最高溫度(241℃)條件下鑽進的新紀錄。

  松科二井工程中最大的技術亮點之一就是“大口徑取芯井段同徑取芯﹑一徑完鑽”。相對於此前國內外科學鑽探沿用的“小徑取芯﹑大徑擴孔”作業﹐它取消了活動套管﹑下入與起拔程序﹐避免了大段的擴孔鑽進工作﹐迴避了擴孔作業的技術風險﹐節約了大量的鑽探時間。為實現這一鑽井方法﹐中國地質調查局勘探技術研究所攻克了大直徑金剛石鑽頭的設計與加工﹐大直徑岩芯的拔斷與提鑽過程中鑽具對岩芯的承托等關鍵技術。

  松科二井成果的研究剛剛開始

  得益於松科二井工程創造的攻關平臺﹐如今﹐我國“深部科學鑽探取心技術體系”已經成型﹐創造了深部鑽探技術四項世界紀錄。這些深部科學鑽探技術成果的研發及其應用﹐對高質量地獲取地學研究基礎資料﹐深化我國地質基礎理論研究﹐推出國際水平的學術成果提供了關鍵的技術支持。這意味著從今以後﹐中國在這些領域可以在國際上發出權威之聲。

  “窮理以致其知﹐反躬以踐其實”。松科二井的實施不僅對我國科學鑽探工程技術進步有巨大推動作用﹐還將推動地學各領域及交叉領域的相關技術的進步。

  對松科二井現有成果進行全面﹑系統﹑深入﹑充分的總結和提昇﹐加快成果的轉化應用﹐是公益性地質調查的重要使命﹐也是松科二井在勝利完成工程階段﹐轉入後續科研階段需要把握的重要方向。由中國地質大學(北京)負責的松科二井白堊紀古環境古氣候研究及由中國地質調查局深部探測中心負責的深部基礎地質和資源能源等方面的研究也相繼展開。

  中國地質大學(北京)隨鑽開展了地質研究﹐在白堊紀古氣候研究方向﹐不斷嘗試各種定量古溫度重建指標﹐最終確定了定量重建古溫度的方法。團隊還與美國﹑德國相關實驗室開展了合作並測試大量樣品﹐通過松遼盆地大陸科學鑽探獲取的岩心﹐首次重建了相對連續的白堊紀──古近紀界線附近的陸相氣候記錄﹐發現了恐龍滅絕原因的新證據。

  深部探測中心圍繞獲得的岩心和相關資料開展綜合研究和科學攻關﹐取得了基礎地質研究三項重大進展﹐發現松遼盆地深部頁岩氣和干熱岩兩種清潔能源具有良好的勘查前景。

  最終﹐松科二井工程實施成果和科學研究成果﹐將由自然資源部中國地質調查局深部探測中心牽頭匯總﹐形成有國際影響力和實踐指導意義的重大科研報告。自然資源部中國地質調查局將加快推進《地球深部探測重大項目》的申報﹐推動“地球深部探測與能源資源安全”國家實驗室與“深部地下觀測與實驗”國家重大基礎科學設施的建設工作﹐發揮科技創新關鍵平臺作用。同時﹐藉此次成功實施松科二井工程﹐還將深化地球深部探測理論技術研究和成果轉化﹐組織實施好松遼盆地頁岩油(氣)﹑深層油氣﹑砂岩型鈾礦﹑干熱岩等清潔低碳能源地質科技攻堅戰﹐帶動大慶油田接替資源的勘查開發﹔研發15000米國產超深鑽探裝備系列﹐做好我國超萬米大陸科學鑽探工程以及大型含油氣盆地科學鑽探工程的選址和實施工作。

  《光明日報》( 2018年07月12日 13版)

[責任編輯:李伯璽]

手機光明網

光明網版權所有

光明日報社概況 | 關於光明網 | 報網動態 | 聯繫我們 | 法律聲明 | 光明員工 | 光明網郵箱 | 網站地圖

光明網版權所有