打開地球深部通道

2018-07-12 03:45 來源﹕光明網-《光明日報》 

  【科學向未來】

  作者﹕曹龍龍﹔王穩石(松科二井鑽探技術團隊的核心技術人員﹔松科二井工程指揮部鑽井工程室主任﹑高級工程師)

  46億年前﹐地球誕生了﹐它內部有地核﹑地幔﹑地殼結構﹐外部有水圈﹑大氣圈和磁場。它就像母親的搖籃一樣承載著人類的發展﹐其蘊藏的豐富資源也是人類賴以生存的物質基礎。然而﹐地球有它自己的“怪脾氣”﹐如地震﹑火山和泥石流等﹐這些“怪脾氣”讓人類損失巨大﹐也讓人類望而生畏。

  由於地球內部岩層﹑水層﹑溫度﹑壓力等千變萬化﹐迄今為止﹐人類對地球內部仍知之甚少。科學家可以通過通過向地下鑽進深孔獲取地殼岩石實物資料﹐從地殼內部取芯鑽探來打開探秘地球深部的通道。比如﹐2013年﹐松科二井重大地調科研項目啟動﹐鑽井的深度就超過7000米。

  超過7000米的超深井在向下鑽進的過程中﹐一要保證鑽的井眼不能坍塌和崩裂﹐二要保證取出的深部岩芯完好無缺。要想達到這兩個目標﹐不但需要有先進的鑽進方法﹐而且必須有適合地下各種複雜多變地層的“挖石利器”──取芯鑽探工具。

  這種取芯鑽探工具和匹配的鑽頭是向地下鑽進並抓取岩石的保障﹐其工作過程為﹕鑽頭在最底部通過高速轉動不斷“咬碎”周圍的岩石﹐把中間的柱狀岩石樣本送入取芯鑽具裡抓取﹑攜帶岩芯的內筒﹐而取芯鑽具外筒源源不斷地將鑽進中需要的壓力和轉速傳遞給鑽頭﹐同時在轉動過程中修整井壁﹐保護內筒。

  傳統的科學鑽探中大直徑井段是先取芯鑽進一個小井眼﹐再用擴孔鑽頭重新鑽進去擴大井眼至設計井眼直徑。然而﹐在科學超深井鑽探中面臨的挑戰是如何在大直徑井眼中高效鑽進﹐並且完整地抓取岩芯。松科二井在鑽探過程中取得一系列技術創新﹐如大直徑同徑取芯﹑長鑽程技術和大直徑岩芯原狀出筒技術等﹐是我國科學超深井鑽探取得的新突破。

  在超深井向下連續鑽進過程中﹐既要讓上部井眼完好且不坍塌﹐也要讓鑽頭“咬碎”的岩渣從井底順利排出﹐還要保證高速轉動的鑽頭不會因為發熱而提前報廢﹐這些都得依靠“泥漿”即鑽井液來實現﹐它就像人的血液一樣﹐在鑽眼過程中從地面到井眼最底部不停地循環﹑淨化﹐傳遞水動力﹑冷卻並潤滑鑽具﹐攜帶和懸浮岩屑﹐維護井眼周圍井壁的穩定。

  超深井在鑽到一定深度的時候會遇到各種困難﹐比如地球內部溫度高﹑壓力大等。科學家們已預想到了這些問題﹐如在大直徑井眼取芯鑽進中怎麼能不把鑽杆全部從孔裡提出來就可以把岩芯全部取上來﹔在高溫地層﹑較硬的岩石中怎麼能讓鑽頭更高轉速去“咬碎”岩石﹔怎麼能在鑽眼的同時把井眼底下的數據直接輸送到地面。

  “上天入地”揭開宇宙的神秘面紗﹐探索地心深處的奧秘﹐科學鑽探路漫漫其修遠兮﹐儘管現在只鑽穿了地球的“皮毛”﹐但筆者相信﹐在地質科學家不懈努力和探索下﹐通過將來實施萬米科學鑽探﹑超萬米科學鑽探﹐人類一定會打開探秘地球深部的通道。那時﹐人們距離地心會越來越近﹐並逐步揭開地球深部的秘密。

  《光明日報》( 2018年07月12日 13版)

[責任編輯:李伯璽]

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