地壳一号 “入地”万米不是梦|新闻与评论 - 领先的岩土技术社区，岩土领域的媒体、社区与应用平台！

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只看楼主倒序阅读使用道具楼主发表于: 2014-08-08

作者：赵征南
来自：文汇报

中间部分为地壳一号黄色的游吊系统，自上而下分别是游车、大钩、水龙头。

“上天、入地、下海”是21世纪人类探索自然奥秘的三大壮举。与“上天”、“下海”相比，我国的“入地”工程似乎落在了后面。
　　今年4月13日零时，“地壳一号”万米钻机施工的松科2井终于在黑龙江省安达市开钻。随着今天整套设备正式通过验收，2865-6400米深的地层岩芯将被接连不断地取出。古气候、深层资源分布……关于这些课题的疑问，一群地学的好哥们正准备奋起直追，向地球深处寻找答案。
　　“深入地下6400多米，就可以得到白垩纪盆地的陆相沉积记录，研究古温室气候变化，有望揭开恐龙灭绝的真正原因；再往下就可以做深部石油资源探测，说不定，大庆的下面还有一个‘新大庆’。”万米钻机项目组负责人、吉林大学建工学院院长孙友宏教授道出了两个未来有可能的“惊人发现”。
　　一旦“地壳一号”预期目标完成，我国将成为继前苏联和德国之后世界上第三个拥有实施万米大陆科学钻探专用装备和相关技术的国家。
　　这还远远不是我国深部探测的终点。未来，在“地壳一号”基础上新建的“地壳二号”，将挑战俄罗斯世界最深钻机的宝座。
　　
多彩高塔：象征地层五代十二纪
　　在六撮房村被玉米地包围的地下深处，科学家期待找到恐龙灭绝的真实原因，并发现“新大庆”。
　　从大庆机场到安达市的路上，马路两旁的风景迅速转换，从各种石油钻机、管道变成大片的玉米地。在203国道和南来乡小路的连接处，原本冬天里抬头便见的“地壳一号”钻井平台被遮挡在绿茫茫的玉米茎叶之中。
　　走进工程组大门，方才见得“地壳一号”真容。这60米高、重1500多吨的庞然大物竟分外“妖娆”：装备主体颜色自下而上分别代表太古代到新生代，从粉红色到淡黄色，共五代十二纪的地层颜色。井架以平台和二层台为界分为三截，其中平台距地面12米，距二层台26米，二层台距顶部又有22米。主体设备从上至下可分为天车、游车、大钩、水龙头、转盘、底座等。在钻井周围，则分布着绞车、发电机房、数控房、固控系统、泥浆泵、泥浆池、库房等。
　　代表我国最高钻探水平、将在3年后钻取我国最深岩芯的“地壳一号”，为何“隐匿”在松辽盆地的玉米地中奉献自己的“处女作”？在深部探测专家们看来，各取所需使多方最终走到了一起。
　　松辽盆地是世界上最大的白垩纪湖盆之一，也是大庆油田所在地。一直以来，国际科学界已经实施数十次针对白垩纪的海相科学钻探计划，但是针对陆相沉积的科学钻探仍为零，直到松辽盆地大陆科学钻探工程的出现。该工程已成为我国目前正在实施的唯一被列入国际大陆科学钻探计划的工程。
　　2006年8月19日，旨在探究距今6500万年至1.4亿年间地球温室气候变化的松科1井开钻，并于2007年完钻。获取岩芯总长2485.89米，取芯收获率96.46%，是迄今为止世界首次取得的最长白垩纪陆相盆地沉积记录。
　　松辽工程由松科1井（上白垩纪）和松科2井（下白垩纪—上侏罗纪）两部分组成，越往下地层越古老。不过，超深科学钻探装备的缺失曾令松科2井的钻探一筹莫展。2011年12月20日，由吉林大学研制、四川宏华石油设备有限公司制造的“地壳一号”万米大陆科学钻探钻机主体在四川诞生，迫切需要找个用武之地。就这样，一方需要超深科学钻探钻机，一方需要试验地点，双方一拍即合。
　　经过细致的选址，南来乡六撮房村东南250米的10000平方米玉米地的地下被认为是“地壳一号”最佳勘探地点。“因为这里有世界上发育最完整的陆相白垩系沉积序列，为重建白垩纪陆地气候变化提供了可能；同时位于松辽盆地底端的地形条件也为钻探提供了便利。”万米钻机项目办公室主任高科说。
　　为何要执着于白垩纪地层的考察？这与全球变暖的大趋势息息相关。要知道，白垩纪是地质历史中极端温室气候的典型时期，这不仅因为白垩纪离现今较近，地层在陆地和海洋都得以很好保存，更因为白垩纪期间发生了许多重大气候和地质事件。通过系统研究白垩纪地球表层重大地质事件、古气候变化及其资源环境效应的研究，可为我们更好地理解现今和未来气候变化提供真实可鉴的范例。
　　除此之外，作为我国深部探测技术与实验研究专项的关键设备，“地壳一号”还肩负着深层资源的勘察。白垩纪时期出现过大规模的油气富集，这次钻探也将穿过大庆油田白垩纪盆地，去验证深部探测专项发现的大庆盆地之下残存盆地的存在，以及是否还有另一片丰富的油田。
　　
泥浆循环：好比“血液系统”
　　泥浆可以给钻头降温；还有透析器的作用——排出岩屑，避免破坏设备；还可以通过调节密度平衡井底压力，保护井壁不垮塌。
　　去年10月，“地壳一号”万米钻机从四川广汉启运，50多辆运输车历时6天跋涉3456公里，翻越秦岭山脉，横跨长江黄河，在东北初冬大雾的笼罩下安全抵达安达。项目组在地面完成钻机安装，成功实现60米高钻塔的一次性自起塔。在寒冬来临之前，设备得以越冬，并于今年4月正式开钻。
　　开钻近4个月来，通过全面钻进、取芯钻进、通井钻进和大直径扩孔，先后完成钻井总进尺5000多米，全面钻进最高日进尺265米，最快机械钻速达28.8米/小时，并将于近期完成二开的扩孔和下套管工作。
　　由于平台的电梯尚未开通，现在要登台，只能爬西北、东北、东南三个方向的楼梯。每个楼梯都分为两级，每级各25个台阶。在下面看还觉得没什么，可站在10多米高的蓝色铁皮楼梯上，看脚下的地面还是有些惊悚。在东北角，有一条红色通道连接平台和地面。工作人员提醒，这是一条逃生滑梯，平时并不开放。
　　在平台的控制室，整套设备的控制中心——司钻李全喜正聚精会神地盯着悬重表进行扩孔作业。整个房间不到5平方米，除了各种仪器之外只有一台电话。他坐在座位上，根据悬重表指示的钻压情况进行操作。他的左右两边各有一个控制杆，左手控制绞车，往后向上提钻杆，往前是向下放钻杆；右手控制刹车，往后拉的幅度决定了刹车的力度。
　　在自动化设备使用之前，增加一根9.5米的钻杆都需要3个工人帮忙操作：他们先要清洁提上来的钻杆，用比老虎钳大得多的钻杆钳拧开，随后加接上新钻杆，再借助钻杆钳与原先的那根接上。操作过程至少需要5-10分钟，喷出来的泥浆还会让他们满身是泥。如果被钻杆钳撞到，后果不堪设想。万米钻机项目副总设计师王清岩等科研骨干研制的自动化设备使用以后，钻杆通过自动锚道、铁钻工和排管机能够实现自动、精确对中、上扣和高精度自动送钻，工人只需在操作室触动按钮和监测，钻机设备就可自动完成全套动作，增加一根钻杆只需3分钟左右，高效又安全，平台和二层台上不需要工人再帮忙。“那时，平台上会很干净，司钻可以不穿工作服，夸张点说，可以西装革履上平台。”高科说。
　　泥浆会污染作业环境，不过它却是钻探工作必不可少的部分。“地壳一号”有一个泥浆循环系统：泥浆泵将泥浆打入高压泥浆管，再汇入水龙头，沿着空心钻杆注入井下，通过钻杆和井壁之间的环形部分将井底岩屑带出，随后通过溢流管流入固控系统，经过除岩屑的流程后（岩屑被排入泥浆池），过滤后的泥浆又通过泥浆泵循环作业。
　　高科将泥浆循环系统比作人类的血液：“首先，它可以给钻头降温；其次它还是排泄系统，有透析器的作用，将岩屑排出，避免破坏整个循环系统设备、井下钻具系统和钻头等；同时不同密度值的泥浆可以通过调节密度平衡井底压力，保护井壁不垮塌。”
　　“即便是小问题，也可能导致整个钻机系统无法正常工作。对于这台预算达1亿元的大型精密设备，一个螺丝钉出问题都可能牵一发动全身，设备无法运转可能磨损钻头，这将造成时间、经济和人力的很大损失。”他说。
　　正因为此，项目组正和地方政府协商，希望使用专用电线，避免突然停电。尽管平台留有三台柴油发电机组备用，但停电后还是需要几十分钟才可启动，在钻进较深时，有可能造成井内上返岩屑下沉堆积而卡钻，那时处理起来，代价将无法想象。
　　
仿生创意：“屎壳郎”的“软硬兼施”
　　由于国外对尖端技术和设备的封锁，我国超深钻的关键技术设备只能靠自主研发，大自然成了研究人员的“偷师”对象。
　　在“地壳一号”诞生之前，我国尚未研制过用于深部大陆科学钻探工程的特深孔专用装备。经过多方调研，万米钻机项目负责人孙友宏教授领导的研究团队决定采用ZJ90DBS石油钻机基础部件作为深部大陆科学钻探装备的钻探平台系统，再自主研发与之配套的关键技术装备，将石油钻井装备与先进的地质岩芯钻探技术有机结合。
　　国内石油钻机已形成完整的系列产品，但对于深部大陆连续取芯钻进施工来说，其转速低、钻进工艺简单、取芯钻探效率低、钻探成本高而不能满足要求。
　　项目组首先对石油钻机做了一些改进。“石油钻机取芯一般只取某一段地层岩芯，采用提钻取芯，这样钻进不到10米就得提钻一次，我们计算到了地下6400米时，提钻一次就得花掉近48小时的时间，人力、成本耗费太大。为了保证取芯的完整性，松科2井施工人员将所有钻杆的内径进行统一，可以试验不提钻绳索取芯作业，这样可大大节省起下钻时间，保证2800米以下高效连续取芯。”高科说。此外，钻机的核心部件，如绞车、转盘和泥浆泵，采用先进的交流变频技术进行无级调速驱动，不但节省能耗，还提升了钻机的整体性能。
　　项目组还自主研发了一大批关键技术及装备，包括自动化钻井装置、高性能钻井工具及先进钻探工艺方法。其中，核心配套装备包括全液压顶驱、自动送钻系统和钻杆自动处理系统等，可大幅度提升“地壳一号”钻探平台系统的自动化、智能化水平；高性能钻井工具和先进钻探工艺方法包括耐高温孔底动力钻具、仿生钻头、高强铝合金钻杆、耐高温电磁随钻测量系统、耐高温钻井液、耐高温固井材料和深井井壁稳定预测技术等，能够有效破解超深科学钻探遇到的高温、高地应力、井斜大、岩芯采取率低和钻进速度慢等科学难题。
　　对于搞钻探的人来说，平时就是和岩石打交道。高科博士将“地壳一号”的取芯和看病作比较：“有些病做CT也无法确诊，只有动手术将部分病灶取出来做切片分析才行。”
　　不过，这岩石也不是吃素的，坚硬、耐磨是钻头的必备要求，但即便使用金刚石做材料，磨损也不可避免。怎么办？孙友宏教授从其博士后合作导师任露泉院士那里得知，将蜣螂即“屎壳郎”的体表耐磨、不粘和减阻的自然特性运用到农耕犁之后效果不错，他便开始思考如何将这种生物特性应用到钻头上。
　　“当时我们分析了一下，‘屎壳郎’这么小的个头，可以在地下挖两三米的洞。更重要的是，挖洞时，它表面不粘泥土、头上推土板不磨损、阻力很小、挖得快，这不正好是钻头所需要的吗？”高科说。课题组做过宏观思考后，还进行微观分析——将‘屎壳郎’放大后发现，推土板并不是平滑的，而是由一个个规则分布的小凸包组成；腹部还有凹坑。传统上的认识是硬硬结合将更强，而屎壳郎坚硬的推土板后面是相对较软的组织，他们便使用相对较软的材料与金刚石结合，研制成“软”与“硬”优势互补的高性能仿生钻头。
　　就这样，世界首只拥有自主知识产权的仿生石油钻头研制成功，与常规钻头相比，钻速和寿命都有较大提高。
　　在高科看来，碎岩的钻头没有最好，只有更好，“目前世界上的所有钻头齿都无法根据地层岩石硬度调整角度，遇到软硬相间的岩石，很容易非正常损坏。”下一步他将研制仿“虎爪”钻头，让其可以在一定程度上自动适应地层环境。
　　至于仿“屎壳郎”钻头能不能在松科2井的试验获得成功，高科有信心，因为早在其他地区做了野外试验，效果不错。但是，他仍有担忧，因为钻头的效果是相对而非绝对的，在某一地层里成功不代表在其他地层也一定能成功。怎么办？“不行就改进呗。”
　　其实不只是仿生钻头，整套设备的自动化、钻具等抗高温技术如今都在不断调试。“地壳一号”更像是一个容纳新技术的平台，试验成功，皆大欢喜；试验失败，加以改进，直至成功。接下来，“地壳一号”在向地球深处进军的过程中肯定会遇到不少问题，科研人员要做的便是尽快改进技术，解决问题，维护设备的平稳运行。
　　有了这些锐意进取的科研好哥们，“入地”之路定可越走越深。

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