中國想鑽一口全世界最深的井,這個目標到底有多難

2020-11-28 網易科技

（原標題：鑽一口全世界最深的井，到底有多難）

「松遼盆地大陸科學鑽探2號井」是全球第一口鑽穿白堊紀陸相地層的大陸科學鑽探井，設計井深為6400米。本報記者 劉園園

地球平均半徑6371千米，而當今世界最深的鑽孔也就12262米。也就是說，人類花了大約300年，僅向地心鑽進了大約0.2%。用中國科學院院士高銳的話說，「如果把地球比作一個雞蛋的話，現在連雞蛋皮都沒鑽破！」

這個12262米深的鑽孔還是前蘇聯的科拉超深井創造的記錄，迄今20多年無人打破。不過，11月15日召開的香山科學會議上傳出令人振奮的消息，我國科學家們提出大膽設想，將在中國鑽若干口超過萬米，甚至打破前蘇聯科拉超深井紀錄的特深鑽孔。這將使我國的地球科學研究水平提升至國際先進水平。

尋找藏在地下的答案和資源

正如人最不了解的是自己一樣，人類雖然世世代代生活在地球上，卻對它所知甚少。很多看似很簡單的地球科學問題，至今仍沒有確切答案。

比如，地震的原因是什麼？地殼中有什麼樣的流體？是什麼力引發了造山運動？地殼中曾經和正在進行什麼樣的物理化學過程？

「如果能夠打造若干條通往地球深部的通道，並在地層深處埋設長期觀測的儀器，建立起對地球內部進行長期觀測的網絡，那麼上述問題或許可以在一定程度上得到回答。」 中國地質調查局原副局長王達說。

另一個原因，與地底下豐富的自然資源相關。

目前世界先進水平的礦產勘探開採深度已達2500米至4000米，而我國大多在500米以內。科學家估計，如果我國的礦產勘查深度能從平均500米增至2000米，我國的金屬資源量可以翻一番。

事實證明，地球更深處埋藏著眾多「驚喜」，這也是為什麼特深層油氣資源已經成為全球勘探開發的熱點。中國石化石油工程技術研究院高級工程師曾義金介紹，截至2014年底，全世界6000米以上的超深層油氣藏104個，8000米以上的有28個，其中包括我國的塔裡木油田。除了油氣，還有大量的地熱資源等待我們去開發利用。

地球「三高」堪稱世界級難題

要鑽這麼深的井，需要利用強大的機器，鑽透一層又一層堅硬的巖石。「在這個過程中，會遭遇很多世界級難題。」吉林大學副校長孫友宏介紹，其中就包括地球的「三高」問題。

第一「高」是高溫。科學家預計，鑽到地球深處超萬米處，溫度將達到300攝氏度以上。這意味著，鑽探機器上所使用的孔底馬達、震擊器、軸承密封等材料得耐得住這樣的高溫才行。可惜現階段很多材料的耐高溫性能還沒這麼厲害。

第二「高」是高壓。如果鑽孔深度達到一萬多米，預計井內泥漿壓力將達到175MPa以上，地層壓力將達到400MPa。而現有很多測量儀器所能耐受的壓力為140MPa到170MPa之間。更要命的是，在高溫、高壓之下，巖石的物理力學性質會發生改變，容易破碎。一旦井壁巖石出現破碎，又會嚴重阻礙鑽井施工的順利進行。

第三「高」是高地應力。所謂地應力，是地殼內巖石在受到外力而變形時，各部分之間產生相互作用的內力。高地應力非常容易造成井壁垮塌、卡鑽等井下事故。前蘇聯的科拉超深井和德國的KTB井，在6000米至7000米以下井段施工時，就曾因為高地應力頻頻發生事故，從而浪費了大量的時間和經費。

考驗科技實力的時刻到了

據測算，鑽一口這樣的井需要花10年甚至20年時間，大約需要20億人民幣。要想把這筆巨資花得響，必須得有十足的把握才能動工。為此，科學家們提出了不少施工策略。

就拿對付地球的高溫來說吧。對於地球萬米深處300攝氏度高溫，首先挑戰的是鑽具上的橡膠、尼龍等有機材料，比如鑽具的密封件。此外還有鑽具上使用的電子元器件，目前大多數元器件能耐受的最高溫度在200攝氏度以內。

「最簡單直接的辦法就是研究出更耐高溫的橡膠、聚氨酯和電子元器件。」王達說，如果這些材料仍然達不到要求，可以嘗試用耐高溫的金屬材料來替代它們。

還有一個辦法是給鑽具降溫。比如泥漿可以提取到地面進行冷卻，通過泥漿的循環來帶走鑽具內的熱量。還有一個設想是採用專門的製冷設備，像空調一樣給鑽具降溫。遺憾的是，可以在高溫高壓環境下使用的制冷機目前還沒有誕生。

為了防止井壁坍塌，科學家提出，可以加大泥漿的密度，儘量縮小最大地應力與最小地應力之間的差距。還可以採用多層套管或者膨脹套管來阻隔地層的崩塌。

所以，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、基礎工業實力和整個科技的發展水平。正如王達所言，要想完成世界第一的特深鑽孔，必須拿出世界第一的鑽探技術才行！

本文來源：科技日報社-中國科技網 責任編輯：王鳳枝_NT2541

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