以吉林大學為主體的研究人員負責進行“深部大陸科學鉆探裝備研制”的研發(fā)工作，在萬米大陸科學鉆探裝備集成和關(guān)鍵技術(shù)上取得了重大突破，我國首臺萬米大陸科學鉆探裝備———“地殼一號”萬米鉆機正式誕生。
人類探索宇宙奧秘的腳步從未停歇，“上天、入地、下海”是21世紀人類挑戰(zhàn)自然的三大壯舉。多年來，我國征服太空和深海的計劃逐步得以實施，但挺進地心的深部探測工程計劃卻始終舉步維艱。如今，這項計劃取得了突破性進展，以吉林大學為主體的研究人員負責進行“深部大陸科學鉆探裝備研制”的研發(fā)工作，在萬米大陸科學鉆探裝備集成和關(guān)鍵技術(shù)上取得了重大突破，我國首臺萬米大陸科學鉆探裝備———“地殼一號”萬米鉆機正式誕生，預計在今年6月抵達黑龍江大慶的“松科2井”井場，于8月開始首次“練兵”。萬米之下的地球是什么樣子？如何深入其中？昨日，吉林大學“地殼一號”萬米鉆機項目的相關(guān)負責人揭秘玄機。
鉆探難度：10~20米就提鉆一次
萬米鉆機課題負責人、吉林大學建設工程學院院長孫友宏說，吉林大學承擔鉆深能力達1萬米的大陸科學鉆探裝備研發(fā)。2009年申請立項，2010年進行前期準備及方案設計工作，2011年12月20日，“地殼一號”萬米大陸科學鉆探鉆機主體在四川誕生，并順利通過驗收，這是國內(nèi)最大的大陸科學鉆探鉆機。 “我國雖然已經(jīng)有了1.2萬米的石油鉆機，但是石油鉆井與科學鉆探井并不相同。”吉林大學“地殼一號”萬米鉆機項目的研究人員高科博士解釋，石油鉆井正常起下鉆的目的是為了換鉆頭，如果鉆頭的壽命是1000米，那么1000米只提一次鉆就可以了。而科學鉆探井卻是為了提取完整的地層巖芯，需要每鉆進10~20米就提鉆一次，將地球深部的巖石帶到地表供地質(zhì)學家研究，要求鉆機具有極高的自動化和智能化水平。
鉆探目的：發(fā)掘歷史預測氣候變化
孫友宏介紹，2005年，我國在江蘇省東海縣完成井深5158米的科學鉆探計劃，邁出了我國“入地”工程的第一步。這次項目選擇在黑龍江省的大慶油田，因為大慶是目前地球白堊系保存最完整的地區(qū)。
資料顯示，白堊紀位于侏羅紀和古近紀之間，約1億4550萬年前至6550萬年前，是距今最近、地質(zhì)記錄也保存得最為完整的溫室氣候時期。早在2007年，我國曾成功鉆探“松科1井”，獲取長達2485.89米長的巖芯，這次的“松科2井”將與已經(jīng)完成的“松科1井”一起，構(gòu)成全球首個近乎完整的白堊系陸相沉積記錄，以獲得白堊紀時期亞洲東部高分辨率氣候環(huán)境變化記錄，為預測未來全球時間尺度氣候變化趨勢提供科學依據(jù)。另外，在白堊紀時期出現(xiàn)大規(guī)模的油氣富集。這次鉆探，也想看看大慶油田的地下深處，是否還有另一片豐富的油田。
未來計劃：深入地下1.3萬米
高科說，之前我國都是通過物探、地震、航磁探測等手段來探測地下的物質(zhì)，這些方式所獲得的信息是看不見、摸不到的，無法進行更深一步的研究。“只有通過科學鉆探，才能將地下一萬米的物質(zhì)取上來，公布于眾。”不僅如此，還能帶來一系列相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，可以了解地下的資源狀況、板塊構(gòu)造以及過去的氣候變化情況。
“深部大陸科學鉆探裝備是打開地球奧秘之門的鑰匙，大陸科學鉆探井是深入地下的望遠鏡。”孫友宏說，“可以說，深部大陸科學鉆探裝備的水平，是反映一個國家科技發(fā)達的程度。” “這次是‘地殼一號’的首次行動，任務是打到6200米，主要是以練兵為主。”孫友宏說，他們會同時尋找其他的合適井位，下一步鉆到8000~9000米，“與此同時，我們即將研發(fā)1.5萬米的裝備，目標是打出1.3萬米深的井。”
地下溫度根據(jù)以往的經(jīng)驗，這次工程所面臨的最大挑戰(zhàn)，是地下的極度高溫。“松遼盆地處于一個高地溫場，深度每增加100米，溫度就會上升3.9℃。”孫友宏說，前蘇聯(lián)的科拉超深鉆，在1.2萬米深度，地溫也僅在220℃左右。“這次工程所遇到的最高溫度，將超過260℃。”
“入地”歷史
前蘇聯(lián)于上世紀80年代完成的科拉半島超深鉆，深度達12262米，是目前世界上的第一深井。上世紀90年代，德國向這一紀錄發(fā)起挑戰(zhàn)，發(fā)起KTB超深鉆工程，但是由于工程耗資巨大、技術(shù)難度高，在地下9101米處止步，深度目前排名世界第二。
“地殼一號”名義鉆深可達1萬米，最大鉤載可達700噸，總功率4610KW。整套鉆機裝備高60米、重1500噸、占地約1萬平方米。高科介紹，預計在下個月，將其分解后，以海運和陸運兩種方式將它從四川運往大慶，“大概有20個超限部件需要海運，其他部件由70到80輛拖掛式卡車運送。”設備運抵大慶油田，并組裝、調(diào)試完畢后，將于8月正式開鉆。
高智能
自主研發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)及裝備，是“地殼一號”萬米鉆機的核心。在司鉆房內(nèi)，通過布控到鉆機各個重要部位的監(jiān)視器，控制觸摸屏幕上的各種控制按鈕，完成萬米鉆桿從地面到平臺上的運輸、擰卸、排列，起下鉆和正常鉆進等全部工序。”“秘制”泥漿由于深部地應力的作用，再加上地層的不穩(wěn)定性，井壁會變得容易剝落。因此，需要采用泥漿來進行井內(nèi)精準壓力控制。“200℃以下時，使用的是水基泥漿。”高科透露，井下溫度達到200℃以上時，就要使用油機泥漿，“主要采用耐高溫的硅油，耐溫性可以達到260℃，這是非常難的。”
仿生鉆頭鉆頭在鉆井中起到“火車頭”的作用，項目組科研人員通過對土壤動物的研究，從俗稱屎殼郎的蜣螂身上找到了靈感。“蜣螂在動物糞便里穿行自如，卻能做到身體表面不沾。”高科說，“另外，蜣螂在地下挖洞，可以達到兩米之深。”科研人員通過對蜣螂的長期觀察，發(fā)現(xiàn)它的頭上有一個“推土鏟”。同時，蜣螂的腹部有很多凹坑。高科說，他們在做鉆頭的時候，將蜣螂的這些優(yōu)點全部應用到其中。
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