鉆一口全世界最深的井，到底有多難？

劉園園

鉆井有什么難的？看到標題，你可能會這么想。

半個多世紀前，“鐵人王進喜”因為鉆井而家喻戶曉?，F(xiàn)在越來越多的人開上了私家車，也要感謝鉆井技術的進步。從你已接觸的知識來看，鉆井應該是一件稀松平常的事啊。那么問題來了，如果想要鉆一口世界上最深的井，是不是一直往下鉆就行？

要真這么簡單，近期就不會有幾十位科學家專門聚在一起召開香山科學會議，討論怎么打一口井了。不僅如此，這些科學家還紛紛吐槽：鉆井難，難于上青天！

真的這么難？

地球平均半徑6371千米，而當今世界最深的鉆孔只有12262米。也就是說，人類花了大約300年，僅向地心鉆進了大約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(xiàn)在連雞蛋皮都沒鉆破！”

這個12262米深的鉆孔還是蘇聯(lián)的科拉超深井創(chuàng)造的記錄，迄今20多年無人打破。不過，近期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，將在中國鉆若干口超過萬米，甚至打破蘇聯(lián)科拉超深井紀錄的特深鉆孔。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，地震的原因是什么？地殼中有什么樣的流體？是什么力引發(fā)了造山運動？地殼中曾經(jīng)和正在進行什么樣的物理化學過程？

“如果能夠打造若干條通往地球深部的通道，并在地層深處埋設長期觀測的儀器，建立起對地球內(nèi)部進行長期觀測的網(wǎng)絡，那么上述問題或許可以在一定程度上得到回答。”中國地質(zhì)調(diào)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(chǎn)勘探開采深度已達2500米至4000米，而我國大多在500米以內(nèi)?？茖W家估計，如果我國的礦產(chǎn)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”，這也是為什么特深層油氣資源已經(jīng)成為全球勘探開發(fā)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，其中包括我國的塔里木油田。除了油氣，還有大量的地熱資源等待我們?nèi)ラ_發(fā)利用。

地球“三高”堪稱世界級難題

要鉆這么深的井，需要利用強大的機器，鉆透一層又一層堅硬的巖石?！霸谶@個過程中，會遭遇很多世界級難題?！奔执髮W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?？茖W家預計，鉆到地球深處超萬米處，溫度將達到300攝氏度以上。這意味著，鉆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?？上КF(xiàn)階段很多材料的耐高溫性能還沒這么厲害。

第二“高”是高壓。如果鉆孔深度達到一萬多米，預計井內(nèi)泥漿壓力將達到175MPa以上，地層壓力將達到400MPa。而現(xiàn)有很多測量儀器所能耐受的壓力為140MPa到170MPa之間。更需要引起重視的是，在高溫、高壓之下，巖石的物理力學性質(zhì)會發(fā)生改變，容易破碎。一旦井壁巖石出現(xiàn)破碎，又會嚴重阻礙鉆井施工的順利進行。

第三“高”是高地應力。所謂地應力，是地殼內(nèi)巖石在受到外力而變形時，各部分之間產(chǎn)生相互作用的內(nèi)力。高地應力非常容易造成井壁垮塌、卡鉆等井下事故。蘇聯(lián)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(fā)生事故，從而浪費了大量的時間和經(jīng)費。

考驗科技實力的時刻到了

據(jù)測算，鉆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，對于地球萬米深處300攝氏度高溫，首先挑戰(zhàn)的是鉆具上的橡膠、尼龍等有機材料，比如鉆具的密封件。此外還有鉆具上使用的電子元器件，目前大多數(shù)元器件能耐受的最高溫度在200攝氏度以內(nèi)。

“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。

還有一個辦法是給鉆具降溫。比如泥漿可以提取到地面進行冷卻，通過泥漿的循環(huán)來帶走鉆具內(nèi)的熱量。還有一個設想是采用專門的制冷設備，像空調(diào)一樣給鉆具降溫。遺憾的是，可以在高溫高壓環(huán)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，盡量縮小最大地應力與最小地應力之間的差距。還可以采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(jīng)濟實力、基礎工業(yè)實力和整個科技的發(fā)展水平。正如王達所言，要想完成世界第一的特深鉆孔，必須拿出世界第一的鉆探技術才行！

（本文轉自《科技日報》）endprint