鉆入地下1萬米究竟有多難

周軍

地球平均半徑6371千米，而當(dāng)今世界最深的鉆孔也就12262米。也就是說，到目前為止，人類僅向地心鉆進(jìn)了大約0.2%。如果把地球比作一個(gè)雞蛋的話，現(xiàn)在連雞蛋皮都沒鉆破！這個(gè)12262米深的鉆孔還是蘇聯(lián)的科拉超深井創(chuàng)造的紀(jì)錄，迄今20多年無人打破。

不過，2017年11月15日召開的香山科學(xué)會(huì)議上傳出令人振奮的消息，我國(guó)科學(xué)家們提出大膽設(shè)想，將在中國(guó)鉆若干口超過萬米，甚至打破科拉超深井紀(jì)錄的特深鉆孔。這將使我國(guó)的地球科學(xué)研究水平提升至國(guó)際先進(jìn)水平。

為了藏在地下的秘密和驚喜

人類雖然世世代代生活在地球上，卻對(duì)它所知甚少。很多看似很簡(jiǎn)單的地球科學(xué)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(yùn)動(dòng)？地殼中曾經(jīng)和正在進(jìn)行什么樣的物理化學(xué)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(shè)長(zhǎng)期觀測(cè)的儀器，建立起對(duì)地球內(nèi)部進(jìn)行長(zhǎng)期觀測(cè)的網(wǎng)絡(luò)，那么上述問題或許可以在一定程度上得到回答。

另一個(gè)原因，與地底下豐富的自然資源相關(guān)。

目前世界先進(jìn)水平的礦產(chǎn)勘探開采深度已達(dá)2500米至4000米，而我國(guó)大多在500米以內(nèi)。科學(xué)家估計(jì)，如果我國(guó)的礦產(chǎn)勘查深度能從平均500米增至2000米，我國(guó)的金屬資源量可以翻一番。

事實(shí)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(diǎn)。截至2014年底，全世界6000米以上的超深層油氣藏有104個(gè)，8000米以上的有28個(gè)，其中包括我國(guó)的塔里木油田。除了油氣，還有大量的地?zé)豳Y源等待我們?nèi)ラ_發(fā)利用。

地球“三高”問題是關(guān)鍵

要鉆這么深的井，需要利用強(qiáng)大的機(jī)器，鉆透一層又一層堅(jiān)硬的巖石。在這個(gè)過程中，會(huì)遭遇很多世界級(jí)難題。其中就包括地球的“三高”問題。

第一“高”是高溫?？茖W(xué)家預(yù)計(jì)，鉆到地球深處超萬米處，溫度將達(dá)到300攝氏度以上。這意味著，鉆探機(jī)器上所使用的孔底馬達(dá)、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(dá)到一萬多米，預(yù)計(jì)井內(nèi)泥漿壓力將達(dá)到175MPa以上，地層壓力將達(dá)到400MPa。而現(xiàn)有很多測(cè)量?jī)x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(xué)性質(zhì)會(huì)發(fā)生改變，容易破碎。一旦井壁巖石出現(xiàn)破碎，又會(huì)嚴(yán)重阻礙鉆井施工的順利進(jìn)行。

第三“高”是高地應(yīng)力。所謂地應(yīng)力，是地殼內(nèi)巖石在受到外力而變形時(shí)，各部分之間產(chǎn)生相互作用的內(nèi)力。高地應(yīng)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(guó)的KTB井在6000米至7000米以下井段施工時(shí)，就曾因?yàn)楦叩貞?yīng)力頻頻發(fā)生事故，從而浪費(fèi)了大量時(shí)間和經(jīng)費(fèi)。

科學(xué)家“開腦洞”想了這些應(yīng)對(duì)措施

據(jù)測(cè)算，鉆一口超過萬米的井需要花10年甚至20年時(shí)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(dòng)工。為此，科學(xué)家們提出了不少施工策略。

就拿對(duì)付地球的高溫來說吧。對(duì)于地球萬米深處300攝氏度的高溫，首先挑戰(zhàn)的是鉆具上的橡膠、尼龍等有機(jī)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(jiǎn)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。如果這些材料仍然達(dá)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(gè)辦法是給鉆具降溫。比如泥漿可以提取到地面進(jìn)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(gè)設(shè)想是采用專門的制冷設(shè)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(jī)目前還沒有誕生。

為了防止井壁坍塌，科學(xué)家提出，可以加大泥漿的密度，盡量縮小最大地應(yīng)力與最小地應(yīng)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(shí)際上卻是在考驗(yàn)一個(gè)國(guó)家的經(jīng)濟(jì)實(shí)力、基礎(chǔ)工業(yè)實(shí)力和整個(gè)科技的發(fā)展水平。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(shù)才行！