鉆入地下1萬米究竟有多難

周軍

地球的平均半徑為6371千米，而當今世界最深的鉆孔也就12262米。也就是說，到目前為止，人類僅向地心鉆進了大約0.2%。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)造的紀錄，迄今20多年沒被打破。

不過，2017年11月15日召開的香山科學會議上傳出令人振奮的消息，我國科學家提出大膽設(shè)想，將在中國鉆若干口超過萬米，甚至打破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。

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)發(fā)生過和正在發(fā)生什么樣的物理、化學過程？

如果能夠打造若干條通往地球內(nèi)部的通道，并在地層深處埋設(shè)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(luò)，那么上述問題或許可以在一定程度上得到解答。

另一個原因，與地下豐富的自然資源相關(guān)。

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，我國的金屬資源量就可以翻一番。

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。截至2014年年底，全世界6000米以上的超深層油氣藏點有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”問題是關(guān)鍵

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。

在這個過程中，會遭遇很多世界級難題。其中就包括地球的“三高”問題。

第一“高”是高溫?？茖W家預(yù)計，鉆到地下超萬米處，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1萬多米，預(yù)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。更要命的是，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(yīng)力。所謂地應(yīng)力，是指地殼內(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(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的KTB井在6000米至7000米以下井段施工時，就曾因為高地應(yīng)力頻頻發(fā)生事故，而浪費了大量時間和經(jīng)費。

科學家“開腦洞”想了這些應(yīng)對措施

據(jù)測算，鉆一口超過1萬米深的井需要花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值，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攝氏度左右。

最簡單、最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(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(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，實際上卻是在考驗一個國家的經(jīng)濟實力、基礎(chǔ)工業(yè)實力和科技實力的發(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！