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万米钻机竣工仪式。资料图片

  一块窄条的岩心样本,摆放在吉林大学建设工程学院院长孙友宏办公室的显眼位置。它来自前苏联地下万米深处。自从俄罗斯一位科学家同行将它作为礼物赠送给孙友宏,这颗色彩斑斓的圆形岩石就仿佛上了发条的闹钟,催促着孙和他的团队在不到两年的时间里,研制出国内第一台专门用于科学钻探的万米钻机,这在亚洲也是第一次。

  如今,孙友宏们的心血———20层楼高、1000吨重的“万米钻机”正在被“大卸八块”。2月20日,这个庞然大物将分乘70辆大卡车,赶赴松辽盆地执行设计为亚洲最深的“松科2井”的科学钻探任务。

  迟到两年的第九项目组

  在中国航天工程屡屡牵引世界目光时,“入地”的科学探测却曾长期裹足不前。渴望打开“地下紫禁城”一窥究竟的科学家们心急如焚:深部钻探离不开装备,但这正是我国弱项,国外通过价格控制研制设备的先进技术,很多外聘和在国外搞地学归国的科学家,也因缺少设备而被缚住手脚。

  但深部探测的科学家在缺乏有力科研支持的情况下已经探索十余年了,在中国科学院、地质科学院都有深部探测办公室,“拿点小钱,几个人拿别人的一些资料做尝试性的研究,而非战略性研究。”吉林大学地球探测科学与技术学院教授黄大年感慨。

  在这样的坚持下等待着,直到2006年,《国务院关于加强地质工作的决定》提出,“实施地壳探测工程,提高地球认知、资源勘查和灾害预警水平”。两年后,“深部探测专项”启动,这个中国有史以来最大的地质勘探计划集结了12位院士、200多名研究员以及上千名科研人员,欲在2012年底前完成“中国挺进地心第一步”。

  中国地质科学院副院长董树文是专项负责人,他说,这个多学科、多目标的综合性探测计划有别于美国、欧洲、俄罗斯等国,除了通用的地球物理探测,还包括地球化学、地质学、科学钻探、地应力监测、数值模拟、仪器研发等。与加拿大的岩石圈探测计划类似,但比他们多了科学钻探、地应力测量等科学任务,科学目标包含了地球科学、资源勘查和灾害预警等。

  “专项办起初一共设了8个专项,在研发过程中发现深部探测仪器这方面不行,后来加进第九项目组,比其他项目晚了两年多。”黄大年成为第九项目“深部探测关键仪器装备研制与实验”的负责人,他说由于海外引进的人才没有到位,第九项目组直到2010年9月才启动,成为深部探测专项中引进人才最多的一个组,万米钻探项目正是其中第五个研究课题。

  三次更改钻探深度

  在电影《2012》中,印度物理学家通过分析地球内部温度、岩石等的数据变化,预测了地震、火山喷发。向下,不断向下,钻取出的岩石不仅提示地球的形成机制和演化方式,还隐藏着能源、资源和地震的探测规律,科学家对深度有着不同一般的追求和兴奋。

  但电影中的场景在我国尚遥不可及。董树文介绍,“深部探测专项”研究目前还处于培育性阶段。我国多块体多阶段拼贴的地质构造演化历史复杂,导致地壳结构与组成十分复杂、地质地貌景观差异巨大,这成为深部探测中首要的科学难题。而且,大陆科学钻探的能力有限,深度不够。

  于是,“必须研制适合复杂地层取心钻进的多工艺钻进方法的深部钻探专用钻机”成为第九项目组万米钻机研究团队的目标。但实际上,根据立项时的计划,钻机的最初设计深度只是5000米。

  万米钻机项目办主任高科介绍,在实际的立项、研制过程中,深部探测专家三次更改科学钻探深度,“考虑到东海的科学钻探深度已经超过5000米,这次一定要向更深处挑战,科学专家提出7000米的目标,后来发现7000米不能满足要求,所以升级到万米。”

  “将我们想要的东西从地球深部10公里深度的地方拿出来,这并不容易。钻杆在地面上看起来很硬,但到了那么远的地方后,就像一根面条一样,用这根面条头把里面的芯取出来,很难。”第九项目组负责人黄大年,这位在国外学习工作18年的设备专家说,在整个钻探过程中,受到岩石环境、温度等影响,井孔刚打的时候很大,一周之后会因为巨大的压力而缩小,这些都是挑战。

  万米钻机研究团队几易设计草稿,他们要对付地上和地下的难题。

  石油行业的万米钻机,在四五年前已经问世,科学钻探地上部分在原有平台上由位于四川的宏华集团测试完成。上万米的钻具有几百吨,负责提起钻具的“大钩载荷”的受力分析要经历多次测试,每增加一次钻具的探测深度,钻具承载能力都要加大。

  相比之下,地下部分的研究更难。石油钻机直接到万米之下,并不理会中间地质条件,而且直到钻头打坏才提上来更换,但是科学钻探需要把地下1万米的岩石分层全部原封不动地拿上来。

  地下只能通过仪器探测获得一些信号,受科学钻探“取心筒”的长度限制,达到一定长度,就要把岩石取出来,重新拆装,继续提取。一根钻杆有9米,3根是一个立柱,每次都是提27米,然后把石头卸下来放到平台上,越往下提费时越长,这个时间占了钻井工作时间的70%左右。

  孙友宏介绍,万米钻探团队在现有的石油钻探设备基础上,自主研发出数套关键技术,其中全液压顶驱装置、全自动化摆排管装置和高精度自动送钻装置成为创新所在。

  之前科学钻探都是用人力去提钻杆。一般提钻需五六个人在二层平台上,7000米提一次需要12个小时,再放钻头也要12个小时,用石油钻探装备做科学钻探使用,自动化程度不高,这是它与新研制的万米钻探的本质区别。

  万米钻探的三套核心技术都是旨在增加钻机的自动化,接钻杆、卸钻杆,二层平台都不用人,机械设备可以按照设定好的程序工作,操作工人只要揿动按钮和监测。孙友宏说,这套庞大的万米钻探设备,只需五六个人就能操控。

  万米钻探还没出厂之时,负责制造的宏华集团已经收到了订单。孙友宏描绘了未来的蓝图:“将来我们这个技术可以推广到深部石油、天然气钻探、深部地热资源的开采以及全球减排。现在有人提出二氧化碳地下存储,唯一的办法就是要打深孔,把气体注入地下,与岩石产生化学反应后吸收,这些都需要用到这个装备。”

  第一站,松科2井

  在世界各国透视地球岩层的“钻探比赛”中,目前已有13个国家建设了100多座科学钻井,其中有超过20个超过4000米。在“深部探测专项”立项之前,我国在十余年时间内打了4个科学钻探孔:第一口大陆科学钻探井(C C SD -1)2001年8月在江苏东海开钻,有人称之“中国第一钻”,有人称之“亚洲第一钻”。施工工程全部历时1395天,终孔深度5158.2米。

  2006年,松科1井南井在中国东北部松辽盆地正式开钻,该井布置的环境科学钻探工程,终孔深度2000余米,是全球首例陆相白垩系科学钻探工程。2008年11月,用于为未来地震的监测、预报或预警提供基本数据的汶川地震断裂带科学钻探一号孔开钻,目前该项目进展已完成2口井的施工任务。

  “这些打孔用的装备,除了汶川有一台3000米的大陆科学钻探装备,其他都是借助现有水井的、石油的、地质的设备。这些装备用于打深孔或者是全孔连续曲线来说效率很低,工人劳动强度也很大,应对复杂问题的能力也比较弱。”孙友宏说。

  万米钻机在四川广汉诞生后,开始寻找试验地点一展身手。正巧中国地质大学的国家973的项目,松辽盆地白垩系深度科学钻探,要打第二个科学钻探井,预计深度是6600米,没有钻机。于是双方一拍即合,位于松辽盆地的松科2井,将成为万米钻机的第一站,计划打穿下白垩系。

  在万米钻机即将启程,从西南迁移至东北之际,地下仍有很多难题亟待解决。孙友宏介绍,井下高温是一大挑战。前苏联的超万米科学钻探井,其井底最高温度才220摄氏度,但在中国松辽盆地,温度高于正常的低温梯度,按照正常的地温梯度,越往地下增加100米,地温增加3摄氏度,松辽盆地这个温度值接近甚至达到4摄氏度,6600米的井底温度就达到270摄氏度左右,钻头和填充泥浆都需要很好的耐高温性能。

  而这样的耐高温泥浆和动力钻头仍然在研制之中,计划在2014年前攻克,而今年八九月份,自主研制的万米钻探自动动力系统将会面世。

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channelId 1 1 南方都市报:万米钻机问世记 1 一块窄条的岩心样本,摆放在吉林大学建设工程学院院长孙友宏办公室的显眼位置。它来自前苏联地下万米深处。