鉆一口全世界最深的井，到底有多難
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，人類花了大約300年，僅向地心鉆進(jìn)了大約0.2%。用中國科學(xué)院院士高銳的話說，“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
的鉆孔還是前蘇聯(lián)的科拉超深井創(chuàng)造的記錄，迄今20多年無人打破。不過，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，我國科學(xué)家們提出大膽設(shè)想，將在中國鉆若干口超過萬米，甚至打破前蘇聯(lián)科拉超深井紀(jì)錄的特深鉆孔。這將使我國的地球科學(xué)研究水平提升至國際先進(jìn)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(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)長期觀測的儀器，建立起對地球內(nèi)部進(jìn)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回答。”中國地質(zhì)調(diào)查局原副局長王達(dá)說。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，而我國大多在500米以內(nèi)。科學(xué)家估計(jì)，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(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)。中國石化石油工程技術(shù)研究院高級(jí)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(gè)，8000米以上的有28個(gè)，其中包括我國的塔里木油田。除了油氣，還有大量的地?zé)豳Y源等待我們?nèi)ラ_發(fā)利用。
地球三高堪稱世界級(jí)難題
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。”吉林大學(xué)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。科學(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。可惜現(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(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。前蘇聯(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(shí)，就曾因?yàn)楦叩貞?yīng)力頻頻發(fā)生事故，從而浪費(fèi)了大量的時(shí)間和經(jīng)費(fèi)。
考驗(yàn)科技實(shí)力的時(shí)刻到了
據(jù)測算，鉆一口這樣的井需要花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。
就拿對付地球的高溫來說吧。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(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(dá)說，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。正如王達(dá)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(shù)才行！