46億年前，地球誕生了，它內(nèi)部有地核、地幔、地殼結(jié)構(gòu)（圖1），外部有水圈、大氣圈和磁場。它就像母親的搖籃一樣承載著人類數(shù)千年的發(fā)展，其蘊(yùn)藏的豐富資源也是人類賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)。然而，地球有它自己的“怪脾氣”，如地震、火山和泥石流等，這些“怪脾氣”讓我們?nèi)祟悡p失巨大，也讓我們?nèi)祟愅?。從人類誕生之初到今天的科學(xué)家們都在嘗試各種方法找到解決這些“怪脾氣”的方法，從地球表面到地球深部都在做各種探索和測量工作，特別是對地球內(nèi)部的探索從來沒有停止過，意圖解開其中的奧秘。但是由于地球內(nèi)部巖層、水層、溫度、壓力等的千變?nèi)f化，迄今為止，我們?nèi)祟悓Φ厍騼?nèi)部的了解仍知之甚少。2013年，我們國家實(shí)施了“松科2井”重大地調(diào)科研項(xiàng)目，通過向地下鉆進(jìn)深孔獲取地殼巖石實(shí)物資料，從地殼內(nèi)部“挖石”來打開探秘地球深部的通道。

圖1  地球圈層結(jié)構(gòu)示意圖

本篇從取芯鉆探工具、取芯技術(shù)創(chuàng)新、取芯“泥漿”以及取芯技術(shù)探索等四方面論述“松科2井”如何打開地球深部的秘密。

一、“挖石利器”——取芯鉆探工具

地球內(nèi)部是一個(gè)極不均勻和極復(fù)雜的球體，從地殼到地核的巖層、水層、溫度、壓力等千差萬別，想要在它上面鉆眼“挖石”并非易事。而對于超過7000米的超深井——“松科2井”來說，難度更大。這是因?yàn)椤八煽?井”在向下鉆進(jìn)的過程中，一要保證鉆的井眼不能坍塌和崩裂，二要保證取出的深部巖芯完好無缺。要想達(dá)到這兩個(gè)目標(biāo)，不但需要有先進(jìn)的鉆進(jìn)方法，而且必須有適合地下各種復(fù)雜多變地層的“挖石利器”——取芯鉆探工具。這種取芯鉆探工具和匹配的鉆頭是向地下鉆進(jìn)并抓取巖石的保障（圖2）?！八煽?井”在鉆進(jìn)過程中，其工作過程為：鉆頭在最底部通過高速轉(zhuǎn)動(dòng)不斷“咬碎”周圍的巖石，把中間的柱狀巖石樣本送入取芯鉆具里抓取、攜帶巖芯的內(nèi)筒，而取芯鉆具外筒源源不斷的將鉆進(jìn)中需要的壓力和轉(zhuǎn)速傳遞給鉆頭，同時(shí)在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中修整井壁，保護(hù)內(nèi)筒。

圖2  KT系列大口徑取心鉆具圖

二、“獨(dú)辟蹊徑”——取芯技術(shù)創(chuàng)新

傳統(tǒng)的科學(xué)鉆探中大直徑井段是先取芯鉆進(jìn)一個(gè)小井眼，再用擴(kuò)孔鉆頭重新鉆進(jìn)去擴(kuò)大井眼至設(shè)計(jì)井眼直徑。然而，在科學(xué)超深井鉆探中面臨的挑戰(zhàn)是如何在大直徑井眼中高效鉆進(jìn)，并且完整地抓取巖芯?！八煽?井”在鉆探過程中取得一系列技術(shù)創(chuàng)新，如大直徑同徑取芯、長鉆程技術(shù)和大直徑巖芯原狀出筒技術(shù)等，都為我們國家科學(xué)超深井鉆探取得了技術(shù)上的突破。

（1）大直徑同徑取芯技術(shù)。“松科2井”攻克了大直徑取芯鉆頭破碎巖石和粗大巖芯抓取、攜帶出井等關(guān)鍵技術(shù)，并用國內(nèi)首創(chuàng)的Φ311mm的大直徑同徑取芯鉆探工具直接鉆進(jìn)一個(gè)大井眼（圖3），一次鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)井眼直徑，這樣不但省去了傳統(tǒng)的“小徑取心，大徑擴(kuò)孔”過程中的很多工序，避免了“小井眼到大井眼”鉆進(jìn)中的很多風(fēng)險(xiǎn)，而且節(jié)約了大量生產(chǎn)物資，獲取的巖芯樣品實(shí)物量也比設(shè)計(jì)的多了5倍。    

圖3  Φ311mm大直徑取心鉆具組裝與出井

（2）長鉆程技術(shù)。“松科2井”在鉆進(jìn)過程中每次取芯鉆具裝滿巖心后需要把井中所有鉆具提出，巖芯被取出后再把所有鉆具下到井里繼續(xù)鉆進(jìn)。科學(xué)家們通過多次試驗(yàn)和技術(shù)攻關(guān)，實(shí)現(xiàn)了長鉆程技術(shù)的突破，把每次可連續(xù)鉆進(jìn)深度（鉆程）從10m、20m擴(kuò)展到30m。在Φ311mm井段一次取芯鉆進(jìn)深度（鉆程）超過了30m，創(chuàng)造了該領(lǐng)域的世界紀(jì)錄；而在Φ216mm井段一次連續(xù)取芯鉆進(jìn)深度（鉆程）更是達(dá)到了41.69m，再次刷新了世界紀(jì)錄（圖4）?！八煽?井”科學(xué)團(tuán)隊(duì)所研發(fā)的這種長鉆程技術(shù)大大減少了從井內(nèi)提出鉆桿、下入鉆桿的次數(shù)，尤其是在井深超過7000m的時(shí)候，從井內(nèi)提出鉆桿、下入鉆桿一次需要工人36個(gè)小時(shí)的長時(shí)間連續(xù)的操作，實(shí)用價(jià)值巨大。因此，長鉆程技術(shù)的應(yīng)用不僅減小了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，壓縮了鉆井施工周期，而且極大地節(jié)約了綜合成本，更為以后的超深井工程開辟了新技術(shù)支撐。

圖4  四筒超長取心鉆具與單次鉆進(jìn)獲取的40m巖芯

（3）大直徑巖芯原狀出筒技術(shù)。為了保證大直徑巖芯出井后能夠完整、原狀從巖芯筒取出，“松科2井”科學(xué)團(tuán)隊(duì)利用水力出巖芯技術(shù)與工程現(xiàn)場的液壓拆裝臺(tái)架輔助的機(jī)械出芯技術(shù)，保證了近4100多米巖芯完整、原狀出筒，為地學(xué)研究提供了一套優(yōu)質(zhì)、豐富的巖芯實(shí)物資料（圖5）。

圖5  獲取的大直徑巖芯實(shí)物

三、“鉆井血液”——取芯鉆進(jìn)中的“泥漿”

“松科2井”完鉆井深達(dá)7018m，在超深井向下連續(xù)鉆進(jìn)過程中，既要防止上部井眼完好且不坍塌，也要讓鉆頭“咬碎”的巖渣從井底順利排出，還要保證高速轉(zhuǎn)動(dòng)的鉆頭不會(huì)因?yàn)榘l(fā)熱而提前報(bào)廢，這些都得依靠“泥漿”即鉆井液來實(shí)現(xiàn)，它就像人的血液一樣，在鉆眼過程中從地面到井眼最底部不停的循環(huán)、凈化，傳遞水動(dòng)力、冷卻并潤滑鉆具，攜帶和懸浮巖屑，維護(hù)井眼周圍井壁的穩(wěn)定。而且鉆井越深，溫度越高，鉆井液技術(shù)難度越大?！八煽?井”每往下鉆進(jìn)100米，溫度升高3～4℃，鉆到孔底的時(shí)候溫度已超過240℃，科學(xué)家們通過反復(fù)的研究和實(shí)驗(yàn)，研發(fā)出的新型鉆井液配方經(jīng)受住了井底240℃以上溫度的考驗(yàn)，刷新了我國應(yīng)用最高溫度記錄（圖6）。

圖6  鉆進(jìn)過程中泥漿循環(huán)流動(dòng)示意圖（箭頭表示泥漿流向）

四、“尋找新大陸”——取芯技術(shù)探索

超深井在鉆到一定深度的時(shí)候會(huì)遇到各種困難，比如地球內(nèi)部溫度高、壓力大、巖石硬度大、鉆眼速度慢等，要想繼續(xù)向更深的地球內(nèi)部探索，就必須克服重重困難。科學(xué)家們已預(yù)想到了這些問題，如在大直徑井眼取芯鉆進(jìn)中怎么能不把鉆桿全部從孔里提出來就可以把巖芯全部取上來；在高溫地層、較硬的巖石中怎么能讓鉆頭更高轉(zhuǎn)速去“咬碎”巖石；怎么能在鉆眼同時(shí)把井眼底下的各種數(shù)據(jù)直接輸送到地面。“松科2井”在實(shí)施過程中，科學(xué)家們已對大口徑繩索取芯、渦輪鉆取芯、井底隨鉆數(shù)據(jù)采集與傳輸?shù)燃夹g(shù)做了大量的可行性試驗(yàn)，得到的技術(shù)和數(shù)據(jù)，為今后的萬米超深井科學(xué)鉆探儲(chǔ)備了技術(shù)力量（圖7）。

“上天入地”揭開宇宙的神秘面紗，探索地心深處的奧秘，科學(xué)鉆探之路漫漫，其修遠(yuǎn)兮，盡管現(xiàn)在我們只鉆穿了地球的“皮毛”，但我們相信在科學(xué)家們不懈的努力和探索下，通過將來實(shí)施的萬米科學(xué)鉆探、超萬米科學(xué)鉆探定會(huì)打開探秘地球深部的通道，那時(shí)我們距離地心會(huì)越來越近。

圖7  “松科2井”巍峨挺拔的鉆塔