由淺入深說鉆探

當我們仰望星空時，會對浩瀚的宇宙充滿無限的驚奇，但是你可曾想過，我們腳下的大地——地球內部也隱藏著無數的秘密等待著我們去探索？地球內部究竟是什么樣子的呢？要想得到答案，挖開地球是最直接的觀察方式。

鉆探工程

那么，如何挖開地球？現代科學給出的答案是鉆探。簡單來說，鉆探就是往地下鉆出一個井洞。但這個井洞可不是隨便挖的，它需要使用非常先進的技術和巨大的設備。

有人可能要問：為什么要費這么大的力氣往地下鉆這么深的井洞呢？這是因為深部鉆探有很多非常重要的作用。首先，它可以幫助我們找到更多的資源。我們生活中所需的許多資源，比如石油、天然氣、煤炭、金屬礦石等，很多都藏在地下深處，通過深部鉆探，我們才能找到它們。其次，深部鉆探能讓我們更好地了解地球。地球就像一個巨大的謎團，而深部鉆探就像是一把鑰匙，能幫助我們解開地球內部的結構、組成和演化等一系列的秘密。最后，深部鉆探還有助于預測和預防一些自然災害，如地震、火山噴發等災害。這些災害的發生和地球內部的活動有很大關系。通過研究深部鉆探獲得的資料，科學家就能更好地了解這些災害的規律，提前做好防范措施，保護我們的生命和財產安全。

深鉆歷史

深部鉆探的歷史可以追溯到很久以前。早在古代，人們就嘗試挖掘深井來獲取地下水。但真正意義上的深部鉆探是從20世紀才開始的。在20世紀70年代，蘇聯進行了一個名為“科拉超深井”的地球鉆探項目，并且鉆探出了世界上垂直深度最深的井洞（深達12262米）。當時正處于美蘇冷戰時期，蘇聯人 “希望更深入地了解地球和地下資源”，并在這個領域戰勝美國人。于是，在1970年5月25日這天，很多蘇聯的科研人員參與到了一個代號為“地球望遠鏡”的秘密計劃中，他們在西伯利亞的科拉半島，開始了20余年的鉆探之路。最初的目標是鉆探到地下15000米的深處，但可惜的是，當鉆探深度達到12262米后，便再也無法突破，最終于1992年終止鉆探，未能完成預定目標。 “科拉超深井”項目為我們對地球深部的研究提供了寶貴的資料。

在我國，深部鉆探領域的發展可以追溯到20世紀60年代，從那時開始籌備大陸科學鉆探計劃。

松遼盆地大陸深部科學鉆探工程中的松科二井，完鉆井深7018米，這是亞洲國家完成的最深大陸科學鉆井，國際大陸科學鉆探計劃（ICDP）實施22年來的最深鉆井，還是全球首個鉆穿白堊紀陸相地層的科學鉆探井。該工程取得了多項重大突破，包括創造了311毫米大口徑連續取芯最長、三種不同口徑單回次取芯最長等世界紀錄；研發并成功應用大口徑一次取芯成井等技術，提高了鉆進速度；研發抗高溫鉆探技術，創造國內最高溫度（241℃）條件下鉆進的新紀錄；發現松遼盆地深部頁巖氣和地熱能具有良好的勘探開發前景；首次實現對白堊紀最完整、最連續陸相地層厘米級高分辨率的精細刻畫，重建了白堊紀陸相百萬年至十萬年尺度氣候演化歷史；等等。

深鉆設備

要進行深部鉆探，可不是一件容易的事情，需要很多先進的技術和超強的設備。首先鉆探設備要足夠強大。要有一個能夠承受地球深部高溫高壓的鉆頭，還要有堅固的鉆桿，把鉆頭送到地下深處。在進行深部鉆探的過程中，起下鉆的輔助過程極其耗時，鉆孔越深，起下鉆耗時越長，進尺速度越慢，效率越低。同時，在深部地層中多見花崗巖巖層，巖石趨于堅硬致密，常用的碎巖工具是孕鑲金剛石鉆頭。但在這種類型的地層中鉆進時，鉆頭容易出現打滑不進尺的情況，無法吃入地層對巖石進行有效破碎。即使能有效碎巖，鉆頭也會由于磨損較快導致壽命降低，需要重新起鉆更換鉆頭，這嚴重影響了鉆進效率。為了解決深孔鉆進出現的問題，繩索取芯鉆具、高強度鉆桿、井下更換鉆頭和高效率長壽命鉆頭等新技術、新方法應運而生，在一定程度上提高了鉆進效率。

鉆頭是碎巖取芯的主要工具，是鉆探技術中的“核心利器”。深部鉆探所使用的鉆頭，其常用材料一般為金剛石以及含有金剛石的各種復合材料。金剛石是自然界中最堅硬的物質，按照鑲嵌類型一般分為表鑲鉆頭和孕鑲鉆頭。前者金剛石均勻布滿鉆頭的胎體表面，金剛石的顆粒較大，適用于中硬地層。后者有很多較小的金剛石均勻分布在鉆頭胎體中，更適用于堅硬地層。除此之外，聚晶金剛石復合片鉆頭（簡稱“PDC鉆頭”）也較為常見，它是用聚晶金剛石（薄圓片狀）做成小型切削塊鑲裝或燒結到鉆頭體上而形成的。這種鉆頭適用于鉆探軟到中硬地層，具有單位進尺成本低的優點。自20世紀70年代出現以來，PDC 鉆頭已逐漸取代金剛石鉆頭，而廣泛應用于石油鉆井。

近年來，研究人員對適用于深孔鉆進的新型取芯鉆頭進行研制，取得了不錯的效果。比如高胎體多水口鉆頭，就是通過提高鉆頭工作層高度、配合增加水口數量的方法，將鉆頭的使用壽命提高了50%左右。

同時，鉆探還需要用到一種特殊的“液體”物質——鉆井液。它就像是鉆探過程中的“潤滑劑”和“保護劑”，既能冷卻鉆頭、帶走鉆出來的碎屑，還能保持井壁的穩定，防止坍塌。而深孔鉆進中所使用的沖洗液則要經受更大的挑戰。在深孔中進行鉆進，沖洗液流經的地層更多，與地層之間的相互作用更為明顯。特別是進入深部地層時，熾熱的溫度會使沖洗液的性能發生變化，如黏度改變會導致沖洗液的攜粉和冷卻鉆頭的能力發生較大的變化。因此，在進行深孔鉆進時，對沖洗液配方必須進行進一步的改進。為了給高溫高壓鉆井液優選配方提供依據，中國地質調查局北京探礦工程研究所研制了超高溫高壓鉆井液流變儀，這個儀器可以測量鉆井液在高溫高壓條件下的流變性。

此外，深部鉆探技術也是尤為重要的。比如測井技術，可以實時監測鉆探過程中的各種參數（如溫度、壓力、轉速等），以便及時調整鉆探工藝和設備運行狀態。在鉆探的過程中，科學家會使用各種儀器來測量地下的情況，比如巖石的性質、地層的結構等，這些信息對于了解地下的情況非常重要。

“地殼一號”

上天、入地、下海、登極，是人類認識自然和挑戰自然的四大壯舉。以大陸科學鉆探為主的“入地”工程是獲取地下實物信息的唯一手段，其難度絕不亞于“上天”工程。

7018米！2018年6月2日，由我國自主研發的萬米鉆機“地殼一號”正式宣布完成“首秀”。“地殼一號”以完鉆井深7018米勇創亞洲國家大陸科學鉆井新紀錄，標志著我國成為繼俄羅斯和德國之后，世界上第三個擁有實施萬米大陸鉆探計劃專用裝備和相關技術的國家。“地殼一號”萬米鉆機，解決了我國深部鉆探裝備轉盤回轉速度低、設備自動化程度低和深部鉆探鉆頭壓力控制精度低三大技術難題，突破了高轉速全液壓頂部驅動鉆進、高精度自動化擺排管、高速度鉆桿柱自動擰卸輸送和高精度自動送鉆四大深部鉆探裝備關鍵技術，形成了具有自主知識產權的高性能深部科學鉆探裝備和配套裝置，填補了我國在深部大陸科學鉆探裝備領域的空白，大大提高了我國超深井科學鉆探裝備的技術水平。

深部鉆探很神奇，但面臨著很多困難和挑戰。最重要的是，深部鉆探需要很多專業的人才，尤其是具備地質、鉆探、工程、材料等多學科知識的復合型人才。

科學家一直在努力改進技術，提高鉆探的能力。新材料和新技術會讓鉆探設備更加強大與高效。相應地，深部鉆探的應用領域也會不斷擴大。未來，深部鉆探可能會鉆得更深，我們會發現更多關于地球的秘密。也許有一天，我們能利用地球深部的資源和能量，為人類的發展提供無盡的支持。

致謝

感謝國家自然科學基金項目（42177123、42042054）、中國礦業大學教學研究項目（2023ZDKT03-102、2022ZX01）、全國煤炭行業高等教育教學改革研究課題項目（2021MXJG179）的支持。