“地壳一号”钻机:将人类的“视距”延伸到地下一万米


时间:2021-06-02  来源:  作者:  点击次数:


“上天、下地、下海、上极”是人类认识自然、挑战自然的四大功勋。以大陆科学钻探为重点的“入地”工程是获取地下物理信息的必由之路,其难度不亚于“上天”工程。

由于被困在地壳的岩石中,人类对地球内部知之甚少。如果要探索地球的内部结构和物质组成,最直接、有效、可靠的方法就是在地球深处钻一口科学的钻井,把人类的“视距”延伸到地球内部几千米甚至几万米。

7018米!

2018年6月2日,中国自主研发的万米钻机“地壳一号”正式宣布完成其“首秀”:创下亚洲大陆科学钻探7018米的新纪录,标志着中国成为继俄罗斯、德国之后,世界上第三个拥有实施万米大陆钻探计划专用设备及相关技术的国家,这让参与其中的研究人员兴奋不已。

为了满足中国地球深部探测工程的主要需求,中国于2009年启动了“深部探测技术与实验研究专项工程”。吉林大学教授、博士生导师黄大年主持了第九届“深部探测关键仪器设备开发与实验”项目。“深大陆科学钻探设备的开发”项目的第五个项目由时任吉林大学副校长、教授孙友红主持。该项目的主要任务是开发“地壳一号”万米钻机

2013年10月15日,50辆大型拖车装载“地壳一号”被拆成零件,从四川省广汉市出发,向东北方向行驶;2014年4月13日零时,“地壳1号”万米钻机在松辽盆地宋克2号井现场进行钻井作业;2018年,宋克2号井正式竣工,超额完成预定目标,在理论、技术、工程和装备等方面取得重大突破,极大地提升了我国深部地球探测的能力和影响力。

行进

一场科技竞赛正在地球内部展开

“上天、下地、下海、上极”是人类认识自然、挑战自然的四大功勋。以大陆科学钻探为重点的“入地”工程是获取地下物理信息的必由之路,其难度不亚于“上天”工程。

由于被困在地壳的岩石中,人类对地球内部知之甚少。探测地球内部结构和物质组成最直接、有效、可靠的方法就是在地球深处钻一口科学的钻井,把人类的“视距”扩大到几千米甚至几万米。

通过科学钻探,在地质学上可以研究地球的深部结构和演化,地球深部流体及其作用,验证地球物理勘探成果;在资源和能源的开发利用中,可以研究成矿理论、油气成因、调查和开发深部热能;在环境科学中,我们可以研究地震的原因、火山爆发的机制、地质灾害的预警、地球气候的演变和生命进化的历史。因此,科学钻探被称为理解地球内部信息的“望远镜”。

基于此,上世纪末,一些先驱者开始向地球深处“进军”。

大陆科学钻探项目始于20世纪60年代初。苏联地质学家贝利亚耶夫斯基和其他人提出,为了获得整个地壳的轮廓,应该在世界上至少六个地区钻超深井。

1970年,苏联科学家领导的科拉超深钻井工程启动,1986年3月钻成最深SG-3超深孔达11300米。同时,其他国家也开始在这一领域进行探索,如美国的罗杰斯1号井(9583米,1974年)和德国的KTB井(9101米,1994年)。

自从1996年国际大陆科学钻探计划(ICDP)正式成立以来,更多的国家开始参与科学钻探的制定和实施,并加入了ICDP。此时,各国争先恐后的重要原因是,依靠深井油气钻井设备的大陆科学钻探工程,在一定程度上反映了一个国家的经济实力和科技发展水平。这是一场科技大赛,谁也不能轻易落后。

当时,中国最深的科学钻探孔是CCSD一号,深度只有5158米。

解决一个关键问题

见解决“三高”问题的举措

超深孔钻井面临一系列世界级难题,其中最困难的是在地球高温、高压、高地应力条件下保证钻具的附件和电力

子元件能正常工作、取芯工作能够顺利进行。

    为解决“三高”难题,我国的科技工作者们进行了艰苦卓绝的科研攻关。

    经过4年多的努力,吉林大学成功研发出了我国首台万米大陆科学钻探专用装备——“地壳一号”万米钻机,解决了我国深部钻探装备转盘回转速度低、设备自动化程度低和深部钻探钻头压力控制精度低的三大技术难题,突破了高转速全液压顶部驱动钻进、高精度自动化摆排管、高速度钻杆柱自动拧卸输送和高精度自动送钻四大深部钻探装备关键技术,形成了具有自主知识产权的高性能深部科学钻探装备和配套装置,填补了我国在深部大陆科学钻探装备领域空白,大大提高了我国超深井科学钻探装备的技术水平。

    “此外,‘地壳一号’万米钻机还应用了一套由我们研发的自动化钻井装置,其主要包括自动摆排管装置、自动拧卸装置、自动‘猫道’装置以及我们国内钻深能力最大的一台全液压顶驱装置。”吉林大学机械学院教授沙永柏说。

    地球内部的高温泥浆,被誉为钻井的“血液”。在钻井过程中,井钻得越深,泥浆温度越高,钻探技术难度越大。

    在对国内外近30家泥浆材料供应商的产品进行遴选和配方试验后,中国地质大学(武汉)工程学院勘察与基础工程系教授乌效鸣研制出一种超高温水基钻井液配方,使钻井设备可经受住240摄氏度以上的高温考验,刷新我国钻井液应用的最高温度纪录,给工程节省大量资金,保障了钻孔安全。

    成就

    相关成果服务“一带一路”

    岩心作为地下岩石的剖面截取物,是人类了解地球深部唯一的实物资料。取出岩心后,地学家们通过技术手段对其进行分析研究,借此来了解地球的成因、研究古环境古气候的变化规律、研究地质构造运动、发现矿产资源和油气资源。

    “高于96%的取心率,获得了连续完整的4014米岩心。”“地壳一号”工程项目取得的众多成果中,这一项被地质专家们津津乐道。

    按照要求,从井中取出的圆柱形岩心,无论大小,其每间隔10厘米或20厘米要贴上唯一的“身份证”编码,包括钻孔名称、回次号、岩心段等信息。这些数据伴随岩心一起被存入国家实物地质资料库。借助“地壳一号”万米钻机获得的这些岩心,为我国科学家建立地球演化档案提供了难得的资料,也为大庆油田未来50年时发展和我国能源安全提供了重要的数据支撑。

    松科二井工程首席科学家、中国科学院院士王成善说,松科二井完井是国际大陆科学钻探计划历程中一件大事,也是中国入地工程的一件标志性事件。实施这个工程最主要目的就是要探究距今6500万年至1亿4千万年期间,即白垩纪时期重大地质事件、烃源岩的生成与古环境古气候变化的奥秘。

    据了解,目前“地壳一号”钻机的相关技术成果已经成功应用于我国低温钻机系列设备中,比如“极光”号极地钻机。

    目前,“极光”号极地钻机已被应用在俄罗斯北极圈亚马尔高寒地区油气勘探作业中。亚马尔液化天然气项目是中俄能源合作的重大项目,是中国提出“一带一路”倡议后实施的首个海外特大型项目。

    “极光”号极地钻机是应用于中俄亚马尔液化天然气项目的重要大型设备,该钻机可在零下50摄氏度低温和12级以上强风环境下连续工作。这也是我国制造的首台可以在零下55摄氏度环境作业的极地钻机。

    “地壳一号”项目的技术成果还被广泛应用于深部油气钻机和海洋钻机钻井包中,应用其成果的相关设备出口到阿联酋、委内瑞拉、俄罗斯、美国等多个国家和地区。

    相关行业专家表示,“地壳一号”万米钻机的研制及应用,标志着我国地学领域对地球深部探测的“入地”计划取得重大阶段性进展,为后续国家地壳探测工程的全面实施、探求地球深部奥秘提供了高技术手段,也将带动我国深部油气资源和地热资源勘探开发行业的技术进步。


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