鉆入地下1萬米到底有多難

本文格式為Word版，下載可任意編輯——鉆入地下1萬米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，到目前為止，人類僅向地心鉆進了大約0.2%。假使把地球比作一個雞蛋的話，現(xiàn)在連雞蛋皮都沒鉆破！這個12262米深的鉆孔還是蘇聯(lián)的科拉超深井創(chuàng)造的紀(jì)錄，迄今20多年無人打破。

不過，2023年11月15日召開的香山科學(xué)會議上傳出令人昂揚的消息，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水平。

為了藏在地下的機要和驚喜

人類雖然世世代代生活在地球上，卻對它所知甚少。好多看似很簡單的地球科學(xué)問題，至今仍沒有確鑿答案。

譬如，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)了造山運動？地殼中曾經(jīng)和正在進行什么樣的物理化學(xué)過程？

假使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復(fù)。

另一個原因，與地底下豐富的自然資源相關(guān)。

目前世界先進水平的礦產(chǎn)勘探開采深度已達2500米至4000米，而我國大多在500米以內(nèi)?？茖W(xué)家估計，假使我國的礦產(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。截至2023年底，全世界6000米以上的超深層油氣藏有104個，8000米以上的有28個，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〞問題是關(guān)鍵

要鉆這么深的井，需要利用強大的機器，鉆透一層又一層堅硬的巖石。在這個過程中，會遭遇好多世界級難題。其中就包括地球的“三高〞問題。

第一“高〞是高溫?？茖W(xué)家預(yù)計，鉆到地球深處超萬米處，溫度將達到300攝氏度以上。這意味著，鉆探機器上所使用的孔底馬達、震擊器、軸承密封等材料得耐得住這樣的高溫才行。惋惜現(xiàn)階段好多材料的耐高溫性能還沒這么厲害。

其次“高〞是高壓。假使鉆孔深度達到一萬多米，預(yù)計井內(nèi)泥漿壓力將達到175MPa以上，地層壓力將達到400MPa。而現(xiàn)有好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)會發(fā)生改變，簡單破碎。一旦井壁巖石出現(xiàn)破碎，又會嚴(yán)重阻礙鉆井施工的順利進行。

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，各部分之間產(chǎn)生相互作用的內(nèi)力。高地應(yīng)力十分簡單造成井壁垮塌、卡鉆等井下事故。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，就曾由于高地應(yīng)力頻頻發(fā)生事故，從而浪費了大量時間和經(jīng)費。

科學(xué)家“開腦洞〞想了這些應(yīng)對措施

據(jù)測算，鉆一口超過萬米的井需要花10年甚至20年時間，大約需要20億人民幣。要想把這筆巨資花得響，必需得有十足的把握才能動工。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攝氏度的高溫，首先挑戰(zhàn)的是鉆具上的橡膠、尼龍等有機材料，譬如鉆具的密封件。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)。

最簡單直接的方法就是研究出更耐高溫的橡膠、聚氨酯和電子元器件。假使這些材料依舊達不到要求，可以嘗試用耐高溫的金屬材料來替代它們。

還有一個方法是給鉆具降溫。譬如泥漿可以提取到地面進行冷卻，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。惋惜的是，可以在高溫高壓環(huán)境下使用的制冷機目前還沒有誕生。

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