进军“深地” 寻求技术突破是关键

来源:科普时报 时间:08-07 作者:李耕拓

7月20日上午,四川盆地第一口万米深井——“深地川科1井”,在四川广元市剑阁县开钻,设计井深10520米。这是继我国今年5月30日在新疆塔里木盆地“深地塔科1井”后开钻的第二口万米深井。“深地塔科1井”设计深度为1.11万米,奏响了我国开启“万米深井”时代的序幕。钻井完工周期为457天,这将创造全球万米深井钻探用时最短纪录。

近年来,我国不断向地球深部进军,多次刷新“深地”开发纪录,可谓捷报频传。5月1日上午,中国石化公司部署在塔克拉玛干沙漠边缘的“深地一号”特深油气井——“跃进3—3XC油气井”开钻。该井预计钻深9472米,比珠穆朗玛峰的高度还要多620米,将刷新亚洲最深油气井纪录。5月2日上午,钻探完毕的另外一口位于塔克拉玛干沙漠腹地、深度8591米的顺北10斜井“深地一号”超深井,开井测试获高产油气流。

塔里木盆地是我国最大的内陆含油气盆地,在它的中心地带塔克拉玛干沙漠,深度超过8000米的钻井目前有120口,6000米以上的深井有1700多口,占全国超深井数量80%以上,生产的油气产量占比超过52%。这些井都有一个共同任务,就是把埋藏在沙漠下数千米的油气“请”出来。这项任务也被称为“深地工程”。2022年8月,中国石化塔里木油田在塔里木盆地开始实施“深地工程”钻探,这是我国地球深部探测领域的重大工程。

上天、入地、下海、登极是人类认识和探索自然的四大壮举。“深地”究竟有何吸引力?因为它潜藏着地球这颗蓝色星球的无穷奥秘,以及人类对未知领域的强烈好奇。开展深地探测、创新深地科学理论、发展深地探测技术、解释地球深部奥秘,成为解决人类面临能源资源和生存空间基本问题的重要路径。因此,向“深地”进军是地球科学发展的必然趋势,通过深地钻探就是窥探这些奥秘的主要手段。

按照国际通常标准,钻深4500米—6000米的井为深井,6000米—9000米的井为超深井,超过9000米的井为特深井。目前世界上已打出3口超过万米的特深井。

我国“深空”已实现航天器登月,“深海”已有载人潜水器抵达海洋最深处,登极也早已实现,而“深地”探索至今仍未突破万米。向极限超越,钻探万米特深井是实现我国高水平科技自立自强的必然要求。

“富煤贫油少气”是我国能源发展面临的现状。在新能源大规模应用之前,化石能源仍是经济社会发展的重要资源,而我国83%的深地油气仍有待探明开发,向深地进军就成为保障国家能源安全的必然选择。

作为入地的重要手段之一,深地钻井被视为深入地球内部的“望远镜”。已知地球平均半径为6371公里,但人类深地钻井垂直深度仅有12.262公里,这意味着人类花费300年时间向地心掘进还不到0.2%,如果将地球比作鸡蛋,那么现在连蛋壳都没钻破,所以向深地进军难度丝毫不亚于上青天。

那么,进军深地难在哪儿?首先面临的难题就是高温和高压。随着钻井深度持续增加,地层的温度和压力都将逐渐升高,到达万米地层200℃以上的高温能让金属钻具如面条般柔软,而近1300倍的大气压,甚至超过10万个大气压的高压环境也对工具装备、工程材料等带来前所未有的考验。与此同时,井筒内上千节相连的钻杆在给钻头传输动力时,六七百吨的自重也将给钻机带来极大负荷。钻井本身也会遇到易漏、易垮、易卡等多道“鬼门关”。

在塔里木盆地和四川盆地,我国大多数深地钻探更是难上加难。今年已开钻的塔里木和四川盆地特深井,对标全球13项工程难度指标,其中高温高压、高含硫等7项位居世界第一。

因此,在进军深地过程中寻求技术突破是关键,钻探深度越大就越需要更加高超的技术。近年来,中国石化自主研发的旋转地质导向钻井系统达国际先进水平,自主研发的高温高压测井仪器打破国外技术垄断,实现了从“打不成”到“打得准”“打得快”的跨越。这一切,让我国大陆科学钻探已跻身世界深部地学研究前列。