那么，我們該如何探索地球深處的秘密呢？我們來看看“松科二號井”科研團(tuán)隊(duì)的“十八般武器”和“絕活”。本文從取心鉆井工具、取心技術(shù)創(chuàng)新、“泥漿”和取心技術(shù)探索??四個方面，探討“松科二號井”如何揭開地球深處的秘密。

圖1 地球圈層結(jié)構(gòu)示意圖

挖掘巖石的利器：取芯鉆具

地球內(nèi)部是一個極其不均勻的復(fù)雜球體鉆探工具，從地殼到地核的巖層、水層、溫度、壓力等千差萬別，在上面鉆孔、“挖巖”絕非易事。對于深度超過7000米的超深井“松科二號井”來說，更是難上加難。這是因?yàn)椤八煽贫�號井”在向下鉆進(jìn)的過程中，既要保證鉆孔不塌陷、不開裂，又要保證取出的深層巖芯完好無損。要實(shí)現(xiàn)這兩個目標(biāo)，不僅需要先進(jìn)的鉆井方法，還需要一種適用于各種復(fù)雜多變的地下地層的“挖巖利器”——取芯鉆具。這種取芯鉆具和與之配套的鉆頭，才是鉆入地下、抓取巖石的保障（圖2）。 “松科2號井”鉆進(jìn)過程中，其工作過程是這樣的：鉆頭在底部通過高速旋轉(zhuǎn)不斷“碾碎”圍巖，將中間的柱狀巖樣送入取心鉆內(nèi)管抓取、攜帶巖心，而取心鉆外管則不斷將鉆進(jìn)所需的壓力和轉(zhuǎn)速傳遞給鉆頭，同時(shí)在旋轉(zhuǎn)過程中對井壁進(jìn)行修整，以保護(hù)內(nèi)管。

圖2 KT系列大直徑取芯鉆機(jī)

獨(dú)特的方法——取芯技術(shù)創(chuàng)新

傳統(tǒng)科學(xué)鉆井是先將大直徑段巖心打入小井眼，再用擴(kuò)孔器回鉆至井眼，將井眼擴(kuò)大至設(shè)計(jì)井徑。然而，科學(xué)超深井鉆井的挑戰(zhàn)是如何在大直徑井眼中高效鉆進(jìn)并完整捕獲巖心�！八煽�2號井”在鉆井過程中實(shí)現(xiàn)了大直徑同徑巖心取芯、長鉆井技術(shù)、大直徑巖心原管技術(shù)等一系列技術(shù)創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)了我國科學(xué)超深井鉆井的技術(shù)突破。

先說大直徑同徑取心技術(shù)�！八煽�2號井”掌握了大直徑取心鉆頭破巖、抓取并攜帶大巖心出井的關(guān)鍵技術(shù)，運(yùn)用國內(nèi)首創(chuàng)的φ311mm大直徑同徑取心鉆具直接鉆入大鉆孔（圖3），一次鉆至設(shè)計(jì)鉆孔直徑，不僅省去了傳統(tǒng)“小直徑取心、大直徑擴(kuò)孔”工藝中的很多工序，規(guī)避了“小鉆孔改大鉆孔”鉆進(jìn)中的很多風(fēng)險(xiǎn)，還節(jié)省了大量的生產(chǎn)材料。實(shí)際獲取的巖心樣品量是設(shè)計(jì)的5倍，為地質(zhì)工作者提供了更多極其珍貴的巖心。

圖3 φ311mm大直徑取心工具裝配及出井

再說長鉆技術(shù)。在“松科二號井”鉆井過程中，每口取心鉆頭裝滿巖心后，需要將井內(nèi)鉆頭全部取出，取完巖心后再將鉆頭全部下入井內(nèi)繼續(xù)鉆進(jìn)。通過多次試驗(yàn)和技術(shù)突破，科學(xué)家們在長鉆技術(shù)上取得了突破，將連續(xù)鉆進(jìn)深度（鉆距）從每次的10m、20m拓展到30m。在φ311mm井段，巖心鉆進(jìn)長度（鉆距）突破30m，創(chuàng)造了該領(lǐng)域的世界紀(jì)錄；而在φ216mm井段，在井深不足4700m的情況下，連續(xù)巖心鉆進(jìn)長度（鉆距）達(dá)到41.69m。在難度更大的φ152mm超深井段，連續(xù)巖心鉆進(jìn)長度（鉆距）突破33m，連續(xù)兩次打破世界紀(jì)錄（圖4）。 “松科二號井”科研團(tuán)隊(duì)研發(fā)的長鉆井技術(shù)，大大減少了鉆桿起下井的次數(shù)，特別是當(dāng)井深超過7000米時(shí)，從井內(nèi)起下鉆桿需要工人36個小時(shí)的長時(shí)間連續(xù)作業(yè)，具有很大的實(shí)用價(jià)值。因此，長鉆井技術(shù)的應(yīng)用，不僅減輕了工人的勞動強(qiáng)度、縮短了鉆井施工周期，還大大節(jié)省了綜合成本，為未來更深的超深井項(xiàng)目開辟了新的技術(shù)支撐。

圖4：四筒超長取心鉆具，一次鉆進(jìn)獲得40米巖心

最后說一下大直徑巖心原狀取出技術(shù)。為確保大直徑巖心出井后能完好無損、原封不動地從巖心筒中取出，“松科2號井”科研團(tuán)隊(duì)在工程現(xiàn)場采用了液壓取芯技術(shù)和機(jī)械取芯技術(shù)輔以液壓拆裝機(jī)，確保4100余米巖心原狀完好取出，為地質(zhì)研究提供了一套優(yōu)質(zhì)、豐富的巖心材料數(shù)據(jù)（圖5）。

圖 5. 獲得的大直徑芯材

鉆井血跡——巖心鉆井中的泥漿

“松科2井”鉆井深度達(dá)7018m。超深井連續(xù)鉆進(jìn)過程中，既要保證上部井筒完好不塌陷，要讓鉆頭“咬”進(jìn)的巖屑順利從井底排出，還要保證高速旋轉(zhuǎn)的鉆頭不會因受熱而過早報(bào)廢。而這些都要靠“泥漿”也就是鉆井液來實(shí)現(xiàn)。它就像人的血液，在鉆井過程中，從地面到井底循環(huán)凈化，傳遞水動力，冷卻潤滑鉆具，攜帶懸浮巖屑，維持井筒周圍井壁的穩(wěn)定性。而且，鉆井越深，溫度越高，鉆井液技術(shù)難度也就越大�！八煽�2井”每向下鉆進(jìn)100米，溫度上升3℃~4℃。 當(dāng)溫度到達(dá)井底時(shí)，已超過240℃�？茖W(xué)家通過反復(fù)研究和實(shí)驗(yàn)，研制出了一種新型鉆井液配方，經(jīng)受住了井底240℃以上溫度的考驗(yàn)，打破了我國水基鉆井液應(yīng)用最高溫記錄（圖6）。

圖6 鉆井過程中泥漿循環(huán)示意圖（黃色箭頭表示泥漿流向）

尋找新世界：探索取心技術(shù)

超深井鉆到一定深度，會遇到地球內(nèi)部高溫高壓、巖石硬度大、鉆速慢等各種困難，如果想繼續(xù)向地球更深的地方探索，必須克服重重困難。如何在大直徑井筒中不把鉆桿全部取出的情況下，將所有巖心全部打出孔外？在高溫地層、堅(jiān)硬巖石中，如何讓鉆頭以更高的速度旋轉(zhuǎn)來“碾碎”巖石？如何隨鉆將井筒下的各種數(shù)據(jù)直接傳輸?shù)降孛�？在“松科二號井”�?shí)施過程中，科學(xué)家們對大直徑繩索取心、渦輪鉆具取心、隨鉆數(shù)據(jù)采集與傳輸?shù)燃夹g(shù)進(jìn)行了大量可行性試驗(yàn)，所獲得的技術(shù)和數(shù)據(jù)為未來萬米超深井科學(xué)鉆探儲備了技術(shù)實(shí)力。

“上天入地”揭開宇宙奧秘，探索地心深處的奧秘，科學(xué)鉆探之路漫長而艱辛。雖然現(xiàn)在我們只鉆穿了地球的“皮毛”，但我們相信，在科學(xué)家的不懈努力與探索下，通過未來實(shí)施萬米、超萬米科學(xué)鉆探，一定能打通一條探索地球深處奧秘的通道，屆時(shí)我們距離地心將越來越近。