领先世界的“钻地术”

领先世界的“钻地术”

虽然松辽盆地是个聚宝盆，但是它的地下岩层却很复杂，想要在松辽盆地挖个深井可是相当不容易。在松辽盆地下，既有相对较软的泥岩，又有相对较硬的砂岩、火山岩，这种软硬相间的岩石层对钻头、钻杆等钻具的要求非常高，需要它们调整相应角度，自动适应复杂的地层环境，否则就非常容易非正常损坏；同时，松辽盆地内部温度非常高，在一般的地区，每向下走100米，温度会上升1～3 ℃，而松辽盆地的地温梯度却达到了3.9 ℃，这意味着地下深处的温度会非常高，这对钻探设备同样是重大考验。

虽然在松辽盆地挖个深井很困难，但是“地壳一号”钻机就是破解这些难题的“利器”。

2013年10月15日，“地壳一号”这个大块头被拆分成零件，搭乘50辆大型拖车从四川省广汉市出发前往东北。2014年4月13日零点，“地壳一号”钻机在位于松辽盆地的松科二井现场实施开钻作业。在发动机提供的强大动力下，“地壳一号”钻机的金刚石钻头卖力地向地下钻进……

为什么用金刚石作为“地壳一号”的钻头材料？

因为金刚石的摩氏硬度是10，是最硬的矿物，比所有的岩石都要硬，所以人们在钻探过程中常用金刚石

制作钻头。

通常，比较深的钻探工作是分段进行的，所以一开始钻井的直径比较大，当钻探到一定的深度时，由于地应力增大，为了防止井壁坍塌，我们就要在钻井中放入一个钢管，这样就可以对井壁进行有效支护；每隔一段都会重复这样的操作。这样下来，伴随着深度的增加，放入钢管的次数也会增多，最下段井口的直径也就越来越小。这就好比大家小时候都爱玩的一种玩具—可伸缩的金箍棒，手持的一端是最外面一圈，直径也最大，越往里，直径越小，金箍棒的另一端绝对是最细的。这样，小管才能钻进大管。科学钻探是同样一个道理，每次所下套管的直径会越来越小。由于松科二井钻探深度较大，需要下很多次不同口径的套管，这对工作人员来说非常不易。

此外，松科二井绝不仅仅是向地下深处挖一个洞，还要将洞里的石头取上来。传统的科学钻探井多是先用一个小口径的钻头钻一个洞，把地下的石头取上来，然后再用大一点口径的钻头来扩大洞的直径，直至最初设计的口径。(https://www.daowen.com)

为了提高工作效率，采集到完整岩心，在“地壳一号”钻进过程中，我们的科学家反复试验、艰苦攻关，攻克了大口径钻头直接钻进并取岩心、粗大岩心的提取和出井等关键技术，这样一来，省去了很多工序，同时避免了井壁坍塌、掉块卡钻等诸多风险，节省了成本，取出岩心的数量是传统方法的好几倍。

在取岩心的过程中，还存在一个问题。传统的取岩心过程是，钻机工作一段时间后，取心筒里就存了一些岩心，每次取岩心的时候，我们都需要把井下所有的钻具全部取上来，取出岩心后，再把所有的钻具下到井里继续钻进。这个工作耗时、耗力。

如何在取岩心的技术上下功夫，提高效率、节省成本呢？科学家想，如果钻一次能多钻入深地一些，这样取岩心的长度就增加了，取岩心的次数不就减少了吗？有了方向就要开始攻关，科学家终于在“长钻程技术”上实现了重大突破，在“地壳一号”钻进过程中，在311毫米口径井段一次取岩心钻进深度超过了30米，创造了该领域的世界纪录；随后又在216毫米口径井段一次连续取岩心的钻进深度达到41.69米，再次刷新了世界纪录。“长钻程技术”的应用，不仅降低了工作人员的劳动强度，缩短了钻井施工周期，还极大地节约了综合成本，更为以后的超深井工程提供了新技术支撑。

“地壳一号”在超深井中向下连续钻进的过程中，既要保证上部井眼完好不会坍塌，也要保证让钻头“咬碎”的岩石碎渣从井底顺利排出，还要保证高速转动的钻头不会因为发热而提前报废，这些就得依靠前面提到的钻井液来实现了。它就像人的血液一样，在钻眼过程中从地面到井眼底部不停地循环、净化，传递水动力、冷却并润滑钻具，携带岩屑，维护井眼周围井壁的稳定。

在钻进的过程中，钻井越深，温度越高，对钻井液的技术要求越高。松科二井7 000多米处的温度已超过240 ℃，经过反复的研究和实验，科学家们研发出的新型钻井液配方，经受住了井底240 ℃以上温度的考验，刷新了我国钻井液应用的最高温度纪录。

在打钻过程中，“地壳一号”攻克了一个又一个的世界性难题，完成了一个在ICDP十分有影响力的灯塔项目，见证了我国的“入地”能力，推动了我国“入地”设备的快速发展。“地壳一号”钻机的相关技术成果已被广泛应用于深部油气钻机、海洋钻机、低温钻机系列设备中，推动了我国深部油气资源和地热资源勘探行业的技术进步。