由浅入深说钻探

当我们仰望星空时，会对浩瀚的宇宙充满无限的惊奇，但是你可曾想过，我们脚下的大地——地球内部也隐藏着无数的秘密等待着我们去探索？地球内部究竟是什么样子的呢？要想得到答案，挖开地球是最直接的观察方式。

钻探工程

那么，如何挖开地球？现代科学给出的答案是钻探。简单来说，钻探就是往地下钻出一个井洞。但这个井洞可不是随便挖的，它需要使用非常先进的技术和巨大的设备。

有人可能要问：为什么要费这么大的力气往地下钻这么深的井洞呢？这是因为深部钻探有很多非常重要的作用。首先，它可以帮助我们找到更多的资源。我们生活中所需的许多资源，比如石油、天然气、煤炭、金属矿石等，很多都藏在地下深处，通过深部钻探，我们才能找到它们。其次，深部钻探能让我们更好地了解地球。地球就像一个巨大的谜团，而深部钻探就像是一把钥匙，能帮助我们解开地球内部的结构、组成和演化等一系列的秘密。最后，深部钻探还有助于预测和预防一些自然灾害，如地震、火山喷发等灾害。这些灾害的发生和地球内部的活动有很大关系。通过研究深部钻探获得的资料，科学家就能更好地了解这些灾害的规律，提前做好防范措施，保护我们的生命和财产安全。

深钻历史

深部钻探的历史可以追溯到很久以前。早在古代，人们就尝试挖掘深井来获取地下水。但真正意义上的深部钻探是从20世纪才开始的。在20世纪70年代，苏联进行了一个名为“科拉超深井”的地球钻探项目，并且钻探出了世界上垂直深度最深的井洞（深达12262米）。当时正处于美苏冷战时期，苏联人 “希望更深入地了解地球和地下资源”，并在这个领域战胜美国人。于是，在1970年5月25日这天，很多苏联的科研人员参与到了一个代号为“地球望远镜”的秘密计划中，他们在西伯利亚的科拉半岛，开始了20余年的钻探之路。最初的目标是钻探到地下15000米的深处，但可惜的是，当钻探深度达到12262米后，便再也无法突破，最终于1992年终止钻探，未能完成预定目标。 “科拉超深井”项目为我们对地球深部的研究提供了宝贵的资料。

在我国，深部钻探领域的发展可以追溯到20世纪60年代，从那时开始筹备大陆科学钻探计划。

松辽盆地大陆深部科学钻探工程中的松科二井，完钻井深7018米，这是亚洲国家完成的最深大陆科学钻井，国际大陆科学钻探计划（ICDP）实施22年来的最深钻井，还是全球首个钻穿白垩纪陆相地层的科学钻探井。该工程取得了多项重大突破，包括创造了311毫米大口径连续取芯最长、三种不同口径单回次取芯最长等世界纪录；研发并成功应用大口径一次取芯成井等技术，提高了钻进速度；研发抗高温钻探技术，创造国内最高温度（241℃）条件下钻进的新纪录；发现松辽盆地深部页岩气和地热能具有良好的勘探开发前景；首次实现对白垩纪最完整、最连续陆相地层厘米级高分辨率的精细刻画，重建了白垩纪陆相百万年至十万年尺度气候演化历史；等等。

深钻设备

要进行深部钻探，可不是一件容易的事情，需要很多先进的技术和超强的设备。首先钻探设备要足够强大。要有一个能够承受地球深部高温高压的钻头，还要有坚固的钻杆，把钻头送到地下深处。在进行深部钻探的过程中，起下钻的辅助过程极其耗时，钻孔越深，起下钻耗时越长，进尺速度越慢，效率越低。同时，在深部地层中多见花岗岩岩层，岩石趋于坚硬致密，常用的碎岩工具是孕镶金刚石钻头。但在这种类型的地层中钻进时，钻头容易出现打滑不进尺的情况，无法吃入地层对岩石进行有效破碎。即使能有效碎岩，钻头也会由于磨损较快导致寿命降低，需要重新起钻更换钻头，这严重影响了钻进效率。为了解决深孔钻进出现的问题，绳索取芯钻具、高强度钻杆、井下更换钻头和高效率长寿命钻头等新技术、新方法应运而生，在一定程度上提高了钻进效率。

钻头是碎岩取芯的主要工具，是钻探技术中的“核心利器”。深部钻探所使用的钻头，其常用材料一般为金刚石以及含有金刚石的各种复合材料。金刚石是自然界中最坚硬的物质，按照镶嵌类型一般分为表镶钻头和孕镶钻头。前者金刚石均匀布满钻头的胎体表面，金刚石的颗粒较大，适用于中硬地层。后者有很多较小的金刚石均匀分布在钻头胎体中，更适用于坚硬地层。除此之外，聚晶金刚石复合片钻头（简称“PDC钻头”）也较为常见，它是用聚晶金刚石（薄圆片状）做成小型切削块镶装或烧结到钻头体上而形成的。这种钻头适用于钻探软到中硬地层，具有单位进尺成本低的优点。自20世纪70年代出现以来，PDC 钻头已逐渐取代金刚石钻头，而广泛应用于石油钻井。

近年来，研究人员对适用于深孔钻进的新型取芯钻头进行研制，取得了不错的效果。比如高胎体多水口钻头，就是通过提高钻头工作层高度、配合增加水口数量的方法，将钻头的使用寿命提高了50%左右。

同时，钻探还需要用到一种特殊的“液体”物质——钻井液。它就像是钻探过程中的“润滑剂”和“保护剂”，既能冷却钻头、带走钻出来的碎屑，还能保持井壁的稳定，防止坍塌。而深孔钻进中所使用的冲洗液则要经受更大的挑战。在深孔中进行钻进，冲洗液流经的地层更多，与地层之间的相互作用更为明显。特别是进入深部地层时，炽热的温度会使冲洗液的性能发生变化，如黏度改变会导致冲洗液的携粉和冷却钻头的能力发生较大的变化。因此，在进行深孔钻进时，对冲洗液配方必须进行进一步的改进。为了给高温高压钻井液优选配方提供依据，中国地质调查局北京探矿工程研究所研制了超高温高压钻井液流变仪，这个仪器可以测量钻井液在高温高压条件下的流变性。

此外，深部钻探技术也是尤为重要的。比如测井技术，可以实时监测钻探过程中的各种参数（如温度、压力、转速等），以便及时调整钻探工艺和设备运行状态。在钻探的过程中，科学家会使用各种仪器来测量地下的情况，比如岩石的性质、地层的结构等，这些信息对于了解地下的情况非常重要。

“地壳一号”

上天、入地、下海、登极，是人类认识自然和挑战自然的四大壮举。以大陆科学钻探为主的“入地”工程是获取地下实物信息的唯一手段，其难度绝不亚于“上天”工程。

7018米！2018年6月2日，由我国自主研发的万米钻机“地壳一号”正式宣布完成“首秀”。“地壳一号”以完钻井深7018米勇创亚洲国家大陆科学钻井新纪录，标志着我国成为继俄罗斯和德国之后，世界上第三个拥有实施万米大陆钻探计划专用装备和相关技术的国家。“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的空白，大大提高了我国超深井科学钻探装备的技术水平。

深部钻探很神奇，但面临着很多困难和挑战。最重要的是，深部钻探需要很多专业的人才，尤其是具备地质、钻探、工程、材料等多学科知识的复合型人才。

科学家一直在努力改进技术，提高钻探的能力。新材料和新技术会让钻探设备更加强大与高效。相应地，深部钻探的应用领域也会不断扩大。未来，深部钻探可能会钻得更深，我们会发现更多关于地球的秘密。也许有一天，我们能利用地球深部的资源和能量，为人类的发展提供无尽的支持。

致谢

感谢国家自然科学基金项目（42177123、42042054）、中国矿业大学教学研究项目（2023ZDKT03-102、2022ZX01）、全国煤炭行业高等教育教学改革研究课题项目（2021MXJG179）的支持。