针对我国当前地下水勘查和监测中存在的常规分层勘查效率低、垂向探测不精细及水文地质参数不准确等问题，中国地质调查局水文地质环境地质调查中心（以下简称“水环中心”）在借鉴和吸收国内外相关研究基础上，通过多年不断探索和改进，研发了具有完全自主知识产权的地下水分层勘查新技术。该技术结合一孔同径分层成井、含水层可控性封隔、单孔多层自动化监测等主要技术手段，形成了“分层成井—分层洗井—分层抽水—分层采样—分层监测”地下水分层精细勘查新模式，提高了水文地质勘探工作效率，达到精细刻画水文地质参数的目的，对科学评价合理开发地下水资源具有十分重要的意义,为科学研究、生产实践、行政管理等提供了重要技术支撑。

该技术优势特点包括：一是能够实现“一孔多层”勘探孔分层采样及实时监测，可自动高效获取精确水文地质参数；二是该技术施工成本低、占地面积小、维护费用低；三是在工程施工方面，相比于传统丛式水文地质孔或一孔多次变径钻孔，可提高工程效率至少50%。基于上述特点，该技术已广泛应用于我国多个省区的水文地质勘查、煤田水害精细勘查、锂钾矿分层刻画等领域，并受到专家学者一致好评。

创新研发历程和技术构成

作为水文地质调查重要的技术手段，水文地质钻孔发挥着重要作用，传统的水文地质钻孔不能满足水文地质精细化勘查要求。为实现水文地质精细化勘查，准确评价地下水资源量，并根据地方需求制定地下水合理开发方案，服务地方社会经济建设，水环中心依托水文地质调查项目，组建了以水文地质、钻探、监测仪器等多学科科研工作者为核心的研发团队，针对封隔成井、分段洗井、分层抽水和监测等方向开展重点攻关和示范，通过十多年的技术积累和迭代，形成一整套成熟完整的地下水分层勘查技术，研发了满足108-325毫米井径的系列化产品，包括封隔器、特种潜水泵、变频调流设备、井下监测设备、自动传输设备及数据抗干扰设备，可应用井深1000米以内的分层成井、分段洗井、分层抽水和分层观测等工作。

地下水分层勘查器具实物图

一是分层成井。在细颗粒地层或钻孔结构不稳定地层分层成井过程中，传统的多层水文地质钻孔易出现钻孔事故率高、砾料回填高度测量不准确、施工效率低等问题，研发封隔注浆分层成井技术，将成井工艺改进为钻进→下管→全孔填砾→洗井→封隔注浆分层止水，突破性地去除了“分层填砾和止水”这一钻孔事故高发阶段，使得分层成井更加简单安全，大幅降低钻孔分层成井事故率，适用于1000米以内多层水文地质钻孔分层成井。

二是分层洗井。针对传统洗井方法（活塞、空压机、潜水泵）对富水性极强的大厚度含水层洗井效果不彻底，获得水文地质参数不准确的问题，研发双封隔器分段振荡洗井技术，通过封隔器将钻孔某一含水层段进行封隔，并针对该目的层进行强力振荡洗井，使勘探孔含水层出水能力无限接近其真实值，可提高含水层富水性评价精度。

三是分层抽水。钻孔抽水试验是获取含水层水文地质参数重要的技术手段。针对传统分层抽水方法工序繁琐、成本高、分层数量有限及参数不准确等问题，开展新型分层抽水技术研究，在有效完成分层止水的钻（井）孔内，根据不同层位、不同厚度、不同深度的含水层，将上、下两个封隔器下至井内指定位置启封，从而将目的层段与两端非目的层段隔离，利用潜水泵或取样装置对目的层段进行抽水和采集水样，同时利用设置在目的层段上部、下部和中间的传感器持续测量对应层段地下水压力和温度变化，通过数据可视化装置进行观测和记录，进而获取目的层段相关水文地质参数。

四是分层监测。混合监测不能真实反映各含水层特性。分层监测技术可根据钻孔分层数量及改建要求，将分层勘探孔改建为连续多通道多层监测井或巢式监测井，实现分层水文地质参数动态长期实时监测。

地下水分层抽水技术示意图

分层监测技术示意图

成果转化应用

助力高精度水文地质调查。2014-2018年，地下水分层勘查技术支撑开展“黑河流域1:5万水文地质调查”国家地质调查项目，先后在黑河流域实施多层水文地质孔达40眼以上，最大分层数量为5层，均采用地下水分层勘查技术与设备进行分段振荡洗井、分层抽水试验和分层采样，获得了高精度的水文地质参数，深化了对区域水文地质条件的认识。一是为大厚度含水层非完整井水文地质参数计算方法及计算公式的厘定提供了基础；二是佐证了大厚度强富水含水层在洗井彻底情况下，单位涌水量随含水层厚度增加而增大的水文地质认识。

服务煤矿水害精细勘查。自2016年至今，地下水分层勘查技术先后应用于陕西长武亭南煤业、陕煤榆北煤业、彬长孟村矿业、黑龙江龙煤双鸭山矿业等矿区水文地质勘查，通过进行分层抽水试验和分层观测，对煤矿分层涌水量进行预测，为煤矿水害精细勘查提供了技术支持，有效保证了煤矿正常生产安全。

支撑新疆罗布泊钾盐矿资源评估。首次使用地下水分层勘查新技术对罗布泊钾盐矿卤水地区含水层进行分层抽水、取样和测试，在新疆罗布泊卤水地区实现区域盐矿精细调查，查明各个含水层的涌水量和盐量，为新疆罗布泊钾盐矿储量精确评估提供了强有力的技术支撑。

2020年2月13日，湖北新增确诊新冠肺炎病例4823例（武汉3910例）……，14日湖北新增病例2420例（武汉市1923例）……看着国家卫健委发布的一串串惊悚的数字，自然资源部中国地质调查局武汉地质调查中心科学技术处青年党员陈荣如坐针毡,内心如针扎一般，焦虑难安。“我觉得我应该做些什么！”这个念头在她内心深处油然而生。

2月16日，武汉地调中心党委向全体党员发出了就近下沉社区支撑服务疫情防控的号召，陈荣想方设法说服父母并得到孩子的支持，在传播风险等级最高、医疗资源最为紧缺的时期，第一时间来到武汉市洪山区关山街枫林上城社区报到、领受任务。

志愿者队伍组建之初，不少同志都在观望，甚至谈疫色变。但疫情不容等待！在几名骨干的强烈支持下，陈荣毅然扛起志愿者组长的大旗，带领广大志愿者投奔社区疫情防控一线。解决独居老人生活所需、开展心里疏导，是社区交给志愿者的第一项任务，也是陈荣面临的最现实、最紧迫的问题。突如其来的压力并没有难倒这个曾经梦想仗剑走天涯的坚强姑娘，却恰恰激起了她的倔强与斗志。陈荣与几名骨干合计后，开始分工合作、有条不紊着手解决独居老人生活问题。对陈荣来讲，平均每天忙碌十多个小时，往来穿梭于人迹稀少的社区道路，日行两三万步已是家常便饭。

“李阿姨，防疫指挥部下达小区封闭指令了，您孩子不在身边，生活上有什么需要，我跟社区反映，大家一起解决”“王叔叔，今天身体好点了没，您要的药给您取回来了，放您门口了哈，我走了后您再出来取，记得消毒哟”“张爷爷，现在疫情还比较复杂，咱们响应号召，安心在家封闭，病毒困死了，春天就来了”……陈荣用热忱的服务、亲切的话语，为社区孤寡老人带去了温暖和激励。送人玫瑰，手留余香。在老人们质朴的感激声中，陈荣感受到了为民服务的无比充实。疫情阴云笼罩期间，陈荣和她的志愿者团队为社区孤寡老人买菜、送药，仅她自己手机里就留存了近百名孤寡老人微信账号，只要老人们有需求，陈荣总是第一时间回应并悉心周到解决。多少次顶着寒风细雨为老人买菜送药，多少次深夜哄睡孩子后，强打精神陪独居老人说话聊天。她把对家庭的责任深深埋藏于心底，脸上始终洋溢着自信与笑容，她用娇小单薄的身板为枫林上城社区孤寡老人撑起一片艳阳天，被社区和志愿者们誉为爱心“守护者”。

“保存自己才能消灭敌人，下沉社区一定要注意自身防护！”面对日益严峻的疫情和下沉党员面临的高风险挑战，中心领导和支部书记再三殷切叮嘱。得益于平日里坚持锻炼，陈荣的身体状况一直比较好，她带领的阳光在线小区党员志愿者小组，从开始成立的8人扩充到44人，安全高效完成了一次又一次艰巨的任务。到3月5日，他们连续3次入户为2750户居民测量体温、登记健康信息，并重点关注独居老人、医护家属的身体健康状况，帮助他们加入网格群获取团购信息和生活帮助。楼梯、巷道、走廊、树荫道下，处处都有身着臃肿防护服、戴着橡皮手套、脚穿防护鞋套、提着酒精喷壶、拿着记事本的志愿者身影。精诚所至，金石为开。小区居民从最开始的拒不开门到后来的积极配合，这中间的酸甜苦涩、百感交织，她从未抱怨过，也从未退缩过。“多沟通就好了，居民都在家里不能外出，要多疏导和体谅一下他们”“有人听见我们的声音，说还有人出来为他们服务，心理就有莫大的安全感，我们的工作意义重大啊！”这是陈荣常对小组同志说过的话。工作一整天，为了不浪费防护服，也怕给家人带来风险，她就坐在楼梯间吃着从家里递出来的饭菜，然后回到岗位继续忙完当天的工作，消毒后拖着疲惫的身体回到家中已是深夜。

按照社区防控工作要求，从3月6日开始，陈荣的志愿者小组开始全面负责社区保供工作。社区2750户、7000余居民，日常物资需求量巨大。陈荣积极联系中百、中商、沃尔玛、武商等政府指定商家，累计为社区居民团购、分发生活物资共计43次3987份，派送企业捐赠“爱心菜”“爱心鸡汤”3次共5780件，为小区残疾人、困难户、高龄老人、孕妇、医护人员家属和“特殊家庭”配送爱心物资10次共445份，为小区居民买药送药300人次，最大限度减少了疫情给小区居民生活带来的影响。这些数字的背后，是一次次风里雨里、从下午开始到晚上9点甚至10点的分发物资，是去超市垫资抢购来的一车车10-17元每斤的爱心冷冻肉，是一包包10斤10元的特价爱心菜，更是社区居民生活物资丰富、多样化的保证。完成这些繁重的工作任务之外，志愿者们还要轮班在小区大门执勤，站在冬去春来的和风中安静地守护小区居民的健康。言传身教，每当晚归，女儿都会说，“妈妈我也想和你一起去帮助别人”。

疫情就是命令，防控就是责任。陈荣用她无畏的大爱与担当，坚守在社区疫情防控一线，践行报效祖国、服务人民的初心和使命，她用无私的付出换来更多家庭的平安和欢声笑语，展现了“巾帼不让须眉”的自信风采，彰显了共产党人的高尚品质。

地球是一个直径为6000多千米的实心球体，从地面到地球中心的距离比从北京到海南岛2倍的距离还要远。地球由地壳、地幔、地核三部分构成，整个结构就犹如一颗半熟的鸡蛋：蛋壳好比地球的地壳，其物质状态为固态；蛋白好比地球的地幔；蛋黄好比地球的地核，物质状态为液态。地表以下平均每100米温度升高约3℃。科学家研究显示：地核与地幔边界的温度大约为3700℃，而地核内部温度可能高达5000℃，几乎与太阳表面一样炽热。因此，地球内部蕴藏着惊人的热量，其中一部分地热资源便以干热岩的形式埋藏于其中。

一、干热岩是什么？

早期，干热岩通常是指温度高于200℃，埋藏于距地面2000米以下的无裂隙的岩体，主要是各种变质岩或结晶岩类岩体。伴随着干热岩勘测和开发的深入，干热岩的概念有了更为广泛的外延。只要岩体温度高，埋藏深度合理，内含流体较少（或不含流体），能用各种技术手段提取其中的热量，均可称为干热岩。

干热岩属于地热资源的一种，被誉为“来自地球母亲的温暖”。地热资源是一种来自地球内部的热能资源，温泉便是我们日常生活中最熟悉的地热资源。关于地热的来源，有多种假说。一种假说认为，地热主要来源于地球内部放射性元素衰变释放出的热能。还有一种假说认为，地热来源于地球自转产生的旋转能以及化学反应、岩矿结晶释放的热能。而在地球的发展演化过程中，产生的热能总量超过地球散逸的热能，巨大的地热能便储存于地球内部，等待人们去开发。

相比当前已开发利用的各类能源，干热岩具有无可比拟的优势。与煤炭、石油和天然气等传统化石能源相比，干热岩是一种清洁的可再生能源，不会产生污染环境的有害物质。与太阳能、风能、核能等新能源相比，干热岩的稳定性好，不受季节气候昼夜条件的限制。此外，干热岩的成本低，干热岩发电的成本仅为风力发电的一半，只有太阳能发电的十分之一，和煤炭发电的成本相当。

干热岩是无处不在的资源，分布几乎遍及全球，从理论上说，随着地球向深部的地热增温，任何地区达到一定深度都可以开发出干热岩，因此干热岩又被称为是无处不在的资源。但就现阶段来看，由于技术和手段等限制，干热岩资源专指埋深较浅、温度较高、有开发经济价值的热岩体。因此，当前的干热岩开发更多地着眼于这些地区，它们位于全球板块或构造地体的边缘，构造活动剧烈，是地球释放内部能量的主要区域，地热资源十分丰富。

我国干热岩分布广泛，特别是东北地区、华北平原、东南沿海地区、西北地区均具有丰富的干热岩资源，具有很大的开发潜力。以高温干热岩体的发现地青海共和盆地为例，其干热岩理论资源量折合标准煤6303.05亿吨，以其2%作为可开采资源量计算，折合的标准煤是中国2016年能源消耗的3倍。

干热岩不但储量丰富，还可以循环利用。开发干热岩时，加热产生水蒸气的过程会使岩石温度降低，但地心的炽热岩浆会重新加热这些岩石，从而实现干热岩的周期性循环利用。

二、“石头”也可发出电来？

目前，人们对干热岩的开发利用，主要集中在干热岩发电。干热岩开发利用的核心是建立增强型地热系统（EGS工程）。首先从地表往干热岩体中打一眼井（注水井），将井口封闭后，注入高压清水，此时井底能够产生非常高的压力，该压力足以将致密的岩石压裂形成复杂缝网，或将岩体中的天然裂隙扩张形成更大的裂缝；随着清水的不断注入，裂缝不断增加、扩大，并相互连通，最终形成一个体积庞大的人工热储（类似一个巨大的鸟窝）。在距注水井合理的位置再钻几眼采出井，通过控制井眼轨迹，使采出井能够贯穿压裂缝网。整个EGS工程，通过注水井（回灌井）将低温水注入到人工产生的、张开且连通的缝网中，低温水与高温岩体接触被加热，然后通过采出井便将岩石裂隙中的高温水、汽提取到地面，取出的水、汽温度可达150～200℃，通过热交换及地面循环装置用于发电，冷却后的水再次通过高压泵注入地下热交换系统循环使用。整个过程都是在一个封闭的系统内进行。

以法国东部阿尔萨斯地区的一座干热岩发电站为例，工作人员在这里钻了三眼深井，一直钻到地表5000米以下的基岩中。发电时，用水泵以每秒100升的速度从中间的注水井向地下灌冷水，这些冷水被干热岩加热成约200℃高温的水蒸气，从另外两眼生产井抽出地面，送入一个热交换器，并在热交换器中驱动涡轮机发电。整个转换过程消耗的总电量，只相当于发电站发电量的20%。

增强型地热系统的开发和利用主要是建造两个子系统：地下人工储层和地面发电系统，二者都需要多项技术的运用和集成。其中，创建地下人工储层是目前研究的焦点。

三、我国干热岩勘查开发现状

我国干热岩资源潜力巨大，开发前景广阔，是极具潜力的战略能源，但是我国干热岩勘查与开发起步晚，在干热岩形成机制、分布情况、热储特征、评价方法、勘查开发技术等领域仍存在较多尚未解决的问题。

为推动我国干热岩勘查开发，2013年以来，中国地质调查局先后在东南沿海地区、松辽平原地区、华北地区和青藏高原等重点地区实施了干热岩勘查。2014年，中国地质调查局与原青海省国土资源厅共同组织实施的青海共和盆地干热岩勘查钻获干热岩，填补了我国一直没有勘查发现干热岩资源的空白。2017年5月在共和县恰卜恰镇完井的GR1干热岩勘探孔再获温度新高，取得了一批重要成果，为我国进一步开展干热岩勘查开发研究打下了重要基础。在此基础上，中国地质调查局围绕国家清洁能源需求，加大力度在青海共和推进干热岩资源的试验性开发。

干热岩开发利用的技术原理虽然简单，但实际应用过程中仍存在大量的技术性难题，例如在干热岩中钻井，对钻杆、钻头的寿命以及具有“钻井血液”之称的泥浆稳定性都是极大的挑战；而地层中含有大量的矿物质，在干热岩开发中，被气化的矿物质会重新在井壁结垢，类似血管中的“血栓”，沉积时间一久很容易将开采通道堵死。面对众多的技术性难题，科研人员唯有加快技术探索的步伐，才能在这场国际能源竞赛中拔得头筹！

（作者单位：自然资源部中国地质调查局北京探矿工程研究所）

46亿年前，地球诞生了，它内部有地核、地幔、地壳结构（图1），外部有水圈、大气圈和磁场。其内部蕴藏的丰富资源是人类赖以生存的物质基础。然而，地球有它自己的“怪脾气”，如地震、火山和泥石流等。这些“怪脾气”让我们人类损失巨大，也让我们人类望而生畏。从人类诞生之初到今天，科学家们都在尝试各种方法找到地球产生这些“怪脾气”的原因及应对方法，从地球表面到地球深部都在做各种探索和测量工作，特别是对地球内部的探索从来没有停止过，意图解开其中的奥秘。但是由于地球内部岩层、水层、温度、压力等的千变万化，迄今为止，我们人类对地球内部的了解仍知之甚少。2013年，我们国家实施了“松科二井”重大地调科研项目，通过向地下钻进深孔获取地壳岩石实物资料，从地壳内部“挖石”来打开探秘地球深部的通道。“松科二井”科学团队披荆斩棘，书写着我国深部探测的新篇章……

那么，靠什么探秘地球深部的秘密呢？让我们一同来看看“松科二井”科学团队的“十八般兵器”和“独门绝技”。本文从取心钻探工具、取心技术创新、“泥浆”以及取心技术探索等四方面论述“松科二井”是如何打开地球深部秘密的。

图1 地球圈层结构示意图

挖石利器——取心钻探工具

地球内部是一个极不均匀和极复杂的球体，从地壳到地核的岩层、水层、温度、压力等千差万别，想要在它上面钻眼“挖石”并非易事。而对于超过7000米的超深井——“松科二井”来说，难度更大。这是因为“松科二井”在向下钻进的过程中，一要保证钻的井眼不能坍塌和崩裂，二要保证取出的深部岩心完好无缺。要想达到这两个目标，不但需要有先进的钻进方法，而且必须有适合地下各种复杂多变地层的“挖石利器”——取心钻探工具。这种取心钻探工具和匹配的钻头是向地下钻进并抓取岩石的保障（图2）。“松科二井”在钻进过程中，其工作过程为：钻头在最底部通过高速转动不断“咬碎”周围的岩石，把中间的柱状岩石样本送入取心钻具里抓取、携带岩心的内筒，而取心钻具外筒源源不断的将钻进中需要的压力和转速传递给钻头，同时在转动过程中修整井壁，保护内筒。

图2 KT 系列大口径取心钻具

独辟蹊径——取心技术创新

传统的科学钻探中大直径井段是先取心钻进一个小井眼，再用扩孔钻头重新钻进去扩大井眼至设计井眼直径。然而，在科学超深井钻探中面临的挑战是如何在大直径井眼中高效钻进，并且完整地抓取岩心。“松科二井”在钻探过程中取得一系列技术创新，如大直径同径取心、长钻程技术和大直径岩心原状出筒技术等，都为我们国家科学超深井钻探取得了技术上的突破。

先来说说大直径同径取心技术。“松科二井”攻克了大直径取心钻头破碎岩石和粗大岩心抓取、携带出井等关键技术，并用国内首创的Φ311mm的大直径同径取心钻探工具直接钻进一个大井眼（图3），一次钻进至设计井眼直径，这样不但省去了传统的“小径取心，大径扩孔”过程中的很多工序，避免了“小井眼到大井眼”钻进中的很多风险，而且节约了大量生产物资，获取的岩心样品实物量是设计的5倍，为地学家们提供了更多极其珍贵的岩心。

图3 Φ311mm大直径取心钻具组装与出井

再来说说长钻程技术。“松科二井”在钻进过程中每次取心钻具装满岩心后需要把井中所有钻具提出，岩心被取出后再把所有钻具下到井里继续钻进。科学家们通过多次试验和技术攻关，实现了长钻程技术的突破，把每次可连续钻进深度（钻程）从10m、20m扩展到30m。在Φ311mm井段一次取心钻进长度（钻程）超过了30m，创造了该领域的世界纪录；而在Φ216mm井段、井深4700m以下一次连续取心钻进长度（钻程）更是达到了41.69m，在更难的Φ152mm超深井段一次连续取心钻进长度（钻程）超过33m，又连续两次刷新了世界纪录（图4）。“松科二井”科学团队所研发的这种长钻程技术大大减少了从井内提出钻杆、下入钻杆的次数，尤其是在井深超过7000m的时候，从井内提出钻杆、下入钻杆一次需要工人36个小时的长时间连续操作，实用价值巨大。因此，长钻程技术的应用不仅减小了工人的劳动强度，压缩了钻井施工周期，而且极大地节约了综合成本，更为以后更深的超深井工程开辟了新技术支撑。

图4 四筒超长取心钻具与单次钻进获取的40m岩心

最后说说大直径岩心原状出筒技术。为了保证大直径岩心出井后能够完整、原状从岩心筒取出，“松科二井”科学团队利用水力出岩心技术与工程现场的液压拆装台架辅助的机械出心技术，保证了4100多米岩心完整、原状出筒，为地学研究提供了一套优质、丰富的岩心实物资料（图5）。

图5 获取的大直径岩心实物

钻井血液——取心钻进中的泥浆

“松科二井”完钻井深达7018m，在超深井向下连续钻进过程中，既要防止上部井眼完好且不坍塌，也要让钻头“咬碎”的岩渣从井底顺利排出，还要保证高速转动的钻头不会因为发热而提前报废，这些都得依靠“泥浆”即钻井液来实现。它就像人的血液一样，在钻眼过程中从地面到井眼最底部不停地循环、净化，传递水动力、冷却并润滑钻具，携带和悬浮岩屑，维护井眼周围井壁的稳定。而且钻井越深，温度越高，钻井液技术难度越大。“松科二井”每往下钻进100米，温度升高3℃~4℃，钻到孔底的时候温度已超过240℃，科学家们通过反复的研究和实验，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，刷新了我国水基钻井液应用最高温度记录（图6）。

图6 钻进过程中泥浆循环流动示意图（黄色箭头表示泥浆流向）

寻找新大陆——取心技术探索

超深井在钻到一定深度的时候会遇到各种困难，比如地球内部温度高、压力大、岩石硬度大、钻眼速度慢等，要想继续向更深的地球内部探索，就必须克服重重困难。科学家们已预想到了这些问题，如在大直径井眼取心钻进中怎么能不把钻杆全部从孔里提出来就可以把岩心全部取上来？在高温地层、坚硬的岩石中怎么能让钻头更高转速去“咬碎”岩石？怎么能在钻眼同时把井眼底下的各种数据直接输送到地面？“松科二井”在实施过程中，科学家们已对大口径绳索取心、涡轮钻取心、井底随钻数据采集与传输等技术做了大量的可行性试验，得到的技术和数据，为今后的万米超深井科学钻探储备了技术力量。

“上天入地”揭开宇宙的神秘面纱，探索地心深处的奥秘，科学钻探“路漫漫其修远兮”，尽管现在我们只钻穿了地球的“皮毛”，但我们相信在科学家们不懈的努力和探索下，通过将来实施的万米科学钻探、超万米科学钻探，定会打开探秘地球深部的通道，那时我们距离地心会越来越近。