钻向地球深部

　　10月15日，我国首台万米大陆科学钻探装备“地壳一号”由四川广汉启程，翻越秦岭，跨过华北平原，前往3500公里外的黑龙江安达市“松科2井”井场。

　　上天、入地、下海，是人类为拓展生存空间向自然界发起挑战的三大壮举。“地壳一号”的启程正式向世人宣告，我国在万米大陆科学钻探装备集成和关键技术上取得重大突破，“入地”计划正稳步走向世界前沿。

　　我国万米科学钻探钻机问世

　　“地壳一号”万米科学钻探钻机是国土资源部组织实施的“深部探测技术与实验研究”国家专项的重大装备成果之一，是一个高60米、重1500吨、占地约1万平方米的庞然大物。

　　我国深部探测专项首席科学家、中国地质科学院副院长董树文表示，“深部大陆科学钻探装备的研制成功，实现了全套设备的国产化，是我国深部探测自主创新的重要突破，为后续国家地壳探测工程的全面实施、探求地球深部奥秘提供了高技术手段。”

　　万米科学钻探钻机项目负责人、吉林大学建设工程学院院长孙友宏介绍，项目于2009年启动，几年来，吉林大学携手四川宏华石油设备有限公司、长春工程学院、中国地质大学（北京）、中国地质大学（武汉）、中国地质科学院勘探技术研究所、北京探矿工程研究所等单位，对深部大陆科学钻探装备进行了产学研联合攻关。

　　2011年12月20日，“地壳一号”万米大陆科学钻探钻机主体在四川诞生。“钻机钻深可达1万米，最大钩载可达700吨，总功率4610KW，填补了我国在超深孔和特深孔大陆科学钻探钻机研发的空白，全面提升了我国钻探装备的技术水平，为我国研究地壳深部地质环境提供了保障。”孙友宏自豪地介绍，“同时，它不但可用于深部大陆科学钻探，还可广泛推广到深部石油钻井、地热钻井和二氧化碳地下储存钻井中。”

　　“大陆科学钻探是打开地球奥秘之门的钥匙、深入地下的望远镜。深部大陆科学钻探装备的水平，反映了一个国家科技工程发达的程度。”负责深部探测专项仪器装备研制的首席科学家黄大年教授说，“我国首台万米大陆科学钻探钻机在钻机整机设计理论、装备制造及配套钻具研制、数字化设计、智能化与自动化钻进装备等领域实现了重大突破，成为深部探测和大陆科学钻探的‘利器’。这标志着我国深部探测技术与实验研究专项取得里程碑式的进展，为我国‘入地’计划的实施提供了新的技术平台，为我国重大地球科学新发现和矿产资源储量快速增加提供了更加强大的技术保障。”

　　大陆科学深钻，全球为之努力

　　科学钻探是当代地球科学研究中具有划时代意义的入地工程，被看作是人类深入地球内部的望远镜和了解地球演化的时间隧道。通过科学钻探，科学家可以对岩石圈进行直接观测和获得连续的岩石记录，这对解决人类社会发展所面临的资源、灾害和环境三大问题都有十分重要的意义。

　　全球科学钻探始于1968年，这一年“深海钻探计划”（DSDP）开始实施，这是20世纪地球科学规模最大、历时最久的国际合作研究计划。1985年，国际大洋钻探计划（ODP）开始实施。两大计划接连取得科学突破，板块构造理论等成果引发了20世纪的地学革命，改变了整个地球科学发展的轨迹。

　　作为全球系统的一部分，大陆在地球科学研究中的作用也日益增强。由于大陆地壳更古老，也更复杂，同时它还是人类生息、繁衍的摇篮，人类迫切希望通过科学钻探更深入地了解大陆和地球演化历史。1996年2月，德国、美国和中国共同发起成立了“国际大陆科学钻探计划”（ICDP），目前已发展到20多个成员国。自20世纪70年代以来，ICDP在14个国家打了近100多口深浅不一的大陆科学钻孔。

　　这些被地质学家称之为横跨岩石圈走廊的“全球地学大剖面”的行动，掀开了大陆科学深钻的新一页：原苏联科拉半岛超深井钻至9000米处发现了含金矿带；美国在索尔顿湖取得关于水热成矿作用的新认识；德国发现科学超深钻孔底部是流动的软岩石，8000米以下存在大量的含矿热卤水，存在着很强的现代地质作用；乌克兰在前寒武纪结晶岩中意外地发现了5个大型生、储油层……

　　科学钻探在揭开地球内部奥秘的同时，也使地学家不得不改变原来的许多传统认识，使人类在认识大陆的板块运动、地壳应力和地震、火山过程、深部资源、生命起源、地震灾害、全球变化及气候多样性等方面获得巨大的成功，在促进全球地球科学理论的发展和地球探测技术水平的提高等方面发挥了重要作用。

　　我国探索地球深部的脚步从未停止

　　我国于1998年正式加入ODP计划，成为ODP历史上第一个“参与成员”。1999年春，在中国科学家的设计和主持下，实施了大洋钻探计划的南海184航次，取得南海3000多万年来的沉积记录，发现了大洋碳储库长周期，揭示了南海和气候环境演变的历史，为探索气候变化的热带驱动打开了新途径。

　　2005年，我国在江苏省东海县完成井深5158米的科学钻探计划，迈出了我国“入地”工程的第一步，揭开了我国深部地质勘探的新篇章。东海大陆超深钻探，位于世界上规模最大的超高压变质带—苏鲁超高压变质带南部，是世界上首次在坚硬的超高压变质岩中实施的科学钻探，现已在巨量物质深俯冲、超高压深俯冲与折返的精确定年等方面取得重要进展。

　　2008年，“深部探测技术与实验研究”专项启动。“深部探测专项涉及地质学、地球物理学等多个基础学科，这是中国有史以来最大的地质勘探计划，也被认为是‘中国挺进地心第一步’。”首席科学家董树文研究员介绍，“这一计划集合了12位院士、200多名研究员以及上千名科研人员，共实施了大地电磁探测等9个实验项目，旨在从深层次了解一系列国人关心的重大问题，包括油气蕴藏、矿产分布以及青藏高原的扩展对四川盆地产生何种地质变动等重大科学问题。”

　　在海拔4400米的喜马拉雅山罗布莎地区，深部探测专项的罗布莎科学钻探实验刚刚终孔。除罗布莎之外，江西赣南于都—赣县矿集区、甘肃金川、云南腾冲等地的6个钻探项目也在进行中。与此同时，深部探测计划的另一个实验项目——地震反射剖面探测在中国大陆切开了5000多公里长的岩石圈断面，被形象地称为“地壳CT”。

　　“科学钻探和深地震剖面探测只是中国地球深部探测计划的两个组成部分。” 董树文介绍，“事实上，早在2004年9月，中国就启动了全国重要矿产危机矿山找矿专项，在原有矿山300米至500米的开采深度上，向更深部进行勘探开采。目前深部探测专项取得的最大成果之一，就是对长江中下游和南岭成矿带深部的精细探测，首次实现了大型矿集区三维透明化。”

　　我国幅员辽阔，并且具有影响全球变化的独特大陆地质及令世界瞩目的深部地质问题。在地球深部资源探测方面，中国已有固体矿产勘探开采的深度大都小于500米，而世界一些矿业大国已经达到2500米到4000米，如，南非计划开采的深度甚至达到6000米。通过对岩石圈进行直接观测，可以揭示大陆地壳的物质组成与结构构造，校正地球物理对地球深部的探测结果，探索地球深部流体系统、地热结构，监测地震活动，揭示地震发生规律，研究全球气候变化及环境变迁，探索地下微生物的分布及潜育条件，预防环境及地下水污染，处理核废料，长期观察地球变化等。

　　在深部探测专项突破的基础上，我国科学家正在筹划详细揭示中国地壳结构的“地壳探测工程”，为保障资源供应、防灾减灾和发展地球科学提供全面的深部数据和信息。

　　近百年来，全球气候正在经历一次以变暖为主要特征的显著变化，人类文明的发展迫切要求我们对这种变化的发展趋势及其环境与资源效应有更加深入的了解。目前正在实施的国际大陆科学钻探项目有30余项，其中近一半的项目是针对“全球环境与气候变化”研究。

　　2005年7月，我国青海湖环境科学钻探开钻，旨在查明青海湖湖盆形成演化，气候构造变化和青海湖波动的历史，以达到了解东亚季风气候和内陆干旱化变迁的目的。

　　为了鉴古知今，还原地质历史时期气候变化及其对地球生态环境产生的影响，我国于2007年在大庆油田所在地的松辽盆地实施完成了”松科1井”钻探工程，进行了白垩纪地球表层系统重大地质事件与温室气候变化研究，为人类社会应对和适应全球气候变暖寻求解决的可能途径。

　　2008年，中国地质大学（北京）和大庆油田联合、由我国科学家领衔与美国等10余个国家科学家联合申请的《白垩纪松辽盆地大陆科学钻探：连续高分辨率陆相沉积档案和温室气候变化》大陆科钻计划项目，亦即“地壳一号”为之量身打造的“松科2井”钻探工程，于2009年9月获国际大陆科学钻探计划批准。

　　受技术装备与综合国力的制约，世界上为数不多的国家实施了超深孔科钻工程

　　“深部大陆科学钻探工程，根据钻孔深度可分为深孔、超深孔和超过9000米的特深孔钻探。受技术装备与综合国力的制约，世界上为数不多的国家实施了超深孔科学钻探工程。”孙友宏说，“大陆科钻实施50年来，迄今已有14个国家实施了22口深度大于4000米的深钻，但实施超过9000米的特深孔的国家只有前苏联和德国。”

　　据他介绍，前苏联为了解地壳结构，在重要地震剖面的交点处，完成了11个科学超深孔和深孔，其中，1989年的科拉半岛超深孔钻深达12262米，成为当今世界第一深井。德国在上世纪80年代后期至90年代初期实施了举世闻名的“联邦德国大陆深钻计划”，在古生代大陆碰撞带的结晶地块中先后钻了一个4000.1米深孔和一个9101米的特深孔。美国自20世纪80年代中期起，每年投资1000万美元，实施大陆科学钻探计划，虽没有实施深部大陆科学钻探，但已实施的科钻项目有10多个。这3个国家基本代表了国际的大陆科学钻探的最高水平。我国的东海超深科学钻达到5158米，大大地提升了我国科学钻探技术水平。

　　孙友宏表示，“前苏联科拉特深钻和德国KTB特深钻的顺利实施，依赖于当时先进的钻探工艺方法、先进的技术装备，以及地面装备与钻探技术、钻孔机具之间的良好协调与匹配。”

　　已经完成的超深孔深部大陆科钻工程都将石油行业深井钻机作为基础部件，通过结构改造和技术创新，使其在起下钻频繁、应用复杂取心钻探技术的科钻工程中充分发挥钻深能力强、自动化程度高、控制性能好的特点，为特深孔钻探提供了可靠的先进装备。

　　“当然，钻探装备与机具是具有特殊用途的机电产品，其结构、功能和使用性能在很大程度上受到机械、液压、电气传动控制技术的发展技术水平的制约。” 孙友宏说，“在机电液一体化技术得到充分发展的今天，深部大陆科学钻探装备的研制也将被赋予新的内涵。”

　　创新技术研发路线：改造成熟技术+自主研发核心技术+集成关键技术

　　孙友宏介绍，以往我国尚未研制过用于深部大陆科学钻探工程的特深孔专用装备，国产石油钻机已形成比较完整的系列产品。但国内深部石油钻机由于其转速低、钻进工艺简单、取芯钻探效率低、钻探成本高，不适合深部大陆科学钻探连续取芯钻进施工的要求。他表示，“实施深部大陆科学钻探对钻机装备的要求更高。”

　　“通过多方调研论证，研究团队决定采用ZJ90DBS石油钻机基础部件作为深部大陆科学钻探装备的钻探平台系统，并采用‘改造成熟技术+自主研发核心技术+集成关键技术’的创新技术研发路线。”孙友宏说，“我们将石油钻井装备与先进的地质岩芯钻探技术有机结合，自主研发科学钻探配套的关键技术装备。”

　　项目组主要对钻机核心部件，如钻机的绞车、转盘、和泥浆泵等三大部件,采用先进的交流变频技术进行无级调速驱动，不但节省了能耗，还提升了钻机的整体性能。

　　同时，研究团队开展了全液压自动排管机、高精度自动送钻系统、高速大扭矩全液压顶部驱动钻井装置、多功能全液压自动猫道、一键式智能化铁钻工等核心技术的自主研制工作。“自动送钻系统和钻杆自动处理系统核心技术，提高了钻探平台系统的自动化和智能化水平。”我国汶川地震科学钻探总工程师张伟说。

　　针对大陆科学钻探取芯钻探井工艺特点要求，需要在金刚石钻头上施加的钻压进行精确控制，钻压控制精度达0.2%，并实现自动给进钻进。“该技术是本钻机改造的关键技术问题。在国内，自动送钻系统方面研究早有一些单位开展研究，但大多是针对不取芯钻井的，精度也较低。而本项目要针对取芯金刚石钻头，进行精确钻压控制，难度较大，国外也没有现成的技术，需要开展重点攻关解决。”

　　孙友宏介绍，将改造的钻机平台系统与自主研发的全液压顶驱系统、自动送钻系统和钻杆自动处理系统等核心关键技术集成，并与绳索取芯钻具、孔底动力钻具、铝合金钻杆和仿生钻头等先进的取芯钻探技术和工艺相结合，他们最终实现了我国深部大陆科学钻探装备的原始创新与集成创新。

　　“地壳一号”万米超深科学钻探装备成功下线出厂，由于先进的设计理念和加工工艺，它具有运行成本低、能耗低、取芯钻探效率高等特点，可以满足我国特深孔科学钻探对全孔连续取芯、钻探自动化和智能化方面的特殊要求，极大地提高了特深孔科学钻探的效率和水平，对我国未来的地壳探测工程深部钻探取芯、深部石油天然气钻探和深部地热钻探具有重要的意义。

　　“地壳一号”的任务是应对全球变化研究和深部资源勘查

　　“松科2井”首席科学家王成善教授介绍，“地壳一号”万米深钻的任务是应对全球变化研究，实施白垩纪松辽盆地大陆科学钻探计划，执行由中国地质调查局和国际大陆科学钻探计划联合资助的地质科学研究项目。

　　白垩纪是距今最近、地质记录也保存得最为完整的温室气候时期，距今约1亿4550万年前至6550万年。我国的白垩系地层主要以陆相地层的发育为特色，尤其在我国东北的松辽盆地，发育完整的陆相白垩系沉积序列，为重建白垩纪陆地气候变化提供了可能。对照大洋科学钻探计划对白垩纪海洋系统气候变化所取得的成果，对白垩纪松辽盆地进行实施大陆科学钻探工程，获取白垩纪温室气候变化的陆地记录，成为开展白垩纪温室气候研究的应有之义，也是我国能为国际白垩纪温室气候和应对全球变暖研究所能作出的独特贡献。

　　王成善介绍，白垩纪松辽盆地大陆科学钻探计划分为两个阶段进行，即松辽盆地中浅层的”松科1井”和松辽盆地中深层的”松科2井”两部分构成。“地壳一号”将在大庆油田实施“松科2井”钻探，以获取松辽盆地中—下白垩统地层岩芯，为预测未来全球时间尺度气候变化趋势提供科学依据。

　　这次的“松科2井”将与2007年已经完成的“松科1井”一起，构成全球首个近乎完整的白垩系陆相沉积记录。另外，在白垩纪时期出现大规模的油气富集。这次钻探也将穿过大庆油田白垩纪盆地，去验证深部探测专项发现的大庆盆地之下的残存盆地的存在，是否还有另一片丰富的油田。

　　“松科2井”是“地壳一号”的处女作，它将接受全孔连续取芯和井内高温环境的严峻考验，更寄托着深探专家和大庆人的厚望和希冀。我们期待“地壳一号”万米深钻给我们带来更多的好消息。

　　（图片由“地壳一号”项目成员、吉林大学高科提供）