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    光明日报 2018年07月12日 星期四

    向地球深部进军 竖起新地标

    作者:张金昌 《光明日报》( 2018年07月12日 13版)

        松科二井钻井现场。图片由自然资源部中国地质调查局提供。

        松科二井工程技术人员在现场作业。图片由自然资源部中国地质调查局提供。

        松科二井地址提取上来的岩芯。图片由自然资源部中国地质调查局提供。

    编者按

        地球深部探测能力是一个国家科技创新能力的重要体现。“向地球深部进军”被列入《“十三五”国家科技创新规划》。“松科二井”是自然资源部中国地质调查局践行“向地球深部进军”的具体行动,主要围绕松辽盆地深部能源资源调查、建立松辽盆地深部地层结构剖面、寻求白垩纪气候变化地质证据以及研发深部探测技术等四大科学目标展开。今年6月,松科二井的科学钻探工程以完井深度7018米的成绩,刷新了国际大陆科学钻探计划实施22年以来的新纪录。

        21世纪人类面临可持续发展的新考验,面临资源匮乏,环境变化及灾害频繁等巨大挑战。人类必须向地球深部进军,这已成为全球科学家的共识。20世纪90年代,德国、中国、美国的科学家共同发起“国际大陆科学钻探计划”。“松辽盆地大陆科学钻探工程”的松科二井作为“国际大陆科学钻探计划”的重要组成部分,是全球在陆地上实施的第一口陆相白垩纪科学钻探井。

        2018年6月,松科二井入地7018米,成为国际大陆科学钻探计划实施22年以来最深的深度,代表了中国“入地”的能力。这是中国积极投身地质领域科技创新,为全人类美好未来奋斗的一次壮举,也是自然资源部中国地质调查局围绕国家重大需求,以破解深部钻探技术和探索松辽盆地深部资源环境重大地质问题为目标,多部门协作、多专业多学科融合、产学研用结合的协同攻关机制的实践,成功经验值得好好总结。

        解读地球深部埋藏的亿万年演化记录,为预测未来全球气候变化提供科学依据

        地球深部埋藏着亿万年演化记录,能够帮助人类解决今天面临的重要生存发展问题。但由于固体岩石的阻隔,人类对地球内部直接观察困难重重。相较于上天、入海,人们对自己生活的地球内部所知甚少。

        随着科学技术的发展,从20世纪60年代开始,地质学家才开始利用钻探技术向地球深处伸出“望远镜”。中国地质科学家也清晰地认识到,大陆科学钻探工程的开展,对于进一步了解地壳结构,掌握地球运动规律,丰富对生命科学、气候变化的认识,探索解决资源环境重大问题都具有重要意义。但当时,我国缺乏相关的技术,无法向地球深部进军。

        直到二十一世纪,在中国地质大学(北京)教授王成善等中国地质科学家努力下,“松辽盆地大陆科学钻探”纳入国际大陆科学钻探计划,中国地质调查局启动了松科二井工程。

        2014年8月,在中国地质调查局组织下,中国地质大学(北京)、吉林大学、中国地质大学(武汉)等多家单位的地球科学家和国际地科联、国际大陆科学钻探计划、国际地球深部探测计划等国际地学研究机构的负责人,美国科学基金委员会、日本地质学会、韩国地质学会的专家学者,齐聚松辽盆地,现场考察了松科二井工程实施进展情况。

        当时,中国地质调查局局长钟自然提出了松科二井工程将主要实现的目标:一是研究距今6500万年至1.45亿年间白垩纪地球温室气候和环境变化,为预测未来全球气候变化提供科学依据;二是建立服务“百年大庆”目标和基础地质研究的“金柱子”,为松辽盆地及其类似盆地的地球物理勘探提供科学“标尺”;三是攻克高温钻井、固井、测井和超长井段连续取芯等关键工程技术,为万米超深井科学钻探提供技术储备,促进我国深部勘查技术发展;四是搭建国际合作交流平台,为我国培养具有国际视野的地球科学专家和人才。

        经过4年多的艰苦攻关和组织实施,松科二井终成为全球第一口钻穿白垩纪陆相地层的大陆科学钻井,成为亚洲国家实施的最深大陆科学钻井和国际大陆科学钻探计划成立22年来实施的最深钻井。

    科学钻探工程不是简单打一口钻井

        科学钻探工程,表面上看是打一口井,实际上却是在考验一个国家的经济实力、基础工业实力,以及整个地质领域科技发展水平。

        大陆科学钻探不同于普通石油钻探,大陆科学钻探的目的是进行各项科学研究。因此,松科二井不仅要“打到预定深度”,还要把这么长的地层岩芯完好地“拿上来”,然后从岩芯中读取数据和开展科学研究,读取的数据越清晰规范,越有科学研究价值和指导意义。

        换句话说,科学钻探的钻进深度和获取岩心都至关重要。

        而科学钻探过程中会遭遇很多世界级难题,其中就包括地球的“三高”(高温、高压、高地应力)问题。在“三高”条件下,首先要确保钻机的配件和电子元件能正常工作;其次,在此条件下,尽一切可能避免井壁岩石破碎,造成井壁垮塌、卡钻等井下事故。在数千米深的地下,一次断裂,甚至细微的角度偏差,都会造成工程返工,影响进度,增加巨量成本;更重要的是,历经千辛万苦取出的样品会因质量不达标而丧失研究价值。

        具体在松科二井钻探工程中,一要保证岩芯的连续性完整性,二要克服松辽盆地复杂沉积岩地层以及地下高温对钻进的阻碍。同时,还要在保证安全和钻孔质量的前提下,提高钻进效率以提升经济效益。

        最终,松科二井工程以高于96%的岩芯采取率获得了连续完整的6500米岩芯,成为大陆和大洋科学钻探计划最长岩心记录,它代表了中国钻探工程的技术已经成熟;以厘米级刻画,研究时间跨度超过6000万年的白垩纪陆地温室气候变化,它代表了中国在深时古气候研究领域又向前迈进了一大步。

        松科二井工程实施团队还创造了多项世界纪录,为松科二井三开段压缩施工时间至少4个月,节约钻探成本超千万元。其中,针对取芯长度和工程进度无法兼顾的世界难题,在世界上第一次研发并成功应用大口径一次取心成井等技术,将钻进速度提高了2倍,提高了取芯成功率;自主研发国产出系列大口径取芯钻具。针对超高温无法施工问题,成功自主研发抗高温钻井液体系和固井技术,创造了国内最高温度(241℃)条件下钻进的新纪录。

        松科二井工程中最大的技术亮点之一就是“大口径取芯井段同径取芯、一径完钻”。相对于此前国内外科学钻探沿用的“小径取芯、大径扩孔”作业,它取消了活动套管、下入与起拔程序,避免了大段的扩孔钻进工作,回避了扩孔作业的技术风险,节约了大量的钻探时间。为实现这一钻井方法,中国地质调查局勘探技术研究所攻克了大直径金刚石钻头的设计与加工,大直径岩芯的拔断与提钻过程中钻具对岩芯的承托等关键技术。

    松科二井成果的研究刚刚开始

        得益于松科二井工程创造的攻关平台,如今,我国“深部科学钻探取心技术体系”已经成型,创造了深部钻探技术四项世界纪录。这些深部科学钻探技术成果的研发及其应用,对高质量地获取地学研究基础资料,深化我国地质基础理论研究,推出国际水平的学术成果提供了关键的技术支持。这意味着从今以后,中国在这些领域可以在国际上发出权威之声。

        “穷理以致其知,反躬以践其实”。松科二井的实施不仅对我国科学钻探工程技术进步有巨大推动作用,还将推动地学各领域及交叉领域的相关技术的进步。

        对松科二井现有成果进行全面、系统、深入、充分的总结和提升,加快成果的转化应用,是公益性地质调查的重要使命,也是松科二井在胜利完成工程阶段,转入后续科研阶段需要把握的重要方向。由中国地质大学(北京)负责的松科二井白垩纪古环境古气候研究及由中国地质调查局深部探测中心负责的深部基础地质和资源能源等方面的研究也相继展开。

        中国地质大学(北京)随钻开展了地质研究,在白垩纪古气候研究方向,不断尝试各种定量古温度重建指标,最终确定了定量重建古温度的方法。团队还与美国、德国相关实验室开展了合作并测试大量样品,通过松辽盆地大陆科学钻探获取的岩心,首次重建了相对连续的白垩纪——古近纪界线附近的陆相气候记录,发现了恐龙灭绝原因的新证据。

        深部探测中心围绕获得的岩心和相关资料开展综合研究和科学攻关,取得了基础地质研究三项重大进展,发现松辽盆地深部页岩气和干热岩两种清洁能源具有良好的勘查前景。

        最终,松科二井工程实施成果和科学研究成果,将由自然资源部中国地质调查局深部探测中心牵头汇总,形成有国际影响力和实践指导意义的重大科研报告。自然资源部中国地质调查局将加快推进《地球深部探测重大项目》的申报,推动“地球深部探测与能源资源安全”国家实验室与“深部地下观测与实验”国家重大基础科学设施的建设工作,发挥科技创新关键平台作用。同时,借此次成功实施松科二井工程,还将深化地球深部探测理论技术研究和成果转化,组织实施好松辽盆地页岩油(气)、深层油气、砂岩型铀矿、干热岩等清洁低碳能源地质科技攻坚战,带动大庆油田接替资源的勘查开发;研发15000米国产超深钻探装备系列,做好我国超万米大陆科学钻探工程以及大型含油气盆地科学钻探工程的选址和实施工作。

        (作者:张金昌,系自然资源部中国地质调查局勘探技术研究所所长、松科二井工程总指挥)

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