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我国自主研制的万米钻机——“地壳一号”成功首秀
发布时间:[ 2018-06-06 15:17 ] 文章来源:< 综合 > 浏览量: 1088

    人类的征途不仅仅是星辰和大海,还有探索通向地球深处的隧道,更加贴近地聆听地球母亲的“心跳”。继“神舟”上天,“蛟龙”下海之后,中国科学家在地球深部的探索又迎来历史性突破。
    6月2日,我国自主研发的“地壳一号”万米钻机正式宣布完成首秀,在松辽盆地科学钻探二井(以下简称“松科二井”)工程中成功应用。完钻井深7018米,创造了亚洲国家大陆科学钻井新纪录,这标志着我国在“向地球深部进军”的路上取得了新的重大突破。
    “地壳一号”由国家深部探测技术与实验研究专项资助,吉林大学和四川宏华集团共同研制,其研发采用国际先进水平的机电数字一体化设计,具备信息化、智能化特点,可最大限度满足钻井新工艺的要求,填补了我国在 深部大陆科学钻探技术装备领域的空白,大大提高了我国超深科学井钻探装备的技术水平,使我国成为继俄罗斯、德国之后,世界上第三个掌握地下万米钻探技术的国家。
    “地壳一号”的成功研发,将为我国未来万米大陆科学钻探井的建设提供支撑,还将为我国陆地和海洋深部资源勘探开发提供支持,它是我们“入地的望远镜”。“地壳一号”负责从地球深处把岩芯提取出来,届时,用航磁探测、物探等传统手段“看不到”的科研标本将得以呈现。
    据介绍,“地壳一号”组装后约20层楼高,占地一万多平方米,钻进能力达到1万米。目前,“地壳一号”日钻进速度最快达到265米,最快机械钻速达到每小时28.8米。
    地球深部探测科研需要钻探质地坚硬的变质岩和火山岩,同时钻取岩芯,这对于钻机转速,钻进工艺要求都很高。据介绍,“地壳一号”投入使用的“松辽盆地白垩纪大陆科学钻探项目”是我国目前唯一列入国际大陆科学钻探计划的工程,该项目将开展连续高分辨率陆相沉积记录和温室气候变化研究。
    一、科学钻探 开启地球奥秘之门的“金钥匙”
    科学钻探是探索地球深部奥秘和开发地下资源唯一最直接的技术手段,深部大陆科学钻探设备是打开地球奥秘之门的钥匙。
    为满足我国地球深部探测工程的重大需求,2009年国家启动了“深部探测技术与实验研究专项”(SinoProbe),其中第九项目——“深部探测关键仪器装备研制与实验”由著名战略科学家、国家“千人计划”特聘专家、吉林大学交叉学部学部长黄大年教授担任首席科学家。该项目的第五课题——“深部大陆科学钻探装备研制”由吉林大学孙友宏教授担任负责人。作为我国首台万米大陆科学钻探专用装备,“地壳一号”万米钻机由吉林大学设计,中国航天科工集团四川宏华石油设备有限公司制造生产。为实施中国地质调查局部署的松科2井工程,“地壳一号”万米钻机于2013年10月由四川省广汉市运抵黑龙江省安达市,先后完成大直径全面钻进、取心钻进、通井钻进和扩孔钻进等多项复杂工作,经过4年多的不懈努力,历经5个严冬的低温考验,钻机一次累计工作1163天,无故障时间利用率达97.63%,创造了国产同类设备的纪录,达到国际先进水平。累计钻进进尺9843.67米,最高日进尺达265米,最快机械钻速达28.8米/小时,分别创造了最高日进尺和最快钻速的国内记录。松科2井创造了完钻井深7018米的亚洲大陆科学钻井新纪录,也是国际大陆科学钻探计划(ICDP)成立22年来实施的最深钻井。
    “地壳一号”万米钻机突破了多项重大关键技术,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空白,大大提高了我国超深井科学钻探装备的技术水平,使我国成为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。钻机的先进性、高可靠性有力地保障了松科2井的顺利完成,也较好满足了我国地球深部探测任务中对超深钻探用高端装备的需求。它的研制和应用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,对我国地球深部探测技术的发展起到了重要推动作用,加快了我国进入国际深部探测大国行列步伐,也必将带动我国深部油气资源和地热资源勘探开发行业的科学技术进步。
   
二、独立自主 核心技术和关键部件都是自主研发
    科学钻探是获取地球深部物质,了解地球内部信息最直接、有效、可靠的方法,是地球科学发展不可缺少的重要支撑,也是解决人类社会发展面临的资源、能源、环境等重大问题不可缺少的重要技术手段。
    20世纪70年代以来,很多发达国家陆续实施了多项科学钻探计划。具有代表性的有前苏联科拉半岛12262米超深钻,是目前世界上最深井,德国KTB超深钻,9101米,排名第二。
    1996年2月,德国、美国和中国作为第一批成员,发起了国际大陆科学钻探计划。目前,我国已经成功申请到“大别—苏鲁”大陆超深钻、中国环境科学钻探青海湖工程、科钻一井和二井工程等多项ICDP项目,在大陆科学钻探领域取得令人瞩目的成绩。
    工欲善其事,必先利其器。此前,我国地球物理的仪器主要依赖进口,但国外高精度的仪器对我国是封锁的。如果说我们是“小米加步枪”的部队,人家就是有导弹的部队。黄大年教授生前接受采访时说,他深知,这是国家发展无法回避与绕开的话题,必须突破发达国家的装备与技术封锁。参与“深部探测技术与实验研究专项”是黄大年回国后的第一项重要任务——担任专项第9项目“深部探测关键仪器装备研制与实验项目”负责人。该项目第五课题——“深部大陆科学钻探装备研制”由吉林大学作为主要承担单位进行研发,以满足我国地球深部探测任务中对超深钻探用高端装备的需求。
    “地壳一号”万米钻机将石油钻井装备和先进的地质钻探技术有机结合。钻机主体由现有成熟的特深孔石油钻井装备关键部件优化改进而成。自主研发的关键技术及装备是“地壳一号”万米钻机的核心,包括自动化钻井装置、高性能钻井工具及先进钻探工艺方法。
    研制团队历时约10年,解决了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的三大技术难题。不仅如此,该团队还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。
    研发阶段,学校师生坚守在四川研发基地,一干就是4年。一个部件的设计图纸就达几千张,整个钻机设计图纸摞起来有一人高。十年磨一剑,“地壳一号”万米钻机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。
    经过四年多的技术攻关,2013年吉林大学成功研发了我国首台万米大陆科学钻探专用设备“地壳一号”万米钻机。填补了我国在深部大陆科学钻探装备领域空白,大大提高了我国超深井科学钻探装备的技术水平。
   
三、突破高温 向地球深部进军
    在我国东北部,松辽盆地静卧在大小兴安岭和长白山脉的怀抱中。2006年8月18日,在松辽盆地北部中央坳陷区开钻的中国白垩纪大陆科学钻探工程(松科一井)分两孔进行。2007年10月20日,松科一井顺利完钻,总取心进尺为2577米,心长共计2485米,为白垩纪地球表层系统重大地质事件与温室气候变化的后续研究奠定了坚实基础。
    松科二井于2014年开钻,目标是打穿松辽盆地白垩系,探索松辽盆地深部能源潜力,建立松辽盆地深部地层结构,寻求白垩纪气候变化地质证据,研发深部探测技术。“地壳一号”万米钻机成为完成松科二井项目的不二选择。“地壳一号”经受住了考验,钻机无故障率达97.5%,最高日进尺286米,充分体现出我国自主研发钻机的能力。“地壳一号”突破了四项关键技术,一些技术甚至达到国际领先水平,使得我国钻探装备研发水平成功跻身国际第一梯队。
    如何保障钻头在持续超高温下不“中暑罢工”,是科学家们面临的重要问题。钻井越深,温度越高,钻井液的技术难度越大。松科二井每往下钻进100米,地下温度会升高3至4℃,钻到孔底的时候温度已超过240℃。通过反复研究和实验,团队研发出新型钻井液配方,经受住了井底高温的考验,刷新了我国钻井液应用的最高温度纪录。
    “钻地”成功后科学家们又面临“取心”的挑战。在一个极不均匀和复杂的球体上“动刀”,在保证钻的井眼不能坍塌和崩裂的同时,还要完整无缺地取出深部岩心,难度极大。松科二井采用国内首创的大直径同径取心钻探工具,使用钻探工具直接钻进一个大井眼,并一次性钻进至设计井眼直径,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难关。如此一来,既省去了传统的“小径取心,大径扩孔”过程中的诸多工序,避免了“从小井眼到大井眼”钻进过程中的很多风险,也节约了大量物资,同时,获取的岩心样品实物量也比设计量多了5倍。
   
四、勇攀高峰 开启中国“地学”新起点
    在5月21日进行的松科二井成果鉴定会上,国内许多院士及有关专家一致认为,该成果实现了理论、技术、工程、装备的重大突破,对拓展我国深部能源勘察开发新空间、引领白垩纪古气候研究和服务“百年大庆”建设具有重要意义。成果总体达到了国际先进水平,在深部钻探技术和白垩纪陆相古气候研究方面达到国际领先水平。
    目前松科二井岩心已经全部采集完毕,这将会在研究白垩纪古气候演变以及未来人类生存环境演化方面发挥关键作用。之所以研究白垩纪,因为这一时期是离我们最近的温室气候时期,也是高二氧化碳、高海平面和高温的“三高”时期。搞清楚白垩纪,对于研究未来地球演化——可能会进入这种“三高”时期具有重要借鉴意义.
    松科二井向整个地球科学界提供了一个大舞台——首次重建了白垩纪陆相百万年至十万年尺度气候演化历史,发现了各个时间尺度陆相气候变化的主要控制因素,为研究地球气候系统在温室气候条件下演变机制找到新证据。通俗说,通过松科二井这一“时间隧道”,中国地质科学家基本还原了白垩纪的场景。
    此外,7018米的松科二井还揭示了松辽盆地形成的原因、过程和结果,为支撑大庆油田未来50年发展,保证我国能源安全提供了重要的数据支撑。
    “地壳一号”万米钻机加快了我国进入国际深部探测大国行列的步伐。目前,“地壳一号”万米钻机的相关技术成果被广泛应用于深部油气钻机和海洋钻机钻井包等。“地壳一号”万米钻机的相关技术成果还成功应用于“极光号”极地钻机,该钻机已应用于俄罗斯北极圈亚马尔高寒地区油气勘探。据介绍,该钻机可在零下50摄氏度低温和12级以上强风环境下连续工作,是我国首台可以在零下55摄氏度环境下作业的极地钻机。“极光号”极地钻机打破了一些国家的技术垄断。
    目前,吉林大学已经和四川宏华石油设备有限公司合作,初步完成了“地壳二号”的设计方案,目标是实现15000米的钻井深度,探索通向地球深处的隧道,更加近距离地聆听地球的“心跳”。(白林)