钻入地下1万米究竟有多难

周军

地球平均半径6371千米，而当今世界最深的钻孔也就12262米。也就是说，到目前為止，人类仅向地心钻进了大约0.2%。如果把地球比作一个鸡蛋的话，现在连鸡蛋皮都没钻破！这个12262米深的钻孔还是苏联的科拉超深井创造的纪录，迄今20多年无人打破。

不过，2017年11月15日召开的香山科学会议上传出令人振奋的消息，我国科学家们提出大胆设想，将在中国钻若干口超过万米，甚至打破科拉超深井纪录的特深钻孔。这将使我国的地球科学研究水平提升至国际先进水平。

为了藏在地下的秘密和惊喜

人类虽然世世代代生活在地球上，却对它所知甚少。很多看似很简单的地球科学问题，至今仍没有确切答案。

比如，地震的原因是什么？地壳中有什么样的流体？是什么力引发了造山运动？地壳中曾经和正在进行什么样的物理化学过程？

如果能够打造若干条通往地球深部的通道，并在地层深处埋设长期观测的仪器，建立起对地球内部进行长期观测的网络，那么上述问题或许可以在一定程度上得到回答。

另一个原因，与地底下丰富的自然资源相关。

目前世界先进水平的矿产勘探开采深度已达2500米至4000米，而我国大多在500米以内。科学家估计，如果我国的矿产勘查深度能从平均500米增至2000米，我国的金属资源量可以翻一番。

事实证明，地球更深处埋藏着众多惊喜，这也是为什么特深层油气资源已经成为全球勘探开发的热点。截至2014年底，全世界6000米以上的超深层油气藏有104个，8000米以上的有28个，其中包括我国的塔里木油田。除了油气，还有大量的地热资源等待我们去开发利用。

地球“三高”问题是关键

要钻这么深的井，需要利用强大的机器，钻透一层又一层坚硬的岩石。在这个过程中，会遭遇很多世界级难题。其中就包括地球的“三高”问题。

第一“高”是高温。科学家预计，钻到地球深处超万米处，温度将达到300摄氏度以上。这意味着，钻探机器上所使用的孔底马达、震击器、轴承密封等材料得耐得住这样的高温才行。可惜现阶段很多材料的耐高温性能还没这么厉害。

第二“高”是高压。如果钻孔深度达到一万多米，预计井内泥浆压力将达到175MPa以上，地层压力将达到400MPa。而现有很多测量仪器所能耐受的压力为140MPa到170MPa之间。更要命的是，在高温、高压之下，岩石的物理力学性质会发生改变，容易破碎。一旦井壁岩石出现破碎，又会严重阻碍钻井施工的顺利进行。

第三“高”是高地应力。所谓地应力，是地壳内岩石在受到外力而变形时，各部分之间产生相互作用的内力。高地应力非常容易造成井壁垮塌、卡钻等井下事故。苏联的科拉超深井和德国的KTB井在6000米至7000米以下井段施工时，就曾因为高地应力频频发生事故，从而浪费了大量时间和经费。

科学家“开脑洞”想了这些应对措施

据测算，钻一口超过万米的井需要花10年甚至20年时间，大约需要20亿人民币。要想把这笔巨资花得响，必须得有十足的把握才能动工。为此，科学家们提出了不少施工策略。

就拿对付地球的高温来说吧。对于地球万米深处300摄氏度的高温，首先挑战的是钻具上的橡胶、尼龙等有机材料，比如钻具的密封件。此外还有钻具上使用的电子元器件，目前大多数元器件能耐受的最高温度在200摄氏度以内。

最简单直接的办法就是研究出更耐高温的橡胶、聚氨酯和电子元器件。如果这些材料仍然达不到要求，可以尝试用耐高温的金属材料来替代它们。

还有一个办法是给钻具降温。比如泥浆可以提取到地面进行冷却，通过泥浆的循环来带走钻具内的热量。还有一个设想是采用专门的制冷设备，像空调一样给钻具降温。遗憾的是，可以在高温高压环境下使用的制冷机目前还没有诞生。

为了防止井壁坍塌，科学家提出，可以加大泥浆的密度，尽量缩小最大地应力与最小地应力之间的差距。还可以采用多层套管或者膨胀套管来阻隔地层的崩塌。

所以，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、基础工业实力和整个科技的发展水平。要想完成世界第一的特深钻孔，必须拿出世界第一的钻探技术才行！