钻探工具 地球内部奥秘难测，人类探索从未停止，松科二井能否解开谜团？

那么，我们该如何探索地球深处的秘密呢？我们来看看“松科二号井”科研团队的“十八般武器”和“绝活”。本文从取心钻井工具、取心技术创新、“泥浆”和取心技术探索??四个方面，探讨“松科二号井”如何揭开地球深处的秘密。

图1 地球圈层结构示意图

挖掘岩石的利器：取芯钻具

地球内部是一个极其不均匀的复杂球体钻探工具，从地壳到地核的岩层、水层、温度、压力等千差万别，在上面钻孔、“挖岩”绝非易事。对于深度超过7000米的超深井“松科二号井”来说，更是难上加难。这是因为“松科二号井”在向下钻进的过程中，既要保证钻孔不塌陷、不开裂，又要保证取出的深层岩芯完好无损。要实现这两个目标，不仅需要先进的钻井方法，还需要一种适用于各种复杂多变的地下地层的“挖岩利器”——取芯钻具。这种取芯钻具和与之配套的钻头，才是钻入地下、抓取岩石的保障（图2）。 “松科2号井”钻进过程中，其工作过程是这样的：钻头在底部通过高速旋转不断“碾碎”围岩，将中间的柱状岩样送入取心钻内管抓取、携带岩心，而取心钻外管则不断将钻进所需的压力和转速传递给钻头，同时在旋转过程中对井壁进行修整，以保护内管。

图2 KT系列大直径取芯钻机

独特的方法——取芯技术创新

传统科学钻井是先将大直径段岩心打入小井眼，再用扩孔器回钻至井眼，将井眼扩大至设计井径。然而，科学超深井钻井的挑战是如何在大直径井眼中高效钻进并完整捕获岩心。“松科2号井”在钻井过程中实现了大直径同径岩心取芯、长钻井技术、大直径岩心原管技术等一系列技术创新，实现了我国科学超深井钻井的技术突破。

先说大直径同径取心技术。“松科2号井”掌握了大直径取心钻头破岩、抓取并携带大岩心出井的关键技术，运用国内首创的φ311mm大直径同径取心钻具直接钻入大钻孔（图3），一次钻至设计钻孔直径，不仅省去了传统“小直径取心、大直径扩孔”工艺中的很多工序，规避了“小钻孔改大钻孔”钻进中的很多风险，还节省了大量的生产材料。实际获取的岩心样品量是设计的5倍，为地质工作者提供了更多极其珍贵的岩心。

图3 φ311mm大直径取心工具装配及出井

再说长钻技术。在“松科二号井”钻井过程中，每口取心钻头装满岩心后，需要将井内钻头全部取出，取完岩心后再将钻头全部下入井内继续钻进。通过多次试验和技术突破，科学家们在长钻技术上取得了突破，将连续钻进深度（钻距）从每次的10m、20m拓展到30m。在φ311mm井段，岩心钻进长度（钻距）突破30m，创造了该领域的世界纪录；而在φ216mm井段，在井深不足4700m的情况下，连续岩心钻进长度（钻距）达到41.69m。在难度更大的φ152mm超深井段，连续岩心钻进长度（钻距）突破33m，连续两次打破世界纪录（图4）。 “松科二号井”科研团队研发的长钻井技术，大大减少了钻杆起下井的次数，特别是当井深超过7000米时，从井内起下钻杆需要工人36个小时的长时间连续作业，具有很大的实用价值。因此，长钻井技术的应用，不仅减轻了工人的劳动强度、缩短了钻井施工周期，还大大节省了综合成本，为未来更深的超深井项目开辟了新的技术支撑。

图4：四筒超长取心钻具，一次钻进获得40米岩心

最后说一下大直径岩心原状取出技术。为确保大直径岩心出井后能完好无损、原封不动地从岩心筒中取出，“松科2号井”科研团队在工程现场采用了液压取芯技术和机械取芯技术辅以液压拆装机，确保4100余米岩心原状完好取出，为地质研究提供了一套优质、丰富的岩心材料数据（图5）。

图 5. 获得的大直径芯材

钻井血迹——岩心钻井中的泥浆

“松科2井”钻井深度达7018m。超深井连续钻进过程中，既要保证上部井筒完好不塌陷，要让钻头“咬”进的岩屑顺利从井底排出，还要保证高速旋转的钻头不会因受热而过早报废。而这些都要靠“泥浆”也就是钻井液来实现。它就像人的血液，在钻井过程中，从地面到井底循环净化，传递水动力，冷却润滑钻具，携带悬浮岩屑，维持井筒周围井壁的稳定性。而且，钻井越深，温度越高，钻井液技术难度也就越大。“松科2井”每向下钻进100米，温度上升3℃~4℃。 当温度到达井底时，已超过240℃。科学家通过反复研究和实验，研制出了一种新型钻井液配方，经受住了井底240℃以上温度的考验，打破了我国水基钻井液应用最高温记录（图6）。

图6 钻井过程中泥浆循环示意图（黄色箭头表示泥浆流向）

寻找新世界：探索取心技术

超深井钻到一定深度，会遇到地球内部高温高压、岩石硬度大、钻速慢等各种困难，如果想继续向地球更深的地方探索，必须克服重重困难。如何在大直径井筒中不把钻杆全部取出的情况下，将所有岩心全部打出孔外？在高温地层、坚硬岩石中，如何让钻头以更高的速度旋转来“碾碎”岩石？如何随钻将井筒下的各种数据直接传输到地面？在“松科二号井”实施过程中，科学家们对大直径绳索取心、涡轮钻具取心、随钻数据采集与传输等技术进行了大量可行性试验，所获得的技术和数据为未来万米超深井科学钻探储备了技术实力。

“上天入地”揭开宇宙奥秘，探索地心深处的奥秘，科学钻探之路漫长而艰辛。虽然现在我们只钻穿了地球的“皮毛”，但我们相信，在科学家的不懈努力与探索下，通过未来实施万米、超万米科学钻探，一定能打通一条探索地球深处奥秘的通道，届时我们距离地心将越来越近。