7018米的“地心游記”
——“地殼一號(hào)”萬(wàn)米鉆機(jī)誕生記

繼“神舟”上天、“蛟龍”下海之后，中國(guó)科學(xué)家在地球深部的探索又迎來(lái)歷史性突破！6月2日，吉林大學(xué)負(fù)責(zé)研發(fā)的“地殼一號(hào)”萬(wàn)米鉆機(jī)正式宣布完成首秀，在松遼盆地科學(xué)鉆探二井（下稱“松科二井”）工程中成功應(yīng)用。完鉆井深7018米，創(chuàng)造了亞洲國(guó)家大陸科學(xué)鉆井新紀(jì)錄，這標(biāo)志著我國(guó)在“向地球深部進(jìn)軍”的路上取得了新的重大突破。

“地殼一號(hào)”萬(wàn)米鉆機(jī)填補(bǔ)了我國(guó)在深部大陸科學(xué)鉆探裝備領(lǐng)域的空白，大大提高了我國(guó)超深井科學(xué)鉆探裝備的技術(shù)水平，使我國(guó)成為世界上第三個(gè)擁有實(shí)施萬(wàn)米大陸科學(xué)鉆探計(jì)劃專用裝備和相關(guān)技術(shù)的國(guó)家。

開啟地球奧秘之門的“金鑰匙”

科學(xué)鉆探是探索地球深部奧秘和開發(fā)地下資源唯一最直接的技術(shù)手段，深部大陸科學(xué)鉆探裝備是打開地球奧秘之門的鑰匙。

“地殼一號(hào)”萬(wàn)米鉆機(jī)就是這樣一把開啟地球奧秘之門的“金鑰匙”。“地殼一號(hào)”萬(wàn)米鉆機(jī)由吉林大學(xué)于2013年設(shè)計(jì)完成，于2013年10月運(yùn)抵黑龍江省安達(dá)市。松科二井工程是中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局部署實(shí)施的國(guó)家重大地調(diào)科研項(xiàng)目，目前松科二井正式完井，其完鉆井深7018米，是亞洲國(guó)家實(shí)施的最深大陸科學(xué)鉆井，也是國(guó)際大陸科學(xué)鉆探計(jì)劃（ICDP）成立22年來(lái)實(shí)施的最深鉆井。

經(jīng)過(guò)越冬休眠，在完成鉆機(jī)調(diào)試和試運(yùn)行后，2014年4月13日，“地殼一號(hào)”萬(wàn)米鉆機(jī)現(xiàn)場(chǎng)開鉆。經(jīng)過(guò)4年多的不懈努力，“地殼一號(hào)”萬(wàn)米鉆機(jī)先后完成大直徑全面鉆進(jìn)、取心鉆進(jìn)、通井鉆進(jìn)和擴(kuò)孔鉆進(jìn)等多項(xiàng)復(fù)雜工作。數(shù)據(jù)顯示，“地殼一號(hào)”萬(wàn)米鉆機(jī)累計(jì)鉆進(jìn)進(jìn)尺9843.67米，最高日進(jìn)尺達(dá)265米，最快機(jī)械鉆速每小時(shí)達(dá)28.8米，分別創(chuàng)造了最高日進(jìn)尺和最快鉆速的國(guó)內(nèi)紀(jì)錄。至今，“地殼一號(hào)”萬(wàn)米鉆機(jī)歷經(jīng)5個(gè)嚴(yán)冬的低溫考驗(yàn)，最低溫度達(dá)-37℃，一次累計(jì)工作1163天，無(wú)故障時(shí)間利用率約為97.6%。這創(chuàng)造了國(guó)產(chǎn)同類設(shè)備的紀(jì)錄，達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

十年磨一“鉆”

20世紀(jì)70年代以來(lái)，很多發(fā)達(dá)國(guó)家陸續(xù)實(shí)施了多項(xiàng)科學(xué)鉆探計(jì)劃。具有代表性的有蘇聯(lián)科拉半島12262米超深鉆，是目前世界上最深井；德國(guó)KTB超深鉆，9101米，排名第二。

1996年2月，德國(guó)、美國(guó)和中國(guó)作為第一批成員，發(fā)起了國(guó)際大陸科學(xué)鉆探計(jì)劃。目前，我國(guó)已成功申請(qǐng)到“大別-蘇魯”大陸超深鉆、中國(guó)環(huán)境科學(xué)鉆探青海湖工程、科鉆一井和二井工程等多項(xiàng)ICDP項(xiàng)目，在大陸科學(xué)鉆探領(lǐng)域取得了令人矚目的成績(jī)。

工欲善其事，必先利其器。此前，我國(guó)地球物理的儀器主要依賴進(jìn)口，但國(guó)外高精度的儀器對(duì)我國(guó)是封鎖的。

“如果說(shuō)我們是‘小米加步槍’的部隊(duì)，人家就是有導(dǎo)彈的部隊(duì)。”我國(guó)著名戰(zhàn)略科學(xué)家、國(guó)家“千人計(jì)劃”特聘專家、吉林大學(xué)新興交叉學(xué)科學(xué)部學(xué)首任部長(zhǎng)黃大年教授生前接受媒體采訪時(shí)說(shuō)。他深知，這是國(guó)家發(fā)展無(wú)法回避與繞開的話題，必須突破發(fā)達(dá)國(guó)家的裝備與技術(shù)封鎖。

參與“深部探測(cè)技術(shù)與實(shí)驗(yàn)研究專項(xiàng)”是黃大年回國(guó)后的第一項(xiàng)重要任務(wù)——擔(dān)任專項(xiàng)第九項(xiàng)目“深部探測(cè)關(guān)鍵儀器裝備研制與實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目”負(fù)責(zé)人。

該項(xiàng)目第五課題——“深部大陸科學(xué)鉆探裝備研制”由吉林大學(xué)作為主要承擔(dān)單位進(jìn)行研發(fā)，以滿足我國(guó)地球深部探測(cè)任務(wù)中對(duì)超深鉆探用高端裝備的需求。

▲“地殼一號(hào)”萬(wàn)米鉆機(jī)整機(jī)系統(tǒng)（圖/新華社）

“‘地殼一號(hào)’萬(wàn)米鉆機(jī)將石油鉆井裝備和先進(jìn)的地質(zhì)鉆探技術(shù)有機(jī)結(jié)合。”吉林大學(xué)副校長(zhǎng)孫友宏介紹。“地殼一號(hào)”萬(wàn)米鉆機(jī)主體由現(xiàn)有成熟的特深孔石油鉆井裝備關(guān)鍵部件優(yōu)化改進(jìn)而成。自主研發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)及裝備是“地殼一號(hào)”萬(wàn)米鉆機(jī)的核心，包括自動(dòng)化鉆井裝置、高性能鉆井工具及先進(jìn)鉆探工藝方法。

研制團(tuán)隊(duì)歷時(shí)約10年，解決了深部鉆探裝備轉(zhuǎn)盤回轉(zhuǎn)速度低、設(shè)備自動(dòng)化程度低和深部鉆探鉆頭壓力控制精度低的三大技術(shù)難題。不僅如此，該團(tuán)隊(duì)還突破了高轉(zhuǎn)速全液壓頂部驅(qū)動(dòng)鉆進(jìn)、高精度自動(dòng)化擺排管、高速度鉆桿柱自動(dòng)擰卸輸送和高精度自動(dòng)送鉆四大深部鉆探裝備關(guān)鍵技術(shù)。

“研發(fā)階段，學(xué)校師生堅(jiān)守在四川研發(fā)基地，一干就是4年。一個(gè)部件的設(shè)計(jì)圖紙就有幾千張，整個(gè)鉆機(jī)設(shè)計(jì)圖紙摞起來(lái)有一人高。”說(shuō)到研發(fā)的艱辛，孫友宏有些哽咽。“十年磨一劍，‘地殼一號(hào)’萬(wàn)米鉆機(jī)形成了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高性能深部科學(xué)鉆探裝備和配套裝置。”孫友宏說(shuō)。

更近距離地聆聽地球“心跳”

深部大陸科學(xué)鉆探工程涉及地學(xué)、力學(xué)、機(jī)械、儀電、材料、物理、化學(xué)、仿生學(xué)等多個(gè)學(xué)科和領(lǐng)域，其裝備水平反映的是國(guó)家科技發(fā)達(dá)程度。

在驗(yàn)收評(píng)定時(shí)，專家組對(duì)“地殼一號(hào)”萬(wàn)米鉆機(jī)給出了這樣的評(píng)價(jià)：整機(jī)集成度高、自動(dòng)化程度高、運(yùn)行平穩(wěn)，填補(bǔ)了我國(guó)在超深孔科學(xué)鉆探鉆機(jī)領(lǐng)域的空白，全面提升了我國(guó)鉆機(jī)整機(jī)及關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)和加工水平。

“‘地殼一號(hào)’萬(wàn)米鉆機(jī)加快了我國(guó)進(jìn)入國(guó)際深部探測(cè)大國(guó)行列的步伐。”中國(guó)工程院院士、吉林大學(xué)校長(zhǎng)李元元總結(jié)說(shuō)。

目前，“地殼一號(hào)”萬(wàn)米鉆機(jī)的相關(guān)技術(shù)成果被廣泛應(yīng)用于深部油氣鉆機(jī)和海洋鉆機(jī)鉆井包等，并大規(guī)模出口到阿聯(lián)酋、委內(nèi)瑞拉、俄羅斯、美國(guó)等十個(gè)國(guó)家和地區(qū)。“地殼一號(hào)”萬(wàn)米鉆機(jī)的相關(guān)技術(shù)成果還成功應(yīng)用于“極光號(hào)”極地鉆機(jī)，該鉆機(jī)已應(yīng)用于俄羅斯北極圈亞馬爾高寒地區(qū)油氣勘探。亞馬爾液化天然氣項(xiàng)目是中俄能源合作重大項(xiàng)目，是中國(guó)提出“一帶一路”倡議后實(shí)施的首個(gè)海外特大型項(xiàng)目。“極光”號(hào)極地鉆機(jī)是中俄亞馬爾液化天然氣項(xiàng)目的重要組成部分，該鉆機(jī)可在-50℃低溫和12級(jí)以上強(qiáng)風(fēng)環(huán)境下連續(xù)工作。中國(guó)制造的第一臺(tái)“極光”號(hào)極地鉆機(jī)打破了俄、美、加拿大等國(guó)的技術(shù)壟斷，成功打進(jìn)了俄羅斯的北極市場(chǎng)。這也是我國(guó)首臺(tái)可以在-55℃環(huán)境作業(yè)的極地鉆機(jī)。

孫友宏介紹，目前，吉林大學(xué)已經(jīng)和四川宏華石油設(shè)備有限公司合作，初步完成了“地殼二號(hào)”的設(shè)計(jì)方案，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)15000米的鉆井深度，探索通向地球深處的隧道，更加近距離地聆聽地球的“心跳”。