半個多世紀前，“鐵人王進喜”因為鑽井而家喻戶曉。現在越來越多的人開上了私家車，也要感謝鑽井技術的進步。從你已接觸的知識來看，鑽井應該是一件稀鬆平常的事啊。那麼問題來了，如果想要一口世界上最深的井，是不是一直往下鑽就行啦？
要真是這樣，上週就不會有幾十位科學家專門聚在一起召開香山科學會議，討論怎麼打這麼一口井了。不僅如此，這些科學家還紛紛吐槽：鑽井難，難於上青天！真的這麼難？地球平均半徑6371千米，而當今世界最深的鑽孔也就12262米。也就是說，人類花了大約300年，僅向地心鑽進了大約0.2%。如果把地球比作一個雞蛋的話，現在連雞蛋皮都沒鑽破！
這個12262米深的鑽孔還是前蘇聯的科拉超深井創造的記錄，迄今已20多年。多年過去，世界上鑽出垂直深度超過1萬2千米特深孔的國家依然只有前蘇聯。當然，很多國家都在努力。美國於1974年在俄克拉荷馬州鑽出一口深度9583米的井，名為羅傑斯1井，創造了當時的世界紀錄。德國則實施了著名的“聯邦德國大陸深鑽計劃（KTB）”，先後鑽了一個4000多米和9101米深的科學探井。跟這些領頭羊相比，中國在科學鑽探上只能算是後起之秀。進入新世紀後，我們陸續實施了“中國大陸科學鑽探工程（CCSD）”“汶川地震科學鑽”“松遼盆地科學鑽”等科學鑽探工程，積累了不少經驗。起步晚不等於發展慢。最近，科學家們又提出一個大膽的設想：根據地球科學探索和礦產資源探查的需求，在中國鑽若干口超過萬米，甚至打破前蘇聯科拉超深井紀錄的特深鑽孔。這將使中國的地球科學研究水平提升至國際先進水平。為何要鑽一口世界上最深的井，值得探討。正如人最不瞭解的是自己一樣，人類雖然世世代代生活在地球上，卻對它所知甚少。很多看似很簡單的地球科學問題，至今仍沒有確切答案。比如，地震的原因是什麼？地殼中有什麼樣的流體？是什麼力引發了造山運動？地殼中曾經和正在進行什麼樣的物理化學過程？如果能夠打造若干條通往地球深部的通道，並在地層深處埋設長期觀測的儀器，建立起對地球內部進行長期觀測的網路，那麼上述問題或許可以在一定程度上得到回答。
另一個原因，與地底下豐富的自然資源相關。目前世界先進水平的礦產勘探開採深度已達2500米至4000米，而中國大多在500米以內。科學家估計，如果中國的礦產勘查深度能從平均500米增至2000米，中國的金屬資源量可以翻一番。事實證明，地球更深處埋藏著眾多“驚喜”，這也是為什麼特深層油氣資源已經成為全球勘探開發的熱點。截止2014年底，全世界6000米以上的超深層油氣藏104個，8000米以上的有28個，其中包括中國的塔里木油田。除了油氣，還有大量的地熱資源等待我們去開發利用。好處不必多言。問題在於，鑽一口世界上最深的井談何容易？！可以想象的是，需要利用強大的機器，鑽透一層又一層堅硬的岩石。在這個過程中，會遭遇一大堆世界級難題，比如地球的“三高”問題。
第一“高”是高溫。科學家預計，鑽到地球深處超萬米處，溫度將達到300攝氏度以上。這意味著，鑽探機器上所使用的孔底馬達、震擊器、軸承密封等材料得耐得住這樣的高溫才行。可惜現階段很多材料的耐高溫效能還沒這麼厲害。第二“高”是高壓。如果鑽孔深度達到一萬多米，預計井內泥漿壓力將達到175MPa以上，地層壓力將達到400MPa。而現有很多測量儀器所能耐受的壓力為140MPa到170MPa之間。更要命的是，在高溫、高壓之下，岩石的物理力學性質會發生改變，容易破碎。一旦井壁岩石出現破碎，又會嚴重阻礙鑽井施工的順利進行。第三“高”，是高地應力。所謂地應力，是地殼內岩石在受到外力而變形時，各部分之間產生相互作用的內力。高地應力非常容易造成井壁垮塌、卡鑽等井下事故。前蘇聯的科拉超深井和德國的KTB井，在6000米至7000米以下井段施工時，就曾因為高地應力頻頻發生事故，從而浪費了大量的時間和經費。這只是最主要的幾個障礙而已。要鑽這樣深的一口井，用什麼鑽、怎麼鑽、鑽多長時間都是問題。說白了，就連如何避免把井鑽斜了都讓科學家頭疼。想必你已發現，鑽全世界最深的井，絕不是鬧著玩的事。這是一項龐大的系統工程。據測算，鑽一口這樣的井就需要花10年甚至20年時間，大約需要20億人民幣。要想把這筆巨資花得響，必須得有十足的把握才能動工。為此，科學家們提出了不少施工策略。
就拿對付地球的高溫來說吧。對於地球萬米深處300攝氏度高溫，首先挑戰的是鑽具上的橡膠、尼龍等有機材料，比如鑽具的密封件。此外還有鑽具上使用的電子元器件，目前大多數元器件能耐受的最高溫度在200度以內。對此，最簡單直接的辦法就是研究出更難高溫的橡膠、聚氨酯和電子元器件。如果這些材料仍然達不到要求，可以嘗試用耐高溫的金屬材料來替代它們，畢竟300攝氏度對於很多金屬而言不成問題。還有一個反其道而行之的辦法是給鑽具降溫。比如泥漿可以提取到地面進行冷卻，那麼可以透過泥漿的迴圈來帶走鑽具內的熱量。還有一個設想是採用專門的製冷裝置，像空調一樣給鑽具降溫。遺憾的是，可以在高溫高壓環境下使用的製冷機目前還沒有誕生。為了防止井壁坍塌，科學家提出，可以加大泥漿的密度，儘量縮小最大地應力與最小地應力之間的差距。還可以採用多層套管或者膨脹套管來阻隔地層的崩塌。但這些技術都有其不足之處，也許還需要發散思維，想出更好的解決辦法。所以，表面上看是打一口井，實際上卻是在考驗一個國家的經濟實力、基礎工業實力和整個科技的發展水平。為了應對一連串世界性難題，很多時候需要對現有技術進行跨越式升級甚至顛覆。正如一位科學家所言，要想完成世界第一的特深鑽孔，必須拿出世界第一的鑽探技術才行！
半個多世紀前，“鐵人王進喜”因為鑽井而家喻戶曉。現在越來越多的人開上了私家車，也要感謝鑽井技術的進步。從你已接觸的知識來看，鑽井應該是一件稀鬆平常的事啊。那麼問題來了，如果想要一口世界上最深的井，是不是一直往下鑽就行啦？
要真是這樣，上週就不會有幾十位科學家專門聚在一起召開香山科學會議，討論怎麼打這麼一口井了。不僅如此，這些科學家還紛紛吐槽：鑽井難，難於上青天！真的這麼難？地球平均半徑6371千米，而當今世界最深的鑽孔也就12262米。也就是說，人類花了大約300年，僅向地心鑽進了大約0.2%。如果把地球比作一個雞蛋的話，現在連雞蛋皮都沒鑽破！
這個12262米深的鑽孔還是前蘇聯的科拉超深井創造的記錄，迄今已20多年。多年過去，世界上鑽出垂直深度超過1萬2千米特深孔的國家依然只有前蘇聯。當然，很多國家都在努力。美國於1974年在俄克拉荷馬州鑽出一口深度9583米的井，名為羅傑斯1井，創造了當時的世界紀錄。德國則實施了著名的“聯邦德國大陸深鑽計劃（KTB）”，先後鑽了一個4000多米和9101米深的科學探井。跟這些領頭羊相比，中國在科學鑽探上只能算是後起之秀。進入新世紀後，我們陸續實施了“中國大陸科學鑽探工程（CCSD）”“汶川地震科學鑽”“松遼盆地科學鑽”等科學鑽探工程，積累了不少經驗。起步晚不等於發展慢。最近，科學家們又提出一個大膽的設想：根據地球科學探索和礦產資源探查的需求，在中國鑽若干口超過萬米，甚至打破前蘇聯科拉超深井紀錄的特深鑽孔。這將使中國的地球科學研究水平提升至國際先進水平。為何要鑽一口世界上最深的井，值得探討。正如人最不瞭解的是自己一樣，人類雖然世世代代生活在地球上，卻對它所知甚少。很多看似很簡單的地球科學問題，至今仍沒有確切答案。比如，地震的原因是什麼？地殼中有什麼樣的流體？是什麼力引發了造山運動？地殼中曾經和正在進行什麼樣的物理化學過程？如果能夠打造若干條通往地球深部的通道，並在地層深處埋設長期觀測的儀器，建立起對地球內部進行長期觀測的網路，那麼上述問題或許可以在一定程度上得到回答。
另一個原因，與地底下豐富的自然資源相關。目前世界先進水平的礦產勘探開採深度已達2500米至4000米，而中國大多在500米以內。科學家估計，如果中國的礦產勘查深度能從平均500米增至2000米，中國的金屬資源量可以翻一番。事實證明，地球更深處埋藏著眾多“驚喜”，這也是為什麼特深層油氣資源已經成為全球勘探開發的熱點。截止2014年底，全世界6000米以上的超深層油氣藏104個，8000米以上的有28個，其中包括中國的塔里木油田。除了油氣，還有大量的地熱資源等待我們去開發利用。好處不必多言。問題在於，鑽一口世界上最深的井談何容易？！可以想象的是，需要利用強大的機器，鑽透一層又一層堅硬的岩石。在這個過程中，會遭遇一大堆世界級難題，比如地球的“三高”問題。
第一“高”是高溫。科學家預計，鑽到地球深處超萬米處，溫度將達到300攝氏度以上。這意味著，鑽探機器上所使用的孔底馬達、震擊器、軸承密封等材料得耐得住這樣的高溫才行。可惜現階段很多材料的耐高溫效能還沒這麼厲害。第二“高”是高壓。如果鑽孔深度達到一萬多米，預計井內泥漿壓力將達到175MPa以上，地層壓力將達到400MPa。而現有很多測量儀器所能耐受的壓力為140MPa到170MPa之間。更要命的是，在高溫、高壓之下，岩石的物理力學性質會發生改變，容易破碎。一旦井壁岩石出現破碎，又會嚴重阻礙鑽井施工的順利進行。第三“高”，是高地應力。所謂地應力，是地殼內岩石在受到外力而變形時，各部分之間產生相互作用的內力。高地應力非常容易造成井壁垮塌、卡鑽等井下事故。前蘇聯的科拉超深井和德國的KTB井，在6000米至7000米以下井段施工時，就曾因為高地應力頻頻發生事故，從而浪費了大量的時間和經費。這只是最主要的幾個障礙而已。要鑽這樣深的一口井，用什麼鑽、怎麼鑽、鑽多長時間都是問題。說白了，就連如何避免把井鑽斜了都讓科學家頭疼。想必你已發現，鑽全世界最深的井，絕不是鬧著玩的事。這是一項龐大的系統工程。據測算，鑽一口這樣的井就需要花10年甚至20年時間，大約需要20億人民幣。要想把這筆巨資花得響，必須得有十足的把握才能動工。為此，科學家們提出了不少施工策略。
就拿對付地球的高溫來說吧。對於地球萬米深處300攝氏度高溫，首先挑戰的是鑽具上的橡膠、尼龍等有機材料，比如鑽具的密封件。此外還有鑽具上使用的電子元器件，目前大多數元器件能耐受的最高溫度在200度以內。對此，最簡單直接的辦法就是研究出更難高溫的橡膠、聚氨酯和電子元器件。如果這些材料仍然達不到要求，可以嘗試用耐高溫的金屬材料來替代它們，畢竟300攝氏度對於很多金屬而言不成問題。還有一個反其道而行之的辦法是給鑽具降溫。比如泥漿可以提取到地面進行冷卻，那麼可以透過泥漿的迴圈來帶走鑽具內的熱量。還有一個設想是採用專門的製冷裝置，像空調一樣給鑽具降溫。遺憾的是，可以在高溫高壓環境下使用的製冷機目前還沒有誕生。為了防止井壁坍塌，科學家提出，可以加大泥漿的密度，儘量縮小最大地應力與最小地應力之間的差距。還可以採用多層套管或者膨脹套管來阻隔地層的崩塌。但這些技術都有其不足之處，也許還需要發散思維，想出更好的解決辦法。所以，表面上看是打一口井，實際上卻是在考驗一個國家的經濟實力、基礎工業實力和整個科技的發展水平。為了應對一連串世界性難題，很多時候需要對現有技術進行跨越式升級甚至顛覆。正如一位科學家所言，要想完成世界第一的特深鑽孔，必須拿出世界第一的鑽探技術才行！