从地壳一号到仿生钻头

科技日报记者 杨仑

万米钻机的成功研制，攻克了超高温钻探和大口径取心等关键技术难题，取得了系列创新性成果，背后离不开科研工作者们的辛勤付出，据介绍，本次科研钻探工程共有勘探技术研究所、地球深部探测中心联合中国地质大学（北京）、吉林大学、大庆油田等多家单位承担和实施。

在万米钻机的研制过程中，为满足我国地壳探测工程的需要，“深部大陆科学钻探装备研制”负责人孙友宏教授采用了“改造成熟技术——自主研发核心技术——集成关键技术”的创新思想和科学理念,由吉林大学自主设计、四川宏华石油设备有限公司制造生产的我国首台万米大陆科学钻探设备——“地壳一号”万米钻机。

为解决硬岩钻进技术难题孙友宏首次提出将仿生耦合理论与技术应用到钻头设计中。仿生耦合理论是向自然界生物学习抽象出对科学技术具有指导意义的原理，是仿生学理论之一。从材料、结构和表面形态入手，结合仿生耦合技术进行钻井钻头的科学研究。通过大量现场试验表明，仿生钻头的效率和使用寿命得到较大提高。

此外，孙友宏还首次提出仿生自再生理念。通过对土壤动物长期观察发现，不管土壤动物在土壤中如何工作，其皮肤和爪趾能始终保持完好，原因在于土壤动物的皮肤和爪趾在磨损或蜕皮后还能继续生长，具有自再生的功能。这一发现对从事钻探工作的研究人员来说意义重大。他受到土壤动物这种蜕皮原理和自再生原理的启发，提出了“仿生自再生”概念。

为解决陆地冻土带天然气水合物钻探取样技术难题，孙友宏研发了一整套具有自主知识产权的冷钻热采天然气水合物技术，突破了国外对我国水合物钻探取样技术的封锁，在孔底冷冻取样技术和脉冲蒸汽热采技术方面为国际首创，在泥浆强制制冷技术方面填补了国内空白，为我国陆地天然气水合物的重大发现和成功试开采提供了技术支撑，并做出了重要贡献。

从成果来看，松辽盆地大陆深部科学钻探工程硕果累累：首先是创造了深部钻探技术四项世界纪录，实现了两项重大突破。创造了311毫米大口径连续取心最长、三种不同口径单回次取心最长四项世界纪录。在世界上首次研发并成功应用大口径一次取心成井等技术，将钻进速度提高了2倍。成功研发了抗高温钻探技术，创造了国内最高温度（241℃）条件下钻进的新纪录。

二是发现了松辽盆地深部页岩气和地热能两种清洁低碳能源具有良好的勘探开发前景。在盆地深部断陷沙河子组和火石岭组（3350米以深）地层中发现页岩气气测异常43层，累计厚度102米，甲烷占全烃组分平均含量的86%。在井深4400米-7018米发现150℃-240℃高温干热岩体和2层含高放射性元素铀异常地层。

三是获得了白垩纪陆地古气候演变规律的三项重要证据。首次在全球实现了对白垩纪（距今1.45亿到0.65亿年）最完整、最连续陆相地层厘米级高分辨率的精细刻画，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，发现了大规模火山爆发排放二氧化碳引发陆相气候剧烈波动的重要信息。

四是取得了基础地质研究三项重大进展。建立了松辽盆地陆相地层标准剖面——“金柱子”，构建了盆地早期基底双向汇聚、后期伸展反转的陆内盆地演化新机制，提出了多期海侵事件造成盆地有机质更加富集的新认识。