“地壳一号”钻机：将人类视距延伸至地下万米

科技日报记者 杨 仑 综合报道

7018米！

2018年6月2日，由我国自主研发的万米钻机“地壳一号”正式宣布完成“首秀”：以完钻井深7018米创亚洲国家大陆科学钻井新纪录,标志着中国成为继俄罗斯和德国之后,世界上第三个拥有实施万米大陆钻探计划专用装备和相关技术的国家，这让参与其中的科研人员激动不已。

为满足我国地球深部探测工程的重大需求，我国于2009年启动了“深部探测技术与实验研究专项”，其中第九项目“深部探测关键仪器装备研制与实验”由吉林大学教授、博士生导师黄大年担任负责人，该项目的第五课题“深部大陆科学钻探装备研制”由时任吉林大学副校长、教授孙友宏担任负责人，该课题的主要任务是研制“地壳一号”万米钻机。

2013年10月15日，50辆大型拖车装载着被分拆成零件的“地壳一号”从四川省广汉市出发前往东北；2014年4月13日零点，“地壳一号”万米钻机在位于松辽盆地的松科二井现场实施开钻作业；2018年，松科二井正式完井，超额完成预定目标，在理论、技术、工程、装备等方面均实现了重大突破，极大地提升了我国地球深部探测的能力和影响力。

进军

一场科技竞赛在地球内部展开

“上天、入地、下海、登极”是人类认识自然和挑战自然的四大壮举。以大陆科学钻探为主的“入地”工程是获取地下实物信息的唯一手段, 其难度绝不亚于“上天”工程。

受困于地壳岩石阻隔，人类对地球内部知之甚少。若想对地球内部结构和物质成分进行探测，最直接、最有效和最可靠的方法是纵深向地球内部打一口科学钻探井，将人类的“视距”向地球内部延伸数千米甚至上万米，进而一探究竟。

通过科学钻探，在地质学方面，可以研究地球深部构造及演化、地球深部流体及其作用，校验地球物理探测结果；在资源能源开发利用方面，可以研究成矿理论、油气成因，调查和开发深部热能；在环境科学方面，可以研究地震成因、火山喷发机理、地质灾害预警、地球气候演变、生命演化历史。因此，科学钻探被形象地誉为了解地球内部信息的“望远镜”。

基于此，上世纪末一些先行者开始向地球深处“进军”。

大陆科学钻探工程开始于20世纪60年代初，苏联地质学家H.A.别里亚耶夫斯基等人根据深部地球物理资料提出，为获取整个地壳剖面，至少要在全球6个地区打超深井。

1970年，由苏联科学家主导的科拉超深钻孔工程启动，其中最深的一个钻孔SG-3超深孔1986年3月达到11300米。与此同时，其他国家也开始了在这方面的探索，例如美国的罗杰斯1号孔（9583米，1974年）和德国的KTB井（9101米，1994年）。

1996年，国际大陆科学钻探计划(ICDP)正式成立以来，更多国家开始参与制定并组织实施科学钻探，加入到国际大陆科学钻探计划中来。此时，各国争先恐后的重要原因，在于以深井油气钻探装备为依托的大陆科学钻探工程，在一定程度上反映了一个国家的经济实力和科技发展水平。这是一场科技竞赛，谁也轻易不敢掉队。

而在那时，我国最深的科学钻探孔为CCSD-1孔，深度仅为5158米。

攻关

见招拆招解决“三高”难题

超深孔钻探面临一系列的世界级难题，其中最难以攻克的，便是要在地球的高温、高压、高地应力“三高”条件下，确保钻具的配件和电子元件能正常工作、取芯工作能够顺利进行。

为解决“三高”难题，我国的科技工作者们进行了艰苦卓绝的科研攻关。

经过4年多的努力，吉林大学成功研发出了我国首台万米大陆科学钻探专用装备——“地壳一号”万米钻机，解决了我国深部钻探装备转盘回转速度低、设备自动化程度低和深部钻探钻头压力控制精度低的三大技术难题，突破了高转速全液压顶部驱动钻进、高精度自动化摆排管、高速度钻杆柱自动拧卸输送和高精度自动送钻四大深部钻探装备关键技术，形成了具有自主知识产权的高性能深部科学钻探装备和配套装置，填补了我国在深部大陆科学钻探装备领域空白，大大提高了我国超深井科学钻探装备的技术水平。

“此外，‘地壳一号’万米钻机还应用了一套由我们研发的自动化钻井装置，其主要包括自动摆排管装置、自动拧卸装置、自动‘猫道’装置以及我们国内钻深能力最大的一台全液压顶驱装置。”吉林大学机械学院教授沙永柏说。

地球内部的高温泥浆，被誉为钻井的“血液”。在钻井过程中，井钻得越深，泥浆温度越高，钻探技术难度越大。