探索丨深地塔科1井開啟我國萬米級科學(xué)探索新時代

2023年5月30日，中國石油塔里木油田公司位于新疆阿克蘇地區(qū)沙雅縣的深地塔科1井正式開鉆，這一標(biāo)志性事件讓中國躋身全球少數(shù)具備萬米級特深井鉆探能力的國家行列。深地塔科1井設(shè)計深度1.10萬米。直至2025年2月20日，中國石油集團(tuán)宣布，中國首口超萬米科探井——深地塔科1井在地下10910米勝利完鉆，成為亞洲第一、世界第二垂深井。這一成果標(biāo)志著我國在深地探測領(lǐng)域取得重大進(jìn)展，具有多方面重要意義。

▏****深地探測：人類探索地球內(nèi)部的終極挑戰(zhàn)地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要分為地殼、地幔和地核。其中，地殼的平均厚度約為17公里，然而人類目前最深的鉆探記錄僅為12,262米，這一記錄來自蘇聯(lián)的科拉超深井。深地探測對于人類而言，不僅是資源開發(fā)的必然需求，更是揭示地球演化奧秘的關(guān)鍵途徑。從資源角度來看，國際能源署統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，全球超過60%的未探明油氣資源埋藏于4500米以深的地層。隨著淺部資源的逐漸減少，向地球深部進(jìn)軍，尋找更多的能源和礦產(chǎn)資源成為必然趨勢。萬米級深井的鉆探，將有可能觸及古老地層中的油氣藏、地?zé)崮芤约跋∮薪饘儋Y源，為解決全球能源危機和資源短缺問題提供新的方向。中國的塔里木盆地是全球最大的含油氣疊合盆地，其富滿油田已探明的超深油氣儲量達(dá)10億噸級。深地塔科1井選址于此，具有重要的戰(zhàn)略意義。一方面，瞄準(zhǔn)資源開發(fā)，有望進(jìn)一步提升我國的油氣資源儲量，保障國家能源安全；另一方面，該井承載著揭示特提斯洋構(gòu)造演化、深部碳循環(huán)機制等科學(xué)使命，對于深入了解地球的演化歷史和地質(zhì)過程具有不可替代的作用。

▏****技術(shù)突破：從“跟跑”到“領(lǐng)跑”的裝備革命一、萬米鉆機自主化深地塔科1井采用了全球首臺1.2萬米特深井自動化鉆機，這臺鉆機在核心參數(shù)上全面超越了國際同類設(shè)備，實現(xiàn)了我國在深井鉆探裝備領(lǐng)域的重大跨越。- 提升能力：傳統(tǒng)鉆機的載重通常在300 - 400噸，而深地塔科1井所使用的鉆機載重躍升至900噸，這一提升幅度相當(dāng)于能夠同時吊起150頭成年非洲象，極大地增強了對深井鉆探所需設(shè)備和材料的吊運能力。- 智能化水平：該鉆機搭載了鉆井自主決策工控系統(tǒng)，通過先進(jìn)的傳感器和智能算法，能夠?qū)崟r采集井下的各種參數(shù)，并根據(jù)這些參數(shù)對鉆井作業(yè)進(jìn)行動態(tài)優(yōu)化。這一智能化的提升使得作業(yè)效率提高了30%，同時也減少了人為因素對鉆井作業(yè)的影響，提高了作業(yè)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。- 耐極端環(huán)境：針對深井鉆探中面臨的高溫、高壓和高應(yīng)力等極端環(huán)境，鉆桿材料的性能得到了大幅提升。其抗拉強度達(dá)到1,400MPa，耐溫指標(biāo)突破230℃，并且能夠滿足超高壓（140MPa）地層的需求，確保了鉆桿在極端條件下的可靠性和使用壽命。二、關(guān)鍵核心技術(shù)集群為了確保深地塔科1井的順利鉆探，項目團(tuán)隊攻克了四大技術(shù)瓶頸，形成了一系列關(guān)鍵核心技術(shù)集群。- 智能控制一體化平臺：融合了AI算法與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)了對鉆速、鉆壓、泥漿性能等關(guān)鍵參數(shù)的動態(tài)協(xié)同控制。通過實時監(jiān)測和分析井下數(shù)據(jù)，該平臺能夠根據(jù)不同的地質(zhì)條件和鉆井工況，自動調(diào)整各項參數(shù)，實現(xiàn)鉆井作業(yè)的最優(yōu)化。- 超高重載井架底座：采用模塊化設(shè)計，這種設(shè)計理念不僅便于運輸和安裝，而且大大提高了井架底座的承重能力。相較于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其承重能力提高了2倍，能夠穩(wěn)定地支撐起整個鉆井設(shè)備，確保在深井鉆探過程中設(shè)備的安全性和穩(wěn)定性。- 超深井隨鉆測井系統(tǒng)：研發(fā)了耐高溫核磁共振測井儀，該儀器能夠在高溫高壓的環(huán)境下正常工作，實現(xiàn)對萬米地層原位參數(shù)的采集。通過對地層的物理性質(zhì)和化學(xué)成分進(jìn)行實時監(jiān)測，為鉆井作業(yè)提供了準(zhǔn)確的地質(zhì)信息，有助于及時調(diào)整鉆井策略，提高鉆探效率。- 環(huán)保鉆井液體系：開發(fā)了納米封堵劑與生物降解材料，用于制備環(huán)保鉆井液。這種鉆井液體系不僅能夠有效地封堵地層孔隙，防止井壁坍塌，還能保障深層地下水零污染，符合可持續(xù)發(fā)展的要求，減少了鉆井作業(yè)對環(huán)境的影響。

▏****工程挑戰(zhàn)：萬米深井的“三高”極限考驗一、高溫高壓地獄模式隨著鉆井深度的增加，地層的溫度和壓力急劇上升，形成了所謂的“高溫高壓地獄模式”。在深地塔科1井的鉆探過程中，地層溫度梯度達(dá)到3℃/100米，預(yù)計井底溫度將超過300℃，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了常規(guī)電子元件的耐受極限（通常<175℃）。高溫會導(dǎo)致電子元件性能下降、壽命縮短，甚至直接損壞，給井下測量和控制設(shè)備的正常運行帶來了巨大挑戰(zhàn)。同時，地層壓力系數(shù)突破2.3，這意味著在井底每平方厘米的面積上要承受超過20MPa的壓力，相當(dāng)于指甲蓋面積承受2噸重量。如此高的壓力對井筒完整性提出了嚴(yán)苛要求，一旦井筒出現(xiàn)破裂或泄漏，不僅會導(dǎo)致鉆井作業(yè)失敗，還可能引發(fā)嚴(yán)重的安全事故。二、鉆具失效與軌跡控制在萬米深井中，鉆柱自重達(dá)500噸，在鉆井過程中，鉆柱要承受巨大的拉力、壓力和扭矩等交變載荷，這使得鉆具極易發(fā)生疲勞斷裂。為了解決這一問題，項目團(tuán)隊通過有限元仿真技術(shù)對鉆具組合進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，合理分配鉆柱各部分的受力，提高鉆具的抗疲勞性能。此外，由于深井鉆探需要穿越多個復(fù)雜的地層，對井眼軌跡的控制精度要求極高。傳統(tǒng)的井斜控制方法難以滿足萬米深井的要求，為此項目團(tuán)隊?wèi)?yīng)用了量子慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，將井斜控制精度提升至0.1°/30米，確保鉆頭能夠精準(zhǔn)穿越多套復(fù)雜層系，準(zhǔn)確到達(dá)目標(biāo)位置。三、超長周期下的可靠性管理深地塔科1井計劃鉆完井周期為457天，在如此長的時間內(nèi)連續(xù)作業(yè)，要求設(shè)備的故障率必須低于0.5‰。為了保障作業(yè)的連續(xù)性和可靠性，項目團(tuán)隊基于數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)建了預(yù)測性維護(hù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過對設(shè)備運行數(shù)據(jù)的實時采集和分析，利用數(shù)字模型對設(shè)備的運行狀態(tài)進(jìn)行模擬和預(yù)測，能夠提前72小時預(yù)警關(guān)鍵部件的失效風(fēng)險，及時安排維護(hù)和更換，避免因設(shè)備故障導(dǎo)致的停工停產(chǎn)。

**▏****科學(xué)意義：打開地球深部的“黑匣子”**一、重塑油氣成藏理論傳統(tǒng)的油氣成藏理論認(rèn)為，油氣藏形成的深度上限為8,000米。然而，在塔里木盆地，已經(jīng)在8,592米的深度獲得了工業(yè)氣流，這一發(fā)現(xiàn)對傳統(tǒng)理論提出了挑戰(zhàn)。深地塔科1井的鉆探將進(jìn)一步驗證“深層 - 超深層油氣多期成藏”假說，通過對深部地層的巖芯分析和地質(zhì)數(shù)據(jù)采集，有望揭示深層油氣藏的形成機制和分布規(guī)律，推動資源評價深度邊界向萬米拓展，為全球油氣勘探提供新的理論指導(dǎo)。二、揭示大陸動力學(xué)機制深地塔科1井鉆遇的前寒武紀(jì)基底巖芯，是研究地球早期演化歷史的珍貴樣本。通過對這些巖芯的分析，可以為研究古亞洲洋閉合、青藏高原隆升等重大地質(zhì)事件提供直接證據(jù)。此外，通過對氦同位素等指標(biāo)的分析，有望發(fā)現(xiàn)深部地幔物質(zhì)上涌通道，進(jìn)一步揭示地球內(nèi)部物質(zhì)的循環(huán)和運動規(guī)律，對于理解大陸動力學(xué)機制具有重要意義。三、構(gòu)建深地大數(shù)據(jù)圖譜在深地塔科1井的鉆探過程中，部署了分布式光纖傳感網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崟r采集溫度、應(yīng)力、流體化學(xué)等20類參數(shù)。通過對這些數(shù)據(jù)的長期監(jiān)測和分析，將形成全球首個萬米級地球物理 - 化學(xué)綜合數(shù)據(jù)庫。這個數(shù)據(jù)庫不僅為深地塔科1井的鉆探提供實時數(shù)據(jù)支持，還將為地震預(yù)測、氣候變化研究等領(lǐng)域提供寶貴的數(shù)據(jù)資源，有助于深入了解地球內(nèi)部的物理和化學(xué)過程，提高人類對地球系統(tǒng)的認(rèn)知水平。

▏****國際比較：中國深地技術(shù)的全球站位對比全球重大深地項目，中國在深地探測技術(shù)方面已實現(xiàn)了從技術(shù)輸入到模式輸出的重大轉(zhuǎn)變。

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中國方案的優(yōu)勢顯著。全自動化的智能鉆機大幅降低了人力需求，提高了作業(yè)效率，復(fù)合鉆速提升至4.2m/h，相比其他項目有了很大提升。同時，通過智能決策系統(tǒng)和先進(jìn)的技術(shù)手段，成本較傳統(tǒng)模式下降了40%，為深地探測的商業(yè)化發(fā)展樹立了新的范式，展示了中國在深地探測領(lǐng)域的技術(shù)實力和創(chuàng)新能力。

**▏****未來展望：深地探測的“中國路徑”**深地塔科1井的成功實施，為中國深地探測事業(yè)的發(fā)展奠定了堅實基礎(chǔ)，也將推動三大戰(zhàn)略方向的發(fā)展。- 深地實驗室網(wǎng)絡(luò)：在四川盆地、松遼盆地等地質(zhì)條件復(fù)雜但資源潛力巨大的地區(qū)，建設(shè)萬米級科學(xué)鉆探集群。通過多口深井的鉆探和長期監(jiān)測，形成一個全方位、多層次的深地實驗室網(wǎng)絡(luò)，深入研究不同地區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造和資源分布規(guī)律，為資源勘探和開發(fā)提供更豐富的數(shù)據(jù)支持。- 行星類比研究：將深地探測技術(shù)與行星探測相結(jié)合，開發(fā)月球/火星原位鉆探技術(shù)。通過在地球上的深地鉆探實踐，積累經(jīng)驗和技術(shù)，為未來在月球、火星等行星表面進(jìn)行原位鉆探提供技術(shù)支撐，服務(wù)于深空探測任務(wù)，有助于人類更深入地了解其他行星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和演化歷史。- 碳中和支撐：積極探索深部地?zé)岚l(fā)電與CO?地質(zhì)封存潛力。深部地?zé)崮苁且环N清潔、可再生的能源，通過深地探測技術(shù)開發(fā)深部地?zé)崮?，將為實現(xiàn)碳中和目標(biāo)提供新的能源途徑。同時，研究CO?地質(zhì)封存技術(shù)，將工業(yè)排放的CO?注入深部地層進(jìn)行永久封存，減少溫室氣體排放，為應(yīng)對全球氣候變化做出貢獻(xiàn)。預(yù)計到2030年，中國將形成萬米以深資源勘探技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，深地探測產(chǎn)業(yè)規(guī)模突破千億元。中國將憑借在深地探測領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新和實踐經(jīng)驗，為全球能源轉(zhuǎn)型和地球科學(xué)研究貢獻(xiàn)更多的東方智慧和中國方案。深地塔科1井是中國高端裝備與地球科學(xué)交叉創(chuàng)新的典范之作，它標(biāo)志著人類在探索未知領(lǐng)域的征程中又邁出了重大一步。這項工程不僅重新定義了深部資源開發(fā)的極限深度，為我國的能源安全和資源保障提供了新的希望，更為理解地球系統(tǒng)的運作提供了獨一無二的觀測窗口。隨著鉆頭不斷向地心挺進(jìn)，中國正在書寫深地探測的“新編年史”。通過深地塔科1井以及未來一系列深地探測項目的實施，中國將在全球深地探測領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用，為構(gòu)建人類命運共同體注入深層動能，推動全球能源和地球科學(xué)研究邁向新的高度。
（圖片源自網(wǎng)絡(luò)）
作者 | 幾維鳥畢業(yè)于新西蘭林肯大學(xué)。對大眾科普知識擁有濃厚興趣，曾在多個科普期刊上發(fā)表過科普文章。關(guān)注事實，積極探索前沿科技。

初審 | 陳嘉琦、李書豪復(fù)審 | 魏星華
終審 | 韓永林