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7018米!聯合創新突破入地難關的典范

發布時間:2018-06-27 作者: 點擊量:727

2018年初夏,在黑龍江省安達市郊開闊的黑土地上,各路車輛、人馬沿著鄉間馬路有序進場,慶祝這個名為“松科二井”的科學鉆探工程以完井井深7018米的成績載入史冊。為“向地球深部進軍”交出了一份優異“答卷”。

這樣隆重的慶祝,不僅是因為它的開展為我國地質科研工作帶來里程碑式意義,更因其實施過程中體現的人類命運共同體認識、全球治理的中國思維,以及對今后開展重大科技攻關產生的模范效應。這是國人積極投身地質領域科技創新,為全人類美好未來奮斗的一次壯舉;也是自然資源部中國地質調查局一次圍繞國家重大需求,以破解深部鉆探技術和探索松遼盆地深部資源環境重大地質問題為目標,以工程實施為牽引,多部門協作、多專業多學科融合、產學研用結合的協同攻關機制的成功實踐。

7018米地下巖心的使命

“好!你們每一天都是科學探索!每一天都是技術攻關!每一天都是創*********鉆探記錄!請精心做好每一天!”自然資源部黨組成員、中國地質調查局局長鐘自然在得知松科二井科研人員在項目現場度過2018年春節、并再度克服工程技術難關后,專門給工程總指揮、中國地質調查局勘探技術研究所(以下簡稱勘探技術所)所長張金昌發來短信……

解讀地球深部埋藏的億萬年演化記錄,能夠幫助人類解決今天面臨的重要生存發展問題。但由于固體巖石的阻隔,人類對地球內部直接觀察困難重重。即使到了1864年,作家凡爾納也只能在小說《地心游記》中,對地層深處進行無限想象??梢哉f,直到目前,相較于上天、入海,人們對自己生活的地球內部所知甚少。

隨著科學技術的發展,從20世紀60年代開始,地質學家才開始利用鉆探技術向地球深處伸出“望遠鏡”。

中國地質科學家清晰地認識到,大陸科學鉆探工程的開展,對于進一步了解地殼結構,掌握地球運動規律,豐富對生命科學、氣候變化的認識,探索解決資源環境重大問題都具有重要意義,有著全球1/5人口的中國應該也必須在這方面有所作為,要有前瞻性布局。1996年2月,德國、美國和中國作為******批成員,發起了國際大陸科學鉆探計劃(ICDP),至今已有近20個國家和團體加入該計劃。

圍繞國家重大戰略需求主動出擊,解決關鍵問題,是近年來中國地質調查局開展各項工作的主旨,這在松科二井工程得到了再一次檢驗。

松科二井是松遼盆地大陸科學鉆探的主體工程。自然資源部中國地質調查局經過反復論證與協調,于2013年正式啟動,持續安排地質調查項目經費支持工程實施。在中國地質大學(北京)教授王成善等科學家努力下,“松遼盆地大陸科學鉆探”此前已納入國際大陸科學鉆探計劃(ICDP),自然資源部中國地質調查局正式啟動工程,保證了一系列工作的順利實施。

2014年4月13日,松科二井正式開鉆。2014年8月8日,在中國地質調查局組織下,吉林大學、中國地質大學(北京)、中國地質大學(武漢)等多家單位的地球科學家和國際地科聯、國際大陸科學鉆探計劃、國際地球深部探測計劃等國際地學研究機構的負責人,美國科學基金委員會、日本地質學會、韓國地質學會的專家學者,齊聚松遼盆地,現場考察了松科二井工程實施進展情況。

在當時,自然資源部黨組成員,中國地質調查局黨組書記、局長鐘自然就明確提出了松科二井工程將主要實現的目標:一是研究距今6500萬年至1.45億年間白堊紀地球溫室氣候和環境變化,為預測未來全球氣候變化提供科學依據;二是建立服務“百年大慶”目標和基礎地質研究的“金柱子”,為松遼盆地及其類似盆地的地球物理勘探提供科學“標尺”;三是攻克高溫鉆井、固井、測井和超長井段連續取芯等關鍵工程技術,為萬米超深井科學鉆探提供技術儲備,促進我國深部勘查技術發展;四是搭建國際合作交流平臺,培養具有國際視野的地球科學專家和人才,造就一支高水平的科學超深井鉆探設備研制、工藝研發和工程管理隊伍。

4年的事實證明,這些預定目標的設置不僅幫助科學家實現了鉆探工程的精準攻關,更為今后我國在諸多相關領域的開拓發展奠定了優質基礎。

2018年3月18日,松科二井完鉆;5月26日,松科二井完井。經過4年多的艱苦攻關和組織實施,松科二井終成為全球******口鉆穿白堊紀陸相地層的大陸科學鉆井,亞洲國家實施的***深大陸科學鉆井和國際大陸科學鉆探計劃(ICDP)成立22年來實施的***深鉆井。目前,松科二井獲得的高水平的研究成果,在科技創新和基礎科學研究上的意義非凡,得到國際相關領域的普遍關注和高度評價。

地質領域聯合攻關的創新示范

大陸科學鉆探工程是一項集科學與技術于一體的綜合性工程,也是多學科、多領域的系統集成。正因為技術要求高、組織難度大,它的開展才備受關注,它取得的成果才在全球享有重要地位。

從特定意義上說,松科二井成就了一次地質領域聯合攻關取得突破的典范。

“松科二井的成功,歸功于它是一次有著明確部署和指導,依靠科技管理體制機制創新,科技、工程、服務人員擰成一股繩、通力合作的大會戰?!笨碧郊夹g所所長張金昌表示。

為了保證各項目標的順利實現,合理快速解決預見性和突發性問題,中國地質調查局突破行業束縛,廣泛開展組織實施,建立了一套兼具權威性和機動性的科學指揮體系。

2013年,自然資源部中國地質調查局設立“松遼盆地資源與環境深部鉆探示范”地質調查項目,并開始前期部署工作。

為加強松遼盆地資源與環境深部鉆探示范工程的領導和協調,推進工程順利實施,在多次征求聯合協作單位意見的基礎上,松科二井領導小組和工程指揮部正式成立。領導小組主要負責工作計劃、重大事項審定、重大事項協調等。工程指揮部為業務推進機構,具體負責工程組織實施。

按照領導小組分工,中國地質調查局副局長李金發任組長。時任國土資源部科技合作司副司長高平、吉林大學副校長韓曉峰、中國地質大學(北京)副校長萬力、大慶油田總地質師金成志為副組長??碧郊夹g所所長張金昌為工程總指揮,中國科學院院士、中國地質大學(北京)教授王成善為首席科學家和副總指揮,相關科研、管理機構相關負責人為成員。中國地質調查局迅速整合全局優勢力量,以勘探技術所、中國地質調查局中國地質科學院地球深部探測中心(以下簡稱深部探測中心)為主體,聯合中國地質大學(北京)、吉林大學、大慶油田等多家單位,集結地質行業600余名科技人員,團結協作,攻堅克難,破解了工程施工、技術研發和理論研究中遇到的一個又一個難題,***終實現松科二井科學目標和工程技術目標。

松科二井領導小組成立以來,中國地質調查局副局長、松科二井領導小組組長李金發主持召開數十場專題會,并多次到松科二井現場研究和推進松科二井實施,在重要節點給出了關鍵意見,促進了關鍵問題的******解決。

每一項科技突破的取得、難關的跨越,都考驗著組織者的經驗、眼界和氣度,更是優選整合、具體到人、******到毫米的認真。才有了如今松科二井的“1+1>2”。

作為工程首席科學家,王成善院士帶領中國地質大學(北京)等研究團隊,針對未來地球氣候系統對大氣二氧化碳濃度增高如何相應等重大科學問題,成功申報國際大陸科學鉆探計劃“松遼盆地大陸科學鉆探”項目。通過系統調查研究,圍繞工程項目目標,***終為松科二井孔位科學選址。

松科二井鉆探工程明確由我國從事探礦工程和巖土鉆掘應用技術研究規模******的探礦工程綜合性專業研究所——中國地質調查局勘探技術研究所牽頭。鉆探工程包括鉆井、測井、錄井、固井、井控等五個子工程及鉆井設備支持。六大塊在以勘探技術所為主組建的工程指揮部指揮協調下協同施工。其中,***重要的鉆井工程——即鉆探技術、工藝、鉆具等物資、質量和進度安排由勘探技術所負責,鉆井商隊伍嚴格按勘探技術所技術指令和考核制度作業。鉆井設備“地殼一號”鉆機由吉林大學提供,勘探技術研究所的工程技術人員負責組織人員進行實際操作。錄井、固井、控井等工作,由勘探技術所分別招標委托中石油大慶鉆探******錄井公司、中石化中原鉆探固井公司和管具公司協作施工;測井研究與作業監督由勘探技術所委托中國地質大學(北京)分工負責,具體測井作業由勘探技術所招標委托中石油渤海鉆探測井公司協作施工。

松科二井鉆探使用的鉆機“地殼一號”,是由原國土資源部牽頭實施的地球深部探測技術與實驗研究專項支持,吉林大學負責研發的國產鉆機。2012年7月2日,中國地質調查局專題會議宣布由勘探技術所承擔松科二井工程任務后,專門就“地殼一號”鉆機在松科二井項目中的使用問題,指派科技外事部協調。經過多次磋商,勘探技術所與吉林大學達成協議,由勘探技術研究所向吉林大學支付“地殼一號”設備運行費,并提供維修和零部件更換的經費保障,擁有鉆機的操作與使用權,吉林大學負責鉆機維護監督和維修指導,保障鉆機正常運轉。在工程開展的4年間,“地殼一號”鉆機得到了實鉆驗證,并保障了工程施工任務的圓滿完成。

除了鉆機設備,如何應對解決松科二井實施過程中的各種突發情況,成了擺在工程指揮部面前的一道難關。

“為此,松科二井工程指揮部選擇了與‘地殼一號’生產者——中國******的陸地石油鉆機制造企業宏華公司,以及在鉆井泥漿科研領域實力首屈一指的中國地質大學(武漢)進行合作,確保松科二井擁有一支技術過硬、服務意識強的鉆機操作維護隊伍和經驗豐富的科技人員隊伍,為項目高質量完成提供堅實保障?!彼煽贫こ讨笓]部總工程師朱永宜表示。

勘探技術所與中國地質大學(武漢)在超高溫泥漿技術上的合作,聯合研發的******超高溫泥漿體系,為松科二井以較低的泥漿成本于7018m完鉆提供了強大的技術支持。自2006年起就開展了對超高溫泥漿研究的中國地質大學(武漢)烏效鳴教授團隊,在松科二井工程啟動后,除派出十多名碩士生自始至終參加現場泥漿實驗和配制、維護工作外,還根據勘探技術所的協作要求,指定兩名博士生專門負責攻克松科二井超高溫泥漿。這也成為松科二井工程中產學研用結合的成功典范。

深部探測中心松科二井工程設計與優化施工方案停工了大量技術支撐,多次派資深鉆探技術專家現場指導解決施工難題,破解施工障礙。

中國地質調查局國土資源實物地質資料中心是松科二井巖心管理和服務******的*********館藏機構。為確?!八煽贫睅r心野外的完整性與安全性,實物資料中心技術人員長期駐現場開展野外前置管理,建立了野外現場前置管理與技術工作方法,形成了野外現場科學管理與匯交監管新機制;創新了深部探測巖心的野外環形澆注、館藏弧型澆注、巖心立體還原歸位、巖心圖像信息復原拋光和巖心色彩高分辨率提取等5項新技術,為******保留松科2井巖心中蘊含珍貴的地質信息,實現巖心資源可持續服務利用提供了基礎支持。此外,實物資料中心廣泛開展巖心信息提取、資料集成等方面工作,為地質科學家們的科學研究提供優質的地質信息數據支撐。

此外,還有多位中石油、中石化鉆井專家參加技術會議,研究五開鉆開后井內嚴重塌方的治理方案、審批高溫固井設計和全井完井方案,為松科二井鉆至7018m完井進行過技術把關。

科學鉆探工程不是簡單打一口鉆井

要提高人類向地球的內層空間探索的能力,迅速提升深部地質探測技術十分關鍵。

科學鉆探工程,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,以及整個地質領域科技發展水平。

專家表示,大陸科學鉆探不同于普通石油鉆探,大陸科學鉆探的目的是進行各項科學研究。因此,松科二井不僅要“打到預定深度”,還要把這么長的地層巖心完好地“拿上來”,然后從巖心中讀取數據和開展科學研究,讀取的數據能越清晰規范,越有科學研究價值和指導意義。

換句話說,科學鉆探的鉆進深度和獲取巖心都至關重要。

而科學鉆探過程中會遭遇很多*********難題,其中就包括地球的“三高”(高溫、高壓、高地應力)問題。在“三高”條件下,首先要確保鉆具的配件和電子元件能正常工作;其次,在此條件下,盡一切可能避免井壁巖石破碎,造成井壁垮塌、卡鉆等井下事故。在數千米深的地下,一次斷裂,甚至細微的角度偏差,都會造成工程返工,影響進度,增加巨量成本;更重要的是,歷經千辛萬苦取出的樣品會因質量不達標而喪失研究價值。

具體在松科二井鉆探工程中,一要保證巖心的連續性完整性,二要克服松遼盆地復雜沉積巖地層以及地下高溫對鉆進的阻礙。同時,還要在保證安全和鉆孔質量的前提下,提高鉆進效率以提升經濟效益。

“高于96%的取心率,獲得了連續完整的4014米巖心” 松科二井成果匯報會上,這樣具有強勁說服力的數據被地質專家們津津樂道,因為數字背后意味著成熟與高超的鉆探取心技術。

以勘探技術所為主導的鉆井工程在實施過程中,將破解深部鉆探技術為目標導向,精心設計施工方案,在技術上,堅持自主創新,打破固有思維和傳統技術束縛。4年中,勘探技術所所長、工程總指揮張金昌教授級高工帶領松科二井工程實施團隊創造了多項******紀錄,******次研發并成功應用大口徑一次取心成井等技術,為松科二井三開段壓縮施工周期至少4個月,節約鉆探成本超千萬元。其中,針對取心長度和工程進度無法兼顧的難題,研發長鉆程取心技術,將全井取心鉆進速度提高了2倍,提高了取心成功率;自主研發出國產系列大口徑取心鉆具。針對超高溫無法施工問題,成功自主研發抗高溫鉆井液體系和固井技術,創造了國內******溫度(241℃)條件下鉆進的新紀錄。

松科二井工程中******的技術亮點之一就是“大口徑取心井段同徑取心、一徑完鉆”。相對于此前國內外科學鉆探沿用的“小徑取心、大徑擴孔”作業,它取消了活動套管、下入與起拔程序,避免了大段的擴孔鉆進工作,回避了擴孔作業的技術風險,節約了大量的鉆探時間。為實現這一鉆進方法,勘探技術所攻克了大直徑金剛石鉆頭的設計與加工,大直徑巖心的拔斷與提鉆過程中鉆具對巖心的承托,鉆具結構設計與強度校核等關鍵技術。

松科二井在大于152mm口徑的取心井段“同徑取心、一徑完鉆”的戰略構想完全實現,在國際巖心鉆探領域首創311mm口徑同徑取心、216mm口徑薄壁鉆頭(相對石油鉆井216mm直徑鉆頭取105mm直徑巖心,松科二井的216mm薄壁鉆頭取心直徑124mm)取心鉆進方法,并創造311mm口徑連續取心超1600m的******記錄。

專家表示,當井深鉆探至5000米后,工作方方面面都面臨著前所未有的挑戰。

“井溫超過230oC時,泥漿抗溫指標每提高5oC都是一個技術門檻和成本門檻?!敝煊酪私榻B,在深部鉆探工程中,泥漿非常關鍵。它起著護壁、攜渣、冷卻鉆具、潤滑的重要作用,但它的性能受制于井下溫度,井溫越高,泥漿配制與維護的難度越大,成本也越高。

當時,在國內并沒有這樣的先例,松科二井團隊和中國地質大學(武漢)的科研人員一步步摸索。其中,由2015年博士畢業后即到勘探技術所工作的許潔主持現場泥漿實驗室,并在烏效鳴教授的指導下,將現場實驗室升級到國內一流水平。鄭文龍博士將現場實驗室與學校實驗室的工作融合互動,創新了“一個實驗兩地同時做”的工作方法,即兩地同時驗證對方的實驗可重復性,保證了實驗結果的可靠性。

2017年10月11日對于松科二井項目組成員來說,是振奮人心的一天。松科二井鉆至6400米,順利達到設計的深度并突破了當時ICDP的亞洲紀錄。接下來怎么辦?是否要繼續往下打?中國地質調查局黨組及松科二井項目組是否還能承擔更大的風險和更高級別的挑戰?為了更好地實現探索松遼盆地深部資源能源前景、研究深部地質結構、攻克深部鉆探技術等目標任務,以及深懷對我國深部探測事業的關切,中國地質調查局黨組決定支持工程繼續向深部鉆進?!拔覀円蚕肟纯醋约哼€能打多深,為以后開展萬米深鉆積累經驗?!敝煊酪吮硎?。

得益于松科二井工程創造的攻關“舞臺”,如今,我國“深部科學鉆探取心技術體系”已經成型,創造深部鉆探技術四項******紀錄。這些深部科學鉆探技術成果的研發及其應用,對高質量地獲取地學研究基礎資料,深化我國地質基礎理論研究,推出國際水平的學術成果提供了關鍵的技術支持。

事實證明,7018米,不僅************展示我國當前深部科學鉆探實力,同時,在成果創新與應用過程中,培養了一支青年骨干隊伍,成為我國深部、超深部科學鉆探的基本儲備力量。

松科二井遠未結束

“窮理以致其知,反躬以踐其實”。

松科二井的實施不僅對我國科學鉆探工程技術進步有巨大推動作用,還將推動地學各領域及交叉領域的相關技術的進步。

松科二井工程,鉆穿白堊紀陸相地層,創造了深部鉆探技術四項******紀錄。在此基礎上,建立了全球首條厘定的陸相白堊紀綜合地質剖面,研究了距今6500萬年至1.45億年間白堊紀地球溫室氣候和環境變化,為預測未來全球氣候變化提供科學依據;建立服務“百年大慶”目標和基礎地質研究的“金柱子”,為松遼盆地及其類似盆地的地球物理勘探提供科學“標尺”。

松科二井工程在鉆探技術上體現出的高水準以及在科學研究方面的重要意義,得到了中外專家的高度肯定和稱贊,這意味著從今以后,中國在這些領域可以發出權威之聲。

對松科二井現有成果進行******、系統、深入、充分的總結和提升,加快成果的轉化應用,是公益性地質調查的重要使命,也是松科二井在勝利完成工程階段,轉入后續科研階段需要把握的重要方向。由中國地質大學(北京)負責的松科二井白堊紀古環境古氣候研究及由中國地質調查局深部探測中心負責的深部基礎地質和資源能源等方面的研究也相繼展開。

中國地質大學(北京)隨鉆開展了地質研究,在白堊紀古氣候研究方向,不斷嘗試各種定量古溫度重建指標,***終確定了定量重建古溫度的方法。團隊還與美國、德國相關實驗室開展了合作并測試大量樣品,通過松遼盆地大陸科學鉆探獲取的巖心,首次重建了相對連續的白堊紀——古近紀界線附近的陸相氣候記錄,發現了恐龍滅絕機制的新證據。

深部探測中心圍繞獲得的巖心和相關資料開展綜合研究和科學攻關,取得了基礎地質研究三項重大進展,發現松遼盆地深部頁巖氣和干熱巖兩種清潔能源具有良好的勘查前景。

***終,松科二井工程實施成果和科學研究成果,將由深部探測中心牽頭匯總并進行總結,形成有國際影響力和實踐指導意義的重大科研報告。

習近平總書記提出,要建設突破型、引領型、平臺型一體的國家實驗室。這樣的國家實驗室,應該成為攻堅克難、引領發展的戰略科技力量,同其他各類科研機構、大學、企業研發機構形成功能互補、良性互動的協同創新新格局。

據悉,下一步,自然資源部中國地質調查局將加快推進《地球深部探測重大項目》的申報,以及“地球深部探測與能源資源安全”國家實驗室與“深部地下觀測與實驗”國家重大基礎科學設施的建設工作,發揮科技創新關鍵平臺作用。同時,借此次成功實施松科二井工程,還將深化地球深部探測理論技術研究和成果轉化,組織實施好松遼盆地頁巖油(氣)、深層油氣、砂巖型鈾礦、干熱巖等清潔低碳能源地質科技攻堅戰,帶動大慶油田接替資源的勘查開發;研發15000米國產超深鉆探裝備系列,做好我國超萬米大陸科學鉆探工程以及大型含油氣盆地科學鉆探工程的選址和實施工作。

6月1日,黑龍江省委書記張慶偉赴松科二井現場調研,詳細了解鉆探設備、鉆探工藝、鉆探技術等有關情況后表示,松科二井是落實習近平總書記“向地球深部進軍”重要要求的重大成果,為大慶油田的油氣資源接替帶來了希望。要謀劃將松科二井建設成地學科普基地,加強中間層成果轉化利用。

深部探測能力是一個國家科技創新能力的體現,更是人類文明可持續發展的需要。這也意味著,針對松科二井后續的科學探索任重道遠。

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