松科二井鉆井現(xiàn)場。圖片由自然資源部中國地質(zhì)調(diào)查局提供。
松科二井工程技術(shù)人員在現(xiàn)場作業(yè)。圖片由自然資源部中國地質(zhì)調(diào)查局提供。
松科二井地址提取上來的巖芯。圖片由自然資源部中國地質(zhì)調(diào)查局提供。
編者按
地球深部探測能力是一個國家科技創(chuàng)新能力的重要體現(xiàn)?！跋虻厍蛏畈窟M軍”被列入《“十三五”國家科技創(chuàng)新規(guī)劃》?！八煽贫笔亲匀毁Y源部中國地質(zhì)調(diào)查局踐行“向地球深部進軍”的具體行動，主要圍繞松遼盆地深部能源資源調(diào)查、建立松遼盆地深部地層結(jié)構(gòu)剖面、尋求白堊紀氣候變化地質(zhì)證據(jù)以及研發(fā)深部探測技術(shù)等四大科學(xué)目標展開。今年6月，松科二井的科學(xué)鉆探工程以完井深度7018米的成績，刷新了國際大陸科學(xué)鉆探計劃實施22年以來的新紀錄。
21世紀人類面臨可持續(xù)發(fā)展的新考驗，面臨資源匱乏，環(huán)境變化及災(zāi)害頻繁等巨大挑戰(zhàn)。人類必須向地球深部進軍，這已成為全球科學(xué)家的共識。20世紀90年代，德國、中國、美國的科學(xué)家共同發(fā)起“國際大陸科學(xué)鉆探計劃”。“松遼盆地大陸科學(xué)鉆探工程”的松科二井作為“國際大陸科學(xué)鉆探計劃”的重要組成部分，是全球在陸地上實施的第一口陸相白堊紀科學(xué)鉆探井。
2018年6月，松科二井入地7018米，成為國際大陸科學(xué)鉆探計劃實施22年以來最深的深度，代表了中國“入地”的能力。這是中國積極投身地質(zhì)領(lǐng)域科技創(chuàng)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(zhì)調(diào)查局圍繞國家重大需求，以破解深部鉆探技術(shù)和探索松遼盆地深部資源環(huán)境重大地質(zhì)問題為目標，多部門協(xié)作、多專業(yè)多學(xué)科融合、產(chǎn)學(xué)研用結(jié)合的協(xié)同攻關(guān)機制的實踐，成功經(jīng)驗值得好好總結(jié)。
解讀地球深部埋藏的億萬年演化記錄，為預(yù)測未來全球氣候變化提供科學(xué)依據(jù)
地球深部埋藏著億萬年演化記錄，能夠幫助人類解決今天面臨的重要生存發(fā)展問題。但由于固體巖石的阻隔，人類對地球內(nèi)部直接觀察困難重重。相較于上天、入海，人們對自己生活的地球內(nèi)部所知甚少。
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，從20世紀60年代開始，地質(zhì)學(xué)家才開始利用鉆探技術(shù)向地球深處伸出“望遠鏡”。中國地質(zhì)科學(xué)家也清晰地認識到，大陸科學(xué)鉆探工程的開展，對于進一步了解地殼結(jié)構(gòu)，掌握地球運動規(guī)律，豐富對生命科學(xué)、氣候變化的認識，探索解決資源環(huán)境重大問題都具有重要意義。但當時，我國缺乏相關(guān)的技術(shù)，無法向地球深部進軍。
直到二十一世紀，在中國地質(zhì)大學(xué)（北京）教授王成善等中國地質(zhì)科學(xué)家努力下，“松遼盆地大陸科學(xué)鉆探”納入國際大陸科學(xué)鉆探計劃，中國地質(zhì)調(diào)查局啟動了松科二井工程。
2014年8月，在中國地質(zhì)調(diào)查局組織下，中國地質(zhì)大學(xué)（北京）、吉林大學(xué)、中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）等多家單位的地球科學(xué)家和國際地科聯(lián)、國際大陸科學(xué)鉆探計劃、國際地球深部探測計劃等國際地學(xué)研究機構(gòu)的負責人，美國科學(xué)基金委員會、日本地質(zhì)學(xué)會、韓國地質(zhì)學(xué)會的專家學(xué)者，齊聚松遼盆地，現(xiàn)場考察了松科二井工程實施進展情況。
當時，中國地質(zhì)調(diào)查局局長鐘自然提出了松科二井工程將主要實現(xiàn)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(huán)境變化，為預(yù)測未來全球氣候變化提供科學(xué)依據(jù)；二是建立服務(wù)“百年大慶”目標和基礎(chǔ)地質(zhì)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(xué)“標尺”；三是攻克高溫鉆井、固井、測井和超長井段連續(xù)取芯等關(guān)鍵工程技術(shù)，為萬米超深井科學(xué)鉆探提供技術(shù)儲備，促進我國深部勘查技術(shù)發(fā)展；四是搭建國際合作交流平臺，為我國培養(yǎng)具有國際視野的地球科學(xué)專家和人才。
經(jīng)過4年多的艱苦攻關(guān)和組織實施，松科二井終成為全球第一口鉆穿白堊紀陸相地層的大陸科學(xué)鉆井，成為亞洲國家實施的最深大陸科學(xué)鉆井和國際大陸科學(xué)鉆探計劃成立22年來實施的最深鉆井。
科學(xué)鉆探工程不是簡單打一口鉆井
科學(xué)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(jīng)濟實力、基礎(chǔ)工業(yè)實力，以及整個地質(zhì)領(lǐng)域科技發(fā)展水平。
大陸科學(xué)鉆探不同于普通石油鉆探，大陸科學(xué)鉆探的目的是進行各項科學(xué)研究。因此，松科二井不僅要“打到預(yù)定深度”，還要把這么長的地層巖芯完好地“拿上來”，然后從巖芯中讀取數(shù)據(jù)和開展科學(xué)研究，讀取的數(shù)據(jù)越清晰規(guī)范，越有科學(xué)研究價值和指導(dǎo)意義。
換句話說，科學(xué)鉆探的鉆進深度和獲取巖心都至關(guān)重要。
而科學(xué)鉆探過程中會遭遇很多世界級難題，其中就包括地球的“三高”（高溫、高壓、高地應(yīng)力）問題。在“三高”條件下，首先要確保鉆機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(shù)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(jīng)千辛萬苦取出的樣品會因質(zhì)量不達標而喪失研究價值。
具體在松科二井鉆探工程中，一要保證巖芯的連續(xù)性完整性，二要克服松遼盆地復(fù)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(zhì)量的前提下，提高鉆進效率以提升經(jīng)濟效益。
最終，松科二井工程以高于96%的巖芯采取率獲得了連續(xù)完整的6500米巖芯，成為大陸和大洋科學(xué)鉆探計劃最長巖心記錄，它代表了中國鉆探工程的技術(shù)已經(jīng)成熟；以厘米級刻畫，研究時間跨度超過6000萬年的白堊紀陸地溫室氣候變化，它代表了中國在深時古氣候研究領(lǐng)域又向前邁進了一大步。
松科二井工程實施團隊還創(chuàng)造了多項世界紀錄，為松科二井三開段壓縮施工時間至少4個月，節(jié)約鉆探成本超千萬元。其中，針對取芯長度和工程進度無法兼顧的世界難題，在世界上第一次研發(fā)并成功應(yīng)用大口徑一次取心成井等技術(shù)，將鉆進速度提高了2倍，提高了取芯成功率；自主研發(fā)國產(chǎn)出系列大口徑取芯鉆具。針對超高溫無法施工問題，成功自主研發(fā)抗高溫鉆井液體系和固井技術(shù)，創(chuàng)造了國內(nèi)最高溫度（241℃）條件下鉆進的新紀錄。
松科二井工程中最大的技術(shù)亮點之一就是“大口徑取芯井段同徑取芯、一徑完鉆”。相對于此前國內(nèi)外科學(xué)鉆探沿用的“小徑取芯、大徑擴孔”作業(yè)，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(yè)的技術(shù)風(fēng)險，節(jié)約了大量的鉆探時間。為實現(xiàn)這一鉆井方法，中國地質(zhì)調(diào)查局勘探技術(shù)研究所攻克了大直徑金剛石鉆頭的設(shè)計與加工，大直徑巖芯的拔斷與提鉆過程中鉆具對巖芯的承托等關(guān)鍵技術(shù)。
松科二井成果的研究剛剛開始
得益于松科二井工程創(chuàng)造的攻關(guān)平臺，如今，我國“深部科學(xué)鉆探取心技術(shù)體系”已經(jīng)成型，創(chuàng)造了深部鉆探技術(shù)四項世界紀錄。這些深部科學(xué)鉆探技術(shù)成果的研發(fā)及其應(yīng)用，對高質(zhì)量地獲取地學(xué)研究基礎(chǔ)資料，深化我國地質(zhì)基礎(chǔ)理論研究，推出國際水平的學(xué)術(shù)成果提供了關(guān)鍵的技術(shù)支持。這意味著從今以后，中國在這些領(lǐng)域可以在國際上發(fā)出權(quán)威之聲。
“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(xué)鉆探工程技術(shù)進步有巨大推動作用，還將推動地學(xué)各領(lǐng)域及交叉領(lǐng)域的相關(guān)技術(shù)的進步。
對松科二井現(xiàn)有成果進行全面、系統(tǒng)、深入、充分的總結(jié)和提升，加快成果的轉(zhuǎn)化應(yīng)用，是公益性地質(zhì)調(diào)查的重要使命，也是松科二井在勝利完成工程階段，轉(zhuǎn)入后續(xù)科研階段需要把握的重要方向。由中國地質(zhì)大學(xué)（北京）負責的松科二井白堊紀古環(huán)境古氣候研究及由中國地質(zhì)調(diào)查局深部探測中心負責的深部基礎(chǔ)地質(zhì)和資源能源等方面的研究也相繼展開。
中國地質(zhì)大學(xué)（北京）隨鉆開展了地質(zhì)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，最終確定了定量重建古溫度的方法。團隊還與美國、德國相關(guān)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(xué)鉆探獲取的巖心，首次重建了相對連續(xù)的白堊紀——古近紀界線附近的陸相氣候記錄，發(fā)現(xiàn)了恐龍滅絕原因的新證據(jù)。
深部探測中心圍繞獲得的巖心和相關(guān)資料開展綜合研究和科學(xué)攻關(guān)，取得了基礎(chǔ)地質(zhì)研究三項重大進展，發(fā)現(xiàn)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。
最終，松科二井工程實施成果和科學(xué)研究成果，將由自然資源部中國地質(zhì)調(diào)查局深部探測中心牽頭匯總，形成有國際影響力和實踐指導(dǎo)意義的重大科研報告。自然資源部中國地質(zhì)調(diào)查局將加快推進《地球深部探測重大項目》的申報，推動“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(chǔ)科學(xué)設(shè)施的建設(shè)工作，發(fā)揮科技創(chuàng)新關(guān)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(shù)研究和成果轉(zhuǎn)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(zhì)科技攻堅戰(zhàn)，帶動大慶油田接替資源的勘查開發(fā)；研發(fā)15000米國產(chǎn)超深鉆探裝備系列，做好我國超萬米大陸科學(xué)鉆探工程以及大型含油氣盆地科學(xué)鉆探工程的選址和實施工作。
?。ㄗ髡撸簭埥鸩?，系自然資源部中國地質(zhì)調(diào)查局勘探技術(shù)研究所所長、松科二井工程總指揮）
