當(dāng)我們仰望星空時(shí)，會(huì)對浩瀚的宇宙充滿無限的驚奇，但是你可曾想過，我們腳下的大地——地球內(nèi)部也隱藏著無數(shù)的秘密等待著我們?nèi)ヌ剿?？地球?nèi)部究竟是什么樣子的呢？要想得到答案，挖開地球是最直接的觀察方式。

鉆探工程

那么，如何挖開地球？現(xiàn)代科學(xué)給出的答案是鉆探。簡單來說，鉆探就是往地下鉆出一個(gè)井洞。但這個(gè)井洞可不是隨便挖的，它需要使用非常先進(jìn)的技術(shù)和巨大的設(shè)備。

有人可能要問：為什么要費(fèi)這么大的力氣往地下鉆這么深的井洞呢？這是因?yàn)樯畈裤@探有很多非常重要的作用。首先，它可以幫助我們找到更多的資源。我們生活中所需的許多資源，比如石油、天然氣、煤炭、金屬礦石等，很多都藏在地下深處，通過深部鉆探，我們才能找到它們。其次，深部鉆探能讓我們更好地了解地球。地球就像一個(gè)巨大的謎團(tuán)，而深部鉆探就像是一把鑰匙，能幫助我們解開地球內(nèi)部的結(jié)構(gòu)、組成和演化等一系列的秘密。最后，深部鉆探還有助于預(yù)測和預(yù)防一些自然災(zāi)害，如地震、火山噴發(fā)等災(zāi)害。這些災(zāi)害的發(fā)生和地球內(nèi)部的活動(dòng)有很大關(guān)系。通過研究深部鉆探獲得的資料，科學(xué)家就能更好地了解這些災(zāi)害的規(guī)律，提前做好防范措施，保護(hù)我們的生命和財(cái)產(chǎn)安全。

深鉆歷史

深部鉆探的歷史可以追溯到很久以前。早在古代，人們就嘗試挖掘深井來獲取地下水。但真正意義上的深部鉆探是從20世紀(jì)才開始的。在20世紀(jì)70年代，蘇聯(lián)進(jìn)行了一個(gè)名為“科拉超深井”的地球鉆探項(xiàng)目，并且鉆探出了世界上垂直深度最深的井洞（深達(dá)12262米）。當(dāng)時(shí)正處于美蘇冷戰(zhàn)時(shí)期，蘇聯(lián)人 “希望更深入地了解地球和地下資源”，并在這個(gè)領(lǐng)域戰(zhàn)勝美國人。于是，在1970年5月25日這天，很多蘇聯(lián)的科研人員參與到了一個(gè)代號為“地球望遠(yuǎn)鏡”的秘密計(jì)劃中，他們在西伯利亞的科拉半島，開始了20余年的鉆探之路。最初的目標(biāo)是鉆探到地下15000米的深處，但可惜的是，當(dāng)鉆探深度達(dá)到12262米后，便再也無法突破，最終于1992年終止鉆探，未能完成預(yù)定目標(biāo)。 “科拉超深井”項(xiàng)目為我們對地球深部的研究提供了寶貴的資料。

在我國，深部鉆探領(lǐng)域的發(fā)展可以追溯到20世紀(jì)60年代，從那時(shí)開始籌備大陸科學(xué)鉆探計(jì)劃。

松遼盆地大陸深部科學(xué)鉆探工程中的松科二井，完鉆井深7018米，這是亞洲國家完成的最深大陸科學(xué)鉆井，國際大陸科學(xué)鉆探計(jì)劃（ICDP）實(shí)施22年來的最深鉆井，還是全球首個(gè)鉆穿白堊紀(jì)陸相地層的科學(xué)鉆探井。該工程取得了多項(xiàng)重大突破，包括創(chuàng)造了311毫米大口徑連續(xù)取芯最長、三種不同口徑單回次取芯最長等世界紀(jì)錄；研發(fā)并成功應(yīng)用大口徑一次取芯成井等技術(shù)，提高了鉆進(jìn)速度；研發(fā)抗高溫鉆探技術(shù)，創(chuàng)造國內(nèi)最高溫度（241℃）條件下鉆進(jìn)的新紀(jì)錄；發(fā)現(xiàn)松遼盆地深部頁巖氣和地?zé)崮芫哂辛己玫目碧介_發(fā)前景；首次實(shí)現(xiàn)對白堊紀(jì)最完整、最連續(xù)陸相地層厘米級高分辨率的精細(xì)刻畫，重建了白堊紀(jì)陸相百萬年至十萬年尺度氣候演化歷史；等等。

深鉆設(shè)備

要進(jìn)行深部鉆探，可不是一件容易的事情，需要很多先進(jìn)的技術(shù)和超強(qiáng)的設(shè)備。首先鉆探設(shè)備要足夠強(qiáng)大。要有一個(gè)能夠承受地球深部高溫高壓的鉆頭，還要有堅(jiān)固的鉆桿，把鉆頭送到地下深處。在進(jìn)行深部鉆探的過程中，起下鉆的輔助過程極其耗時(shí)，鉆孔越深，起下鉆耗時(shí)越長，進(jìn)尺速度越慢，效率越低。同時(shí)，在深部地層中多見花崗巖巖層，巖石趨于堅(jiān)硬致密，常用的碎巖工具是孕鑲金剛石鉆頭。但在這種類型的地層中鉆進(jìn)時(shí)，鉆頭容易出現(xiàn)打滑不進(jìn)尺的情況，無法吃入地層對巖石進(jìn)行有效破碎。即使能有效碎巖，鉆頭也會(huì)由于磨損較快導(dǎo)致壽命降低，需要重新起鉆更換鉆頭，這嚴(yán)重影響了鉆進(jìn)效率。為了解決深孔鉆進(jìn)出現(xiàn)的問題，繩索取芯鉆具、高強(qiáng)度鉆桿、井下更換鉆頭和高效率長壽命鉆頭等新技術(shù)、新方法應(yīng)運(yùn)而生，在一定程度上提高了鉆進(jìn)效率。

鉆頭是碎巖取芯的主要工具，是鉆探技術(shù)中的“核心利器”。深部鉆探所使用的鉆頭，其常用材料一般為金剛石以及含有金剛石的各種復(fù)合材料。金剛石是自然界中最堅(jiān)硬的物質(zhì)，按照鑲嵌類型一般分為表鑲鉆頭和孕鑲鉆頭。前者金剛石均勻布滿鉆頭的胎體表面，金剛石的顆粒較大，適用于中硬地層。后者有很多較小的金剛石均勻分布在鉆頭胎體中，更適用于堅(jiān)硬地層。除此之外，聚晶金剛石復(fù)合片鉆頭（簡稱“PDC鉆頭”）也較為常見，它是用聚晶金剛石（薄圓片狀）做成小型切削塊鑲裝或燒結(jié)到鉆頭體上而形成的。這種鉆頭適用于鉆探軟到中硬地層，具有單位進(jìn)尺成本低的優(yōu)點(diǎn)。自20世紀(jì)70年代出現(xiàn)以來，PDC 鉆頭已逐漸取代金剛石鉆頭，而廣泛應(yīng)用于石油鉆井。

近年來，研究人員對適用于深孔鉆進(jìn)的新型取芯鉆頭進(jìn)行研制，取得了不錯(cuò)的效果。比如高胎體多水口鉆頭，就是通過提高鉆頭工作層高度、配合增加水口數(shù)量的方法，將鉆頭的使用壽命提高了50%左右。

同時(shí)，鉆探還需要用到一種特殊的“液體”物質(zhì)——鉆井液。它就像是鉆探過程中的“潤滑劑”和“保護(hù)劑”，既能冷卻鉆頭、帶走鉆出來的碎屑，還能保持井壁的穩(wěn)定，防止坍塌。而深孔鉆進(jìn)中所使用的沖洗液則要經(jīng)受更大的挑戰(zhàn)。在深孔中進(jìn)行鉆進(jìn)，沖洗液流經(jīng)的地層更多，與地層之間的相互作用更為明顯。特別是進(jìn)入深部地層時(shí)，熾熱的溫度會(huì)使沖洗液的性能發(fā)生變化，如黏度改變會(huì)導(dǎo)致沖洗液的攜粉和冷卻鉆頭的能力發(fā)生較大的變化。因此，在進(jìn)行深孔鉆進(jìn)時(shí)，對沖洗液配方必須進(jìn)行進(jìn)一步的改進(jìn)。為了給高溫高壓鉆井液優(yōu)選配方提供依據(jù)，中國地質(zhì)調(diào)查局北京探礦工程研究所研制了超高溫高壓鉆井液流變儀，這個(gè)儀器可以測量鉆井液在高溫高壓條件下的流變性。

此外，深部鉆探技術(shù)也是尤為重要的。比如測井技術(shù)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測鉆探過程中的各種參數(shù)（如溫度、壓力、轉(zhuǎn)速等），以便及時(shí)調(diào)整鉆探工藝和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。在鉆探的過程中，科學(xué)家會(huì)使用各種儀器來測量地下的情況，比如巖石的性質(zhì)、地層的結(jié)構(gòu)等，這些信息對于了解地下的情況非常重要。

“地殼一號”

上天、入地、下海、登極，是人類認(rèn)識自然和挑戰(zhàn)自然的四大壯舉。以大陸科學(xué)鉆探為主的“入地”工程是獲取地下實(shí)物信息的唯一手段，其難度絕不亞于“上天”工程。

7018米！2018年6月2日，由我國自主研發(fā)的萬米鉆機(jī)“地殼一號”正式宣布完成“首秀”?！暗貧ひ惶枴币酝赉@井深7018米勇創(chuàng)亞洲國家大陸科學(xué)鉆井新紀(jì)錄，標(biāo)志著我國成為繼俄羅斯和德國之后，世界上第三個(gè)擁有實(shí)施萬米大陸鉆探計(jì)劃專用裝備和相關(guān)技術(shù)的國家。“地殼一號”萬米鉆機(jī)，解決了我國深部鉆探裝備轉(zhuǎn)盤回轉(zhuǎn)速度低、設(shè)備自動(dòng)化程度低和深部鉆探鉆頭壓力控制精度低三大技術(shù)難題，突破了高轉(zhuǎn)速全液壓頂部驅(qū)動(dòng)鉆進(jìn)、高精度自動(dòng)化擺排管、高速度鉆桿柱自動(dòng)擰卸輸送和高精度自動(dòng)送鉆四大深部鉆探裝備關(guān)鍵技術(shù)，形成了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高性能深部科學(xué)鉆探裝備和配套裝置，填補(bǔ)了我國在深部大陸科學(xué)鉆探裝備領(lǐng)域的空白，大大提高了我國超深井科學(xué)鉆探裝備的技術(shù)水平。

深部鉆探很神奇，但面臨著很多困難和挑戰(zhàn)。最重要的是，深部鉆探需要很多專業(yè)的人才，尤其是具備地質(zhì)、鉆探、工程、材料等多學(xué)科知識的復(fù)合型人才。

科學(xué)家一直在努力改進(jìn)技術(shù)，提高鉆探的能力。新材料和新技術(shù)會(huì)讓鉆探設(shè)備更加強(qiáng)大與高效。相應(yīng)地，深部鉆探的應(yīng)用領(lǐng)域也會(huì)不斷擴(kuò)大。未來，深部鉆探可能會(huì)鉆得更深，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)更多關(guān)于地球的秘密。也許有一天，我們能利用地球深部的資源和能量，為人類的發(fā)展提供無盡的支持。

致謝

感謝國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（42177123、42042054）、中國礦業(yè)大學(xué)教學(xué)研究項(xiàng)目（2023ZDKT03-102、2022ZX01）、全國煤炭行業(yè)高等教育教學(xué)改革研究課題項(xiàng)目（2021MXJG179）的支持。