一周前,深地塔科1井已越過9900米線。
不要看僅有區區100米就要過萬米瞭,這百米大概率比最上層的千米還要難鉆探。
向地心深處挖一口深井有多難?為什麼要挖這口深井?今天就來跟大傢聊聊在地球身體上鉆孔這件事。
深井鉆探的類型
深地塔科1井,位於西北的茫茫戈壁中,這口井的主要任務,是為接下來塔裡木盆地的深井油氣資源開采積累技術經驗的。
類似的超深層油氣資源開發,圍繞深井的鉆探都屬於這一類型。在業內人士看來,這口還在鉆探過程中的深井,主要承擔著兩項任務,一個是油氣勘探,還有一個就是科學探索。
一旦鉆探取得突破,未來對於保障我國的能源安全,尋求更大油氣資源的開發,以及科技上的制高點搶占,都具有重要的意義。
除瞭資源勘探這類深井之外,還有一類深井是單純的地質探索。這類深井的選址,不以尋找資源為主目標,主要任務是研究大陸的深層構造。
在向下鉆探的過程中,地球內部的物質以及流體,不同地質層下的熱量等等,都是重點的研究對象。此外,流體物質在地下的遷移規律,科學傢也很感興趣。
上述找資源和科研的深井都位於陸地,還有最後一類深井是位於深海的。海底的深井鉆探,主要是研究海底地層的組成結構,瞭解地球圈層的相互作用。
根據進化論的觀點,地球的生命起源於海洋,深海鉆探也是為瞭研究生命進化的起點區域。相比於陸上的鉆探,深海鉆探的過程中,還要遭遇海水巨大壓力的影響。
截止到2023年,全世界5000米到10000米之間的深井規模很大,光是在我國的西北沙漠深處就有1700口。而超過萬米以上的深井數量還很少,全球隻有67口,其中的一多半還是最近10年鉆探的。
值得一提的是,已經超過萬米的深井,截止到目前陸地上隻有1口,其餘的萬米深井都是在海底鉆探的。
陸地上唯一超萬米的深井,是上世紀70年代,蘇聯鉆探的科拉SG-3井,即網友經常聽說的科拉深井。當時鉆探的深度超過瞭12000米,前後用瞭23年的時間鉆探完成的。
除瞭蘇聯以及隨後的俄羅斯外,世界上其他萬米深井,美國人鉆探的也很多。目前,我國的深地塔科1井深度已經突破9900米,一旦達到萬米,將會成為世界上第二口井深在萬米以上的深井。
2023年動工後,規劃的鉆探周期是457天,一旦如期完工,也將創造深井鉆探的最快紀錄。
但正如文章開頭所說的,當井深達到一定程度後,再向下鉆探的難度也會提升。
深井鉆探需要面對的8個難題
鉆探深井要突破地層的束縛和限制,但每向下前進百米,遇到的難題就越多樣化。尤其是超深井,突破的地層限制更多,壓力、高溫以及不可知的情況更多。
第一個要面臨的難題,正是深井的壓力系統復雜,在設計井深結構的時候也會遇到很多難題。
在向地心深處鉆探的過程中,不同地層的壓力是不一樣的,低壓層和高壓層是相互交錯的。人類又沒有長能夠透視的眼睛,對地下的情況一無所知。
在鉆探過程中,深井的鉆探資料沒有,預測的地層壓力數據,跟實際的數據可能存在很大差距。如果隻是一邊鉆探一邊監測壓力的話,壓力系統的預測精度就會大大降低。
這樣一來,對地層的認知就會出現偏差,封固位置、鉆井液密度等等的設計就會不合理。如果井壁再失去穩定性的話,還會進一步出現坍塌、卡鉆、井湧等多種復雜情況。
目前的實際情況是,對地層的實際壓力,巖石力學等關鍵數據無法精準預測。簡單來說就是,不知道鉆探到的區域壓力究竟有多大,如果壓力不平衡的話,井下風險管控的難度就會大大增加。
第二個難題是,井深達到極限,所需的套管柱重量也會超重,在套管下入的過程中難度很大。
深井鉆探,不像普通的挖井,留下天然的井壁。每向下鉆探一定的深度,需要下入套管來做井壁,抵禦來自周圍地層的壓力。
但鉆探的越深,地層的不可預知性越高,有的地層是高壓鹽膏,有的地層可能是蠕變性泥巖。這類地層不穩定,地下物質是可移動的,下入的套管不但需要承受強大的壓力,而且還有破裂、損毀、變形的風險。
為瞭應對這種情況,目前技術上采取的措施,隻能是盡可能增加套管的厚度和重量。可這也會帶來新的問題。
套管的重量和長度達到極限,下入過程中所用機械設備的安全載荷也會達到極限。1.2萬米的鉆機,其安全載荷極限是900噸,一旦超過這個重量,套管下入的風險就會增加。
值得一提的是,人們想象中的打井是垂直向下的,可正因為深層地層中存在流體移動的區域,所以最終井的實際位置會出現水平位移,說白瞭就是地下的井歪瞭和傾斜瞭。
比如美孚公司此前在海底鉆探的一口深井,井的深度達到瞭1.5萬米,最終的水平位移達到瞭1.4萬米。
第三個難題,深井鉆探遇到的地層,有些區域的巖石相當堅硬,這對於鉆頭來說則是極大的考驗。
一旦遇到高溫高壓和堅硬的地層,不但鉆探速度會大大降低,鉆頭的壽命也會縮短,而且動力問題也會隨著深度的增加而增加。
第四個難題是,由於井下高溫高壓,鉆井液的穩定性難以保證。
鉆井液,可以簡單理解為在鉆探過程中,不斷沖刷和清洗底部的液體。由於井下的溫度輕松突破瞭200℃,鉆井液的穩定性變得難以控制。
在長時間的高溫、高壓、高鹽的作業環境下,技術難度系數在增加,功能需求的疊加也會越發凸顯。而且地層的溫度是高的,鉆井液又是低溫的,這容易發生冷卻致裂的情況。
第五個難題是,井下復雜的壓力系統,使得固井水泥漿和配套技術無法有效應對。固井水泥漿在使用過程中,會遭遇井下復雜壓力系統的幹擾。一旦出現性能的異常或失效,就會引發嚴重的井下事故。
第六個難題,井下的壓力會超過175兆帕極限,鉆井設備在強大壓力的影響下,也會遇到極限情況。隨著鉆探設備一起深入井下的測量工具,會面臨電器元件失效等情況。關鍵設備出現異常,進而會打斷鉆探進度。
第七個難題,井深達到深度極限,大量作業設備的工作也達到瞭極限。像一些電成像、核磁等設備,其用電的電纜長度都超過瞭萬米,遠距離傳輸會大大減弱信號的質量,通信的穩定性將難以保障。
第八個難題,在極端環境下鉆探,一些快速的安全測試工作將無法保障和展開。
考驗科技實力的時刻
深井鉆探中遭遇的一切難題,還都要在鉆探過程中去解決。而且深度一旦超過萬米以上,來自地心深處的溫度更會突破300℃。
對整個鉆探設備上的有機材料來說,比如橡膠和一些尼龍制品,都將面臨最大的考驗。再比如那些電子元器件,很多設備耐受高溫的極限數值為200℃。
最有效的辦法,是找到更耐受高溫的材料。一些有機材料如果達不到要求,就會用耐高溫的金屬材料代替。
除瞭找到更耐高溫的材料外,給設備不斷降溫也是最常用的辦法。比如泥漿可以提取到地面,通過循環來帶走鉆具內多餘的熱量。
此外,工程技術人員也考慮使用制冷設備,但就目前的情況看,高溫高壓環境下的制冷設備還不成熟。
井深達到萬米,在高溫高壓之下,鉆桿更像是面條一樣“柔軟”,操作難度在加大,效率和進程也會隨之下降。至於所用鉆頭,在超過9000米以後,就得換用更堅硬的金剛鉆瞭。
對於萬米深井的鉆探,考驗的是技術實力,挑戰的是一項項極限。我國目前所用的鉆探設備,是12000米的自動化鉆機,它的高度是24層樓房高,安全載荷已經能達到900噸。
萬米深井穿過瞭哪些地層
向下鉆探,就是在探究地球的地質史,當深度達到9000米上,穿透的地質層也達到瞭9個。
50米到3000米左右,為新近系地質層;3060米,為古近系地質層;3578米到4055米,為白堊系地質層;4225米到4698米,為三疊系地質層;5238米,將達到二疊系地質層;5363米到5500米,為石炭系地質層;5645米,泥盆系地質層;6205米到6538米,為志留系地質層;7122米到7208米,就來到瞭奧陶系地質層。
越往下鉆探,就越接近地球年輕的時候。完成深度跨越的背後,是技術層面一次又一次的突破。
結語
深地塔科1井還在繼續向下,未來的主要任務,還要找尋和開發地下的油氣資源。根據此前的預估,完工投產以後,該口深井原油的日產量將達到200噸,天然氣的日產量將達到5萬立方米。
對未知領域的挑戰,伴隨著深井鉆探的每一天。挑戰性雖然很大,可一旦取得突破性進展,無論是理論還是技術裝備,都將實現飛躍式的發展。
這一技術能力,代表瞭一個國傢油氣工程技術的整體水平。萬米深度的突破指日可待,深地塔科1井依舊在向地心進發。
參考資料:
《石油科普:超深井為什麼難打?》 中國石油新聞中心 2023年3月23日《亞洲最深井有多難打?鉆地十公裡穿越9個地層,扛住200度》 南方都市報 2023年11月16日《中國首個萬米科探井鉆探深度破9900米》 聯合早報 2024年2月14日