46億年前，地球誕生了，它內部有地核、地幔、地殼結構（圖1），外部有水圈、大氣圈和磁場。它就像母親的搖籃一樣承載著人類數千年的發展，其蘊藏的豐富資源也是人類賴以生存的物質基礎。然而，地球有它自己的“怪脾氣”，如地震、火山和泥石流等，這些“怪脾氣”讓我們人類損失巨大，也讓我們人類望而生畏。從人類誕生之初到今天的科學家們都在嘗試各種方法找到解決這些“怪脾氣”的方法，從地球表面到地球深部都在做各種探索和測量工作，特別是對地球內部的探索從來沒有停止過，意圖解開其中的奧秘。但是由于地球內部巖層、水層、溫度、壓力等的千變萬化，迄今為止，我們人類對地球內部的了解仍知之甚少。2013年，我們國家實施了“松科2井”重大地調科研項目，通過向地下鉆進深孔獲取地殼巖石實物資料，從地殼內部“挖石”來打開探秘地球深部的通道。

圖1  地球圈層結構示意圖

本篇從取芯鉆探工具、取芯技術創新、取芯“泥漿”以及取芯技術探索等四方面論述“松科2井”如何打開地球深部的秘密。

一、“挖石利器”——取芯鉆探工具

地球內部是一個極不均勻和極復雜的球體，從地殼到地核的巖層、水層、溫度、壓力等千差萬別，想要在它上面鉆眼“挖石”并非易事。而對于超過7000米的超深井——“松科2井”來說，難度更大。這是因為“松科2井”在向下鉆進的過程中，一要保證鉆的井眼不能坍塌和崩裂，二要保證取出的深部巖芯完好無缺。要想達到這兩個目標，不但需要有先進的鉆進方法，而且必須有適合地下各種復雜多變地層的“挖石利器”——取芯鉆探工具。這種取芯鉆探工具和匹配的鉆頭是向地下鉆進并抓取巖石的保障（圖2）。“松科2井”在鉆進過程中，其工作過程為：鉆頭在最底部通過高速轉動不斷“咬碎”周圍的巖石，把中間的柱狀巖石樣本送入取芯鉆具里抓取、攜帶巖芯的內筒，而取芯鉆具外筒源源不斷的將鉆進中需要的壓力和轉速傳遞給鉆頭，同時在轉動過程中修整井壁，保護內筒。

圖2  KT系列大口徑取心鉆具圖

二、“獨辟蹊徑”——取芯技術創新

傳統的科學鉆探中大直徑井段是先取芯鉆進一個小井眼，再用擴孔鉆頭重新鉆進去擴大井眼至設計井眼直徑。然而，在科學超深井鉆探中面臨的挑戰是如何在大直徑井眼中高效鉆進，并且完整地抓取巖芯。“松科2井”在鉆探過程中取得一系列技術創新，如大直徑同徑取芯、長鉆程技術和大直徑巖芯原狀出筒技術等，都為我們國家科學超深井鉆探取得了技術上的突破。

（1）大直徑同徑取芯技術。“松科2井”攻克了大直徑取芯鉆頭破碎巖石和粗大巖芯抓取、攜帶出井等關鍵技術，并用國內首創的Φ311mm的大直徑同徑取芯鉆探工具直接鉆進一個大井眼（圖3），一次鉆進至設計井眼直徑，這樣不但省去了傳統的“小徑取心，大徑擴孔”過程中的很多工序，避免了“小井眼到大井眼”鉆進中的很多風險，而且節約了大量生產物資，獲取的巖芯樣品實物量也比設計的多了5倍。    

圖3  Φ311mm大直徑取心鉆具組裝與出井

（2）長鉆程技術。“松科2井”在鉆進過程中每次取芯鉆具裝滿巖心后需要把井中所有鉆具提出，巖芯被取出后再把所有鉆具下到井里繼續鉆進。科學家們通過多次試驗和技術攻關，實現了長鉆程技術的突破，把每次可連續鉆進深度（鉆程）從10m、20m擴展到30m。在Φ311mm井段一次取芯鉆進深度（鉆程）超過了30m，創造了該領域的世界紀錄；而在Φ216mm井段一次連續取芯鉆進深度（鉆程）更是達到了41.69m，再次刷新了世界紀錄（圖4）。“松科2井”科學團隊所研發的這種長鉆程技術大大減少了從井內提出鉆桿、下入鉆桿的次數，尤其是在井深超過7000m的時候，從井內提出鉆桿、下入鉆桿一次需要工人36個小時的長時間連續的操作，實用價值巨大。因此，長鉆程技術的應用不僅減小了工人的勞動強度，壓縮了鉆井施工周期，而且極大地節約了綜合成本，更為以后的超深井工程開辟了新技術支撐。

圖4  四筒超長取心鉆具與單次鉆進獲取的40m巖芯

（3）大直徑巖芯原狀出筒技術。為了保證大直徑巖芯出井后能夠完整、原狀從巖芯筒取出，“松科2井”科學團隊利用水力出巖芯技術與工程現場的液壓拆裝臺架輔助的機械出芯技術，保證了近4100多米巖芯完整、原狀出筒，為地學研究提供了一套優質、豐富的巖芯實物資料（圖5）。

圖5  獲取的大直徑巖芯實物

三、“鉆井血液”——取芯鉆進中的“泥漿”

“松科2井”完鉆井深達7018m，在超深井向下連續鉆進過程中，既要防止上部井眼完好且不坍塌，也要讓鉆頭“咬碎”的巖渣從井底順利排出，還要保證高速轉動的鉆頭不會因為發熱而提前報廢，這些都得依靠“泥漿”即鉆井液來實現，它就像人的血液一樣，在鉆眼過程中從地面到井眼最底部不停的循環、凈化，傳遞水動力、冷卻并潤滑鉆具，攜帶和懸浮巖屑，維護井眼周圍井壁的穩定。而且鉆井越深，溫度越高，鉆井液技術難度越大。“松科2井”每往下鉆進100米，溫度升高3～4℃，鉆到孔底的時候溫度已超過240℃，科學家們通過反復的研究和實驗，研發出的新型鉆井液配方經受住了井底240℃以上溫度的考驗，刷新了我國應用最高溫度記錄（圖6）。

圖6  鉆進過程中泥漿循環流動示意圖（箭頭表示泥漿流向）

四、“尋找新大陸”——取芯技術探索

超深井在鉆到一定深度的時候會遇到各種困難，比如地球內部溫度高、壓力大、巖石硬度大、鉆眼速度慢等，要想繼續向更深的地球內部探索，就必須克服重重困難。科學家們已預想到了這些問題，如在大直徑井眼取芯鉆進中怎么能不把鉆桿全部從孔里提出來就可以把巖芯全部取上來；在高溫地層、較硬的巖石中怎么能讓鉆頭更高轉速去“咬碎”巖石；怎么能在鉆眼同時把井眼底下的各種數據直接輸送到地面。“松科2井”在實施過程中，科學家們已對大口徑繩索取芯、渦輪鉆取芯、井底隨鉆數據采集與傳輸等技術做了大量的可行性試驗，得到的技術和數據，為今后的萬米超深井科學鉆探儲備了技術力量（圖7）。

“上天入地”揭開宇宙的神秘面紗，探索地心深處的奧秘，科學鉆探之路漫漫，其修遠兮，盡管現在我們只鉆穿了地球的“皮毛”，但我們相信在科學家們不懈的努力和探索下，通過將來實施的萬米科學鉆探、超萬米科學鉆探定會打開探秘地球深部的通道，那時我們距離地心會越來越近。

圖7  “松科2井”巍峨挺拔的鉆塔