取得超深孔岩心为何难？松科2井这根柱子究竟有多牛？_风闻

【文/ 观察者网专栏作者 荆博】

在各大媒体纷纷报道松科2井胜利完井的时候，依然有不同的声音发出，国家花了一个多亿就打了根石柱子？松科二井，从2014年4月13日开钻，至2018年3月18日完钻、5月26日完井，历时1504天，终孔井深7018米，是全球第一口钻穿白垩纪陆相地层的大陆科学钻探井，也是亚洲国家实施的最深大陆科学钻井和国际大陆科学钻探计划（ICDP）成立22年来实施的最深钻井。

（图1 国际大陆科学钻探计划（ICDP）科学钻井井位分布图及其科学目标）

虽然没有见到松科2井完井报告中的项目决算书，但是按照其第一年中每4个月钻井花费一千万来计算，而后期随着钻探难度增加，项目开支必定有增无减，全部花费超过一个亿确然无疑，花费过亿打了根石柱子确实并非空穴来风。

那么，国家花了一个多亿，打了根石柱子究竟值不值？

这根石柱子是做什么的？

迄今为止，人类对地球内部仍然所知甚少，科学家们试图运用地质、地球物理和地球化学等方法来探测与研究地球内部，但所获得的认识都是间接的。科学钻探是目前能直接获取地下实物数据和提供测量信道的唯一技术方法，是人类了解地壳深部运动和内层物质信息不可或缺的重要手段，这也是将科学钻探称为“伸入地壳的望远镜”的由来。那么仅凭一根石柱或许能够知道地下几千米的矿产和基本岩性情况，但又是怎么能够研究出几千万到一亿多年地球的气候和环境的变化呢？

（图2 松科2井刚刚提钻后的岩心）

经过一番地质工作人员编录和劈心等粗加工工作后的样子如下：

（图3完成岩心编录后经过劈心的岩心）

是不是还很好奇是如何凭借这些黑乎乎的石头做到对古地理和古环境恢复的。其工作原理简而言之是利用已掌握的地球科学经验规律从微观到宏观反演。其主要依据通常分为三方面，岩心的岩性、物性和古生物遗迹，前两项属于无限制条件，后一项的研究对象则需要凭运气。

在初步的岩心编录完成后，岩心磨制成各种薄片，然后在显微镜下观察其矿物组成和微观结构，矿物组成通常可以了解其物源特征，同时矿物的晶型通常也能了解到其大致发生过的地质活动。如下图中对锆石测年并发现其相关规律。

（图4 元古代浑圆状锆石，U-P年龄1938.2Ma，2262-2277m；古生代碎裂状锆石，U-P年龄302.2Ma，2595-2658m；中生代棱角状锆石，U-P年龄225.5Ma，3993-4017m）

针对特定的岩石种类还有特定的研究方法，如研究砂岩常用的铸体薄片，将有色液态胶在真空加压下注入岩石孔隙空间，待液态胶固化后磨制成的岩石薄片。由于岩石孔隙被有色胶充填，故在显微镜下十分醒目，容易辨认，为研究岩石孔隙大小、分布、孔隙类型、连通情况等提供了极其便利的研究对象。

（图5 铸体薄片岩矿鉴定）

​由于岩心的物性更方便观测，所以其连续性变化则更有规律性。如自然电位很大程度同岩心的孔隙度等宏观岩性有直接联系，通过这些进而可以反演沉积环境。

（图6 自然电位曲线同沉积环境和沉积序列的关系）

而一旦发现生物遗迹则对恢复古环境和古地理有更大的帮助，无论是指相化石还是标准化石，因为其生存需要一定的条件，其恢复环境的意义不言而喻。最后综合多种研究方法，最终便可以形成一张综合柱状图，表达其研究成果，同时，因为其研究的方法不同，会出现有出入的结果，综合柱状图就是权衡了各种因素得出的结论。

（图7 钻孔综合柱状图）

为何要在这里钻探

（图8 松辽盆地嫩江组早期盆地范围和沉积相展布）

选择在松辽盆地进行大陆科学钻探计划，是与其出色的地质条件分不开的，松辽盆地作为研究对象，有两个显著的特点，一个是大，一个是厚，前者因其晚白垩世沉积范围大于26万平方公里，而且湖相细粒碎屑沉积在整个白垩系沉积序列中占主体，这为白垩纪古气候研究提供了理想的地质记录；后者因其地处欧亚大陆东缘，中生代位于北部蒙古—鄂霍茨克缝合带与东部太平洋板块俯冲带之间，沉积了厚达万米的白垩系火山－沉积序列。

（图9 白垩纪松辽盆地发育时限及其与全球同期主要盆地的对比）

加之松辽盆地白垩纪时期经历了同裂谷（150～105Ma）、后裂谷（105～79.1Ma）和构造反转（79.1～64Ma）３个构造演化阶段，连续成盆和接受沉积的时间长达8600万年。与全球同期白垩系主要盆地相比，松辽盆地发育历史最长、沉积厚度最大、主期沉积速率最大，因而地层沉积记录的分辨率也就最高。

取得超深孔岩心为何难

超深孔钻探本身就极具挑战性，首先因为地质条件复杂，可能会遇到各种各样的地层和复杂情况，如地应力集中、地层压力异常、地层破碎、地层蠕变缩径、高矿化度(高密度)等复杂地质条件。复杂的地质条件可能导致钻井事故和钻进效率降低等不利后果。

此外地球内部的高温高压问题也对钻井器材是极大的考验，随着钻探的深入，地下空间中温度和压力迅速增大，一般来说，每下探100，温度就上升3°C；不仅如此，钻机钻进过程中也会因摩擦产生额外的热量，即便有钻井液的降温润滑作用，也会因能量堆积产生极大的影响。

而因深度加深，地层压力体系更加复杂，超长的钻杆柱本身的重量就有极大的应力（这也是为什么超深孔使用铝合金钻杆的原因），何况钻杆柱还要承受钻进施工中的拉伸、 压缩、弯曲、扭矩等复杂载荷的作用，不可预见因素多，给井身结构设计带来极大的难度，所以我们在钻探之前还需要花费大量资金研发特殊的钻探器材。

（图10 为保证超深孔顺利进行的超深井钻孔结构和套管程序）

而科学钻探还需要取得较为完整的岩心，这是的整个钻探工程的难度瞬间增大。有时候甚至需要一定的运气才能保证采取率，本次松科2井岩心采取进尺4192.0米，获取岩心4005米，岩心采取率高达95.54%，这是个及了不起的成就。

因此，超深科学钻井的岩心获取，不仅贵，而且难。地下勘探需要极大的投入，就如同挑战极限一下，每前进一米都需要更多的投入，而且如果重新探测，换地重来。另一方面，深部勘探依然存在理论上的极限，超过这个极限，不等温压条件提高到熔化金属设备，钻杆自身的重量就会将自身压断。但即便如此，超深钻探依然是目前人类掌握地球深部直接探测的唯一手段。

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