95天就能钻一口石油井！探访我国首台万米科学超深井地表钻机“地壳一号”

  塔克拉玛干沙漠腹地，“地壳一号”钻声轰鸣，一口8795米深的油气钻井即将顺利完成。

  “8000米以上的井不好打。”吉林大学建设工程学院教师范悦帅望着眼前的钻机，给出了解释：“一般的石油钻机，钻探一口五六千米深的石油井，至少需要大半年才能完成，但在‘地壳一号’这里，这口井95天就能完成。”

  “地壳一号”，这台高60米、占地超1万平方米、钻深能力达1万米的自主研发科学超深井地表钻机，是如何诞生的？记者做了探访。

  2014年4月13日零点，“地壳一号”在黑龙江大庆的安达“松科2井”现场开钻。

  2015年冬季，“松科2井”钻井现场，“地壳一号”副总设计师、吉林大学建设工程学院教授王清岩，正和几位科研骨干站在“地壳一号”下，边焦急地踱步，边斜向上看着钻机二层台的井架和还未安装到位的自动排管机。

  原本一两个小时就能安装到位的任务，由于井架工人对设备的熟悉程度不够，已经在寒冷的高空折腾了3个多小时。眼看就要天黑了，怎么办？王清岩不顾劝阻，亲自上场，通过吊笼从二层台下部登上安装点位。

  “吊车将王教授送上40米高空，相当于十几层楼。天寒地冻，狂风呼啸。吊笼摇摇晃晃，我们也冷汗直冒。”全程参与“地壳一号”万米钻机研发的吉林大学建设工程学院石油工程系主任高科教授说。

  赶在太阳落山之际，排管机接口终于对接完成。“安全到达地面后，王教授坦言：咋不害怕，自己本就有些恐高，双腿都发软。但为了快速处理问题，必须亲自上去。”高科回忆。

  类似的故事不胜枚举。项目启动之初，为尽快拿出设计的具体方案，“地壳一号”总设计师孙友宏教授经常与众人讨论至深夜。2013年，在生产企业四川宏华石油设备有限公司，为加快研发进度，研究人员蹬着三轮车，载着“地壳一号”部件，在间隔三四公里的生产、质检、调试厂区往返。2013年10月，50余辆大型拖挂卡车装载着被分拆成零件的“地壳一号”，将其从“诞生地”四川广汉运往黑龙江大庆“松科2井”所在地，全程3456.7公里，孙友宏跟随车队，全程指挥运输……

  自主研发的关键技术及装备成为“地壳一号”万米钻机的核心。研发团队攻克了深部钻探钻头压力控制精度低、深部钻探装备转盘回转速度低、设备自动化程度低等三大技术难题，突破了高转速全液压顶部驱动钻进、高精度自动化摆排管、高速度钻杆柱自动拧卸输送等多项关键技术。

  验收评定时，专家组对“地壳一号”万米钻机给出高度评价：整机集成度高、自动化程度高、运行平稳，填补了我国在超深孔科学钻探钻机领域的空白，全方面提升了我国钻机整机及核心部件的设计和加工水平。

  数米长的钻机实物样机正在工作，不同于传统钻机的单钻头钻进，它具有异向回转的双钻头，可实现扭矩动态自平衡。高科和同事带着学生记录数据。

  “这是我们独创的仿生自平衡钻具，这种钻进技术不依赖钻机和钻杆就能顺顺利利地进行钻进，能确保钻井质量并减少能量损失，尤其是在深部钻探中效果越来越明显。”高科介绍。目前，该项研究已获40余项发明专利授权和5件软件著作权。

  由于地球深部高温、高压和高地应力等极端条件的制约，人类对自身站立的星球“内核”知之甚少。

  从地表往深处挖掘，地球演变的历史就记录在层层叠叠的岩石之中。打一口科学钻探井，获取一段段圆柱形的岩心，如同为神秘的地球深部做一次“微创切片”。

  科学钻探是获取地球深部实物信息的唯一手段，取得连续完整的岩心，是“地壳一号”重要的科研使命之一。

  为满足地球深部探测工程的重大需求，中国地质调查局启动了“深部探测技术与实验研究专项”，其中一个项目便是“深部探测关键仪器装备研制与实验”，由“时代楷模”、吉林大学已故教授、博士生导师黄大年担任负责人。项目中的课题之一，就是研制“地壳一号”万米科学钻机。

  2018年，在“松科2井”现场，“地壳一号”钻至地壳7018米深处，成功取出总长度4014米的连续完整岩心。至此，我国重大钻探装备研发支撑创造了亚洲国家实施的大陆科学钻井新纪录，变成全球上第三个掌握地下万米科学超深井钻探能力的国家。

  高科对此记忆犹新：“不同深度岩层的颜色和成分各不相同，黄色的砂岩、黑色的泥岩……它们记载着地球内部的变化和演化过程。”

  经过地质科学家们对岩心的矿物成分、沉积构造、同位素测量等分析和研究，还原了白垩纪气候和生物生存场景，直接证明当前对物种大灭绝各种假说的正确性。

  除陆地气候研究外，透过“地壳一号”，学者们还看到了科学与工业结合的途径。“松科2井”地处松辽盆地，是我国最主要的含油气盆地之一。钻探过程中，科研人员发现松辽盆地下厚达102米的页岩气层，其中甲烷的平均含量达86%。而在井深4400到7018米处，则发现了具备开发条件的盆地型干热岩地层，可提供稳定且清洁的地热能。

  7月4日，在塔克拉玛干沙漠腹地，“地壳一号”正在忙碌。“本次钻探‘地壳一号’用时95天，单日最高钻井深度达1.6公里，对节本增效帮助很大。”刚从钻探现场回来的范悦帅说。

  为加快推进我国油气资源勘探开发战略，“地壳一号”万米钻机在圆满完成“松科2井”任务后，于2019年5月奔赴新疆塔里木盆地开始执行超深层油气钻井工程任务。截至目前，“地壳一号”万米钻机已完成6口井深超8000米和1口井深超9000米的油气钻井工程。

  “7口井，每口都打出了油气。”高科语气自豪，“在新疆的5年时间，‘地壳一号’表现优异，没再次出现任何大的技术问题。预计明年，‘地壳一号’将回到‘诞生地’，进行一次全方位保养检修。”

  2023年8月，四川宏华石油设备有限公司召开发布会，推出智能钻机1.0样机。这是公司在“地壳一号”研发基础上，结合市场需求，推出的智能化商用石油钻探设备。智能钻机1.0能够在提钻、排管机、顶驱等石油钻探关键环节，实现一键联动，提高生产效率。“高校原创能力强，企业研发力量大。校企合作，能很好地补齐短板，在推动科技发展的同时，带动装备制造业的发展。”四川宏华石油设备有限公司总经理吕兰说。

  “地壳一号”钻机有关技术成果还应用于“极光”号极地钻机，该设备成为中国制造的首台可以在零下55摄氏度环境作业的极地钻机。“极光”号负责执行俄罗斯北极圈亚马尔高寒地区油气勘探作业，这是中俄能源合作的重点项目，也是中国提出“一带一路”倡议后实施的首个海外特大型项目。

  塔克拉玛干沙漠腹地，“地壳一号”钻声轰鸣，一口8795米深的油气钻井即将顺利完成。