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為什麽人類不能一直向下鉆直至地幔地心?

2013-08-22知識

地心不用想了,在可以預見的未來是不可能的。地幔還可以想一想,但是工程上難題實在太多。

工程上的問題非常多,依照目前的技術很難解決:

溫度太高的問題。一旦地溫超過300℃,現有的迴圈液體(用於把最底下鉆頭破碎的巖石碎屑帶到地面,清潔井筒,同時對鉆頭進行潤滑和冷卻,同時潤滑和緩沖鉆桿和巖石井壁摩擦,有時還需要液體產生壓力波傳輸訊號)效能達不到要求,地殼的溫度可能都超過300℃,地幔直接超過1000℃。現有的流體都將灰飛煙滅。也許未來考慮金屬材質的流體反而更現實一些,目前核電廠的冷卻材料都是金屬鈉流體,未來也許會在鉆井過程中使用。

就是這麽個鉆頭,旋轉著把巖石磨成碎屑,然後迴圈流體再把碎屑沖出井底

巖石井壁是不穩定的,隨時可能掉石塊、坍塌、垮塌,還可能在上部巖層壓力下產生塑性變形,即縮頸,都可能把細細的井筒堵死,或者掩埋。現在五千米井處理這種情況都很麻煩。陸地地殼深度超過3萬米,簡直就是工程災難。而海洋地殼雖然只有7千米,但是平均5000公尺的水深是大麻煩。事實上,世界大多數海洋鉆進都是在近海大陸棚上鉆進,水深也就300-500公尺,目前世界上能夠實施的深水鉆井,主要在墨西哥灣、巴西沿海等地,水深可以達到1800公尺,中國海洋981號平台在南海實施過1700公尺水深的鉆進,至於水深5000公尺的海底平原鉆井,目前全世界的技術還達不到。

中國海洋981鉆井平台,技術實力達到世界先進

現有鉆桿鋼材的抗拉效能達不到,就算是一根麻繩,3萬米,那得多重?!自己的重量就把自己給拉斷了,鋼材也一樣,三萬米的鋼管豎起來,比現在的客機飛行高度(一萬米)還高兩倍,比一般戰鬥機飛行高度還高,五英寸(外徑127mm)的鉆桿自重差不多得一千多噸!相當於一艘056輕型驅逐艦,或者20輛主力戰車,或者一千輛家用小轎車重量!這個重量,鋼管自己就能把自己拉斷!前蘇聯在科拉探井中,部份采用了鈦合金鉆桿,這玩意強度當然沒的說,就是貴,而且1萬米沒問題,3萬米不知道鈦合金的撐不撐得住。

而且3萬米長度和直徑比,鉆桿就像面條一樣柔軟,平均一根鉆桿(約10公尺)哪怕只偏了0.1度,在地底下三萬米的時候,就可以偏300度,都偏到姥姥家去了!要是偏1度,地下可以偏3000度,相當於鉆頭在下面繞了八九個圈……,如果鉆頭有智慧,他一定會絕望的……

所以必須在鉆頭位置安裝定精靈航工具,保證鉆頭一直是往下打的,不會打斜,打歪。問題是這種工具不耐高溫,訊號傳輸距離衰減的厲害,一萬米深還勉強,再深恐怕訊號傳不上了。

井眼軌域控制絕對是一門大學問

還有動力問題。井下鉆頭是旋轉破巖的,需要提供旋轉動力,這個動力,是地面鉆機驅動鉆桿轉,鉆桿驅動鉆頭轉,這是有效率的,很多能量都浪費在鉆桿與井壁摩擦上了。三萬米的鉆桿,能傳遞多少能量下去,天知道。

此外,驅動迴圈流體迴圈起來也是要動力的,三萬米的水,在井底都要產生300MPa壓力,必須有超過這個壓力的泵才能驅動流體迴圈,如果考慮巨量損耗,至少400MPa的泵才夠用,這個恐怕也超過了目前的工程能力。

還有安全問題。現在鉆井井口都安轉有防噴器,防止地底高壓流體不受控地噴出來(井噴)。

井口防噴器組,最上面有兩個穿暗紅工衣的在幹活

現有的防噴器,一般是35MPa或70MPa,105MPa用的不多,最高能做到140MPa,地幔巖漿壓力是多少呢?大家都是估算,有人估計是2GPa,也就是2000MPa,快趕上炸藥爆炸產生的瞬時壓力(10GPa)了,比現有的防噴器壓力高一個量級,更何況鐵疙瘩做的防噴器,能不能擋住1000度的高溫巖漿,那時很讓人懷疑的。一旦擋不住,高溫高壓的熔巖噴湧而出,那是什麽?那不是一次人工火山爆發麽!所有的地面和井下儀器儀表裝置,可能還加上人員,豈不是全報銷了?!人工火山會不會造成地震?到底會噴出多少東西才算完?天知道。

這是地下的油、氣、水失控了,堪稱人間煉獄(這屬於事故處理晚期,周邊的裝置已經全部被搶險人員移走了),但是與可能的火山噴發,那屬於小巫見大巫了

等噴完了,井筒全破壞了,巖漿一冷凝,又是一座火山,你說我們花了這個大代價,就搞了一個人工火山出來,圖個啥?

最後就是錢的問題。前蘇聯海量投入,才搞了一個科拉探井,不過打了12000公尺,只打了地殼的三分之一,離地幔遠著呢。但是燒了這麽多錢(千億人民幣的規模,十年時間),見不到任何直接的經濟報酬,這不是一般國家能玩得起的。

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我們國家現在有錢了,技術也不是三十年前的技術可比的,中國在江蘇,東北等地也打了一些科學探井,但是都是5000-7000公尺規模的,比如下面這口井:

科探井采集的深層(7000公尺深)巖石樣本,用專門的取芯鉆頭、取芯工具得到的

現在據說中國準備打新的科探井,可能要達到13000公尺,如果真的話,那又是一項重點工程,又會成為我們的驕傲——當然,這還是在地殼裏,離地幔還遠著呢!

也許,將來人類真要鉆到地幔的話,需要革命性的技術,比如雷射鉆頭……