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为什么人类不能一直向下钻直至地幔地心?

2013-08-22知识

地心不用想了,在可以预见的未来是不可能的。地幔还可以想一想,但是工程上难题实在太多。

工程上的问题非常多,依照目前的技术很难解决:

温度太高的问题。一旦地温超过300℃,现有的循环液体(用于把最底下钻头破碎的岩石碎屑带到地面,清洁井筒,同时对钻头进行润滑和冷却,同时润滑和缓冲钻杆和岩石井壁摩擦,有时还需要液体产生压力波传输信号)性能达不到要求,地壳的温度可能都超过300℃,地幔直接超过1000℃。现有的流体都将灰飞烟灭。也许未来考虑金属材质的流体反而更现实一些,目前核电厂的冷却材料都是金属钠流体,未来也许会在钻井过程中使用。

就是这么个钻头,旋转着把岩石磨成碎屑,然后循环流体再把碎屑冲出井底

岩石井壁是不稳定的,随时可能掉石块、坍塌、垮塌,还可能在上部岩层压力下产生塑性变形,即缩颈,都可能把细细的井筒堵死,或者掩埋。现在五千米井处理这种情况都很麻烦。陆地地壳深度超过3万米,简直就是工程灾难。而海洋地壳虽然只有7千米,但是平均5000米的水深是大麻烦。事实上,世界大多数海洋钻进都是在近海大陆架上钻进,水深也就300-500米,目前世界上能够实施的深水钻井,主要在墨西哥湾、巴西沿海等地,水深可以达到1800米,我国海洋981号平台在南海实施过1700米水深的钻进,至于水深5000米的海底平原钻井,目前全世界的技术还达不到。

我国海洋981钻井平台,技术实力达到世界先进

现有钻杆钢材的抗拉性能达不到,就算是一根麻绳,3万米,那得多重?!自己的重量就把自己给拉断了,钢材也一样,三万米的钢管竖起来,比现在的客机飞行高度(一万米)还高两倍,比一般战斗机飞行高度还高,五英寸(外径127mm)的钻杆自重差不多得一千多吨!相当于一艘056轻型驱逐舰,或者20辆主战坦克,或者一千辆家用小轿车重量!这个重量,钢管自己就能把自己拉断!前苏联在科拉探井中,部分采用了钛合金钻杆,这玩意强度当然没的说,就是贵,而且1万米没问题,3万米不知道钛合金的撑不撑得住。

而且3万米长度和直径比,钻杆就像面条一样柔软,平均一根钻杆(约10米)哪怕只偏了0.1度,在地底下三万米的时候,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,相当于钻头在下面绕了八九个圈……,如果钻头有智慧,他一定会绝望的……

所以必须在钻头位置安装定向导航工具,保证钻头一直是往下打的,不会打斜,打歪。问题是这种工具不耐高温,信号传输距离衰减的厉害,一万米深还勉强,再深恐怕信号传不上了。

井眼轨道控制绝对是一门大学问

还有动力问题。井下钻头是旋转破岩的,需要提供旋转动力,这个动力,是地面钻机驱动钻杆转,钻杆驱动钻头转,这是有效率的,很多能量都浪费在钻杆与井壁摩擦上了。三万米的钻杆,能传递多少能量下去,天知道。

此外,驱动循环流体循环起来也是要动力的,三万米的水,在井底都要产生300MPa压力,必须有超过这个压力的泵才能驱动流体循环,如果考虑巨量损耗,至少400MPa的泵才够用,这个恐怕也超过了目前的工程能力。

还有安全问题。现在钻井井口都安转有防喷器,防止地底高压流体不受控地喷出来(井喷)。

井口防喷器组,最上面有两个穿暗红工衣的在干活

现有的防喷器,一般是35MPa或70MPa,105MPa用的不多,最高能做到140MPa,地幔岩浆压力是多少呢?大家都是估算,有人估计是2GPa,也就是2000MPa,快赶上炸药爆炸产生的瞬时压力(10GPa)了,比现有的防喷器压力高一个量级,更何况铁疙瘩做的防喷器,能不能挡住1000度的高温岩浆,那时很让人怀疑的。一旦挡不住,高温高压的熔岩喷涌而出,那是什么?那不是一次人工火山爆发么!所有的地面和井下仪器仪表设备,可能还加上人员,岂不是全报销了?!人工火山会不会造成地震?到底会喷出多少东西才算完?天知道。

这是地下的油、气、水失控了,堪称人间炼狱(这属于事故处理晚期,周边的设备已经全部被抢险人员移走了),但是与可能的火山喷发,那属于小巫见大巫了

等喷完了,井筒全破坏了,岩浆一冷凝,又是一座火山,你说我们花了这个大代价,就搞了一个人工火山出来,图个啥?

最后就是钱的问题。前苏联海量投入,才搞了一个科拉探井,不过打了12000米,只打了地壳的三分之一,离地幔远着呢。但是烧了这么多钱(千亿人民币的规模,十年时间),见不到任何直接的经济回报,这不是一般国家能玩得起的。

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我们国家现在有钱了,技术也不是三十年前的技术可比的,我国在江苏,东北等地也打了一些科学探井,但是都是5000-7000米规模的,比如下面这口井:

科探井采集的深层(7000米深)岩石样本,用专门的取芯钻头、取芯工具得到的

现在据说中国准备打新的科探井,可能要达到13000米,如果真的话,那又是一项重点工程,又会成为我们的骄傲——当然,这还是在地壳里,离地幔还远着呢!

也许,将来人类真要钻到地幔的话,需要革命性的技术,比如激光钻头……