上天、入地、下海、登极是人类认识和探索自然的四大壮举。我国“深空”已实现航天器登月,“深海”已有载人潜水器抵达海洋最深处,登极也早已实现。那么,向“深地”进军意味着什么?我们为什么要到万米深的地下找油?怎样才能发现地层深处的油气资源?如何顺利把它们开采出来?
地下9432米是什么概念?如果在地面,步行两小时可达到；如果垂直向上,比珠峰还高600多米；如果在海底,可贯穿大部分海洋地区。向地底钻探9000多米,需要穿越新近系、古近系、白垩系等9个地层。
如果把地球的构造想象成鸭蛋,地壳就相当于一层薄薄的蛋壳,平均厚度33公里。目前人类探索地球的最深记录,是上世纪末前苏联在科拉半岛上掘出的12262米深井。但与6000多公里的地球半径相比,这点距离就好比在地球表皮上凿了个小坑,连“蛋壳”都没钻破。
以塔里木盆地为例,这里是我国最大的内陆含油气盆地,仅埋深在6000至10000米的石油和天然气资源,就分别占总量的83.2%和63.9%,勘探潜力巨大。在其腹地的塔克拉玛干沙漠,深度超8000米的钻井目前有120口,6000米以上深井有1700多口,占全国超深井数量的80%以上,油气产量占比超过52%。
中国工程院院士郭旭升表示,“富煤贫油少气”是我国能源发展面临的现状。目前,化石能源仍是经济社会发展的重要资源,而我国83%的深地油气仍有待探明开发,向深地进军,是保障国家能源安全的必然选择。
中石化西北油田工程技术管理部经理刘湘华介绍,物探是油气勘探开发的第一步。所谓物探,就是给地球做高清CT扫描,需要在目标区块设计一张大网,在不同网点制造高精度、可控的人造地震波,精准探测地下油气储层的位置、形状等,如果没有物探技术,就无法寻找油气,钻井便没有具体目标。
以顺北油气田为例,它位于塔克拉玛干沙漠腹地,地震波从出发到返回,要两次穿过像棉被一样的巨厚沙层,传播距离超过两万米,采集数据通常杂乱无章。科研团队经过大量实验和模拟数据,创新弱信号恢复技术,恢复了超深层地震信号,让千变万化的地下世界清晰呈现在眼前。
科研团队通过建立地层和断裂带的数据模型,剔除杂乱无章的信号,将超深层的断裂识别精度,从30米提高到15米,从而得到地下真实的影像,相当于有了更先进的探地“望远镜”,不仅能看清深不可测的“地下珠峰”,而且影像十分“高清”。
中石化西北油田石油工程技术研究院院长刘练介绍,首先要用物探技术建立一个地层的数字平行空间。通过随钻仪器定位,钻头钻到哪里,科研团队就要在这个地层的“元宇宙”中标识出来,相当于钻头在数据地图中的导航系统。在黑暗的地下世界,如果钻头偏离位置,需要“导航系统”重新规划轨迹,帮助钻头钻至油气藏。
首先,地球表面有坚硬的岩石阻隔,要持续向下开凿,需要消耗巨大的人力物力。其次是温度,钻探深度每下降100米,温度就会升高1-3摄氏度,这对于挖掘设备的破坏是十分严重的。最后是压力,地壳深部的岩层会受到四面八方各种压力。当钻探深入地下取出岩芯后,形成的钻孔很容易受到周围压力作用,从而垮塌、变形,让之前的努力付诸东流。
中国工程院院士罗平亚表示,从9000米到10000米,虽然距离只有十分之一的增加,但这是一个质的变化,在技术上更需要质的进步。入地万米,不仅要承受200℃的高温、1700倍于大气压的高压等挑战,还将面对井漏、卡钻、地层垮塌等困难,每前进1米,钻探难度都呈几何级数增加。
以科拉半岛钻探为例,从1970年开凿,到1983年就已达到了12000米。但是,从12000米到12262米,短短的262米却耗时整整十年。纵观历史,人类花了将近4000年时间,深入地球内部的距离还不到地球半径的2‰。
“深地塔科1井”位于塔克拉玛干沙漠腹地,经过几亿年地壳运动,塔里木盆地的地层变得支离破碎,其构造被地质学家比作“一摞盘子摔碎了,又被踢了几脚”；入地万米,将面对超过200℃的高温、1700倍大气压的高压。极端环境中,钻杆“像面条一样柔软”,其表面压力,相当于“在指甲盖上站了一头大象”。
“深地塔科1井”使用的钻机,是我国自主研制的、全球首台12000米特深井自动化钻机,载重提升能力由三四百吨提高到最大900吨,相当于同时吊起150头成年大象。设计钻井周期为457天,将成为全球第二口陆上垂深超万米的井,也将创造全球万米深井钻探用时最快纪录。
而设计井深达10520米的“深地川科1井”,要穿越25套地层,最极端时还要面对138兆帕压力的冲击——相当于在指甲盖上停着一辆1.3吨重的汽车。这也是全球难度最大、四川盆地第一口万米科探井。
为什么要在难于上青天的四川盆地开辟一条“地下新蜀道”?专家介绍,随着多年来持续大规模勘探开发,四川盆地浅层、难度小的层系已相应开发完善。如果在8000米、9000米地层仍找到大规模油气藏,那么以后就可以在四川盆地超深层进行大胆勘探。
与普通油气井不同的是,“塔科1井”和“川科1井”这两口万米深井,除了寻找油气资源,还肩负着探索6亿年前地球演化、生命起源和气候变迁等重任,向深地进军,探索地球奥秘,成为科学发展的必然趋势。