地球上最深的洞是怎么挖出来的?
时间:2022-11-15 22:29:55 来源:科普之家 作者:科普中国新媒体 栏目:百科 阅读:146
作者:桂有鱼
审核:中石油技术研究院 总工程师 周英操
探索太空和在地上打洞哪个更难?答案是“上天难、入地亦难”。人类向太空发射的探测器,最远已经飞出了太阳系,离我们有两百多亿公里。而人类在地球上挖的最深的洞,还不到13公里。人类居住的地球的直径是12742公里,地球内部的最高温度为6000℃以上,地壳的平均厚度为17公里,世界最深的井仅仅是地球直径的千分之一。如果把地球比作一个苹果,至今还没有人咬破过这个苹果的外皮。
地壳示意图
为什么挖个洞这么难?动物不用工具就能打洞,我们人类有那么多挖掘机、打井机、钻机,为什么不能一直挖到地心去?其实,在地球上打洞这件事,难度可能超出你的想象。
智能钻井示意图
一个洞是怎么打出来的呢?我们生活中会见到各种各样的洞:装修的时候,工人要用电钻在墙上打洞;珍珠要想穿成项链,先要在上面钻个眼;当然还有今天人们用的地下水,也是通过在地上打一个洞得到的。这些大大小小的洞,不论大小,不论深浅,挖起来的基本原理都一样:找一个坚硬的钻头,不断旋转它,它就会把周围的材料切碎,打出一个和自己直径一样大的洞。
换句话说,打洞这项工作,原本应该竖直向下使劲,但是人类发挥自己的智慧,把它变成了一圈一圈地转动钻头。生活中许多看似不可能完成的任务,都是靠这种方式解决的。比如,一根五厘米长的钉子,要想徒手按进木头里,无论有多大的劲,也做不到;但如果加上一个螺旋形的红酒起子,只要用不太大的力气旋转它,就可以成功。给地球打洞,和把红酒起子拧进软木塞里,从基本原理上没有太大区别。
但话说回来,打一个一米的洞很容易,打一个一万米的洞可是难上加难。现在世界上最深的洞在俄罗斯的西北角,临近挪威,名字叫科拉超深钻孔,它的垂直深度有12262米。
打这样一个洞的难度在哪儿呢?
首先,它很长。打一口一万米的井,就意味着你需要一个一万米长的钻杆。这么长的钻杆即使能制造出来,谁能把它立在空中呢?科学家们想到一个办法:把钻杆做成一根一根,先挖一根钻杆的长度,然后再接一根新的钻杆,这样一边挖一边加长,直到把整口井钻完。
遇到的第二个问题是,随着洞越来越深,地下的水和岩石都会想把你刚钻出来的洞挤垮。这是因为,地底无时无刻不存在着压力,而且深度越深,压力越大。洞壁的岩石虽然坚硬,但在地底巨大的压力下,也会像豆腐一样被压碎。科学家们有两个办法来解决这个问题:一是在洞壁周围加一圈钢管和水泥,让它变得更坚固;二是在打洞的同时,不断往里灌泥浆,让井里也充满压力,就能和地底的岩石一决高下了。
不过,用钢管和水泥加固洞壁又带来了第三个问题:由于每一组新的钢管只能从已经在洞中的一组钢管中间穿过去,这个洞会越挖越细。这就决定了我们不可能无休止地打一个洞。科拉超深钻孔在地面上的直径有将近一米,到了井底,直径就只有不到一个脚掌的长度了。所以说,如果有人不幸掉进这个地球上最深的洞,他只能卡在洞的上部分,是没有办法掉到洞底的。
当然,挖这么深的洞,其难点不仅是上述那些,主要包括以下几点:一是特深井地质条件复杂,挖洞时间长、效率低,安全生产风险大。二是特深井普遍存在超高温达260℃、超高压达170兆帕,洞中所用的仪器及工具、泥浆、水泥浆及材料等面临严峻挑战。三是地层压力体系复杂,存在着井喷、漏失、井塌、卡钻等复杂事故风险。四是地层岩石坚硬难钻,钻井速度低,周期长。五是地层富含硫化氢、二氧化碳等高酸性流体,对钢管及水泥造成严重腐蚀。
科拉超深钻孔克服了上面提到的所有困难,但它仍然花了14年的时间。粗略计算,一天才打了两米多!这是因为大大小小的意外经常发生,不是钻杆断了,就是被碎石头卡住,要不就是水泥把井眼堵死了,每次这样的事故发生,就要把整个钻头提到地面再重新组装一次。如果发生一次严重到重新组装也没有办法挽回的事故,只能在原来的洞眼旁边又打了一个新洞。直到最后,科学家们也没有打到他们预定的深度,15公里以上,而是在12公里多一点的地方就被迫停工了。
要接着打下去可不可以呢?也不是不行,其实最大的阻碍还是太贵了。2010年,有科学家估计过,要把这个地球上最深的洞继续挖下去,至少还要花几十亿卢布。
虽然科拉超深钻孔停工了,人类探索地球的脚步却不会停止。已经有科学家计划着在海底打一个新洞,那里的地壳比陆地上薄得多,只要6千米就可以打穿。到那个时候,估计人类对地球的认识又会前进一大步。
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