“地下月壤”万米岩芯取出记
“塔克拉玛干”地处塔里木盆地中心，是维吾尔语所称的“进去出不来的地方”，它是中国第一、世界第二的流动沙漠，面积33万平方公里，这里的正午地表最高温可达82摄氏度，入夜后则会骤降至零下20摄氏度。灼灼烈日下，连绵起伏的沙丘如同凝固的金色巨浪，恢弘壮丽；夜幕降临后，它冰冷如铁，沉默如谜，是古丝绸之路上往来商旅的噩梦。如今，因蕴含丰富的油气资源和复杂的地质构造，成为油气勘探者逐梦的竞技场。
冯明在深地塔科1井现场进行取心作业
现场对取心钻头情况进行评估
2月20日，当深地塔科1井的钻头刺穿这片沙海地下10910米地层，中国深地工程也镌刻下了新的里程碑：亚洲第一、世界第二垂深井，创造五大工程纪录，并首次在世界陆地万米深层发现油气显示。如上概括，每一条都足以载入史册。与之关联的，从地下万米以深取出距今5.4亿年前的岩芯、并以此判定了万米深层有油气显示的取心团队，也在油气勘探史上留下了自己“小而精彩”的身影。
在众多的钻完井技术中，钻井取心属于边缘而小众的技术门类，作为国内最早开展取心技术研究的单位，川庆钻探公司钻采院靠着50余年的技术积淀和超20万米的取心累计进尺，让“川式”取心声名远播。此次，他们携自主研发、拥有完全自主知识产权的高强度取心工具完成塔科1井的取心作业，取得了珍贵程度堪比“月壤”的“万米以下岩芯”，并成为2月20日中国石油新闻发布会上媒体和公众关切的焦点，引发全社会对石油勘探的浓厚兴趣。在万米岩芯附着的地球深部地质信息之上，公众看到石油科研工作者和工程技术人员敢于挑战未知、征服未知的能力实力，也体会到百万石油人“端牢能源饭碗”的使命担当。
先拿“入场券”
近年来，世界新增油气储量60%来自深部地层；我国深层、超深层油气资源量达671亿吨油当量，超过全国油气资源总量的三分之一。“超深层已成为我国油气资源增储上产的主阵地，向地球深部挺进是保障我国能源安全的重大战略任务，是端稳端牢能源饭碗的重大战略选择。”中国工程院院士孙金声表示。
万米深地钻探，承载着探索万米深部地层奥秘、破解万米深层油气密码的重大使命，对推动能源革命、保障国家能源安全、实现科技自立自强有着重大意义，是钻探史上划时代的壮举。对科研工作者来说，进军深地不仅是对科研能力的极限挑战，更是亲身入局能源革命的历史机遇。
因此，当2023年7月中国石油集团公司将《万米超深层取心技术与工具研究》项目以揭榜挂帅形式推出后，其麾下的川庆钻探、西部钻探、长城钻探、渤海钻探等钻探单位应声而动。众人皆知，若拿下《万米超深层取心技术与工具研究》科研项目，将为竞逐塔科1井万米取心作业增添砝码。
川庆钻探公司是国内取心界的元老，“川式”取心历经50多年的发展，已经发展出3大常规9大特殊系列技术，有31项取心专利，集研发、制造、服务、保障为一体，近15年间已在全国达成超20万米的取心进尺，是国内常规取心中的当之无愧的龙头，他们曾在顺北84斜井完成地下9095米的取心作业，这也是油气勘探史上一次最接近万米的取心实战。
怀着“势在必得”的志气和对触摸取心技术天花板的极度渴望，川庆钻探首席专家杨柳青领衔“川式”取心技术团队，迅速投入揭榜挂帅项目的立项竞聘准备。
2024年9月20日在深地塔科1井现场
工具准备就绪
2023年7月到8月的一个月间，位于四川广汉的四川川庆石油钻采科技有限公司二楼会议室经常彻夜灯火通明，团队骨干成员刘彬、姚建林、陶怀志、姚坤鹏等人在这里度过了争分夺秒的一个月。团队将攻关重点放在了万米管柱在高温高压复杂载荷下的力学行为对取心作业的影响上，同时，就空心结构的取心钻头和岩石相互作用、工程机理等展开了细致研究。攻关涉及工程机械、液体、材料学、动力学等多学科门类，本着科学严谨的态度，他们对万米取心作业中可能出现的任何情况都进行了深入探索，力争在看不到、听不到、摸不着的万米以深，在仅知钻压、钻速、流量的情况下，确保取心作业万无一失。
在这期间，争论是常有的事。拿入地的取心钻头来说，PDC取心钻头适用于成岩性佳的中硬地层，可以获得较高的取心速度；金刚石取心钻头则用于硬度极高、研磨性极强的难钻地层或破碎性地层，取心速度相对较慢；孕镶取心钻头使用条件则介于其两者之间。这三种钻头此前都不曾进入万米以深，没有数据可以证明孰优孰劣。为了选出最合适的取心钻头，与钻头研发打了十多年交道的川庆钻采院二级工程师姚建林与首席专家杨柳青不知拍桌子吵了多少回。本着这种“你不把我说服我就不认账”的较真精神，团队在短时间内确定了天然金刚石取心钻头的最优选型，明确了抗240℃高温密封件、取心工具强度、抗冲蚀能力提升、岩芯抓取工具升级等数个攻关突破方向，又由此头脑风暴出100多项改进意见并不断完善技术细节。
清晰的攻关思路、翔实的数据论证、极具说服力的实践路径、完整的逻辑闭环最终构成了沉甸甸的揭榜挂帅竞聘汇报材料。
2023年8月22日，杨柳青把这份材料带到了北京，在《万米超深层取心技术与工具研究》竞聘现场，他用55分钟和盘托出，汇报自信从容、气定神闲。最终，川庆钻探以99.7的高分力压群雄，揭榜挂帅《万米超深层取心技术与工具研究》。
再造定心丸
“不要以为你们拿到了科研项目，深地塔科1井取心就非你们莫属。”
2023年11月，深地塔科1井井长、同时也是万米深井取心项目跟踪专家之一的塔里木油田企业首席专家王春生，在国内寻找万米深井取心最佳作业团队。他与川庆取心团队见面的第一句话道明了此行的目的：他要看到最令人信服的解决方案。
一套完整的取心装备是钻头与工具的珠联璧合：环形中空的取心钻头，肩负着为工具开路架桥的先锋任务，它要钻达目的层位并将其中的岩石搅打研磨并随着中空的孔洞送至取心筒；而携带储心筒的取心工具则藏在薄薄的外筒里，它们接在钻杆之下，紧靠钻头，要将钻头打出的岩芯收入囊中紧紧抱住，并在上提钻具的过程中完成岩芯切割。这个过程虽短，但环环相扣，任何纰漏都会导致作业功亏一篑。
为了让王春生首席吃下定心丸，川庆钻探取心团队紧急行动起来。
钻头研发团队合影
取心工具研发负责人、一级工程师刘彬发出号令：“把工具参数拉到极致！”取心工具的密封件抗温能力过去是180℃，这次提高到240℃；取心工具抗拉强度过去150吨、升级后必须达到300吨；抗扭强度从过去20000N?m极限爬升到60000N?m，工具整体强度提升约1.5倍，内筒进心阻力减小一半以上；不仅如此，在钻井液大排量、高固相情况下，工具抗冲蚀能力提高20%，30L排量下更是达到了77小时的定点冲蚀。“除了参数值的提升，我们还建立了取心工具钻柱动力学模型，每一次取心方案都要历经至少5轮以上研讨。”刘彬说。
钻头研发负责人、二级工程师姚建林率队再次对取心钻头的可钻性和研磨性进行了论证。在充分权衡耐温性、研磨性、使用寿命等参数后，采用粒径仅3毫米的天然金刚石进行钻头镶嵌。“500颗金刚石，每一粒都经过显微镜检验，确保粒径、棱角形状统一。”
考虑到金刚石经镶嵌后露出部分仅三分之一左右，为验证这部分的破岩性能，他们联合西南石油大学全尺寸钻头实验室，千方百计找来泥页岩、白云岩“露头”（取心地层同类岩层出露在地表的部分）连夜开展实验，用钻头实验验证取心钻头的破岩能力和研磨性，并配合仿真系统辅助模拟地下万米高温、高压等特殊条件下对钻头性能可能造成的影响。
在团队的共同努力下，短短数月，最终定型的钻头与岩石接触面增加了10%以上，不仅保证了钻头的攻击性、耐磨性和寿命，还通过这次万米取心钻头的打造，建立起全国首个天然金刚石破碎机理性能评价方法。
2024年3月，王春生再次来到川庆听取取心方案汇报，最终，他被川庆万米深井取心的设计方案和成熟的技术工艺所折服，当场拍板：“由川庆钻探承担塔科1井取心任务！”
取准取成
2024年9月17日中秋节前一天，川庆钻探取心团队接到上井通知，此时距离原定的取心作业还有一个月时间，可由于塔科1井在油基钻井液转水基钻井液后，钻井速度一路狂飙，仅半月就钻达了取心层位。
十万火急。9月19日，取心团队高级工程师冯明带领5人操作团队飞抵塔里木，在去往塔科1井的路上，他手上攥着科研团队提供给他的作业方案，但他明白，钻井队更换钻井液后，钻井实际数据与此前的设计数据存在差异，自己必须根据实钻情况调整取心策略。他打通了刘彬的电话，寻求数据支撑。
抵达塔克拉玛干腹地时，已是晚饭时分，此时，成都平原明月高挂。后方的研发人员紧盯着电脑，分秒必争重新计算扶正器、投球工艺，还有不同转速、钻压条件下的钻具摆动对岩芯的影响等参数并加紧调整取心方案。
终于，在向甲方汇报取心方案前，一切就绪。冯明走进井场会议室，自信从容地汇报根据深井情况调整后的取心方案，井长王春生频频点点头，投以赞许的目光。
刘彬
姚建林
姚坤鹏
取心是一锤子买卖，不管前期如何筹谋、如何充分准备，都可能因为现场操作的误判功亏于匮。用冯明的话来说，这是一个手艺活儿，细微的参数变动，都意味着操作人员要立即给出准确判断。而此次取心关系重大，地下条件也不甚理想，冯明清楚，从取心工具入井的第一刻起，自己就要担起万钧压力，根据地面获取的各项参数，决定结束钻进切削岩芯出井的时机。
2024年9月24日，取心工具终于入井，冯明第一时间给姚建林发了信息：“你的钻头入井了，万米哦！”无数颗悬着的心跟随这条信息一同去往了地下。
9月25日，取心钻头抵达地下10046.52米时突然遭遇井漏失返，“钻井方很紧张，觉得我们应该立马起出工具。”但冯明认为，5.85立方米的数据远未达到此前预案计算的上限，靠着多年现场经验及实时情况，他决定继续往下加深取心进尺，9月27日清晨6点，首趟取心作业“出芯”，取出岩芯6.3米。
“看上去虽然是一根完整的‘金箍棒’，实际只要用手轻轻一碰就化渣了。”如前期预料，这份来自5.4亿年的“地质之书”酥脆破碎得很彻底，像酥皮月饼一般，摸不得碰不得。而随后对这段岩芯的地质分析表明，万米深处存在好的有机储存，有油气显示。2月20日的央视新闻联播称，在万米深层获取岩芯，就如同在地球深部做一次微创切片，这些切片能读出地球深部数亿年的地质历史，是研究地球演化的直接证据，其意义堪比获取“月壤”。
2024年10月6日，取心工具再次入井，10月7日取心钻进到10183-10189.2米井段，冯明在监控室观察钻井实时曲线时发现了参数异常。根据经验，他判断应该是井下发生了堵心，这是取心过程中尤其是面对白云岩地层极易发生但又最难处理的问题。考虑到此时取心筒已进心6余米，为保证岩心收获率，冯明当机立断停止继续钻进。
实事证明，冯明的判断十分准确。10月8日，工具出井，由于堵心影响，钻头与底部岩石经过长时间研磨，切面已变得像玉一样光滑。“这样的岩芯即便取上来也没有任何分析意义，要是再把钻具断进去，后果不堪设想。”看着起出的部分岩芯，王春生也不得不感叹：“选你们，选对了！果然得相信专业的”。
最终，取心团队在塔科1井10041.50-10786.66米井段累计获得岩芯12.64米，收获率达94.61%，这些岩芯得见天日之时，就是塔科1井超深层钻探青史留名之时！
再接再励
2月20日，取心工具研发人员姚坤鹏在办公室全程收看了中国石油的新闻发布会，看到全球媒体都在将目光聚焦在岩芯上时，心中激动不已：“真是，干了件大事。”
从2012年参加工作起，姚坤鹏的世界便充满了无数关于取心工艺技术及工具装备的悬而未决。作为团队最小研发单元，他是起地基的人，也是每一个研发思路厘清后的具体执行者，所有看似微小的技术突破，都是像他这样的“技术工兵”通过成百上千次测试、调整、推翻重来后积累出的质变。
“不是开会讨论，就是关门研究。”从参与项目之初直至取心作业成功，姚坤鹏很少有晚上十点钟能离开办公室的时候。研究经常在开完会之后，所有碰撞出的新点子、提出的新构想、需要进一步完善的数据，都需要在稿纸上做演算、在系统上跑模拟、在实验室搞实战。
深地塔科1井取心作业成功后合影
“比如咱们过去取心工具都是采用橡胶件进行密封，可到了这口万米深井，220多度的高温，再采用橡胶件就可能出问题。”说来只是一个密封圈的事，但姚坤鹏做的，是将取心筒的密封结构进行了重新设计，首次取消常规橡胶密封圈并改用金属螺纹扣，直接将工具耐温极限拉到了240℃，耐受力较井下温度还高出近10%。
“另外，我们在前期整体钢铸的取心筒十多米长，不仅肉眼可见的不平整，上手摸一下内壁，凹凸不平且非常粗糙，这对取心工具内筒进心极其不利。”考虑到万米深处之下软成面条的钻具带来的震荡以及白云岩特殊岩性，他们先是对内筒平整度及摩擦系数影响进行了全面分析，又在首席专家杨柳青带领下，遍寻国内能够锻造合格内筒元件的企业，最终对整体筒身进行了改良重铸和对内壁做了光洁度处理，这也是取心工具的一次升级：接近笔直的筒壁让破碎的岩体能够加倍顺畅地进入内筒，又因为壁面光滑，平整性与防腐性更好，酥松的岩体不会大量黏附在凹凸不平的接触面上，进一步降低了堵心风险。此次成功将一碰就掉渣的岩芯带出地面，改良的内筒功不可没。
“得益于这次攻关，我们还建立了万米深井的钻井取心参数模型。”姚坤鹏说。此前关于万米取心的一切构想，都通过“实地走一趟”进行了验证。“明确了哪些参数对取心结果有影响、又有什么样的影响，为今后同样是万米深井的取心作业，包括参数的选择、优化等提供了非常完善的理论模型框架。”
对于像姚坤鹏这样的一线研发“小单元”，这口万米“大工程”的极致技术锻造或许不只在于工具性能的优化，更让他们彻底走出常规取心作业的“舒适圈”，在不断解决技术难题的过程中重塑技术理念。而随着超深井勘探开发带来的科研资源，他们也将有机会接触到更多高级别、高难度的科研项目，获得更多实钻验证的机会，技术的天花板、未知的疆域将不断拓展。这对于科研工作者和工程技术人员而言，何其有幸！
从张骞凿空西域到万米深地求索，塔克拉玛干的黄沙见证着人类不断突破极限的勇气。当深地塔科1井昼夜不熄的灯光照亮寒武纪古老烃源岩的沉睡容颜，当中国石油人于万米地层打开观察窗口，在“地心游记”的史册书写上全新的一笔，这是人类对能源边界认知的重新定义，也是科研人为所深爱的技术献上的极致浪漫。如今，在“深地”“深空”“深海”“深蓝”共同构筑的战略新疆域，这场向地球深部进军的科学长征，还在以每米必争的执着丈量着技术新的高度。
致谢被采访者
杨柳青 川庆钻探公司首席技术专家
陈倩 钻采院党委书记、副院长
许朝阳 钻采院党委副书记、纪委书记、工会主席
王军闯 钻采院副院长
刘彬 钻采院一级工程师
董仕明 钻采院四川川庆石油钻采科技有限公司经理
周刚 钻采院四川川庆石油钻采科技有限公司党支部书记
冯明 钻采院四川川庆石油钻采科技有限公司副经理、总工程师
姚建林 钻采院四川川庆石油钻采科技有限公司副总工程师
姚坤鹏 钻采院四川川庆石油钻采科技有限公司机械研发加工中心副主任