人类对地球内部的探索能达到什么程度？钻深井研究地球内部有没有意义？ ...

慕容雪素

备注：后面有重要补充 目前人类对地球内部的了解基本是基于理论，人类最深的钻井的钻探深度才12千米多（参考），和半径 6300多千米的地球相比，简直是连皮都没有扎破。是什么原因让我们没有对地下进行更多的探索？进入到地下几百、上千千米的内部是否有意义呢？ 依我愚见，在陆地上钻一个十几千米的井难度应该不大： 井的直径以2米记，井壁用混凝土加固，并安装轨道，用电车进行土石的运输； 钻机可以放在井内，边钻…

我是人渣垃圾

答主不是钻井方向人士，对这个问题的理解可能有偏差而不自知。欢迎相关行业人士指出可能的错误。当然，如果问题较大，欢迎各位写一个专业正确的回答，我就当是抛砖引玉了。
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不管挖井也好，钻井也罢，最重要的环节并不是钻头/挖掘机能耐多高温度，而是如何固井。
所谓固井，是指向井内下入套管，并向井眼和套管之间的环形空间注入水泥的施工作业。固井的作用是，支撑井壁防止垮塌、隔绝地层流体外渗或者流出。用通俗的语言来说，就是支撑岩体和防止渗水泡油瓦斯突出。

一口石油钻井是如何钻出来的？业外人士可能并不清楚。我用几个简单的图来说明。


1.钻头掘进，同时注入加压泥浆。泥浆润滑钻头、给钻头降温、给井壁加压防止垮塌（根据钻进深度不同，地层压力和渗透性会发生变化，就需要随时调整泥浆压力和成分）、将钻井产生的碎渣带出。
2.取出钻头，进行固井作业。即下套管注水泥。水泥从套管和井壁之间的空间向上返，并最终凝固在此处，同套管一起完成对井壁的封闭。
3.下钻，继续掘进。转开前期固井形成的水泥井底向下继续钻。
4.取出钻头，进行固井作业。
直至打到目的井深，最后一次固井，然后完井撤退。这里忽略了测井。

所谓套管，就是一种特制钢管，塞进地下后就不再取出，是钻井过程中的耗材。它要具有相当的抗压强度和抗腐蚀性。配合特制水泥一起固定井壁。试图单纯利用混凝土井壁对抗地下岩层的压力是没有前途的。很简单的常识——钢管的抗挤压性能要远好于同等厚度的混凝土。如果单纯的混凝土/水泥有效，为何还要把以吨计算的特种钢管塞进地下呢？

更别提地下的流体和高温环境了，混凝土的实际抗压性能会大大减弱。抵抗不了地层压力的结果是井壁突出和井壁垮塌，也就是说，不用钢管做固定，没挖几千米就给埋了。

然而，套管的强度和什么有关？是的，直径，壁厚，以及钢材本身的性质。这个讨论忽略钢材性质的差异。毕竟比的是混凝土和钢。

出处：
一般地层压力系数大概是每千米10-20Mpa，压力高一些的地区可能在20-40Mpa。10000m以下的压力在100-400Mpa不等。为了和谐，随便取个300，径厚比5。
换句话说，两米直径的超级钻头（我就不说盾构机了）钻到了10000m处，屁股后面需要一根2.5m内径，壁厚50cm的超级钢管来固井——浪费原料了不是。100km呢？且不说压力了，高温高压下套管都软了吧！

然后，细心的朋友应该发现，井身的直径是在逐渐变小的。 也就是说，为了达到万米井身还有2m的井身内径，地表的井身直径可能需要10m？20m？那得需要多少钢材在上部地层做套管，这美丽的径厚比呀……我算不出来了。更别说此等挖掘产生的土方量，堆到哪里都是个问题。

所以题主的设想存在几个巨大的问题：
1.单纯的混凝土的抗压性能远不如同等体积的金属件（钢管），特制硬质套管（我就不说钢管了）是必须的，这也是石油工业百年实践的结论。除非能开发某种特制新材料彻底取代套管+水泥环的组合，并对钻井工艺做出根本革新。
2.直径太大后，基于现有钢制套管挤毁压力下的径厚比，对原料的消耗将会是一场噩梦。我就不算填这么个坑要用多少泥浆和水泥了。经济上不可接受。
3.过大的直径会带来巨大的挖掘量。永远不要小瞧土方量这个东西。
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以上的讨论基于压力的角度，我还没有提地下恶劣的流体环境。之所以使用套管，一个重要原因是它可以彻底隔绝井壁渗出的流体，而混凝土和水泥，很遗憾，都做不到这一点。

钻井这件事，没有想象中那么简单。这是一个成熟的，有一百多年历史的专门工学学科。讲道理的说，业内专家都做不到的事，业外人士脑洞就不要开的太大了。
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那么，制约钻井深度的原因是什么？
说白了，就是地层压力。
首先是钻杆无法承受，其次是套管无法承受。第三是钻机，不过这个可以继续改进。
现有材料的极限制约了人类向地下深部的钻井。
温度其实不是大问题——毕竟钻井时会灌入加压泥浆来降温。主要是钻井完了以后，留在井下的套管要承受高温高压，超过现有材料的极限。
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第二个问题，钻深井有没有意义？
有！当然有意义。
但如果不取岩心，意义降低80%……


挖个洞意义不大，重要的是要亲眼看看洞壁上有什么东西。


这就是为什么大庆的松科2井区区6000多米的设计井深也把牛皮吹破天的原因，“超深科研探井”——塔里木油田一众8000m以上的井都笑了——人家牛逼之处不在深，而在大部分井段都取岩心。


寻常的钻井，钻头将岩石打碎后，破碎的岩屑随着泥浆返回地面。地质人员通过记录这些岩屑的岩石类型，对地下钻遇地层的进行地质描述。但这里有一些问题——

1.深度不可信——打碎的石渣渣能反映多精确的深度信息？A层砂岩，B层花岗岩。在地面返回的泥浆里，这两种石渣渣都找到了，然而深度嘛……
2.破碎的岩石，无法反应古生物化石、岩石结构特征、沉积构造、裂缝特征等信息。这些需要完整岩石才有得玩。
3.破碎混杂的岩屑，对实际测年、同位素地球化学研究带来难度，主要是层位和深度的不准确。
4.无法通过岩屑测量古地磁。

类似的问题我还可以列举一大堆，总之，岩屑所包含的地质信息少之又少，相比完整岩心，说只有岩心20%的意义并不离谱。有人说我们还有各种测井——没错！测井可以准确反映深度和岩性变化，但是也只能获取岩心信息的50%左右？

这是岩心和岩屑的对比——


谁包含更多的地质信息，一目了然。

所以，若想了解地下，呼哧呼哧用普通牙轮钻一顿打井，那并没有什么卵用。必须要上取芯起器和取芯钻头。反正就是烧钱嘛，尽管烧，地学狗对此喜大普奔。全国的石油钻井从明天起全取芯我都没意见，233333333333。

天文气象知识83

石工狗试着来答一发
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Part 1

• 首先说一下题主说的“依我愚见，在陆地上钻一个十几千米的井难度应该不大”，说实话，这真是个愚见。不知道题主听说过“上天容易入地难”这样一句话没有，这句话当然不是我说的，是一些科学家说的。为什么会出现上天容易入地难这种情况？简而言之，地下因素的不确定性。
  
• “井的直径以2米记，井壁用混凝土加固，并安装轨道，用电车进行土石的运输；
  钻机可以放在井内，边钻边前进，不用担心深度问题；
  井壁安装冷却水管道，给钻头及管壁冷却用；
  钻头的更换等工作可用机械臂进行，人在地面操作，不必下井；
  挖个几十千米，其挖掘量也比修一条地铁线路要少啊。”
  

目前世界上最大的钻头直径大概是1.14米，2米直径的钻头，对不起，没有。
另外就是钻头的造价很贵，假设给你造了一个两米直径的钻头，不知道这个两米直径的钻头能打多远？如果地层硬，有的几十米可能就报废了。要想钻的远，可以，上孕镶金刚石钻头，但是金刚石钻头很贵很贵。总之，如果有2米直径的钻头炒鸡贵，并且一口井钻不了好远就会换掉。
井壁用套管（钢制管材）加固，而不是题主说的混泥土前面的答主已经说了，不再重复。井眼钻开以后，井眼周围的地应力会重新分布，会对套管产生挤压作用，层与层之间有时候也会有相对移动，挤压套管导致套管变形，严重时候甚至挤毁。套管也很贵很贵的……

钻头和井壁的冷却是利用钻井液来完成的，同时兼具携带井底的岩屑作用。钻井液的行程路径简单讲就是从井口到井底，带上岩屑后再返回井口。为了达到携带岩屑目的，并且平衡地层压力，需要给钻井液加压。钻井液一立方的价格有的上万，虽然可以回收利用，但是很难避免漏失到井眼周围的地层。如果地层附近有溶洞，这损失，你懂的。

钻头的更换要进行起钻作业。钻头在井下钻进，连接钻头的是一根一根的钻柱（钢材，空心和地面相连便于控制钻速，轨迹，并兼职传递钻机动力和钻井液流动通道的角色），起钻作业就是依次一节一节的把钻柱起出来以后，才能更换钻头。

深度是一个非常非常需要担心的问题。井太深以后，钻进的井眼轨迹就越难以控制。尽管材料是钢材质，但是长度上了几千米以后，钻柱就像面条一样，极其难以控制。固井、钻井液循环也是很大的问题，钻井液循环泵的压力达不到相应要求，可能钻井液下去了就上不来了。并且井越深，地应力就复杂，地层温度也越高，加入按照题主说的达到几十千米，题主可以算一下，地温梯度已经好几百度了，这时候很多钻井的元器件就会失灵，钻头强度也会大大降低。
3.“用地面的水把井内部填满，用来平衡地层的水平压力，这样井壁和地层之间的压力差就会很小了，目前的材料做井壁应该能适用于比较深的深度；同时注入的大量的水对地下的高温也能起到冷却作用。这时在井下作业就相当于在深海里作业了。”
地面的水通常情况下难以平衡地层压力，这是因为地层含有很多孔隙，孔隙里面有很多流体，高压的、超高压的，因此才会打一段井就用套管封隔一次（固井）。并且有的时候很短的一段深度内，地层压力的变化很大，这时候有可能你在2000米把地层压力平衡了，但是在2050米的时候地层又被压破裂了，钻井液就漏出去了。所以一定是边打井，边固井的。至于题主担心的“水下的钻机怎么办”。目前的工况下密封措施已经做到这一点了，另外就是常规的钻机都是在井上的，靠着钻柱传递动力钻进，或者是涡轮、螺杆，利用钻井液的压力驱动钻头，当然也有井下动力钻具。
从以上的回答可以看出，钻井的过程中主要的几个问题是：温度、压力、以及不确定性。
回到题主的问题“人类对地球内部的探索能达到什么程度？钻深井研究地球内部有没有意义？”已经说了目前为止最深的井是12千米多，至于“钻深井研究地球内部有没有意义？”，答案是肯定的：非常有意义。
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Part2
先简单说明钻深井研究地球内部的主要意义（可能不全面，不完善，我主要从事的是石油行业的，有兴趣可以看看大洋钻探计划）：
首先是获取地层的直接属性：包括地层的岩性，地层孔隙中有哪些流体，这些流体具有哪些性质，地下埋藏了哪些矿藏等。
其次是获取地层的间接属性：例如获取地层压力（大小）、地应力（大小和方向），这对研究一些地质现象，地震成因等有不可或缺的作用；
前面的答主提到了获取地层岩石信息可以取芯，那么取芯要用到取芯钻头。

取芯钻头和常规钻头的区别就是中空部分更多，这种钻头在地层中钻进时能把钻过的地层岩石保存下来。值得注意的是，取芯成本同样很高！！！虽然是直接手段，但不是唯一手段。并且取芯有个缺点就是：无法获取连续的地层信息！下面我简要介绍除了钻井以外获取这些信息的常规手段，主要包括地震和测井两个方面。
地震
所谓地震勘探是利用地下介质弹性和密度的差异，通过观测和分析大地对人工激发（放炮等方式激发，不要担心，不会摇垮你的房子，而且的都是在野外，规模同那种常识中的地震相比不值一提）地震波的响应，推断地下岩层的性质和形态的地球物理勘探方法。

通过地震可以获得地下的构造、油气含量、以及一些基本的岩石力学信息（主要是声波，纵波，横波等）
通过处理地震数据，可以得到以下成果图。


地震获取的主要是广度的、大范围的信息，其精度往往不高，但已经能够反映一些地下的基本特征。
测井
为了获得更加丰富的储层信息（储层物性、含油气饱和度、渗透率、孔隙度等），和岩石力学信息，固井固好以后（也可以钻开就测  这时候是裸眼测井），要下入测井仪器进行测井。
测井就是利用岩层的电化学特性、导电特性、声学特性、放射性等地球物理特性，测量地球物理参数的方法。

获得的测井成果图例如：

通过处理分析这些信息，可以得到地层的许多基本性质。
值得注意的是，测井能够获取从井底到井口测井仪器走过的能测量的所有信息，所以测井是连续的，测井的精度要高于地震，并且测井的信息丰富程度要高于地震，但是测井的探测器范围有限，径向最远不过几十米，因此径向探测范围有限。
此外，获取深部地层信息的方法还有水力压裂等方法，不赘述。
总结：钻深井是获取深部地层信息最为直接的方法，但不是唯一方法。尽管测井和地震等方法也能获取这些数据，但获取方法都属于间接获取，精度也有待考量，并且测井要在钻井之后才能进行。因此，钻深井研究地球内部有非常重要的意义。