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中国大陆科学钻探工程
——深入地下5000米的“望远镜” 工程总投资：1.76亿元
超深钻井的工人 上天、入地、下海是人类向自然界挑战的三大壮举。被称为伸入地球内部“望远镜”的大陆科学钻探是带动21世纪地球科学和相关工程技术发展的大科学工程,同时也是解决人类社会所面临的资源、灾害和环境等问题的重要基础研究课题之一,具有划时代的意义。
亚洲第一井——CCSD－１号科钻工程井架主体。 中国大陆科学钻探工程 1997年6月,经国家科技领导小组批准,中国大陆科学钻探工程被列为“九五”国家重大科学工程项目。1999年9月27日,国家计委批准了“中国大陆科学钻探工程”项目建议书。项目由国土资源部负责组织,具体实施任务由中国地质调查局所属中国大陆科学钻探工程中心承担。项目总投资1.76亿元,其中国家安排投资1.3亿元。项目选址江苏省东海县。2007年12月17日通过国家发展改革委员会和国土资源部组织的国家验收。 中国大陆科学钻探工程CCSD—l井通过卫星确定井口坐标后，于2001年4月18日在江苏省东海县安峰镇毛北村北侧破土动工。该井是目前世界第三、亚洲第一深井，井深达到5158米，孔径256毫米，投资额1.5亿元，钻探工程将历时5年。
入地难于上天 在距离东海县城20多公里的安峰镇毛北村北侧的“中国地眼”，远远望去，被推土机平整过的田野中，矗立着一大一小两座钻井架。小井架是专门用来试验科学家们根据地层情况研制加工出来的井下工具的。由于地学钻探在国内是一个全新的项目，其所依赖的科学钻探工具没有任何定式，只有由科学家们在现场根据钻探实际现场研究现场制作。
开钻现场 工程难度 该钻探工程主要有三大难度：一是井难打，由于要钻入温度达到100摄氏度以上、含有侵蚀性强的特殊流体的地下空间中，必须运用许多高新技术；二是难钻，钻探要将长5000米的岩心，按85％的比例取出，全孔取心在世界上是首次，目前取心率达89%,最长岩心达4.25米。；三是不能打歪，从地表打至5000米深处，倾斜度不能超过18度。目前中国“地眼”的倾斜度为9.7度。 地质钻探有三个难点：井斜、井壁坍塌、岩石坚硬形成的下钻困难。无法有效地探知井斜的发生，这仍然是制约大陆科学钻探的世界级难题。德国KTB钻探项目，在3400多米处井斜超过标准，同时因遭遇地下断层，使井底坍塌形成一个极大的地下空洞。科学家们在没有其他任何补救办法的情况下，只有将坍塌的空洞处填死，之后设法绕开这个障碍，将斜眼归位0度后重新继续下钻。这是一个十分复杂的过程，德国ＫＴＢ的科学家和施工人员经历了三次绕障、两次侧钻后才终于定出新的井眼位置，使下部钻探得以继续。 在CCSD—１井工作场，一大堆被磨掉了大半个身子的各种金钢石钻头，静静地立在那儿，向人们展示着地下岩石的坚不可破。这些钻头都是科学家们前期进行试验淘汰下来的。ＣＣＳＤ—１井要在典型的超高压变质岩中取心钻进，这里的地层由石英岩、片麻岩、硫灰岩等硬岩组成，地下岩石硬度最高达到了９级（１２级为顶级）。其岩石硬度就如一个沙轮，光靠某种单纯的工具是无法将它穿透的。“螺杆马达＋液动锤＋金刚石取心钻井”工艺方法则很好地解决了地层坚硬下钻困难的问题。 惊人发现 生命的极限是什么?中国大陆科学钻探工程的发现,令科学界大吃一惊。科研人员在地下3910米的极端条件下发现了大量微生物,这里高温、高压、缺氧、贫营养,早已超越了人们常识中的生存极限。科研人员在65摄氏度、压氧的人工环境中,将来自地下深处的微生物活体成功培养为一株兼性厌氧菌,从而发现了新的细菌家庭DNA基因。
中国大陆科学钻探工程是继前苏联和德国之后第三个超过5000米的科学深钻,也是全世界穿过造山带最深部位的科学深钻,该工程建成了亚洲第一个深部地质作用长期观测实验基地,也是亚洲第一个大陆科学钻探和地球物理遥测数据信息库,亚洲第一个研究地幔物质的标本岩心馆和配套实验室,使我国超高压变质带和地幔物质研究达到国际领先水平。
苏联科拉超深钻井(Kola Superdeep Borehole)是大规模超深洞钻探项目领域的“一个尤物” 世界上最深的探洞 钻这个超深洞的过程非常简单。要在地面上钻出洞来，只要将一套钻探工具安装在一钻杆底部就可以了。当它下到洞底，威力强大的发动机会将洞底敲死，这样洞就会不断加深。液体不断从洞里流进和流出，以冷却钻头，并维持凿洞的稳定。钻头磨坏后，工人就会另换一个。虽然钻洞的基本原理众所周知，但是钻一个超深洞是一项非常困难的工作。前苏联在钻到地表如此深的地方的过程中，遇到了一系列技术问题。其中最重要的问题是地壳深处的高温。负责科拉超深钻的工程师根据有限的资源总结出制冷方法，制出很多能在超过600华氏度的高温下继续工作的钻头。 前苏联的这项钻探工程从60年代初开始，直到苏联解体才宣告结束。当时的地缘政治环境在很大程度上给这项工作蒙上了一层神秘面纱。尽管前苏联地质部部长艾弗杰尼·柯兹洛夫斯基编写了现在已经绝版并很难找到的书《科拉超深钻井》，但是有关这个项目的数据从没传出国外。尽管想往更深里钻已经不可能了，但是科拉井直到现在也没有被封死，结构依旧保存完好。从这个洞中采出的岩石，即已知的岩芯，甚至仍保存在科拉学院中。用于钻探该井的设备仍在用来探测地震，并用于其他测量工作。 然而尽管该项目付出了巨大努力，并用了多年时间进行钻探，但当代美国和欧洲地质学家并不经常参考或利用科拉数据，他们更喜欢利用德国KTB深层岩芯项目产生的数据，认为这些数据更加规范。这种情况引出一个问题：为什么前苏联付出的所有努力最终对地球学没有产生太大的价值？斯坦福大学的地质学家佐白科表示，科拉的目标没有其他项目那么明确，导致这一结果的原因可能是该项目只是为了获得胜利，只想比其他国家钻得更深，并不是出于一个特殊科学目的。 美国科学钻探是国家长期的研究项目。1960～1970年,美国实施了国际地幔计划(IUMP),47个国家参加,历时10年。1961年,美国开始实施莫霍计划(Mohole Project),在加利福尼亚湾外、墨西哥西海岸外施工,1966年因经费等原因而终止。1965年,美国4所大学组建了“地球深部取样海洋研究机构(JOIDES)”,由前苏联、英国、日本、联邦德国等参加,商定进行“深海钻探计划(DSDP)”,于1968～1983年实施,采用“格洛玛·挑战者”号钻探船航遍各大洋,完成了1112个钻孔,钻取了97万米洋底岩心,为古海洋学的研究作出了重大贡献。 前苏联科拉半岛超深钻井钻至9000米附近发现了富含金的岩石;德国KTB井中发现8000米以下存在大量的含矿热卤水,存在着很强的现代地质作用;格陵兰冰心钻探取样竟意外发现了20万~25万年以前气候变化的信息,包括公元79年意大利火山爆发造成的酸雨痕迹,1815年印度尼西亚坦博拉火山爆发的火山灰,1952年美国第一次氢弹爆炸试验遗留下来的放射性离子尘,1986年前苏联切尔诺贝利核电站泄漏事故飘散的放射性离子尘。乌克兰大陆科学钻探在前寒武纪结晶岩中意外地发现了5个大型储油层。近年超深钻对于揭示古老地壳深部岩石变形机制提供了条件。
钻超深洞的钻头 综合性科学工程 为了有效地利用从深钻中获取的岩心数据、测井和地球物理成像数据，必须建立联合数据库系统，通过因特网与全世界的科学家共享。因此，大陆科学钻探的反馈系统必须包括钻探、测井、现场实验室、地球物理遥测与数据管理网络五个部分。
科拉钻井 与人类社会生存发展休戚相关 凡是只有通过钻探才能解决上述科学目标的最有利地点，被称为世界级科学钻探场地。如墨西哥世界上最大的陨石坑，以及世界上规模最大的超高压变质带(中国大别山—苏鲁地区)，都是世界级大陆科学钻探场地。 工程大事记
1994年2月，中国科学院地学部组织专家开展地球科学“入地”发展战略研究。 1997年6月，国家科技领导小组批准“中国大陆科学钻探工程”列入“九五”国家重大科学工程项目。 1997年11月，中国大陆科学钻探工程第一口预先导孔（CCSD－PP1，430m）钻探完成。1998年4月，国际大陆钻探计划组织（ICDP）审议通过了“中国大别－苏鲁超高压变质带大陆科学钻探”项目正式建议书，并予以150万美元经济资助。 1998年12月，中国大陆科学钻探工程第二口预先导孔（CCSD－PP2，1000m）开始钻探。 2001年6月25日，中国大陆科学钻探工程先导孔开始试钻，现场仪器设备以及其它生产、生活设施基本到位。6月底至7月初，ICDP组织专家到东海现场进行培训。7月初，用于扫描录入岩心的DIS软件调试成功，用于岩石物性、流体化学测试的各种设备安装运行顺利，试钻一切正常，正式开工仪式前的准备工作就序。 在被人们忽视了很长一段时间之后，石油在19世纪50年代中期又半遮半掩地进入人们的视野，那时，美国和欧洲很多业余的和专业的化学家都在进行从石油中提炼照明燃油的试验。很多人都声称自己是现代石油蒸馏工艺的发明人，在这些人中，有位叫亚伯拉罕·盖斯勒（Abraham Gesner）的科学家应该得到特别表扬，是他于1854年把煤油这个可以用于“照明或其他用途”的新产品在美国申请了专利。由于它比当时的任何照明材料都便宜、安全并且更好用，所以在宾夕法尼亚西部（Western Pennsy1vania）和纽约市得到了推广，当然当时有利的大环境对煤油的推广也功不可没。由于大西洋捕鲸活动过于频繁，当时有钱人（只有他们能用得起）照明所偏爱的鲸油的供应已经濒临枯竭。要增加供应就得航行到南非那么远的海域，这就使得产品的价格暴涨。但是石油抢占市场的最大障碍是产量不够。所有的提取技术都还停留在远古的水平，人们仍在用原始的工具和外行人使用的设备收集渗出地表的石油；大多数都还是手工收集。 当时世界上也散布着一些在地表下钻井的例子，如法国、日本，和其他一些亚洲国家特别是阿塞拜疆（Azerbaijan），但是这些活动都没有在全世界得到推广。在1859年，宾夕法尼亚州出现一场大革命，当时埃德温·德雷克（Edwin Drake）用钻井机器从坚如磐石的地下成功钻出石油。 德雷克这个没有丝毫地质和工程学技术的未来“上校”，一生似乎注定了要失败。他进行过很多次尝试，梦想着取得英雄般的成就，但是每次都以失败告终，最后沦落到从事蒸汽船夜间记录员、农场劳工等很多这样收入低微的工作。当德雷克因严重的关节炎在康涅狄格州的纽黑文（New Haven）度假的时候，他和当地银行家乔治·毕赛尔（George Bisse11）逐渐熟识起来。这个乔治·毕赛尔与几个合伙人有一家小公司，他们在宾夕法尼亚州蒂图斯维尔（Titusvi11e）的一个小村庄附近的土山包上从事商业规模的石油开采。巨大挑战激起了德雷克那种唐吉诃德式的天性，再加上他的身体也已经接近完全康复，这使其成为毕赛尔心中从事这一冒险事业的最佳人选。德雷克担任了这一活动的运营领导者。尽管德雷克只穿过列车长的制服，但是为了吸引更多的投资者，毕赛尔及其合伙人将德雷克尊称为上校。 这次只有失败没有成功的德雷克让世人大跌眼镜，他在接受毕赛尔建议的基础上发明了一套新方法，并采用这种方法在1859年8月28日成功地钻出了石油。他与一小队当地工人一起建起一座木制塔楼，用以承载一个巨大的蒸汽驱动的轮盘，轮盘上绕着一根缆绳，缆绳的一端连接着一个铁制钻头。轮盘转动，缆绳及其滑轮装置上升，之后让其自由落下地面，如此反复就可以挖出一个洞。这一用于挖盐丘的技术在1847年阿塞拜疆的石油开采中就已经被使用过，但是德雷克在里面加了点自己的东西，而这点被加进去的东西被证明是很重要的。他向洞里打入一根管子，再命令手下人在这个管子里挖掘，这样洞边的水和散落物就不会阻碍钻头的前行。这样，上校就为现代石油工业奠定了钻井原型。最后1901年的得克萨斯州采用了旋转钻探，对这一技术做了改进。 宾夕法尼亚州42加仑的木桶在偶然间被他用于装罐和运输石油，并成为石油世界使用时间最长的重要事物。这种主要用于威士忌交易的木桶将成为石油市场沿用至今的生产和消费基础度量单位。德雷克这口油井的最初产量是每天35桶，并以每桶40美元的天价出售，这相当于今天的六七百美元。 德雷克上校那具有划时代意义的试验被看作是石油工业的起源。那些关于这次试验成功的报道和传言编织着这样一个美梦，即用报纸和歌谣所传颂的“黑金”代替鲸油，它是社会永盛不衰的仙丹。一时之间，不计其数的没有经过专门训练的石油勘探人员涌入宾夕法尼亚西部。他们有个绰号——野猫钻井者”。随之而来的是运输人员、提炼人员、商人、经销商、银行家、投机分子，以及经常出没的骗子。1861年，第一家炼油厂投产，美国出口的第一批石油用木桶装运经费城（Phi1ade1phia）运往伦敦。1865年，第一根石油管道铺设成功，它有5英里长，每天能运送800桶石油。这样，所谓的“黑金热”开始了。随着煤油进入美国市场，紧接着闯入欧洲市场，石油生产飞速发展。但是对很多缺乏理性的先驱者来说，不知什么时候，这个朝阳产业突然成了梦魇。 不仅新油田的发现是难以预料的，而且一旦油田被发现，经验不足的生产商无法顾及油田的开采特征，再加上当时的法律赋予了土地所有者拥有其地下资源的所有权力，这都在鼓励着人们过度开采。结果是，供过于求的局面反复出现，导致油价不断下跌。很多为了发财拼上全部家当，甚至举债投资的人纷纷破产。石油价格的剧烈波动成为交易的一般特征。1860年，油价狂跌到10美分，然而在1861年油价又弹回到10美元；1862年油价都在每桶10美分到2.25美元之间波动，每桶的平均价格是1.5美元。实际上，每桶原油出井的平均价格在1863年是3.5美元，1864年是8美元，1866年4美元，1867年2.8美元，1869年5.8美元，1871年4.2美元，1873年不到2美元。然而算术平均并不能反映油价在一年之中剧烈的上下波动，正是这些波动使得成型期的石油市场出现了过山车式的曲线。可笑的是，在很长一段时间里，木桶的价格在2.5美元和3.5美元之间波动，木桶的成本大大超过了桶内物品的价值。 就德雷克上校来说，他既没能逃离行业早期价格的波动之苦，也没能摆脱纠缠其一生的屡战屡败、受人鄙视的命运。1861年，他钻探的油井发生了火灾，毁掉了他公司所有的机器和设备。德雷克又带着他的全部家当投身于石油和股票交易，但是等着他的是更多的失败。德雷克在穷困中死去，只能靠同情他的朋友的救济和少得可怜的宾夕法尼亚州的退休金才得以摆脱领取救济金度日的悲惨生活。 正是在这样的形势下，约翰·D.洛克菲勒（John D Rockefe11er）以一个最亲切而又最残忍的石油工业之父，甚至是整个现代工业之父的形象出现在人们的面前。 这个受过训练的簿记员，而后又从事过各种商品贸易的商人，由于一次偶然的机会，于1863年在俄亥俄州（Ohio）进入了石油炼油业。几年之内，洛克菲勒就意识到，数以万计的财富追求者不断出现，如果对他们的盲目行为不闻不问，迅速发展的石油工业必定会永远处于混乱之中。洛克菲勒早先就对自由市场的优点有所怀疑，尤其怀疑自由市场的自动调整这一神奇力量，愚蠢和盲目竞争带来的灾难性后果强化了他的想法。 他生活的世界和亚当·斯密的不同。在亚当·斯密的世界，每个人都通过从事经济活动和进行竞争对整个的社会进步贡献着力量，同时一只看不见的手抹平所有的不平衡。但是只要洛克菲勒将他的视线从这位英国的现代经济之父的理论框架中移开，他就会看到这样的一个世界：贪婪和掠夺激起了残酷的盲目竞争。在他的头脑里，根本没有一只“看不见的手”在这个世界上发挥作用。就石油来看，非理性的人们在改变着世界，他们不断建起的堡垒给他们自己以及整个石油行业带来了灾难。要否认这一观点是很难的。例如，在1869年，炼油能力就是原油生产能力的三倍，而且90％的炼油厂商处于结构性亏损的运营状况下。就像洛克菲勒曾经说过的那样：“通常，大多数的竞争不是来自于那些强大、明智、保守的竞争者，而是来自那些鼠目寸光，忽略成本的人，无论如何他们只能艰苦经营或者破产。”根据他的逻辑，开放的竞争决不是解决美国这个新兴行业中存在的灾难的最好途径；相反，它是主要祸害。 令人担忧的已不仅仅是石油行业的局势，这更加肯定了洛克菲勒的悲观看法。实际上，整个美国经济似乎正在恶化，贪然点燃了缺乏理性的投机活动，导致了行业混乱，引发了不道德行为，任何人都找不到安全感。这就是马克·吐温所说的“镀金时代”，一个疯狂和充满风险的实验室，这里会出现企业家，坚定的先驱，江湖骗子和“流氓贵族”。他们同时存在于这个充满着腐败、投机倒把、践踏市场规则的商海。例如，1869年，一次少见的黄金投机风波导致了证券市场的崩溃——六年中的第二次——弓}发了一连串的连锁破产反应，为长期的萧条埋下了伏笔。虔诚的施洗者极其不满地看着这个世界，并真正把宗教热情贯彻到他的生意中，抗击着他那个时代的祸患。 凭着在数字和速算方面的惊人天赋，对生意场上错综复杂情况的敏锐观察力和将他们纳入合理体系所显现出来的说服能力，洛克菲勒开始构想一个可以运用于石油行业能使其摆脱兴衰怪圈及其令人深恶痛绝的后果的伟大而合理的结构。他最后的解决办法是简单而宏伟，却令人感到不安：迫使竞争者团结起来。 洛克菲勒的计划是接管所有石油市场所谓的下游组织，例如炼油厂、运输路线、管道、轮船等。他将这些看成生产者和消费者之间的瓶颈。相反地，他总是认为石油生产难以捉摸，因而难以管理，于是他就将这个留给石油行业的投机分子。从不打无准备之仗，也从不愿意赌博的他在1870年建立了一个新公司——标准石油，奠定了自己的战舰基础。然后他开始实施一个庞大的计划，拔掉曾经打断石油行业运转的塞子。因此，他首先回到标准石油的家乡，俄亥俄州的克里夫兰（C1eve1and，Ohio），那时它是美国的主要生产中心之一。在那里他合并了家乡整个石油炼油行业。在1872年的2月到3月间，他收购了26家炼油公司里的22家。这就是后人所说的“克里兰夫大屠杀”。最终，在声势不断壮大的兼并中，他在全国范围内发起了一场令人印象深刻的兼并运动，几乎控制美国所有的炼油及其服务公司。 这些公司中，绝大多数公司都是通过劝说兼并的，他几乎不费什么劲就能让他的对手对避免恶性竞争带来的好处感兴趣。那些接受他建议的公司都得到了很大的好处。洛克菲勒让他们在标准石油担任股东甚至上层经理，让他们选择成为百万富豪，或者成为洛克菲勒的长期合作伙伴。对于那些想保持独立经营的公司，只要他们接受最高产量限额，那么洛克菲勒就和他们签订合约，保证他们获得一定的利润，同时洛克菲勒可以在供过于求出现时充当“起决定性影响的生产者”，通过缩减产量来维持合理的价格。但是，那些反对他的炼油厂和石油商都被无情地排挤出了市场，眼睁睁地看着他们的希望破灭。 以前从没有实现过如此完美、如此难以实现的宏伟计划。发起标准石油这些具有创新意义和富有争议的运动的总军师是亨利·弗拉格勒（Henry F1ag1er），洛克菲勒最聪明最大胆的搭档。 此人晚年开发佛罗里达（F1orida），建立了迈阿密海滩和棕榈海滩，将那里变成了“美国的里维埃拉”。与洛克菲勒的寡言且富有耐心不同，弗拉格勒外向、好斗。他是一个天生的冒险家，他明确地将座右铭写在桌子上的铭牌上——“先发制人”。标准石油的很多重要交易很可能正是弗拉格勒提议的，最后也由他来敲定的。例如，和美国主要的铁路公司谈妥的秘密协议，即必须要获得巨额的石油运输费回扣，才确保提供铁路公司大量的石油运输生意。 由于管道运输还处于初级阶段，铁路在任何产品的运输中都是很关键的——石油也包括在内。这样标准石油和他们的交易就成了公司快速发展的一个主要因素，但是该事件后来也困扰着洛克菲勒，并最终导致其帝国解体。因为这些交易，与竞争对手的平均运费相比，标准石油可以获得20％－30％的回扣；更夸张的是，洛克菲勒和他的合伙人甚至还能从铁路部门为其他公司运输的每桶石油中收取相关的费用——大概是每1美元收取25美分，这就确保了后者惊人的优势地位。 为了逃过洛克菲勒所建立的怪物的致命的围歼，其竞争对手竟不得不大赌一场——建立第一条长距离管道。那时，人们认为这个项目是愚蠢的冒险之举，因为当时没有任何技术指导，也不存在能证明石油可以长距离管道运输的理论。然而洛克菲勒的对手成功地建立了一条从宾夕法尼亚西部油田到宾夕法尼亚瑞丁铁路，总长为110英里的石油管道。这条叫做潮水管道（Tidewater Pipe1ine）的工程在1879年竣工，同年这项重大技术成就就被投入到石油运输，它“可以同四年之后的布鲁克林大桥相媲美”——丹尼尔·尤金曾说道，然而，标准石油用了几年的时间就跻身到这个崭新的技术领域的前沿，并控制了新的长距离运输管道。 在19世纪80年代早期，洛克菲勒最终实施了他的垄断计划，控制了美国90％的炼油厂和石油管道，占有绝大多数的公路、铁路运输的油槽车，并且控制了所有高级铁路润滑油的生产，同时还拥有最大的向世界出口石油的油轮船队；那时美国的石油生产和提炼占到了世界的85％。而且，在信息实时传输之前的年代，标准石油代理这个巨大的网络监控着国家的每一个角落，谨慎地跟踪所有的零售价格，所有煤油的销售、地方竞争对手的一举一动，以及任何可能影响原油价格的石油新发现的迹象。这些信息会很快传到标准石油的纽约总部和集团执行委员会，那儿会对每个问题制定出决策。例如，如果哪个大胆的竞争者试图降低煤油的价格，洛克菲勒的人就会命令当地公司把价格降得更低，然而同时在另一个州提高价格以弥补损失。当然，仍有少数标准石油的竞争对手存活了下来，尤其是那些他们的存在不会对标准石油的绝对垄断产生威胁的公司。 |
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