打造萬米深井鉆具“金鐘罩” | 科技前線

日前，我國“深地川科1井”鉆探深度突破萬米，相當(dāng)于向下鉆透了整座珠穆朗瑪峰。鉆頭首次觸及5.4億年前的“震旦系地層”。

項目的井下動力鉆具的關(guān)鍵部件使用了高性能金屬陶瓷復(fù)合材料。這一材料由中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所研究團隊深鉆金屬陶瓷復(fù)合材料智能設(shè)計平臺研制而成。

01

“蒙眼走刀尖”

“深地川科1井”超級鉆探工程正在向著地球深部極限發(fā)起挑戰(zhàn)。

地下萬米深度鉆探絕非易事，科學(xué)家將其比作“在黑暗中解剖地球”。地表至7000米深度尚有數(shù)據(jù)參考，但7000米以下完全進入“地質(zhì)盲區(qū)”——缺乏地質(zhì)圖，巖石硬度和結(jié)構(gòu)也未知，鉆探如同“蒙眼走刀尖”。

更嚴(yán)峻的考驗來自地下7000米的極端環(huán)境：200℃高溫如同滾燙油鍋；130MPa堪比1000頭成年大象站在一臺標(biāo)準(zhǔn)雙門冰箱上的壓強。

在這“高溫高壓煉獄”中，常規(guī)鉆探機具的鋼材和橡膠變得像面條一樣柔軟，無法完成鉆探任務(wù)。

面對如此極端環(huán)境，研究團隊亮出“黑科技”——新型金屬陶瓷復(fù)合材料。這類材料融合金屬的韌性與陶瓷的硬度，成為對抗極端環(huán)境中的高溫、磨損與腐蝕的“利器”。

02

用AI打造“金鐘罩”

新型金屬陶瓷復(fù)合材料研發(fā)之初，團隊借助通用大模型學(xué)習(xí)材料學(xué)、物理和化學(xué)的基礎(chǔ)知識，并注入團隊在金屬陶瓷領(lǐng)域積累的實驗數(shù)據(jù)與工藝參數(shù)，對AI進行“深度訓(xùn)練”，培育出“聰明”且具有持續(xù)學(xué)習(xí)能力的材料研發(fā)“AI大腦”——智能設(shè)計平臺與無人化制備系統(tǒng)。

▲材料智能設(shè)計平臺

▲無人化材料制備系統(tǒng)

系統(tǒng)具備高效篩選上千種材料配方、準(zhǔn)確預(yù)測特定配方性能、自動調(diào)整金屬和陶瓷比例優(yōu)化配方、3D可視化展示材料特性等四個核心功能。

依托系統(tǒng)，團隊研制出的新型多元金屬陶瓷復(fù)合材料，其力學(xué)、摩擦學(xué)等關(guān)鍵性能指標(biāo)較現(xiàn)役材料提升了15%至30%，并應(yīng)用于鉆具軸承、萬向軸等關(guān)鍵承載部件的表面強化，恰似給井下動力鉆具披上了“金鐘罩”。

同時，研究團隊與相關(guān)企業(yè)開展了深度合作，研發(fā)出系列耐高溫螺桿鉆具產(chǎn)品，并在深地川科1井7500米至10000米井深段全面實現(xiàn)國產(chǎn)化，為萬米深井重大鉆探工程的推進提供了支撐，形成了一套深地能源開發(fā)的中國方案。

來源：中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所

責(zé)任編輯：侯茜