地球上で最も深い穴はどうやって掘られたのでしょうか?

著者: 桂有宇

レビュアー: 周英草、PetroChina Technology Research Institute 主任エンジニア

宇宙を探索するのと地面に穴を掘るのとでは、どちらが難しいでしょうか?答えは「空に上がるのは難しいが、地に降りるのも難しい」です。人類が宇宙に打ち上げた最も遠い探査機は太陽系を越えて飛行し、地球から200億キロメートル以上離れています。地球上で人類が掘った最も深い穴は13キロメートル未満です。人間が住む地球の直径は12,742キロメートルです。地球内部の最高温度は6,000℃を超えます。地球の地殻の平均厚さは17キロメートルです。世界で最も深い井戸は、地球の直径のわずか1000分の1です。地球をリンゴに例えると、このリンゴの皮をかじった人は誰もいません。

地殻の模式図

穴を掘るのはなぜそんなに難しいのでしょうか？動物は道具を使わずに穴を掘ることができます。私たち人間は、掘削機、井戸掘り機、掘削装置を数多く持っています。なぜ地球の中心まで掘ることができないのでしょうか?実際のところ、地面に穴を掘るのはあなたが思っているよりも難しいかもしれません。

スマート掘削概略図

穴はどうやって開けられるのですか？私たちの生活の中には、さまざまな穴があります。装飾をするとき、作業員は電気ドリルを使用して壁に穴を開ける必要があります。真珠をネックレスに通したい場合、まず真珠に穴を開ける必要があります。そしてもちろん、今日人々が使用している地下水も、地面に穴を掘って得られています。これらの穴の大きさや深さに関係なく、穴を掘る基本的な原理は同じです。硬いドリルビットを見つけてそれを連続的に回転させると、周囲の材料が細かく切断され、ドリルビットの直径と同じ大きさの穴が開けられます。

つまり、穴をあける作業は、本来は垂直に下向きに力を加えて行うべき作業だったのですが、人間は知恵を絞ってドリルの刃を回転させる作業に変えたのです。人生において不可能と思われる多くの課題が、このようにして解決されます。たとえば、長さ 5 センチの釘を素手で木に打ち込もうとしても、どんなに頑張っても無理です。しかし、スパイラルワインオープナーを追加し、あまり力を入れずに回転させると成功します。地球に穴を掘ることと、ワインオープナーをコルクにねじ込むことの間には、基本的な原理に大きな違いはありません。

しかし、1メートルの穴を掘るのは簡単ですが、1万メートルの穴を掘るのは非常に困難です。世界で最も深い穴は現在、ロシアの北西端、ノルウェーの近くにあります。これはコラ超深度掘削孔と呼ばれ、垂直深度は12,262メートルです。

このような穴を掘るのは、何が難しいのでしょうか?

まず、長いです。 10,000 メートルの長さの井戸を掘るには、10,000 メートルの長さのドリルパイプが必要です。たとえそのような長いドリルロッドを製造できたとしても、それを空中に垂直に立てられる人はいるでしょうか?科学者たちは、ドリルロッドを1本ずつ作り、最初にドリルロッドの長さだけ掘り、次に新しいドリルロッドを接続し、井戸全体が掘削されるまで掘りながら長さを延長するという解決策を思いつきました。

2 番目に発生する問題は、穴が深くなるにつれて、地下水と岩石が掘ったばかりの穴を圧迫しようとすることです。これは、地下には常に圧力がかかっており、深く行くほど圧力が大きくなるためです。洞窟の壁の岩は硬いのですが、地下の巨大な圧力によって豆腐のように押しつぶされてしまいます。科学者たちはこの問題を解決するために2つの方法を持っています。1つは洞窟の壁の周りに鋼管とセメントの輪を追加して壁を強化することです。もう一つは、穴を掘りながら泥を継続的に注入し、井戸内に圧力が満ちて、地下の岩石と競争できるようにすることです。

しかし、洞窟の壁を鋼管とセメントで補強すると、3 つ目の問題が発生します。新しい鋼管は、すでに洞窟内にある鋼管の真ん中しか通らないため、洞窟はどんどん細くなってしまいます。つまり、無限に穴を掘り続けることはできないのです。コラ超深度掘削孔の直径は地上約1メートルですが、井戸の底部では直径は1フィートの長さ未満です。したがって、もし誰かが不運にも地球上で最も深い穴に落ちてしまった場合、その人は穴の上部に閉じ込められるだけで、穴の底まで落ちる方法はありません。

もちろん、このような深い穴を掘る際の困難さは、上記に限定されるものではなく、主に以下の点が含まれます。第一に、超深井戸の地質条件は複雑で、掘削時間が長く、効率が低く、安全生産リスクが高いです。第二に、超深井戸は一般に、最高260℃の超高温と最高170MPaの超高圧となり、洞窟内で使用される機器や道具、泥、セメントスラリー、資材は厳しい課題に直面します。第三に、地層の圧力システムが複雑であり、噴出、漏洩、坑井の崩壊、ドリルの詰まりなどの複雑な事故が発生するリスクがあります。第四に、地層の岩石が硬くて掘削が難しく、掘削速度が遅く、サイクルが長い。第五に、地層には硫化水素や二酸化炭素などの強酸性の流体が豊富に含まれており、鋼管やセメントに深刻な腐食を引き起こします。

コラ超深度掘削孔は、上記の困難をすべて克服しましたが、それでも14年かかりました。ざっと計算すると、1日で2メートル以上しか降らなかったそうです！ドリルロッドが折れたり、砂利に引っかかったり、セメントで坑井が塞がれたりするなど、大小さまざまな事故が頻繁に発生するためです。このような事故が発生するたびに、ドリルビット全体を地面に持ち上げて再組み立てする必要があります。再組み立てが不可能なほど重大な事故が発生した場合、元の穴の隣に新しい穴を掘ることしかできません。結局、科学者たちは計画していた15キロメートル以上の深さには到達できず、12キロメートルを少し超えたところで作業を中止せざるを得なかった。

戦い続けることはできるでしょうか？不可能ではないですが、最大の障害は費用が高すぎることです。 2010年、科学者たちは地球上で最も深い穴を掘り続けるには少なくとも数十億ルーブルの費用がかかるだろうと見積もった。

コラ超深度掘削孔は稼働を停止したが、人類の地球探査は止まらない。科学者たちはすでに海底に新たな穴を掘る計画を立てている。海底の地殻は陸上よりもずっと薄く、掘削にはわずか6キロメートルしかかからない。その時までに、人類の地球に対する理解は大きく前進しているだろうと予想されます。