Question

大陆科学钻探概述

Answer 1

刘宝林

科学钻探是为地学研究目的而实施的钻探，是通过钻孔获取岩心、岩屑、岩层中的流体（气体和液体）以及进行地球物理测井和在钻孔中安放仪器进行长期观测，来获取地下岩层中的各种地学信息，进行地学研究。在陆地上施工的科学钻探称为大陆科学钻探。

国际地球科学界认为只有通过钻探直接观察和研究地壳内部正在活跃进行的物理、化学和生物的作用、特征及其过程，才能取得对地球科学真实的、精细的认识，验证远距离探测的论断，提高探测的可靠性。

按1993年9月在德国召开的国际大陆科学钻探会议商定，科学钻孔深度的定义是：浅孔为2000～4000m（用深型岩心钻机施工），深孔为4000～6000m（用旋转钻机施工），超深孔为6000～15000m（用巨型钻机施工）。此外，湖泊钻探也是科学钻探的一部分，钻孔深度一般在10～500m。

大陆科学钻探是当代地球科学具有划时代意义的大型科学工程，是解决当代人类面临的人口、资源、环境等问题的必由之路，是带动21世纪地球科学和相关学科技术发展的大科学。大陆科学钻探是由地质超深钻探发展而来的，预期目标主要是为了研究深部地质学问题。实际上，经过科学选址而实施一些浅钻孔同样可以研究某些重大地球科学问题以及与人类生存密切相关的诸如气候、环境、地震以及有毒废料的安全处理等课题。

1 ICDP（International Continental Scientific Drilling Program）简介

1.1 成立背景

1992年11月，经济合作发展组织（OECD）举办的大科学论坛评述了大洋和大陆钻探全面进行国际合作的问题。1993年8月31日到9月1日，在德国Potsdam国际大陆科学钻探会议上提出了ICDP框架；9月2日，在KTB现场“国际大陆科学钻探会议管理者会议”上，15个国家的代表参加，决定成立ICDP筹备组，由德国地学研究中心的R.Emmermann教授负责草拟ICDP的有关章程。1996年2月正式发布“ICDP发起书”。

1.2 ICDP的任务

获得可靠的资金，进行有效的规划，履行可行的对全局有重大意义的计划；

确认适合科学钻探的国际合作场址；

确保进行适宜的前期场址调查；

为钻探项目提供技术支撑核心；

确保对计划进行恰当的监控；

确保项目成果有效地发布传播。

1.3 ICDP的准则

国际性——地质科学、工程技术、资金等进行国际合作；

全球性——开展具有全球意义的大课题；

必须经过钻探——必须通过钻探才能解决的问题；

社会需要——如解决能源、矿产、地质灾害、气候、环境等问题；

钻孔深度与成本——在满足科学目标的前提下，尽量降低钻探难度；

活动的过程——研究目前活动的地质现象。

1.4 ICDP与ODP的差别

ICDP——钻探地点在某个国家，首先获益；研究世界级的科学问题；研究38亿年的地球历史；必须冠以“Scientific”。

ODP——钻探地点、条件、孔深和工艺技术多样化；在公海钻探，是全球性的计划；研究1.8亿年的地球历史；本身就是科学目的，不必冠以“Scientific”；主要设备为钻探船，工艺技术比较成熟。

2 大陆科学钻探的作用

研究地震、火山喷发的物理化学过程以及降低其影响的最佳方法；

研究近期地球气候变化的模式和原因；

研究陨击事件对气候和集群灭绝的影响；

研究深层生物圈的性质及其与碳氢化合物和矿床的形成、生物演化等地质过程的关系；

放射性和其他有毒废料的安全处理；

沉积盆地和碳氢化合物的来源及演化；

矿床在各种地质体中是如何形成的；

研究板块构造、热力学、物质和流体在地壳中运移的基本物理学过程；

如何更好地解释用于了解地壳结构和性质的地球物理数据。

3 大陆科学钻探的现状

目前美国、俄罗斯、德国、加拿大、日本、法国、英国、瑞典、新西兰、比利时、冰岛、澳大利亚、奥地利和瑞士等国家都开展了科学钻探。全世界计划完成近百口科学钻孔，其中深钻孔10余口。具有代表性的科学钻探计划如下：

已经完成的有：

1960年，美国提出国际上地幔计划（IUMP）。

1965年，开始实施深海钻探计划（DSDP）。

1970年，苏联开始SG-3大陆超深钻孔施工。

1983年，开始实施大洋钻探计划（ODP）。

1984年，美国组建DOSECC，计划完成29口科学钻孔。

1987年，德国开始KTB先导孔施工，1989年完成，终孔深度4000.1m。

1990年，KTB主孔开始施工，1994年9月完成，终孔深度9101m。

2001年，ICDP计划已批准的项目及执行情况（见下表）。

地球科学进展

3.1 原苏联

原苏联的大陆科学钻探实施最早，钻孔最多，开始于第二次世界大战后，实施了几十口基准井。1965年确立了超深钻实施步骤，地质学家别科亚耶夫斯基等根据深部地球物理资料提出，为获得完整的地壳剖面，至少要在6个地区打科学超深孔。原苏联国家科委为这一庞大规划组建了“地球地下资源与超深钻探部门科学委员会”，有95个单位参加，由原地质部部长E·A·科兹洛夫斯基任主席。设计施工超深孔18口，其中SG-1孔设计深度12000m，SG-2、SG-3孔深15000m，其他15口是深6000m左右的先导孔（卫星孔）。1970年SG-3超深井开钻，设计15000m，1986年3月终孔深度12262m，为目前世界第一深井。1988年在亚罗斯拉夫国际科学钻探学术会议上公布原苏联科学钻探取得了40项重大科研成果。

3.2 美国

从1961年开始至今，执行了一系列海上科学钻探计划，如莫霍计划、DSDP深海钻探计划、ODP大洋钻探计划等，都取得了辉煌的成就。但海上钻探设备复杂、费用昂贵。1993年他们提出了一个口号：“把船开到陆地上来”，要大力发展大陆科学钻探。

美国大陆科学钻探计划（US/CSDP）：

已经完成的钻探项目有：伊尼欧（INYO）井1～4号、巴耶斯破火山口1号、伊利诺斯井（VC1，VC2A，VC2B）、索尔顿湖、长谷、卡洪山口及上地壳项目。

计划实施的项目有30多个，深度超过6km的有：阿巴拉契亚深部取心钻孔、伊利诺斯盆地超深孔、得克萨斯海湾海岸超深孔、夏威夷岛深钻项目（正在实施中）。

90年代美国将主要实施五个项目：即卡特迈的诺瓦拉普塔、卡洪山口第三阶段、巴耶斯破火山新项目、纽克克盆地钻、基础钻探项目等。

1974年美国在俄克拉何马钻成了大陆科学钻孔罗杰斯1号孔（Betha Rogers N0.1），孔深9583m。1985年在国家科学基金会领导下，制定“大陆科学钻探计划”（CSDP），选定孔位29处，陆续取得重大成果：①1985年在索尔顿S2-14＃孔执行以研究高温地热为中心的科学钻探（SSSDP）计划，1986年3月钻到3220m，贯穿沉积层到达下部闪长岩相角岩，中靶温度为353℃，为世界第一口高温地热井；②1986年陆续沿圣安得烈斯大断层施工10口科学钻孔，平均深度为5000m，以监测研究加利福尼亚州大地震发生机制。在卡洪隘口（Cajon Pass Hole）施工的第一孔经岩心磁法定向（占10%）、热导率、热辐射、应力场、波速等测试，发现断层带摩擦应力近100MPa，产生局部热导率异常1HFU（=40 MW/m²），美国地调局以此孔作地震观测孔，以上述量化临界数据提供多次地震预报，均大大减少了灾害损失；③美国Los Alamos国家实验室用10年时间在Fenton Hill在水平相距30m处钻两口以勘探与开发“干热岩”直接发电的科学钻孔，深度分别达3200m、4500m，直达火山岩体，用水力压裂使两孔相通，形成“热仓”，孔底温度达300℃，一孔注入冷水，另一孔排出温度为200℃以上的干蒸气，并用此蒸气直接发电。④沿圣安得烈斯施工的科学钻孔在2000m处的结晶岩基底岩中发现嗜温菌（Thermophilic bacteria），为研究地表以下生物活动提供依据。它的分布、总的数量、对油气生成的关系、它同地表生物活动的关系、以至同生物起源的关系、地下生物圈边界等等，留待科学钻探去勘探解决。

3.3 瑞典和西欧各国

在原苏联科学钻探发现深部地下有碳氢化合物等流体的成果鼓舞下，瑞典以及欧洲共同体等缺乏石油的国家，建立了OECD（欧洲经合与开发组织）将科学钻探列为大科学项目（Mega-Science）。瑞典首先在锡利扬（Silijan）大陨石坑施工Gravberg 1号孔，深6350m，取得油气样品85桶（约合18.5 t），化验后，其成分无异于普通石油天然气，并含有极细磁铁矿粉末，引起世界瞩目。科学家们推断油气来自上地幔裂隙，属非生物源油气，其后又布置另一口Stanberg No.1号科学钻孔。

3.4 德国

德国大陆深部钻探（KTB）到1993年9月2日钻深为8312.5m，（在孔深为8008.6m时，地温为215℃）。KTB目前获得的主要科学成果是：①证实了深部的温度变化和热转移，查明了深达6km多的地壳热结构；②修正了深部地球物理探测资料（反射地震、地电、重磁异常等），查明了地球物理结构性质和非均一性；③发现了地壳中流体的来源、成分和运动规律，对于开拓新的能源和探讨矿床成因有重要的意义；④测出了深达6km、目前世界上最深的应力分布资料，对于预测地震、火山等灾害有重要意义；⑤发现在莫霍面以下还存在地球磁场，在理论上这是一个重大突破。

KTB在实践中还研发了一系列的新技术和新工艺，其中最主要的是：①研制和使用了巨型钻机，在钻探设备自动化上取得重大进展。KTB的钻探设备主要技术指标：钻塔高度83m，设备总重2500t，10000m钻杆重400t，最大大钩负荷800t，总功率9500kW，泥浆泵流量1000～4000L/min，工作泵压350bar，泥浆箱总体积450m³；②研制和使用一套垂直钻进系统（VDS），KTB的主孔通过采用这一技术，使钻孔深度达到7000m时钻孔顶角不超过2°，钻孔水平移距不超过20m。而先导孔由于没有采用VDS系统，钻孔深度为4000m时水平移距达到了180多m；③在施工的组织管理，信息的获取、利用、发布和现场实验室等方面也积累了宝贵的经验。

4 大陆科学钻探在技术上面临的挑战

孔深大——需要重型设备、钻孔结构复杂、管材强度极限、钻孔弯曲严重、回转阻力增大、辅助时间长等；

结晶岩——钻进效率低、钻头寿命短、钻孔弯曲严重、纠斜困难等；

高温高压——泥浆性能变坏、管材强度下降、孔壁稳定性差、测井仪器性能降低等；高信息量——高取心率和取心质量、泥浆录井系统、流体样品的获取、深部现场实验室等。

5 中国大陆科学钻探（CCSD）简况

5.1 历史回顾

1988年，开始建议制定中国大陆科学钻探计划。

1991年，原地矿部开始组织进行“中国大陆科学钻探先行研究和选址研究”。

1992年，地质科学钻井工程列入“国家中长期科学技术发展纲要”。

1995年11月，国务院领导批准中国加入“国际大陆科学钻探计划（ICDP）”。

1996年2月中国正式成为ICDP三个发起国之一。

1996年8月，原地矿部与德国地学中心签订了在大别-苏鲁进行科学钻探的合作协议书。

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8月，由ICDP资助的“大别-苏鲁超高压变质带大陆科学钻探选址国际研讨会”召开，中外专家一致赞同在江苏北部东海县实施5000m的科学深钻。

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月至1999年6月，在江苏东海县毛北镇境内完成了1000m深的预先导孔施工，目的是为CCSD的施工设计和主孔施工提供必要的信息，并积累了施工经验。

1999年9月底，经历近10年的努力，在建国五十周年大庆前夕国家计委正式批准了中国大陆科学钻探工程项目立项建议书，这标志着该工程项目正式开始实施。

2000年3月28日至3月29日，由国家计委中咨公司组织十余位专家在北京对《中国大陆科学钻探工程工程可行性研究报告》（工程部分）进行了专家论证，与会十余位专家一致同意通过此报告，从此，中国大陆科学钻探工程正式进入设计施工阶段。

2001年6月25日中国大陆科学钻探工程先导孔终于在江苏省东海县开始试钻。

2001年8月2日，国家计委批准了中国大陆科学钻探工程的初步设计和开工。

2001年8月4日，中国大陆科学钻探工程在江苏东海钻探现场举行了开工仪式，全国政协副主席万国权等出席，各新闻单位竞相报道。

2002年4月15日，井深2046.5m，结束了取心钻进，先导孔完工。

2002年5月7日开始主孔的扩孔钻进。

2002年8月27日零时45分扩孔深度2028m，扩孔完工。

2002年10月10日开始主孔取心钻进。

2005年3月8日胜利完钻，终孔深度5158m。

2005年4月18日在中国大陆科学钻探施工现场举行了竣工典礼，国务院副总理曾培炎出席典礼仪式并发表重要讲话。

2006年3月18日，国际大陆科学钻探中国委员会（ICDP-CHINA）在北京成立。孟宪来任主任，许志琴、安芷生和黄宗理等任副主任。刘东生院士、孙枢院士、刘光鼎院士、李庭栋院士、刘广志院士等被聘为该委员会顾问组专家。

5.2 施工基本要求和条件

设计井深：5000m

终孔直径：

in（157mm）

取心要求：全井连续采取岩心

地层条件：坚硬的结晶岩，如片麻岩、榴辉岩、角闪岩等

温度梯度：2.5℃/100m

5.3 CCSD的目的

通过最短的钻距获取最深部的垂向连续变化信息，建立真实的深部物质组成、结构、流变学、地球化学、岩石物理、流体、地热、地应力及现代微生物剖面，并校正地球物理遥测的结果，建立世界性的深部结晶岩地区地球物理标尺。

揭示超高压变质带形成与折返机制的奥秘，研究会聚陆壳边部的动力学，为大陆动力学理论的创立奠定基础。

研究超高压变质带中金刚石和金红石（国防及航天材料）等资源形成的地质背景和成矿机理，开拓新的找矿方向。

发现来自地幔深处的新矿物和新物质，探究超高压物理条件下的矿物化学和结构行为。

研究现代地壳流体的富集、分布及迁移规律，探索其深部来源，揭示深部水圈的活动及水-岩作用对成岩和成矿的影响；

通过地下深处存活的现代微生物的研究，揭示地下生物圈在极端条件下（高温高压）的生物钟时限、微生物的潜育条件及其对成岩、成矿和生油作用影响。

在钻孔中放置各种探测仪器，监测地震活动、研究发震机制，揭示现代地壳活动及地球深部正在进行的各种物理、化学及生物作用，同时可将钻孔作为一个长期的、动态的、高温高压的成岩成矿实验室和矿物合成腔，完成在地表条件下所不能进行的多种重要科学实验。

促进我国钻探工程技术和相关领域的发展。促进我国钻探技术的发展，其技术成果将使众多的钻探应用领域迅速赶上世界先进水平，并带动工程科学、实验测试、机械工艺及超硬材料等技术的开发与发展。大陆科学深钻系统将发展和提高深部地球物理遥测方法与技术，并成为检验深部地球物理正、反演理论的实验场。

培养造就上百名跨世纪的地学研究与管理专家，满足21世纪我国开展经常性科学钻探工程及相关科学研究的人才需求，促进地球科学与物理学、化学、生物学、工程学、经济学和管理科学的联合与交叉，为发展新学科生长点提供机遇。

5.4 CCSD的八大科学目标

（1）揭示超高压变质岩形成与折返机理。

（2）再造大陆板块会聚边界的深部物质组成与结构。

（3）建立结晶岩地区地球物理模型和解释标尺。

（4）研究板块会聚边缘的地球动力学和壳幔相互作用。

（5）揭示超高压变质成矿机理，发现新矿物与新物质。

（6）探索现代地壳流体-岩石相互作用与成矿机理。

（7）研究现代地壳中微生物类型和潜育条件。

（8）为资源开发及地震发生机制的探索提供科学依据。

5.5 工程选址及钻探子工程

选址原则：瞄准具重大关键地学意义的地区；服务于人类社会面临的资源、环境及灾害三大问题；地质及地球物理研究程度较高；地层尽可能平缓，能穿越尽量多的层位，无花岗岩干扰；技术上可行（特别是地温梯度应较低）；交通便利，地势相对平坦，通讯方便。

1997年8月，由ICDP资助在中国青岛举行了“大别-苏鲁超高压变质带大陆科学钻探选址国际研讨会”，中外专家一致赞同在江苏北部东海县毛北镇实施5000m的科学深钻。钻孔位于具有全球地学意义的大别苏鲁超高压变质带上，可以通过最短距离的钻探或取最深部的地学信息；东海县及附近地区的经济发达，交通与通讯便利，水电供应充足，是大陆钻探的理想场所。

5.5.1 钻探施工面临的技术难题

硬地层钻进（扩孔）效率问题、深孔硬岩大直径全孔取心技术、大倾角硬地层防斜纠斜技术、深孔小间隙孔段水力学设计及钻井液技术、难以预料的复杂情况等。

5.5.2 技术目标

形成一套完整的硬岩深孔（5000m）大直径（终孔直径不小于156mm）金刚石绳索取心钻进技术体系；使独具中国特色的液动锤钻进技术更加完善，进一步巩固我国在液动锤技术领域中的领先地位；研究与开发新型的以绳索取心为基础的组合式取心钻进系统，如孔底马达/绳索取心二合一钻具、液动锤/绳索取心二合一钻具及其相应的钻进工艺，其成果将居国际领先地位；带动我国钻探器具和钻探材料生产制造技术与使用技术的进一步发展，使其赶超世界先进水平。

5.5.3 双孔钻进方案：先导孔+主孔

钻先导孔后，主孔上部采用大直径液动锤全面钻进，有利于防止孔斜；先导孔小直径取心，代替主孔上部大直径取心，节省施工费用；获得主孔钻探技术方案精确设计所需的地下岩层信息；可在先导孔中试验将在主孔中使用的钻探器具和材料。

5.5.4 组合式钻探技术：石油转盘钻机+地质岩心钻探工艺

以金刚石绳索取心钻探技术为主体；采用金刚石取心钻头，回转速度高；孔壁间隙小，泵压高，排量小；采用低固相冲洗液；对钻压控制有较高要求。

5.5.5 先导孔钻进工艺

螺杆马达+金刚石双管取心钻进、螺杆马达+液动锤+金刚石双管取心钻进、转盘+金刚石双管取心钻进、螺杆马达+金刚石单管取心钻进。其中特别突出的是螺杆马达+液动锤+金刚石取心钻进工艺，属世界首创，效果显著，可显著提高机械钻速，延长回次取心进尺长度。

5.5.6 主孔钻进工艺

原设计拟采用金刚石绳索取心钻进，并加装了液压动力头装置。由于绳索取心钻杆加工质量问题以及动力头输出扭矩不足，放弃了绳索取心钻进工艺；主孔基本上还是以螺杆马达+液动锤+金刚石取心钻进工艺为主。

5.5.7 钻机-ZJ70D

宝鸡石油机械厂生产的新一代电驱动钻机。钻深范围5000～7000m；最大钩载：4500kN；最大钻柱重220t；绞车最大输入功率1470kW；大钩提升速度为0～1.6m/s；绞车档数为2+2R，无级变速；绞车档数为4+4R，无级变速；钻台高度9m；钻架高度45m。

5.5.8 钻具、钻头和冲洗液等（略）

5.6 地学成果

完成了5158m的系列金柱子包括岩性剖面、地球化学剖面、构造剖面、岩石伽马异常剖面、矿化剖面、岩石物性剖面、流体剖面等。

首次在国内完成了长井段岩心深度和方位测井归位。

首次完成结晶岩区的三维地震探测，揭示了精细的地壳结构。

中国大陆科学钻探主孔5000m岩性剖面揭示50多种丰富多彩的岩石类型。在原有的金红石矿体下又发现了400m厚的达到工业品位的新的金红石矿体。

证实了苏鲁地区2亿年前发生过巨量物质超深俯冲的壮观地质事件。证实了苏鲁地体在晚三叠纪发生超高压变质后经历了一个快速抬升的动力学演化过程。

查明了超高压榴辉岩的主要矿物都含有以OH存在的结构水

氧同位素研究表明超高压变质岩的原岩在近地表与大气降水发生交换“花岗岩体的侵入为其提供热源”为新元古代全球性雪球事件提供重要证据

建立了苏鲁高压-变质超高压构造格架，确定岩石-构造单元、构造边界的大型韧性剪切带系

涉及几何学、运动学、动力学。

揭示含金红石榴辉岩中锐钛矿、板钛矿、榍石和金红石的产出状态及其可能的相互转化关系。

发现了极端生存条件下的地下微生物。

5.7 钻探技术成果

完成了一口在坚硬的结晶岩中施工的、终孔直径为156mm、终孔深度为5158mm的连续取心科学钻探孔。

研究开发了具有自主知识产权的孔底马达驱动的冲击回转取心钻井方法及其钻进系统。

形成一套完整的、独具中国特色的硬岩深孔（大于5000m）钻井施工技术体系。包括：大直径（终孔直径不小于156mm）取心钻进技术、硬岩扩孔钻进技术、强致斜地层防斜纠斜技术、新型硬岩钻井液体系、硬岩小间隙套管固井技术、活动套管技术等。使独具中国特色的液动锤钻进技术更加完善，进一步巩固了我国在液动锤技术领域中的领先地位。

研究并开发了多种新型的以绳索取心为基础的组合式取心钻进系统，如：孔底马达（螺杆马达或涡轮马达）+绳索取心二合一钻具、液动锤+绳索取心二合一钻具、螺杆马达+液动锤+绳索取心三合一钻具，及其相应的钻进工艺，成果居国际领先地位；极大地推动了我国钻探器具和钻探材料生产制造技术的进一步发展。

6 墨西哥Chicxulub大陆科学钻探（CSDP）简介

其科学目标是研究陨击事件和生物集群灭绝。钻孔位于墨西哥的Chicxulub陨击坑，距离撞击中心约60～80km，设计孔深2500～3000m。计划实施周期为1998～2005年，已经完成了几个浅钻，实际实施时间有些延后，2000年开始700m深的先导孔钻探。ICDP将资助100万美元。

大约在6500万年前，一个直径约10～15km的小行星或彗星撞击在当时的浅海区域（现今的尤卡坦地台），突然爆发释放出的能量约有100万亿吨梯恩梯当量，形成了直径200km的巨大陨击坑。引发大火，粉尘蔽日，使全球气候持续变冷；并喷发出大量的CO₂和SO₂气体，造成陆地和海洋生物大量窒息死亡。恐龙就是在这个地质年代突然消失。因此，科学家推测，这次撞击可能是造成恐龙灭绝的直接原因。撞击所抛出的尘埃、灰烬和小球体在空中形成的离散物质在白垩纪-第三纪界限的年代遍布全球。

CSDP预期解决的基本问题包括：陨击事件的基本性质，冲击变形的基本性质，陨击坑形成的基本性质和喷出过程的基本性质。

7 湖泊钻探

全球变化（Global Change）研究是ICDP的科学目标之一。目前全世界科学家非常重视。地球气候和环境的演化过程在海洋、湖泊、冰川、黄土、珊瑚、钟乳石等沉积物中以及树的年轮中都有记录。如果通过一些浅层科学钻探采集这些原状的沉积物样品等，利用现代的测试分析仪器进行多方面的研究，从而比较客观地建立全球变化模型。世界上开展全球变化研究的机构非常多，而且十分活跃，浅层科学钻探项目也很多。如International Geosphere/Biosphere Project（IGBP）中的Past Global Changes（PAGES），Palaeoclimates of the Northern and Southern Hemispheres（PANASH），the Pole-Equator-Pole transect from Europe through Africa（PEP Ⅲ），the CircumArctic PaleoEnvironments Programme（CAPE），the International Marine Global Change Study（IMAGES），International Continental Drilling Project（ICDP），Quaternary Environments of the Eurasian North（QUEEN），New Greenland Ice core Project（NGRIP）等。除了ODP（IODP）等海洋钻探之外，其中湖泊钻探占据主导位置。

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