Question

中国大陆科学钻探（CSDC）的最新进展

Answer 1

刘广志

（地质矿产部科技委高咨中心，北京　100812）

中国大陆科学钻探（CSDC）筹备工作，自进入90年代以来，获得了迅速的进展：

·召开了“中国深部地质研究中存在的关键地质问题”研讨会（1991.3）。

·“中国大陆科学钻探先行项目”开始执行（1991.7）。1994年11月提交有关报告，通过评审，认为中国开展大陆科学钻探条件业已成熟，争取列入“九五”国家重大科学工程项目。

·国务院发布的“国家中长期科技发展纲要”中指出：2000年前要为实施地质科学（超深）钻探工程进行技术准备，2020年前要实施（1992.3）。

·先后召开了第一次（1992.4）、第二次（1993.5）“中国大陆科学钻探研讨会”，讨论中国科学钻探选址，从12个选区归结为4个，最后选择大别—胶南作为首批靶区。

·“中国地质超深钻探（现称科学钻探）国家专业实验室”在中国地质大学（北京）建成，进入设备安装调试（1993.5）开展科研工作。

·中国派代表团参加在德国波茨坦召开的“国际大陆科学钻探会议”（1993.8），并参加ICDP筹备会（1993.9）。此后地质矿产部推荐肖序常院士为中方成员（1994.1）。地质矿产部派肖序常、闵志到美国斯坦福大学参加ICDP会议（1995.12）。

·“中国第一口大陆科学钻孔实施与科学研究”正式申报为“九五”国家重大科学工程项目。国家科委组织高级专家评议、投票，排名第三（1995.2）。财政部同意支付ICDP会费（1995.7）。以“大陆动力学和大陆科学钻探”为题举行了第36次香山科学会议。中国地质界对中国开展大陆科学钻探取得共识（1995.5）。

·再次举办“中国大陆第一口科学钻孔第三次研讨会”（1996.1）。对大别—胶南作出进一步靶区选定；并组织专家进行现场考察。

·（1996.2.26～3.1）在日本东京筑波市科学城参加“第八届通过钻探观察深部地壳学术会议”，即“第八届国际大陆科学钻探学术会议”。地质矿产部派6人代表团参加了大会。会议期间：①参加了学术1、6两组的大会论文宣讲；②参加了ICDP中美德三国谅解备忘录的签字仪式，并参加了该计划对组织管理、未来国际合作的大型讨论会；③刘广志参加了国际岩石圈（ILP）CC-4组主席M.D.佐巴克教授主持的汇报会，互通了各国CC-4组的活动简况，提出了今后活动方向。

·配合中国第一口大陆科学钻探的选址工作，提出了“中国第一口大陆科学钻探取心钻孔钻探工程技术前期研究与开发规划”（1996.3）。

1　中国大陆科学钻探先导孔施工技术方案

1.1　施工条件

（1）钻孔深度不超过5000m。事先由地质部门提出预想钻孔柱状图及有关地球物理资料。

（2）钻孔贯穿的主要岩层为结晶岩，如片麻岩、榴辉岩、硬玉石英岩、大理岩等等。

（3）贯穿的岩层主要物理力学性质，单轴抗破碎强度可能高达100～150MPa，个别高达150～200MPa，在地质钻探岩石可钻性分类中属7～12级硬至坚硬岩层，个别属极硬岩层。岩层研磨性可能成两极分化状态，多数属强、高研磨性；少数属坚硬、致密弱研磨性打滑层。有的含包裹体。

（4）岩心是提取大量地质信息的“信息源”，是研究下地壳、上地幔的实物资料，钻孔直径要有足够大的尺寸，以获取尽可能大直径的岩心。

钻孔又是井中地球物理、地球化学测井的通道，其直径和孔壁稳定性要满足先进的高科技测井仪下井的要求。

1.2　科学钻探先导孔的主要任务和作用

（1）全孔除覆盖层以外，要不间断采取岩心、岩样，液态样（矿化水，结晶水，油等），气态样（H₂,O₂,CO₂,He,CH₄,Cl,H₂S,SO₂等可能出现的气体），进行多种测试分析。

（2）分孔段进行系统的地球物理，地球化学测井。

（3）减少深孔将来在这一井段的取心，测井工作量。

（4）测量出地温剖面，在先导孔周围打一到几个深100～300多米的测温孔，测量地热热传导率，热流密度，以建立地温数学模型，推断先导孔地温剖面，终孔温度，地温变化，对在钻孔深部选择取心工具，测井仪器，各种取样器的结构性能，增强薄弱环节是至关重要的。

（5）在先导孔中试验各种新研制的钻头、钻具、仪器等。

（6）测试地层压力梯度，压裂强度，为孔壁稳定性，造斜倾向等提供参考位置与参数。

（7）检验过去用于沉积岩钻孔中的各种仪器和方法在结晶岩钻孔中是否有效。

（8）锻炼钻探队伍，培养深孔、超深孔钻探人才。

1.3　先导孔钻孔结构设计

在1993年9月在德国举行的“国际大陆科学钻探会议”上，到会代表们几乎一致的认为，根据多年来国际上施工科学钻孔经验，为节省大量投资，更科学的打科学钻孔，必须大力提倡采用已经在南非和加拿大施工了数百口深度在4000～5000m以深的勘探钻孔经验。英国KENTING钻探公司的John Beswick先生介绍，南非拥有钻进能力4000m以上的深钻机150台，钻进能力大于5000m的钻机有20多台，根据南非施钻的经验，用这类深尺地质岩心钻，打2000～6000m的科学钻孔，可以获得多快好省的科学与经济效益。

有的专家提出采用加拿大Heath＆Sherwood钻探公司的HS-150钻机（钻深4570m，最大钻探曾达5424m）和他们设计的专门用于深孔绳索取心用的HNQ,NBQ内外大环隙绳索取心系统，具以下特殊优点：①降低冲洗液压力降，②内管投入外管后，可快速到达孔底外管的定位处（表1、2）。

表1　第一方案先导孔钻孔结构

注：RTB—带扩孔的不提钻换钻头钻具。

如果用第一方案，要设计研制或购置两套HNQ,NBQ钻具。

表2　第二方案先导孔钻孔结构

1.4　施工技术路线

（1）参照外国施工经验与我国国情应考虑：我国是一个发展中国家，财政经济并不宽裕，一切设备、器具、工艺方法应该着意考虑以“自立更生”为主，尽量利用四十几年来，钻探工程积累的成功经验，能予以改进升级的，能自行研制的，则充分发挥自己探矿机械、仪器工厂的潜力（表3）。本着“有所引进，有所不引进”的原则，引进重点国外产品，予以消化、吸收、弥补急缺。

（2）必须采用绳索取心系统，以大幅度降低起下钻时间，有效缩短施工期；提高岩心品质，实现不提钻柱或少提钻柱换钻头，减轻工人劳动强度。施工费用可节约1/3。

（3）发挥我国在小口径孔底动力机并能配合绳索取心系统的技术优势，开发与采用小口径螺杆钻（PDM）、液动锤（Hydro-hammer）驱动的绳索取心钻具，实现钻杆不回转或慢回转钻进，一可以节约动力，二可以减轻钻杆与套管磨耗，三可有效预防钻孔歪斜（图1）。

表3　目前国产耐温近300℃的处理剂

图1　孔底动力机驱动的绳索取心系统

（4）大力采用物理—化学方法稳定孔壁，除钻孔上部孔段下入部分套管外，下部孔段结晶岩中尽可能采用长裸眼钻进（岩层自稳）。一旦遇到复杂层，岩层失稳，应采用小间隙套管方案。

（5）发挥钻井液的多信息载体（油气，矿化水，结晶水，淡水，卤水，岩屑）作用，输送大量地质信息（图2）。

图2　钻井液多信息载体作用

① 指防井涌、井喷、防塌、缩经等。②指运送岩屑，岩粉作用。③指作为深层流体（油气，水等）如H₂,O₂,CO₂,CH₄,He,H₂S,CO₂,SO₂以及Na,K,Ca,Mg微粉等在300℃，1000×10⁵Pa状态下，运载到地面

2　中国科学钻探先导孔钻探工程急待开展的科研项目

2.1　地面设备

（1）顶驱动长行程钻机用于绳索取心系统，带桅杆式钻塔。

（2）微机自控绞车。

（3）全自动钻杆排架。

（4）自动拧管机

（5）钻杆疲劳、破裂孔口探伤器。

（6）钻探操作自动化操纵台（含监测、采集、优化、反馈系统）。

（7）防喷器组（全封闭1套，封钻杆2套）。

2.2　深孔钻探基础理论

（1）高温高压下的结晶岩岩石物理力学性质，可钻性分类与破碎机理。

（2）建立高温高压试验设施。

（3）新型重量轻、高强度管材材料。

（4）钻杆断裂力学与监测系统。

（5）钻头磨损规律与机理。

（6）高温高压钻井液理论：①钻井液（无固相）聚合物配方、处理剂、添加剂，抗高温稳定性、固控设备与理论；②高温高压钻井液水力学、流变学、胶体化学理论与实践。

（7）钻井力学。

（8）建立机会井数据库。

2.3　深孔钻探工艺学研究

（1）深孔钻孔结构与管理程序设计。

（2）不同孔深的钻具与钻具稳定。

（3）深孔孔斜防治。

（4）电子计算机辅助钻进（CDC）系统。

（5）取心取样工艺，液态、气态放射性样品采集工艺，放射性自动检测技术。

（6）钻头与钻具选择方案与相应钻井参数的确定。

（7）不同孔段地温检测及其增温梯度规律。

（8）不同孔段岩石破碎规律，岩石物理力学性质测定。

2.4　孔内系统

（1）长寿命金刚石钻头与扩孔器。

（2）开发新型超硬材料切削具与取心钻头。

（3）用孔底动力机（BHM）驱动的绳索取心系统：①用螺杆钻驱动的绳索取心系统；②用液动锤驱动的绳索取心系统；③“三合一”式（绳索＋螺杆钻＋不提钻换钻头）取心系统。

（4）孔壁取心器：①液压或刮样器；②孔底电马达驱动水平取样器。

（5）高温高压气态或液态取样器。

（6）小口径随钻测量（MWD）仪。

（7）小口径垂直钻进（VDS）防斜系统。

（8）高温水泥及其固井技术。

（9）高温稳定、高润滑性、抗腐蚀钻井液及其添加剂。

（10）地层测试器、深部流体流量计等。

（11）高精度深孔岩心定向仪及方法。

（12）含铁铝合金钻杆及其合金钢接头。

2.5　深孔现代化管理

（1）深孔设计、施工、研究资料中系统工程管理（含工程、经济两大范筹）。

（2）设计、施工、研究过程中的数据库。

（3）资料编辑、整理、出版，信息交流。

2.6　信息获取

自觉采取有代表性的样品和获取更多的数据，是科学钻探项目成功的预先要求。采集数据可再分为孔内与地面两部分。孔内部分包含取心、取砂样、测井、钻进与水力测试，孔内地球物理试验（孔底到地面或两个孔之间）。地面部分则包括从孔口和泥浆测试装置取得的固体和液相样品，包含首次与初步地质描述，化学与物理分析。测井项目则是雄心勃勃、费时的。钻导孔时，钻探费用等于测井计划的费用。测井程序要逐个孔段进行，为减少漏采信息的危险。钻探结束之后，还要进行长期测量与试验（图3）。

图3

按照KTB经验野外信息资料整理后直至提出科研报告，均在野外实验室完成，钻孔则建成长期观测站

3　《地质超深钻探（科学钻探）技术》国家专业实验室

3.1　实验室的性质和任务

中国地质大学（北京）所属的《地质超深钻探技术》国家专业实验室，是经国家计划委员会、国家教育委员会于1989年6月批准投资新建的国家级专业实验室，同时亦是地质矿产部开放研究实验室，在学术上是一个相对独立的研究实体。这个实验室是开展本学科及相关学科的基础研究和应用基础性研究工作的重要基地，也是培养本学科高级科技人才的摇篮。

实验室按照“开放、流动、联合”的原则，面向国内外同行业开放，欢迎国内外专家学者在本实验室发布的《课题指南》范围内申请研究课题，经学术委员会评审批准资助后，来实验室开展科学研究。也可自带课题和经费及配套仪器和设备来开放研究实验室进行科研活动。

3.2　实验室的课题研究领域

（1）大陆科学钻探

·中国大陆科学钻探工程的建设与准备工作

·东亚大陆环境科学钻探工程

·高温高压地学模拟实验装置（又称HTHP井筒）（图4）

图4　高温高压地学模拟实验装置

（2）钻探新技术新方法

以岩石力学研究为基础，采用电子计算机等高新技术，研究新的钻探技术装备与方法

·交流变频调速型钻机

·绳索取心与不提钻换钻头技术

·碎岩工具的设计与研究

·高温热熔法钻进新技术

3.3　研究设施与装备

碎岩机理与工具研究部分：主要从事岩石物理机械特性，岩石破碎机理，破碎岩石工具以及井下钻探工具的新技术研究。主要的设备是美国MTS公司的岩石力学试验机和0～8000赫兹连续可调的中频感应烧结设备。

计算机应用技术研究部分：主要从事计算机在钻井工程及其它相关部门中应用技术的研究。主要的设备是计算机控制的钻井实验系统，微机群与其外围设备，以及HP9000系列的计算机工作站。

除上述几项设施外，实验室内还专门建立了一个热熔法钻井实验台。

为了实现国际交流，实验室内还设立了小型学术厅和专家工作室。

岩石圈构造和深部作用

3.4　实验室的管理与组织

《地质超深钻探技术》国家专业实验室由国家教育委员会和地质矿产部双重领导，行政管理属于中国地质大学（北京）。

本实验室实行主任负责制。实验室主任全面负责组织和领导开放研究实验室的科学研究、学术活动、人员聘任、人才培养、资金使用和行政管理等工作。

实验室设学术委员会，是学术评审机构。其主要职责是：确定本实验室的研究方向，制定《课题指南》，审批研究课题，评审科技成果，审议实验室的经费计划和组织重大学术活动。

实验室的固定人员以及客座研究人员均由实验室主任聘任。并实行任期制，工作成绩突出的可连聘。

3.5　实验室的主要研究成果

（1）微机自控钻进实验台。

（2）钻井工艺技术的微机分析系统。

（3）金刚石钻进原理及最优化钻进技术的研究。

（4）地质钻机新型电驱动系统研究。

（5）改善钻柱工作性状及井底载荷有效控制方法研究。

（6）不提钻井底换钻头技术。

（7）热熔法钻孔新技术。

（8）高温钻井液研究。

管理与研究人员

岩石圈构造和深部作用

学术委员会组成

岩石圈构造和深部作用