科学钻探——深化岩石学研究的金钥匙.pdf

第 4 0卷第 3期 2 0 1 3年 6月 中 国 地 质 GEoL0GY I N CHI NA Vo1 40 N03 J u n ， 2 0 1 3 科学钻探 深化岩石学研究的金钥匙 张晓西 1杨经绥 2张 惠 1胡郁乐 1苏德辰 2 ( 1 中国地质 大学( 武汉) ， 湖 北 武汉 4 3 0 0 7 4 ； 2 中国地质科学院地质研 究所 ， 北京 1 0 0 0 3 7 ) 提要 ： 岩石学 的研究对象是岩石 ， 但离开具体 的岩 石标本是无法进行 岩石 学研 究的 而要开展深入 的岩石学研究 ， 仅 仅依靠从地表获取的岩石样品是远远不够 的 还需要获得来 自地球深处的岩石标本 这就只能依靠钻探工程 了。 科学 钻 探可 以为岩石学研究提供来 自地球深部 的岩石样 品， 而开展对这些来 自地球深处 、 携带大 量信息的连续 岩心进行 系统研究 ， 必然会促进岩石学 的发展 。而岩石学研究 成果 又能够为钻探施工提供设计依据 ， 同时 ， 深人的岩石学研究 对钻探工程提 出的要求还能够促进钻探技术 的发展 。科学的进步离不开技术 的支撑 只有充分重视钻探工程才是真 正重视地学研究 、 重视岩石学研究 。 关键词 ： 科学钻探 ； 岩石学 ； 岩石可钻性 ； 钻探技术 中图分类号 ： P 6 3 4 文献标志码 ： A 文章编 号 ： 1 0 0 0 3 6 5 7 f 2 0 1 3 ) 0 3 0 6 8 1 1 3 1 前言 相成的生动而又具体的体现。 钻探工程是利用工程技术手段在地质体上钻 凿 向地心方 向延伸孔洞的一个工程 门类 岩石学 是研究岩石 的成分 、 结构构造 、 产状 、 分布 、 成 因、 演化历史及其与成矿作用之关系等的学科 前者 的工作对象是各类地质体 而地质体又是 由不同 类型的岩石构成的 这些岩石的性质如何 直接影 响钻探工程的经济技术指标和工程技术 目标 的实 现程度。 岩石学的研究对象也是岩石 离开具体的 岩石标本是无法进行岩石学研究 的而要开展深 入的岩石学研究 仅仅依靠从地表获取的岩石样 品还是远远不够的 还需要获得来 自地球深处的 岩石标本 这就只能依靠钻探工程了 如何根据岩石学研究成果多快好省地完成钻 探工程 为岩石学研究提供尽可能好 的来 自地球 深处 的岩石学标本进而促进岩石学的发展 就需 要在开展科学钻探项 目时地质学家与钻探工程师 的紧密合作与相互支持这也是科学与技术相辅 2 科学钻探与岩石学研究 的相关性 2 1 钻探工程的内涵 中国钻井技术是继火药 、 指南针 、 印刷术和造 纸术之后 中国科学技术史上的第五大发明。 正是 钻井技术的发明使得世界工业先进 国家竞相大 规模地勘探和开发利用石油、 天然气成为现实 ， 引 起了一场意义深远 的世界能源结构大变革 从而 使人类社会进入了以石油、天然气为主要燃料 的 时代 标志着一个崭新的工业时代 的来临。 正如科学的目标在于 “ 认识并揭示客观世界 的本质和发展规律”而技术的 目标和任务却是对 “ 客观世界的控制 、 利用和改造” 一样 ， 地质工作 的 目标是研究地球奥秘进而为国民经济建设和人类 生存的可持续发展服务钻探工程则是千方百计 地利用现代工程技术领域中的最新技术进步来为 地学研究提供研究对象和各种判据 即为地质工 作服务 收稿 日期 ： 2 0 1 3 0 4 - 0 3 ； 改回 日期 ： 2 0 1 3 0 4 2 4 基金项 目： 深部探测 S i n o P r o b e 一 0 5 ( 2 0 1 0 1 1 0 6 4 ) 项 目资助。 作者简介 ： 张晓西， 男 ， 1 9 5 7 年生 ， 教授 ， 主要从事钻探新技术、 新工艺、 新方法的研究与钻探工程专业教学 ； E - ma il ： z x x c u g 1 2 6 c o m。 第 4 O卷 第 3期 张晓西等 ： 科学钻探深化岩石学研究 的金钥匙 6 8 3 实现 只能通过采取地学热点问题所关注的焦点地 区的岩石样 品而通过现有技术手段来进行观察 、 研 究 以搜寻相关证据 科学钻探就是在这种背景下应 运 而 生 的 。 事实上 经过大洋钻探计划在全球各大洋上进 行取心钻探 ，为地质学家们提供了大量来 自地球深 处 、 携带了大量原始信息的岩心样品， 用直接证据验 证 了海底扩张和板块俯冲的模式 也因此证实了板 块构造 的预测 从而使全球板块构造学成为 目前普 遍公认的理论 也使得板块构造学说成为 2 0世纪的 重大科学成就之一。 显然 ， 尽管大陆漂移和海底扩张 的假说早在 1 0 0多年以前就已经有人提出，但是如 果没有大洋科学钻探计划的资料和检验 还是不可 能上升为板块构造学说的 2 3 钻探技术人员应该了解岩石学基本知识 钻探的对象是岩石 在钻探生产过程中 不论是 钻进 、 取心、 防斜、 纠斜， 还是保护孔壁 、 维持冲洗液正 常循环等 ， 皆与地层有关 ， 即与岩石有关。 因此研究岩 石的性质 ， 研究岩石的矿物组成 、 结构构造 、 岩石形成 条件和成岩后的变化以及外力场的作用 是非常必要 的。 目前钻探生产中主要采用机械方式破碎岩石 主 要碎岩工具有各种超硬材料如硬质合金、 金刚石复合 片以及金刚石等制成的不同类型的钻头 岩石结构构造的变化、 岩石中矿物组成以及颗粒 大小、 矿物的自形程度、 矿物颗粒间的相互关系、 矿物 结晶顺序等对岩石物性影响极大 而岩石物性是指导 钻探施工的重要依据之一 岩石学包含的内容非常丰 富 与钻探工程有关且钻探技术人员应该着重了解的 相关岩石学知识 应该包括以下主要 内容 岩石的自然性质 ， 是岩石在生成过程、 构造变动 和风化过程 中自然形成的特性 岩石的密度和孔隙度岩石的密度和孔隙度 取决于岩石的成因类型、 物质成分和结构构造特征 。 同时也与岩石埋藏的深度有关。 在一般情况下 岩石 密度愈大 ， 强度也愈大 ； 孔隙度愈大 ， 则岩石 的强度 愈小 。 岩石 的含水性和透水性岩石的孔 隙越大 裂隙越多 。 水对它 的影响就越大 。 在孑 L 隙度很小的岩 石中 。 例如岩浆岩 ， 用水浸透后 ， 强度无明显降低。 但 在孔隙度很大的岩石中。 例如石灰岩 。 用水浸透后 ， 则强度明显下降 岩石 的含水性与透水性在钻探过 程中无论是对钻孔稳定、 钻进效率等都有很大影响。 对岩石的特性 了解越充分 钻探技术 中相关关 键技术措施的采取才会更有针对性 。而运用岩石学 对不同类型岩石特性 的分析结果结合钻探工程 的 特点 为钻探工程在不同地层条件下科学施工制定 合理经济技术指标定额标准的一个极其重要的参数 就是岩石的可钻性级别 岩石可钻性是表示钻进过程中岩石破碎的难易 程度 岩石可钻性分级对钻探实际生产来说 E 常重 要 ， 它是合理选择钻进方法、 钻头类型和结构 、 钻进 规程参数的依据 也是制订钻探生产定额和编制钻 探生产计划 的依据 岩石可钻性是个多变量 函数 其 首先受岩石性质 特别是岩石力学性质的影 响， 也受 技术条件 ( 碎岩方式及其加载条件等 ) 的影响。 既然岩石物性与钻探施工有着密不可分 的关 系 作为钻探工程师 在进行钻探工程施工设计时最 希望了解的就是地层岩石的物性参数 。而在形形色 色的物理性质中我们则有选择性地研究那些直接或 间接影 响岩石破碎过程的物理性质 。 如粘结状态 、 孔 隙度、 密度 、 结构和构造等 。岩石的力学性质是物理 性质的延伸 ， 它在外载作用下才表现出来 ， 通常表现 为岩石抵抗变形和破坏的能力 ， 如强度、 硬度、 弹性、 脆性、 塑性和研磨性等 。 通常最需要了解的岩石物性 指标是岩石的强度 因为强度是 固态物质在外载( 静 或动载) 作用下抵抗破坏的性能指标 而钻探的目的 就是按照设计需要有效破坏岩石 影响岩石强度的 因素基本上可分为 自然因素和工艺因素两大类。 在实际钻进 中深部孑 L 底的岩石在地层重量和 液柱压力的作用下 处于多向应力状态。 它的力学性 质和地表作单轴试验时是很不相 同的。为了合理地 设计破碎岩石工具和制定钻进规程 必须研究多向 压缩下的岩石性质 三轴应力试验是测定岩石在三 向应力 状 态下 的强度 和变 形 的 良好 手段I 1 J 。 如果岩石学 的研究成果能够根据地表研究结果 推断岩石随深度增加而可能发生的各种变化 则钻 探工程师就有可能制定尽可能优化 的钻探工艺策 略 ： 研制最有针对性 的碎岩工具、 选择合适 的钻井液 体系、 优选合理的钻进工艺规程参数 、 提前制定预防 孔内事故的技术措施 以及一旦发生孔内事故而依次 采用的处理措施等 如果岩石学的相关研究成果对 深部的预测结果足够准确 钻探工程施工的针对性 6 8 4 中 国 地 质 毫无疑问会更加接近优化钻进的 目标 3 科学钻探如何满足岩石学研究的需 要 和促进岩石学发展 ? 地球上的岩石是地球历史的忠实记录而作为 地质学的一个重要分支 岩石学是认识地球历史不 可缺少的内容。通过研究岩石的成分、 结构构造、 产 状、 分布等以了解有关岩石的成因、 形成年龄及其时 空分布规律 。可以对解决 目前地学界所关注的各种 问题作出重大的贡献回 但无论是岩相学还是岩理学 都需要了解岩石 的物质组成与物性特征。 然而对于同一种岩石。 虽然 名称相同 物质组成与化学成分完全一致 但随着深 度的不同。 岩石物性会有较大的变化。 对于钻探工作 者来说 研究相同岩石不同埋深条件下的物性变化 是为了制定合理的钻进工艺规程参数 、设计制作高 效碎岩工具、 研发高性能钻井液体系等， 目的是为了 多快好省地钻达 目的层 例如 德 国北部某油 田的主要地层是一种砂岩 从上到下岩性没有大的变化 但随着深度增加 岩石 的可钻性变差 机械钻速到 4 5 0 0 r n深度之后只有 上部 2 0 0 0 m 以上孔深的五分之一 后根据地层岩 石样品所进行的三轴压力实验证明了上覆地层压力 对深部地层的压实压密作用导致岩石强度发生巨大 变化的事实。实验表明 ， 同是砂岩 ， 随深度( 围压) 增 加 其在受外载下的变形与破坏形态都发生了巨大 变化 体现在岩石物性参数上就是强度大幅度提高 对于钻探工程来说 意味着碎岩难度加大 如不采取 有效技术措施 钻探效率将大幅度下降。 对于地质学家来说 长期以来习惯于从地表露 头采样进行岩石学研究 。 但露头 的岩石根在哪里? 如 果要追根求源 。 随着深度的增加 从岩石学 内涵看岩 石的变化有哪些?变化的原因何在?变化的意义何 在? 这是一个很有趣的课题 是岩石学研究无法 回避 的根本问题 ： 从表面走向深入。 毫无疑问科学钻探项 目的实施就是为地学研 究建造深入地球 内部的望远镜 而这个望远镜的服 务领域是广阔的岩石学研究理所 当然应该成为重 点之一。 为了研究地层深处 的岩石就应该获得尽可能 保持地下原始状态的岩石样品 该项工作对钻探工 程提 出了很高的要求 。 要采取地下原状样品， 就必须 研发保压取心工具 使所获得的深部岩心尽可能保 持原始地层压力状态被采取至地表并在一种保压 状态下提交实验室进行快速分析研究 以尽可能多 地获取岩石的各项原始参数 尽可能保持岩石的形 成与形成时的地质环境特征 钻探工程要尽可能保 持岩心品质以最大限度地保 留岩石在地下深处携带 并保留的微构造特征 为研究大陆动力学以及总结 分析岩浆建造 、变质建造和沉积建造的时空分布规 律等提供研究线索。 到 目前为止 I C DP开展的近百项科学钻探项 目的半数 以上的研究 目标 中均涉及岩石学内容 而 我国已经完成的中国大陆科学钻探工程项 目研究大 陆板块汇聚边界构造岩石学的相关 内容在研究 中 的地位更加突出。 而研究陨石撞击、 火山喷发与火山 机制等科学钻探项 目的科学 目标的实现均需依靠对 所采取岩心的岩石学研究 3 1 中国大 陆科学钻探工程岩心为变 质岩石学研 究提 供研 究依 据 举世瞩 目的中国大陆科学钻探工程科钻一井为 地质学家们提供 了数千米宝贵的岩心 ，通过对这些 来 自地下深处的岩心样品的深入研究 结合地球物 理测井 、 录井等技术手段 ， 地质学家们建立了数十条 剖面 而这些岩心也对岩石学和地球动力过程的深 人研究起到了极其重要的作用 仅 2 0 0 5年第 2期 的 岩石学报 就集中发表了地质学家们依据从科钻一 井中获取的岩心深入研究而形成 的近 3 0篇有关论 文 正是通过对这些岩心的研究 地质学家们找到 了 大陆地壳物质深循环的证据、 发现了新型合金矿物 、 描绘了超高压变质作用的 P T t 轨迹 、 确定 了不 同 深度地下岩石的应力状态 等等 而这一系列重要成 果的获得均以科学钻探项 目的实施与科钻一井所获 取的大量岩心为前提和基础。 例如 ， 曾庆理等对 中国 大 陆科 学钻探( CC S D ) 主孔 中 3 1 8 3 8 0 m( a ) 、 4 2 0 4 7 0 m( b )和 5 3 0 6 0 0 m( c ) 深度分布的三段高铁钛 榴辉岩( 图 2 ) 进行了岩石磁学 和岩相学研究 ， 结果 表 明 a , b两段样品代表 了新鲜或轻度退变质榴辉岩 的磁性特征 但就研究的代表性样品的磁性岩石学 特征而言 b段样品显示的退变质程度稍高于 a段 ； c 段榴辉岩样 品密度最大 主要为新鲜榴辉岩 ， 氧逸 度 明显高于 a 、 b两段样品，且存在大量出溶过程形 成的以薄层结构为标志特征 的赤铁矿一 钛铁矿固溶 体 可能是样品高天然剩磁的主要原因 而磁性变异 第 4 0卷 第 3 期 张晓西等 ： 科学钻探深化岩石学研究的金钥匙 6 9 3 Ke bo ll e d oVi e y r a ，e t a l ，P a l e o ma g ne t i s m o f i mp a c t b r e c c ia s f r o m t h e C hic x u l u b c r a t e r I mp li c a ti o n s f o r e j e c t e mp l a c e me n t a n d h y d r o th e n na l p r o c e s s e s ，P h y s i c s o f t h e Ea r t h a n d Pla n e t a r y I n t e r i o r s ， 2 0 1 1 ，1 8 6： 1 5 41 71 9 l L u t z He c h t ，Ax e l Wi mn a n n ，Ra 】 f T h o ma s S c h mi t t t ，e t a 1 ， Me t e o ri ti c s &P l a n e t a r y S c i e n c e ， 2 0 0 4 ， 3 9 ( 7 ) ： 1 1 6 9 1 1 8 6 【 l O h t t p： w wwg e o u ln a s s e d u la k e _ e i n d e x h t ml h t q 0 ： ww w g e o l o g i e un i k o e l nd e e l g y g y t g y n h t m1 【 1 1 h t t p： www g p s c a l t e c h e d u Ma g L a b a 2 1苏 德辰 ， 杨 经绥 国际大 陆科学 钻探( I c DP ) 进 展田 地质 学报 ， 2 0 1 0 ， 8 4 ( 6 ) ： 8 7 7 8 8 2 S u De c h e n ， Ya n g J i n g s u i A d v a n c e s o f I n t e rna t i o n a l C o n ti n e n t a l S c i e n t i fi c Dr il l i n g P r o g r a m Ac t a Ge o l o g i c a S i n i c a ， 2 0 1 0 ， 8 4 ( 6 ) ： 8 7 3 8 8 5 ( i n C h i n e s e w i t l En g l i s h a b s t r a c t ) 【 1 3 】 Cl a u d e He r z b e r g P e t r o l o g y a n d the r ma l s t r u c t u r e o f the Ha wa i i a n p l u m e fro m M a u n a Ke a v o l c a n o N a t ur e ， 2 0 0 6 ， 4 4 4 ， d o i ： 1 0 1 0 3 8 n a t u r e 05 2 5 4 1 4 】S e u y a Na k a d a ，J o h n E i c h e l b e r g e r ，L o o k i n g I n t o a V o l c a n o ： Dri ll i n g Un z e n 田 Ge o t i me s ， 2 0 0 4 ， 4 9 0 ) ： 1 4 1 7 【 1 5 】S e u y a Na k a d a ， Ko z o Ut o ， S u mi o S a k u ma ， J o h n C E i c h e l b e r g e r a n d Hi r o s hi S h i mi z uS c i e nti fi c R e s u l o f Co n d u i t Dr i l l i n g i n c h e Un z e n S c i e n ti fi c Dr i l l i n g P r o j e c t ( US DP ) S c i e n ti fi c Dri l l i n g ， 1 ： 1 8 2 2 d o i ： 1 0 2 2 0 4 i o d p s d 1 0 3 2 0 0 5 1 6 】 Yo s h i hik o Go t o ，S e t s u y a Na k a d a ，Ma s a r u Ku r o k a wa ，e t a 1 Ch a r a c t e r an d o r i g i n o f l i t h o f a c i e s i n the c o n d u i t o f Un z e n v o l c a n o ，J a p a n 卟J o u rna l o f V o l c a n o l o gy and G e o t h e r ma l R e s e a r c h ，2 00 8 ，1 7 5：4 5 -5 9 S c i e n t i fic d r i l l i n g - t h e g o l d e n k e y t o i n - d e p t h p e t r o l o g i c s t u d y Z HA NG Xi a o x i ， Y ANG J i n g s u i 2 ， Z HA NG Hu i ， HU Yu l e ， S U De c h e n ( 1 C h i n a U n iv e r s i t y o fG e o s d e n c e s ，Wu h a n 4 3 0 0 7 4 ， Hu b e i C h i n a ； 2 1 0 00 3 7， I n s t i t u t e of G e o l o g y ， C h i n e s e Ac a d e m y of G e o l o g i c a l S c i e n c e s ， B e o i n g C h i n a ) Ab s t r a c t ： Ro c k i s t h e r e s e a r c h o b j e c t o f p e t r o l o g y ；n e v e r t h e l e s s ，i f s p e c i fi c r o c k s a mp l e s a r e n o t s u ffic i e n t pe t r o l o g i c r e s e a r c h i s i mp os s i bl e I n t he i nde p t h s t u d y o f t he pe t r o l o gy ， t he m e r e d e pe nd e nc e o n r oc k s a mp l e s o b t a i ne d f r o m t he s u ffa c e i s n ot e no ug hThe r o c k s a mpl e s c o l l e c t e d from de e p e a r t h a r e ne c e s s a r y ，a n d t he a c q u i s i t i o n o f s u c h s am p l e s c a n o n l y r e l y o n d ri l l i n g e n gi n e e r i n g S c i e n ti fi c d r i l l i n g c a n o b t ai n t h e r o c k s a m p l e s fro m d e e p e a r t h，a nd r e s e a r c he s c a n be c a r r i e d ou t on t he c or e s wh i c h c a r r y a l o t o f i n f or ma tio n c o n c e r ni n g t he d e e p e a r t h， a nd t h i s wi l l s u r e l y p r omot e t he d e ve l o p m e n t o f pe t r o l o g y At t he S a l T l e time， t h e r e s e a r c h r e s ul t s o f p e t r o l o gy