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钻井新技术主讲人：隆威（教授）地学与环境工程学院勘察与基础工程研究所第一章 概述第一节 钻井技术概述一、钻井技术简史钻井技术在我国已有悠久的历史。早在二千二百多年前，在四川地区钻凿盐井及火井（天然气井），汲取卤水，熬煮成盐，以供民食。据历史记载，到了唐代，在四川一地就有盐井六百多口。明朝宋应星著的天工开物一书，对钻凿盐井的技术工艺进行了详细的记述。当时人们采用了简便的冲击钻进方法，并充分利用了竹材对凿井工作的有利特点，创造了相当完善的凿井工艺。并且还创造了许多有效的处理事故和修补井壁的方法，为钻进技术的发展做了许多贡献。1978年改革开放以后，中国钻探工程事业得到新的发展。现在地质系统已经形成一支拥有钻机六千余台、钻探工人及技术人员达十余万人的专业技术队伍。并且还建立起许多探矿技术研究和技术队伍，并取得了许多重要的科研成果。在地质院校中建立了探矿工程专业，为国家培养了许多探矿技术专业人才。国内学术、科技情报交流活动日益活跃，国际交往不断增加，金刚石钻探新技术已进入世界先进行列。在改革开放三十年间，钻探工程在人造金刚石与绳索取心钻探、受控定向钻探、液动冲击回转钻探、反循环钻探、空气钻探等工程技术方面都取得了令世界瞩目的成就，有些达到了国际水平，岩心钻探最大深度达到2505m。二、钻井技术的发展趋势21世纪，钻井工程所应用的范围越来越广，钻进设备越来越智能化，思考一下钻井工程未来的发展趋势，主要有如下几点：1）外太空考察中的钻井工程如月球钻探；2）大陆科学钻探；3）实施新一轮的国土资源大调查；4）21世纪是开发海洋固体矿床的新时代；5）南极洲、北极周边岛屿及冰川、冻土钻探；6）大规模交通基础建设为钻井工程提供良好机遇；7）城市地下管网非开挖铺设技术；8）大力发展钻井工程新设备；9）大力发展岩土钻掘工程；10）环境与地质灾害治理工程。第二节 钻井技术一、 钻井方法（一）钻进方法分类1）按钻头所用切削材料分类：金刚石钻进、硬质合金钻进；2）按碎岩方式分类：回转钻进、冲击钻进、冲击回转钻进、回转冲击钻进；3）按冲洗液循环方式钻进：正循环钻进、反循环钻进、孔底局部反循环钻进；4）按钻进目的分类：地质钻进、石油钻进、水井钻进、工程施工钻进。（二）钻进方法简介1 冲击钻进冲击钻进的基本原理是借助于一定重量的钻头，在一定的高度内周期地冲向井底，使岩石破碎而获得进尺。冲击钻进中应用较广的是钢丝绳冲击钻进。冲击钻进的方法是钻探中最古老的方法。据史料表明，我国劳动人民远在秦朝的时候就开始使用冲击钻进了。到了宋朝就出现了具有完整体系的，能钻进较深钻孔的冲击钻井机械了，而且使用规模也较大。冲击钻进特点：（1）冲击以冲击动载荷破碎岩石，而岩石在动载作用下的破碎强度要比静载时的破碎强度小的多。因此，用冲击方法破碎有裂隙的坚硬岩石和大的卵砾石层所消耗的功率较小。同时，在钻进过程中，只有提升钻具时才需要动力，而钻具下放冲击岩石时是不消耗动力的，因此和回转钻进比较，当设备功率相同时，冲击钻进能钻较大孔径的钻孔。（2）钻头破碎岩石是不连续的。冲击钻进时钻头与岩石接触时间短，大部分时间钻头是在井筒里运动，因而磨损较慢。一般用普通碳素钢制成的钻头，只要及时修正补焊，就可以钻进较坚硬的岩石。所以对某些岩石，特别是裂隙性硬岩和大卵石使用冲击钻进是有利的。（3）钻进时孔内不需要冲洗液循环，水量消耗小，故适合于缺水地区的钻进工作。 （4）设备比较简单，重量也较小，不需要精密部件。这对地形复杂的地区钻进很有意义。但冲击钻进毕竟是一种落后的方法。因它利用钻具自由降落进行钻进，因此只能钻进垂直孔，且效率低。因此，冲击钻进目前主要应用于以下几个方面：（1）大直径的供水井，当钻进的地层多为大径的卵砾石层时，使用冲击钻进法较其他法效率高。（2）设备维修条件不高的地方。（3）应用于露天开采爆破孔，砂矿勘探以及水文及工程地质勘察钻进等。（4）大型的工程桩基和灌浆孔。2 回转钻进回转钻进是钻井工程中最常用的一种钻进方法，按钻头的材质不同回转钻进可分为：金刚石钻进、硬质合金钻进。下面主要介绍硬质合金钻进和金刚石钻进。1） 硬质合金钻进（1）利用镶焊在钻头钢体上的硬质合金切削具作为碎岩的工具，这种钻进方法称为硬合金钻进。硬合金钻进是岩土钻掘工程中的一种主要钻进方法，它用于软岩层及中硬岩层的钻进（14级软的沉积岩、中硬的57级及部分8级岩浆岩和变质岩）。硬质合金钻进有许多特点，在钻进中操作简便，规程参数变化大，容易掌握；岩心采取率大，孔斜小；钻头可根据不同岩层性质设计，合理优化钻具结构；不受孔向、孔径限制，可任意角度钻进等等。（2）硬质合金孔底碎岩机理硬合金钻进的过程，实际上是切削具在轴向力的作用下，压入岩石；在回转水平力的作用下，沿孔底切削碎岩；在轴向力和水平力的共同作用下，孔底岩石以薄的螺旋层形式连续被破碎。根据所钻岩石的不同，其破碎方式也不相同，可分为塑性岩石的碎岩和弹-塑性岩石的碎岩两种情况。 塑性岩石的碎岩情况 a切入岩石的过程 钻头上切削具切入岩石的必要条件是：切削具与岩石接触面上的单位压力必须大于或至少等于岩石的抗压入硬度。即： PyHy F0 式中：Hy岩石的压入硬度； F0切削具刃尖处与岩石的接触面积塑性岩石中，切削具切入岩石如图1-2-1所示（切削具未磨钝），根据各力的平衡关系，可推导出切入深度的关系式： 式中：Py切削具上的轴载力，N； b切削具的刃宽，mm； 切削具的刃角，度； Hy岩石的压入硬度； 摩擦力影响系数（小于1）。 图1-2-1 切削具入岩示意图上式表明：塑性岩石的切入深度h0与轴向力Py成正比，而与切削具的刃角、刃宽b、岩石的压入硬度Hy成反比。虽然角越小切削具刃尖切入岩石越容易，但如果很小则切削具会很快崩裂，实际上角的最小值为4550。 b回转切削过程 切削具切入岩石并回转，在水平力Px作用下，压迫前面的岩石使发生塑性变形并不断地向自由面滑移切削作用。在切屑的裂隙尚未发展到全面断裂之前，下一切屑又发生滑移。因此切屑是连续、平稳的，其切削槽宽与切削具刃宽相同。实际上，由于振动、冲刷，岩屑将碎裂并被冲洗液带至地表，在Py 和Px 共同作用下的切入比Py单独作用下切入更容易，也切入的更深。 图1-2-2 回转切削示意图弹塑性岩石的孔底破碎过程 弹塑性岩石是硬质合金钻头的主要钻进对象。理论上，切削具切入需要很大的轴向力，而在双向力的同时作用下实际的Py力为（1/61/13）。碎岩显著特点：以跳跃式的剪切破碎为主。岩石破碎大体分三个阶段： a切入岩石，岩石剪切破碎，前移碰撞刃前岩石。b刃前接触面很小，挤压力较大，小剪切破碎。继续前移产生若干次小剪切。c当刃前接触面较大时，前进受阻。继续挤压刃前岩石（部分被压成粉状）；同时，Px 力急剧增大，当Px 力达到极限值时，产生大的剪切破碎，然后Px力突然减小。切削具不断向前推进，重复着压碎、小剪切、大剪切的循环过程。切槽断面近似于梯形。切槽宽度有规律地变化，B1为大剪切时的切槽宽。孔底的破碎过程沿着倾角为的螺旋面进行。 综上所述，用切削具破碎弹-塑性岩石时，在每个剪切循环中和各个循环之间，水平力Px都是跳跃式；而在塑性岩石中，水平力Px 没有显著的变化，基本上是常量。2）金刚石钻进金刚石是迄今最坚硬的研磨切削材料，钻探用金刚石分为天然的和人造的两大类。天然金刚石主要用于制造表镶钻头；人造金刚石主要用于制造孕镶钻头；人造金刚石聚晶由细小的金刚石颗粒、粘合剂烧结成较大颗粒的多晶金刚石，主要用于钻头保径；人造金刚石复合片（PDC）由一层金刚石多晶薄层、一层较厚的硬质合金层复合而成，用于制造金刚石复合片钻头。（2）金刚石钻进的优越性钻进效率高；钻孔质量好；装备轻，劳动强度低；孔内事故少；钻探成本低；应用范围广泛。（3）金刚石破碎岩石机理表镶金刚石钻头的孔底碎岩过程 把钻头上的一粒金刚石看作在轴向压力Py和切向力Px作用下沿岩石表面移动的切削具， 岩石破碎时力Px 克服岩石抵抗破碎的反力Pg和摩擦力T上， Px = Pg +T= Pg + Py f f金刚石与岩石的摩擦系数； Py 每粒金刚石上的载荷。 表镶单粒金刚石在Py,Px联合作用下，类似球体压入岩石(弹脆性岩石)产生大小剪切体，在Py,Px作用下岩石中出现一些微小的裂纹，岩石的致密结构被改变。孔底某一点经多次重复加载产生破碎，具有疲劳破碎的性质。 图1-2-3 表镶金刚石孔底破碎过程孕镶金刚石钻头的孔底碎岩过程 孕镶金刚石钻头的孔底碎岩过程不同于表镶钻头。金刚石颗粒小埋藏于胎体之中，孕镶钻头必须在钻进规程中保持自磨出刃的性能（“自锐”），才能维持钻速恒定而不衰减。其碎岩机理类似于砂轮磨削工件。以唇面上多而小的硬质点（金刚石）对孔底岩石进行刻划、磨削而碎岩。唇面金刚石出露较好时，也存在孔底的微剪切和微压碎作用。如果胎体性能与所钻岩石不适应或没有保证足够的钻压，胎体不能超前磨耗并让丧失破岩能力的金刚石颗粒自行脱落，则孔底过程中表现为钻头“打滑”，钻速迅速下降。3 冲击回转钻进冲击回转钻进就是把冲击式钻进和回转钻进相结合的一种特种钻进方法，它主要是指在回转钻进的基础上加入一个冲击器，以提高钻进效率的一种钻进方法。在钻头或岩心管上联结一个专门的冲击器，在钻进中，给钻具以一定的轴向压力和回转运动，同时冲击器给钻具一定平率的冲击能量。在井底则以冲击和回转切削共同作用破碎岩石，进行钻进。根据岩石的破碎机理，在有一定预加压力下冲击破碎岩石，岩石的强度要降低5080%，所以上述冲击回转钻进比无预压的钢绳冲击钻进的效率要高35倍。冲击回转钻进除了可以提高钻速外，又由于钻进中所需的轴向压力较小，转速较低，所以钻孔不易弯曲，孔内事故也小，原材料的消耗低，所以他是当前的一种现实可行的高效、优质、低消耗的钻进方法。特别是中等硬度的岩石，其效率更为显著，所以冲击回转钻进方法应用范围愈来愈广。最适宜于钻进粗粒而不均匀的地层，在69级岩石中钻进效果尤为突出。近几年冲击回转钻进不仅用于硬合金钻进，而且也应用于金刚石钻进以及牙轮钻进，适用岩层的范围扩大了。总之，冲击回转钻进方法现在已用于不同的地层和不同的钻进方法，其孔径和孔深也不断扩展，是一种很有发展前途的钻进方法。二、冲洗液循环方式钻孔冲洗方式基本上可分为全孔正循环、全孔反循环和局部反循环。1）全孔正循环 来自泵的冲洗介质通过钻杆柱中心进入孔底，由钻头水口处流出，经钻杆与孔壁环状间隙上返回至孔口，流入地面循环槽中，如图1-2-4（a）所示。全孔正循环时，冲洗液由钻头内部流出冲向孔底，有利于岩石破碎及排除钻粉。其循环系统简单，不需孔口密封器等附加装置。因此这种循环方式在各种钻进中均得到广泛采用。2）全孔反循环 来自泵的冲洗介质由钻杆与孔壁环状间隙进入孔底，由钻头水口进入钻具和钻杆柱中上返至地表，经胶管返回循环系统或水源箱中。全孔反循环孔口必须密封，并允许钻杆柱能自由回转和上下移动，如图1-2-4（b）所示。采用全孔反循环时，由于冲洗液由钻杆柱内上返至地表，流经断面较小，因而上返流速较大，有利于大颗粒岩屑带出孔外。在大口径水井钻进和空气钻进中，为了能较好带出岩屑，可采用全孔反循环冲洗方式。小口径金刚石钻进孔较浅时和坑内水平钻孔，可考虑采用全孔反循环冲洗钻孔，将岩心从钻杆中带出孔口，实现反循环连续取心。这样可以减少提钻时间，提高钻进效率。此外，全孔反循环也可作为提高取心率的一种措施。然而当孔壁漏失时，用全孔反循环是不合适的。因此，它的应用也是有限的。3）孔底局部反循环 在整个钻孔的大部分孔段仍是正循环，仅在孔底岩心管部分实现反循环，使冲洗液的流动方向与岩心的进入方向一致，如图1-2-4（c）所示，目的提高岩心采取率。图1-2-4 冲洗液循环示意图第二章 科学深钻第一节 科学深钻概述科学深钻是为地学研究等目的而实施的钻探，它是通过科学探测地壳岩石圈、生物圈、水圈（含地下流体）的组织结构、物质成分、形成机理等进行各类研究。大陆科学钻探通过提高对深部地质的研究程度，进而可以解决人类面临的资源（如油气、固体矿产、地热）、灾害（如地震、火山）以及环境（如陨石撞击、核废料处理）等问题。此外，大陆科学钻探入地与卫星上天一样，需要高新技术支持与巨额资金投入，能够取得享誉世界的重大科技成果，体现国家综合实力，提高国际形象。科学钻探的作用与意义如下：1. 研究地壳深部构造及其演化；2. 检验与校正地球物理探测结果；3. 研究地壳深部流体及其作用；4. 探索大型陨石撞击作用与生物集群灭绝奥秘；5. 研究盆地演化、油气成因及天然气水合物；6. 调查和开发深部热能；7. 研究矿产预测和评价及成矿理论；8. 研究地震发生机制和改善地震预报；9. 研究火山系统及其喷发机理；10.研究地球气候、环境的历史和全球变化；11.探索深部生物圈和早期生命演化历史；12.建立深部地壳长期观测站；13.调查核废料储埋厂址；14.推动钻探技术发展和进步。第二节 钻进技术方案 科学深钻是一种十分有效并且相对较新的地学研究方法,世界上已有许多国家从事大陆科学钻探活动,主要有俄罗斯、美国、德国、法国、瑞典、瑞士、日本、加拿大等。各国在施工科学钻孔时采用了多种多样的钻探技术。钻探技术的采用是综合考虑地学研究要求、技术水平现状和经济情况的结果。一、石油钻探技术石油钻探技术是进行石油和天然气勘探钻进时采用的钻探技术。1）技术特点(1)钻孔深度和直径一般较大; (2)采用转盘钻机;(3)主要采用牙轮钻头全面钻进,取心钻进比率（不大于）5 %;(4)通过提钻回收岩心。2）优点(1)设备的钻孔能力强(直径和深度大) ;(2)由于取心少,故施工成本相对较低。3）缺点不适合于全孔连续取心钻进,因为提钻取心需要提出全部钻杆,故升降钻具的时间相当长,最终导致整个施工时间太长。石油钻探技术之所以在科学钻探中得到应用,是因为其钻探能力很强。现有石油转盘钻机的钻深能力可在终孔直径较大的前提下超过12000m。采用该技术施工的科学钻孔有美国的索尔顿湖科学钻孔、卡洪山口科学钻孔和瑞典锡利扬科学钻孔等（见表2-2-1）。正如以上提到的,该技术不适合于连续取心钻进,故这些钻孔的取心钻进比率都比较低。表2-2-1 用石油钻探技术施工的科学钻孔二.前苏联科学深钻技术尽管石油钻探技术不适合于连续取心钻进,前苏联以及现在的俄罗斯在进行科学深钻时都采用了以这种技术为基础的钻探技术。前苏联对这一套技术进行了改进,形成了具有鲜明特色的前苏联科学深钻技术,并用这一套技术施工了大量科学深孔和超深孔,其中最深的是12262m的世界第一深孔科拉超深孔。1）技术特点(1)全孔连续取心钻进;(2)提钻回收岩心;(3)主要采用牙轮钻头进行取心钻进;(4)采用石油转盘钻机,钻头由孔底马达驱动;(5)采用轻质的铝合金钻杆。2）优点(1)牙轮钻头取心钻进效率高,如在科拉超深孔的片麻岩、角闪岩和花岗岩层中,牙轮钻头平均钻进效率为1.8m/h ; (2)孔底马达驱动有利于减轻钻柱磨损、功率消耗和增强孔壁稳定;(3)技术上容易实现，实施过程中的风险性较小,钻杆柱的尺寸设计有足够的空间,可保证钻杆柱强度,增加施工的安全性;(4)铝合金钻杆质量轻,大大降低了对设备能力的要求,并增大了钻杆柱本身的安全性。3）缺点(1)施工速度慢。这些钻孔都是全孔取心,并都是通过提钻回收岩心,提钻次数太多,起下钻时间在整个施工中占的比例很大,钻孔深度加大后尤其如此;(2)岩心采取率低,这是牙轮钻头取心钻进的通常弱点,科拉超深孔的平均岩心采取率仅为40%左右;(3)牙轮钻头取心钻进只适合于直径较大的钻孔(一般不小于8 - in),否则岩心直径太小,而较大的钻孔直径导致较高的施工成本。三.组合式钻探技术前面已说到,地质岩心钻探技术适合于进行小直径的、钻孔深度较浅的连续取心钻进,而石油钻探技术虽可用于大直径和深孔钻进,但不适合于连续取心。为了解决直径和深度较大的取心科学钻孔施工问题,德国等一些国家推出了组合式的钻探技术。这一技术的基本思路是将地质岩心钻探技术和石油钻探技术结合起来使用,即在石油转盘钻机上加装一套顶部驱动系统,进行金刚石绳索取心钻进。1）技术特点(1)采用地质钻探石油钻探组合技术,即在石油转盘钻机上加装顶驱动力头系统,进行金刚石绳索取心钻进;(2)全孔连续取心钻进,通过绳索打捞回收岩心;(3)主要采用薄壁的孕镶金刚石钻头取心钻进。2）优点(1)采用绳索取心方法,可大大减少提钻次数，从而较明显地减少施工时间,增加纯钻进时间;(2)采用薄壁金刚石钻头和适合于金刚石钻进的高回转线速度(2 m/s左右),获得的钻进效率较高,达到了与取心牙轮钻头相当的水平。(3)金刚石绳索取心钻进获取的岩心质量好,岩心采取率高。(4)与转盘驱动相比,采用顶驱动系统有利于应付施工中遇到的孔内复杂情况。3）缺点(1)需要一套特制的绳索取心钻杆。为减小碎石体积、提高钻进效率,要求钻杆壁尽量薄,但同时又具有足够的强度。这就要求最佳的钻杆柱设计、最佳的钻杆柱材料,故在技术上实现难度较大。此外,这样一套绳索取心钻杆柱的使用深度是有限的,按照技术现状,其极限使用深度为5000m。(2)需要一套特殊的钻杆柱驱动系统。由于采用绳索取心方法,孔底动力的使用受到限制。科学深孔和超深孔的终孔直径一般都较大(由于需采用石油测井仪器的缘故),现有的岩心钻探设备因其承载能力太低而不堪此重任,通常的解决方法是采用石油转盘钻机。石油钻机的转盘转速太低，不能满足金刚石钻进要求,为此须在转盘钻机上加装一套高速回转的顶驱动系统。因此该项施工比一般钻探项目对钻探设备的要求要高。据介绍,采用这种组合式的钻探技术进行取心钻进，可比采用石油钻探技术节省施工成本1/3。该技术在一些科学钻孔和地质岩心深钻项目施工中得到了成功应用（见表2-2-2）。表2-2-2 地质钻探/石油钻探技术组合系统及应用四.超前孔裸眼钻进方法前苏联的钻探专家认为,在深部地层情况不清楚、钻孔设计依据不足的情况下,“超前孔裸眼钻进方法”是钻孔施工的最佳方案。具体做法是:设计时先不确定全孔的钻孔结构和套管程序,而仅考虑钻孔上部,一般来说涉及第一层(有时到第二层) 套管。钻孔上部下套管并用水泥固结后,在固定套管内下一层活动的、可回收的技术套管,然后以较小的直径,即能获得最佳技术经济指标的直径(一般8 - in) ,往下钻所谓的“超前孔”。如果遇到复杂情况必须下套管护孔时,将活动套管拔出,扩孔、下套管、固井后,继续往下钻。根据套管直径和钻孔深度,可能在新下的技术套管内再悬挂一层活动套管。这种施工战略的特点是:钻孔结构设计留有余地,可应付复杂情况。如果岩层稳定,可尽量采用小尺寸钻头钻进,一则钻进效率高;二则可简化孔身结构、减少下套管的数量,从而降低施工成本。前苏联的实践证明了这种施工战略的可行性。设计深度为15000m。科拉超深孔、萨阿特累超深孔和乌拉尔超深孔都是按此战略施工的,其中科拉超深孔的超前裸眼孔段曾长达1万m。五、双孔方案所谓“双孔方案”是科学深钻施工的一种新战略,即在钻深孔或超深孔之前,先在深孔或超深孔孔位附近钻一口直径相对较小、深度相对较浅的先导孔。后钻的深孔或超深孔称为主孔。一般1 万m超深孔的先导孔深度为30005000 m。主孔与先导孔的关系十分密切,其钻探和测井技术方案都要受先导孔施工的影响。按此战略施工万米超深孔,至少分为3 个阶段:第一阶段:在主孔附近,采用连续取心的方法,钻进深度为30005000 m 的先导孔。在该孔中进行大量的测井。第二阶段:钻进主孔的第一部分,即与先导孔深度相同的孔段,深度为30005000 m。由于钻先导孔时已全孔取心并进行了大量测井,故主孔在此孔段基本不取心和仅进行少量的测井。此时,钻探技术的重点放在垂孔钻进上,把孔钻得尽量直,为超深孔段的顺利施工打下好的基础。由于是全面钻进,对垂直孔钻进技术措施的采取十分有利。第三阶段:从第二阶段达到的深度钻到主孔的终孔深度。施工先导孔有以下一些好处:(1) 减少主孔取心钻进和测井的工作量和成本。因为钻先导孔时是连续取心并进行了大量测井,故可基本免除主孔此段的取心和测井。先导孔比主孔直径小很多,因此主孔此段的施工成本节省较多。(2) 验证预测的温度剖面,为主孔深度设计提供重要依据。(3) 提供有关复杂岩层,如漏失层、涌水层和破碎带以及地层压力梯度的信息,为主孔的钻探技术设计提供依据。(4) 检验和标定将用于主孔的钻进和测井的工具、仪器和方法。(5) 为以后钻孔间的地学实验提供基础。第三节 科学深钻取得的成果自1970年前苏联开展大陆科学钻探以来，已有16个国家开展了这项科学工程，取得的成果超出了地球科学家的预想。1960年，当时科学界猜测地壳分为两层，上层地壳较轻，含硅和铝比较多，称为硅铝层；下层地壳较重，含镁多，称为硅镁层；中间有一个化学界面隔开上下地壳，称为康拉德界面。但是在进行科拉超深钻以后，发现在科拉半岛的康拉德界面根本不存在，所以上述两层地壳的模型最多只能用于局部地区，而不是全球普遍适用的，这就将人类对地壳组成和结构的认识大大推进了一步。另外，大多数的石油地质学家都认为，石油与天然气是由于沉积岩层中生物有机质积累生成的。但是， 1980年在乌克兰第聂伯尔一顿涅茨盆地进行科学钻探时，在31004000米之间的结晶岩中发现了5套生油岩和储油层，所处地层为前寒武纪的花岗质岩石及角闪岩、片岩。在发现的油层中含有大量熔融分离的微量金属及大量的He，NiV(单位体积中镍的含量)比值高，说明油层来自深源，而不是湖海相有机沉积的产物。乌克兰科学深钻的这一发现使石油地质学家们耳目一新，既然在地幔中能含有大量的烃类和流体，便能对石油天然气的生成和聚集起到重要的作用，有可能成为21世纪人类社会能源需求的重要来源之一。地球表面坚硬的结晶岩石阻隔了人类的视线，又有谁能想象到几千米的地下岩石中还存在大量的流体与生物呢?大陆科学钻探打开了人类的视野，使人们确信水和生物在地球内部的存在。在科拉超深钻中，富含镍锌和金银的矿液从4500米深处向下流动，在10000米深处富集成为矿层。许多岩心展示出结晶岩石在 10000米深处高温高压下出现大量的裂隙并富含流体。此外，许多科学深钻都发现地下深处存在大量耐温厌氧的细菌。从地表向下温度越来越高，过去人们通常认为当地温升高到100，此地下深处便不可能有生命的存在。但是在瑞典进行的科学钻探发现，生物圈的深度能达到地下4200米深，而温度约为11O。这些耐高温和厌氧的生命有可能起源于行星形成的初期，即大气圈与水圈尚未发育完全之时。中国大陆科学钻探工程于2001年8月4日开始钻打先导孔，孔深2000米，孔径256毫米，2002年4月完工。主孔井深5000米，孔径256毫米，取心率在85以上，2004年底完工。通过5000米钻孔获取的岩心及流体样品，和井孔及周围的地球物理数据的综合研究，将为超高压变质作用及陆一陆碰撞俯冲等许多动力学机制问题的解决取得决定性的依据。除了查明大陆地质的一些关键问题之外，中国第一口科学深钻对我国21世纪的社会发展也具有重要意义。如过去人们一直认为，金刚石生长在金伯利岩中，找金刚石要先找到金伯利岩。但是江苏地矿厅在东海县发现了两颗钻石，是生长在含柯石英榴辉岩原岩之中。由于没有发现金伯利岩，东海县发现金刚石的消息不敢公布，直到最近，科学家才认识到板块边缘的超高压变质带也是21世纪找金刚石矿产的新方向。除钻石外，东海县的水晶和金红石产量都居全国之首，在这里进行科学深钻可为搞清有关矿床的成因机制提供更多依据。中国最大的一次地震发生于清朝康熙七年(1668年7月25日)，震中在山东莒县、郯城一带，震级为85级。震区延伸方向与郯庐断裂方向一致，几千里之外的九江地震烈度还达到6级。21世纪中国的可持续发展，不能不防患沿郯庐断裂带可能发生的地震。陆内地震的可怕在于其震源很浅，深度多在812公里左右，从而破坏性较大。如果能钻到震源附近进行长期监测，必将提高地震预测的准确率。东海县位于郯庐断裂东面 30公里。科学深钻完成之后，可以将探头放入地下5公里深处观测地下的应力和热流，在中国东部以后的抗震减灾中发挥特有的作用。从以上几个例子可以看到大陆科学钻探在拓宽人类的眼界与思维方面具有的魅力，这种魅力体现在打开了一扇从来未被触及的大门，改变了人类对地球内部组成和结构的认识。因此，大陆科学深钻与超深钻一直牵动着全世界地球科学家的神经，成为他们共同关注的焦点，因为大陆科学钻探的每一次重大发现都是向传统地学理论的挑战，也是对新地球学说的召唤。第三章 海洋钻探第一节 海洋钻探的应用领域现代技术的发展，给人类勘察与开发海洋资源提供了很多先进的技术、方法装备。海洋中蕴藏着极为丰富的固体、液体、石油和天然气资源，勘探与开发这许多矿产资源需要不同的方式、技术方法、工艺和装备。钻探工程就是其中主要技术方法之一。一、滨海、海底地质钻探1固体矿产的储存条件（1） 滨海固体矿产 水深1030m（2） 滨海砂矿 水深1040m （3） 锰结核、多金属结核 水深20006000m（4） 重（金属）矿泥 水深20004000m2海上地质钻探设备（1） 小型钻探船 钻探水深10100m（2） 小型钻探平台 钻探水深1030m（3） 沉没式海底岩心钻机 钻探水深304000m （4） 柔杆钻探系统 钻探水深1002500m （5） 深海取样器与设备 钻探水深100010000m 二、海洋石油与天然气钻探 现代海上油气勘探与开发，大部分是在水深200m以内的大陆架及近海进行的。世界大陆架面积约2800万km2目前滨海石油年产量超过5亿吨，约占世界石油总产量的1/5,而且还在日益增长。我国宽阔的大陆架和深海基本上处于开发石油的初期阶段。随着科学技术的发展，从20世纪90年代以来，超过1000m水深的钻井与完井数量增长迅速，从20032007年的5年间，将有116艘浮式钻井采油设施，耗资约320亿美元投入深海油气开发，可以断言，勘探开发石油和天然气目前已从近海走向深海。三、大洋科学考察钻探多学科的科学考察是以大洋钻探为主的，对海洋地质学、海洋学、海洋生物学、海洋古生物学、海洋微生物学、海洋生态学、海洋地形学、海洋物理学、海洋化学、海洋气候学等进行综合考察为目的。第二节 海洋油气钻探一、 适应不同水深的海洋钻井设施海洋钻井设施首先要考虑构筑适合钻探施工用的平台，根据施工海域的水深，大致可以分为以下几类：（1）人工岛、栈桥、桁架式构架，适应水深520m。（2）座底式钻井平台，适应水深2030m。（3）自升式钻井船（平台），适应水深20180m。（4）半潜式钻井船（平台，高出水面18m），适应水深602000m，目前最深达到3100m。（5）深海钻井船，适应水深3006000m，目前大多在3000m以内。上述五种不同类型海洋钻探设施的结构和适应环境，可简化为两类：1、2与3又可称为固定式海上钻探设施；4与5类又可称为浮式海洋钻探设施。另外海域张力腿平台和Spar平台，其工作水深分别达到近1500m和2000m，由于这两种平台主要用于采油，而不列入钻井平台。二、 安装在海洋钻井装置上的钻井设备海洋钻机与陆上钻机基本相同，钻井能力大多为6000m，大到9000m，目前最大的已至11500码（37500ft）。钻机由交流变频驱动，便于安装、调速、控制和防爆，目前钻机绞车功率最大达到7200hp，为了便于下入隔水管或大直径导管，转盘通孔要大，现多用通孔为49.5in，为适应超深水和钻深井，已配备了通孔直径为60.5in的转盘。石油钻井的顶驱装置主要有三种类型，即液压顶驱、直流顶驱、交流变频顶驱，新一代发展了静液驱动的TDS和将由游车、水龙头与TDS组合在一起的短尺寸紧凑型TDS。新发展的无绞车、液缸升降型钻机和机械驱动长行程升降型钻机，使钻机的重量和成本降低约30%。新发展的变频电驱动、大功率、高压泥浆泵以及静液驱动的无曲轴、无连杆型、可调排量与压力泥浆泵。海洋钻井仪表普遍使用电子司钻、综合录井仪等，可测量、显示和记录打印数十种钻井和泥浆参数，配合盘式刹车系统可实现自动送钻等操作控制，为适应钻定向井和水平井，多使用随钻测量和随钻录井仪。起下钻机械化也有大进展，卸扣与旋扣一体化的“铁钻工“和各型钻具排放机械化装置，大大减轻了钻工的体力劳动。浮式钻井时套管头组和防喷器均装于海底，由套头组，防喷器组和遥控系统、隔水管组和各类型张紧器组成的水下钻井设备经过50多年的发展，从较完善、可靠到适应水深、超深水、深井钻井，高科技在其中得到广泛应用：目前BOP的工作压力较多采用69MPa、103.5MPa；BOP的尺寸高度和重量进一步降低；BOP组的配置更趋安全；为适应欠平衡钻井技术的发展，Shaffer公司发展了PCWD系统，即在钻井的同时，进行压力控制的BOP,又称高压旋转BOP;发展了强有力的钻杆和套管剪切闸板BOP；BOP的控制系统发展到深水、超深水的电-液编码控制；为使海底BOP控制更加安全、迅速可靠，发展了海底储器组并装有微型遥控柜、在平台失控时还可以直升飞机抛入水面的声学遥控系统来控制；适应深水、超深水钻井，发展了高强度轻重量的隔水管或具有可调浮力的隔水管，隔水管下装有“仪器短节”，可测量隔水倾角、应力、泥浆压力等参数；新型张紧系统采用高强度的张紧绳，重型隔水管张紧器采用高压长寿命的气液系统和高强度链条；新一代的海底声学定位系统、配合船的动力定位系统，可使船顺利重返井口，达到BOP和隔水管组与海底井口的迅速连接。新发展了大功率井底螺杆马达、可遥控调节角度弯头、长寿命PDC钻头等。上述海洋钻井设备的新进展，支撑了钻井新工艺如高压喷射钻井、欠平衡钻井、定向钻井、大位移水平钻井、孔底多支井钻井等成功推广应用，也确保了深水、超深水钻井的顺利进行。第三节 综合大洋钻探计划IODP即IntegratedOceanDrillingProgram(整合大洋钻探计划),它是在ODP基础上,通过革新技术、扩大规模及更进一步的深入研究而提出的更符合科学潮流、更具国际化的新世纪大洋钻探计划,是继SDP、ODP后国际合作深海钻探的第三个阶段。IODP的特点在于以多条船为基础,去进一步探索以往不能钻探的海区和深度,去解决过去未能回答的科学问题。除了能在浅海和滨海区钻探的设备外,IODP的技术核心是装配了日、美的两条深海钻探船。日本在确定以信息科学和海洋科学作为两大重点的国策以后,制定了OD21计划,将要建造一艘大约57500t级的立管钻探船,和美国扩建或新建的非立管钻探船在海上共同执行IODP。2000年5月1日,日本科技署和文部省部长HirofumiNakasone和美国国家基金委主席RitaRColwell联合发表声明,宣布两国将在对等基础上支持IODP的实施,通过钻探海底研究地球历史和地球系统过程(ESP)。据悉,IODP的经费将采取由美、日、其他国家各承担三分之一的原则筹集。参加课题的各大学、各研究机构及各企业的科学家通过共同合作,共同分享所取得的科学成果。（一）IODP的组织机构在ODP向IODP的转换过渡中将有1218个月无航次的运行缺口。到2003年9月,当ODP最后一个钻孔由JOIDESResolution完成时,IODP的准备工作将已基本完成,并于2003年10月1日正式启动。SCICOM(ScienceCommittee,科学委员会)会议决定把未来仍不能安排ODP航次的钻探建议书和排位差的建议书转交给IODP,请在新的计划中给予考虑。ODP的许多非常好的咨询机构和方针政策将保留在IODP中;然而,由于IODP的庞大,在组织和科研上都需要进一步的改革,需要建立新的机构、制定新的计划。以下介绍几个比较重要的IODP组织机构。（1）IWG(InternationalWorkingGroup,国际工作组):它由各国对2003年以后的科学钻探感兴趣的投资代表组成,由MargaretLeinen(US-NSF)和YoichiroOtsuka (Japan-MEXT)共同领导。1999年1月,IWG向JOIDES提出建立一个新的机构,专门处理科学、技术、管理、设备预算等方面的问题,暂时称之为Integrated Ocean Drilling Program(IODP)。从1997年至今已召开了6次IWG会议,第6次IWG会议于2001年6月在加拿大首都渥太华召开。（2）JAMSTECWashingtonDCOffice(日本海洋科学与技术中心华盛顿代办处):2000年10月1日,JAMSTEC(the Japan Marine Science andTechnologyCenter)华盛顿代办处正式建立。该代办处位于华盛顿州的拉裴特中心,它是JAMSTEC与分散在北美东海岸的众多美国科学机构进行国际科学合作的桥梁,与NSF、NOAA、NAVY、WHOI、LDEO等保持着紧密的联系,而且在IODP中最具特权。因此,它与JAMSTEC横须贺总部的OD21计划署有着最直接的联系,从这个意义上讲,JAMSTEC华盛顿代办处也是OD21计划署在华盛顿的分支机构。JAMSTEC主席Hirano博士在代办处开幕式上指出:JAMSTEC华盛顿代办处的最重要的使命是与IODP保持紧密的联系与合作。IPSC(IODPPlanningSubcommittee,IODP计划支委会):它也是JOIDES应IWG的要求而设立的,任务是对IODP的行动细则进行审核、监督、执行。IPSC由美、日、丹、德4国科学家组成,通过JOIDES的科学委员会向执行委员会及IWG进行工作汇报。（3）IWGSO(IWGSupportOffice,国际工作组支持机构):1999年9月,由美、日两国成立。该机构的主要任务是:协助安排IWG会议、更新IODP网页(/) 给IWG成员及其他对IODP感兴趣的团体分发IODP宣传册（以英、法、德、日4种语言发行）。（二） IODP的钻井技术人类从1961年便开始尝试深海钻探,ODP为止已取得举世瞩目的成功,但是,ODP却面临着许多难以解决的问题。影响洋底钻探的两个最令人困扰的问题是钻孔底部钻屑的排出和钻孔壁的稳定性。目前的ODP钻探技术是让由钻孔排出的岩屑堆积在海底孔口周围,岩屑的进一步堆积易造成岩屑返塌入孔内,卡住钻杆,甚至使钻杆报废。新世纪大洋钻探目标对钻探技术提出了更高的要求:(1)在年轻、强烈破碎且常常是高温的玄武岩中钻井,发展在400或更高温度下进行钻探的技术；(2)钻穿包括松散沉积层和火成岩在内的整个地壳,钻抵莫霍面(5km以下)；(3)提高机械钻速,延长钻头寿命,加强钻孔稳定性,提高深部冲洗液排屑能力；(4)在有瓦斯和烃类等爆炸性物质的地层中进行安全钻探。为适应大洋钻探的需要,ODP科学业务中心及日本大洋钻探科学委员会正积极开发用于深海钻探的立管钻井系统。在JAMSTEC科学技术署(STA)所提出的OD21计划中,日本政府出资新建的立管钻探船长210m,宽38m,钻塔高110m,钻探能力12000m(第一阶段为10000m),钻探最大水深4000m(第一阶段为2500m)。船上拥有2300m2的4层实验室,并配备了先进的仪器设备。OD21实验室的特殊之处在于:(1)含硫化氢、碳氢化合物及其它物质的岩心密封处;(2)CT扫描器及其它扫描工具的无损测量;(3)QA/QC实验室、微生物实验室、磁屏蔽室、数据处理室等。在该钻探船上将安装以下立管钻井系统装置：(1)顶部驱动装置(TopDrive):安装在钻探船的起重架上,具有足够大的功率,可旋转10000m长的钻管;(2)动力定位系统(DynamicPositioningSystem,DPS):在船体下部安装驱动器,抵消风和流的影响,使船体保持平衡。使用差分全球定位系统(DifferentialGlobalPositioningSystem,DGPS)使船的定位精度非常高。(3)立管(RiserPipe):是安装在船与海底之间的一个直径约10cm的细长管,是液体、钻管和其它设备经由钻探船与海底的通道,与海底套管联成一体,其上装有强力防喷器,并有泥浆循环,及时排渣,平衡地层压力,维持孔壁稳定。(4)瓦斯防喷器(BlowoutPreventer,BOP):架在钻井顶部,具有冗余系统(redundantsystem)，主要作用是保护钻探船及周围环境不被从钻井中泄露的瓦斯等爆炸性气、液体破坏,保障钻探安全性。(5)套管(CasingPipe):深入到海底沉积物中,使用胶结方法增大沉积物强度,防止井壁崩塌,使钻探更深入、更安全。(6)钻头(DrillBit):是钻杆柱底部的形似刮刀的装置,用于旋转钻井。（三） IODP的前期科学目标为迎接2003年的IODP正式启动,基于一系列针对未来大洋钻探的国际性专题讨论和会议,IODP总结制定出了前期科学研究计划ISP(InitialSciencePlan)。ISP提供了一个至少10年内比较稳定的新型科学研究框架,其详细内容可以在网站(/)查到。ISP主要着重于以下三大海洋过程：(1)对深部生物圈与大洋深部海底的研究发现,在海底表层沉积物及上部洋壳的孔缝中的海水里存在着一个巨大的未知生物圈。这些生物生活在极端特殊的条件下(高温高压而且生存空间极小),新陈代谢极端缓慢,实际上处于休眠状态,但已经活了几十万、几百万年。这个未知的生物圈对海底沉积物、保存于沉积物中的有机质以及基岩本身的生物和地球化学过程有着很大的影响。在最初的IODP中,重点将放在深部生物圈及与大洋沉积物中天然气水合物相关的生物、物理和化学过程的研究上。大洋钻探是探索整个海洋生物圈的一把钥匙。通过对所取岩心的研究,可以获得海底极端环境下生命的起源及生物多样性的第一手材料。这些岩心样品将为我们提供前所未有的机会,去追溯地质历史的基本演化过程及其与地球气候间的相互作用,帮助我们恢复古气候。随着高分辨率测年技术的出现,使得针对重大生物灭绝事件和新生事件前后几百万年内的沉积物和化石记录的分析研究成为可能。IODP的研究方向将集中在以下几个方面：研究重大灭绝事件后生物群恢复的形式与过程,以此确定把地球化学和气候系统结合在一起后,对生物群的完全或基本灭绝会有多高的灵敏度,而这些生物类群在生物地球化学系统中具有不同的作用;不同生物系统的恢复需要多长的时间;营养盐利用率的变动在生态系统重建中起多大作用。(2)环境的改变、演化及其影响涉及到最前沿的海洋科学问题的调查领域。对全球气候变化及这些变化进程的研究已取得了很大进步;对由白垩纪和早古新世无冻环境到后来的南极洲大陆冰川,再到几十个百万年以后的北美洲、欧洲大陆冰川的地球气候演化过程已有了大概的认识。在IODP工作中,将进一步加强这方面的研究以探寻导致环境变化的重要因素及其变化过程,而最初的重点将放在探寻导致剧烈、快速气候变化的因素上,这种变化在过去几十年中已间隙性地出现过了;然后,将对曾经造成全球突然变暖的气候、海洋及地壳结构的演化过程进行研究,当时两极地区无冰且气温平均高出现在12。(3)固体地球循环和地球动力学是在研究地球的形成过程及地球环境的控制过程时首先提出的。在这方面的研究中,IPS将调查大陆板块的分离机制及沉积盆地和大陆边缘的形成机制。在形成厚层玄武岩的大型火山岩区(LIP)打钻,研究玄武岩的形成过程、地球化学过程及对全球环境的影响过程;在正常大洋壳深部打钻以更好地了解这块最大的壳体在洋中脊附近是如何产生、如何增长、如何冷却,以及在长期演化过程中结构、构造的变化。随着钻探技术的提高,从洋壳至莫霍面都能通过打钻来到达,这些先进的技术还使我们能在汇聚型板块边缘进行钻探。但在此之前,这一领域的物理、化学特征及与该地震带相关的岩石性质是我们迫切希望了解、却又无法探及的。ISP的实现需要各国科学家的国际合作,需要最尖端的钻井、取样、挖掘及监控技术的引入。美国非立管钻探船和日本立管钻探船将成为IODP的技术核心;然而,这两条应用广泛、功能强大的钻探船并不是世界大洋中任何地方都能去,也不是能解决任何领域的科学问题。此,IODP还考虑用其它规模稍小的钻探船承担一些特殊的钻探任务,如重返JOIDESResolution号钻过的钻孔中安装长期观测仪器;完成浅层沉积物(如环状瑚岛地区)及基岩的钻探;用具有破冰能力的钻探船进行北极的大洋钻探等。所需的技术设备将由IODP成员国共同提供,取得的岩心样品和数据资料也由所有成员国共同分享。在接下来的几个月里,IODP将成立以国际骨干科学家为领导的咨询机构以实施ISP,开始接收科学钻探建议书。第四章 小口径深孔复杂地层钻进第一节 复杂地层概述钻进过程中，往往由于钻孔漏失，涌水而无法维持冲洗液的正常循环，或因冲洗液的性质以及冲洗液环状空间流动的水力因素和孔