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科钻一井：将内窥镜深入地下5000米/htmlnews/200811782723404199547.html 2008-1-17科钻一井工程的成功，是我国钻探技术发展的里程碑。历时年多、耗资近亿元完成的中国大陆科学钻探工程日前通过国家验收，留下了一个没有地面干扰的、直径157毫米、深5158米的深井，成为亚洲第一个地球物理综合性长期观测实验基地。尽管如何进行更深入的科学研究，充分发挥其潜在价值，是一个还没有完结的科学问题，但从大陆钻探的技术角度来说，这个被称为科钻一井的工程已经圆满地画上了句号。对工程所取得的技术进步，科钻一井工程总指挥、中国大陆钻探工程中心主任王达教授总结说：“尽管这不是世界上最早、最深的井，然而从硬岩取心的角度说，科钻一井达到了世界先进的技术水平，取心率之高是世界上极为罕见的。”为科学目标啃一块硬骨头大陆钻探技术是目前获取地球深部实物资料的唯一技术手段，是研究地壳构造和演化最重要的技术方法，受到各国科学家的广泛关注。在这项技术发展起来之前，人类对于地球深部不能观察、触摸，对地层下面究竟是什么，大多只能推测，因而同样的材料可以导引出不同的结论。从1963年世界上第一个大陆钻探井开凿以来，人类探视地球内部的历史已有40多年，最深的一口井位于俄罗斯的科拉半岛，井深12262米。科学钻探因科学目标的差异，所要钻探的地层环境也千差万别。地层环境的差异，对钻探工程提出了不同的技术要求，其难度也各不相同。科钻一井的主要科学目标是重塑超高压变质带的形成与折返机制，揭示板块边部的深部物质组成及成矿与流体作用，因此要把钻探地址选在造山带。在这种地层打钻，所要应对的是硬度很高的结晶岩，可钻性多数为89级，少数岩石的可钻性达到1011级。与一般地质钻探相比，科学钻探本身就因目标多而难度大，科钻一号面临的难题不仅是地层坚硬，还要在这样的地层环境上全孔取心。在硬地层对5000多米深井全孔取心，这不仅在我国没有先例，在世界上也属于高难度钻井工程。俄罗斯钻探的1.2万多米深井，由于取心难度极大，工程持续了20多年，成本难以计算。而德国钻探的9000多米深井，为了减少成本、缩短时间，其取心比率只有3%。岩石坚硬，钻头消耗大；全孔取心、取样，要求高；地层易斜，难以保直；井身结构复杂，大直径硬岩扩孔钻进难度高、套管下入难度大；井深，下部地层状况未知；施工周期长，风险因素大，施工费用高面对这些难题，科钻一井无论是从国内还是国外，都很难找到可以借鉴的成熟先例。地下是一个风险未知领域上天入地是人类的梦想，而天上地下的种种未知因素，却为人类的追梦之旅平添了许多风险。应对未知因素是大陆钻探工程在确定方案时首先要考虑到的。科钻一井工程借鉴了德国KTB曾经使用的一种双孔方案。所谓双孔方案，是指在正式钻探前，先打出一个先导孔，这个先导孔直径较大，可以通过它来摸清地层状况，再进行主孔施工。德国KTB 9000多米的钻井，仅先导孔就钻进4000多米深。王达说，这种方法尽管安全，但成本太高。于是，工程指挥部借鉴了这个方案的成功之处，并考虑到它的不足，创造了一个“灵活”的双孔方案。由于对钻探所在地江苏东海县地下1000米内的情况早先就有一定的认识。于是，工程指挥部决定先打一个2000米的先导孔，再根据钻孔质量、地层情况决定是否另外开孔。最终由于有预先的计划，这个先导孔的质量很好，主孔施工就在它的基础上继续进行，方案的灵活性为工程大幅度地节约了时间和成本。在硬地层上打深井，不可能打得笔直，因此施工中要根据情况需要，纠正井身的倾斜度。王达说：“在硬地层中怎么纠斜，是这类深井的另一个关键技术问题。”离设计的科钻一井距离仅300米处，有一个中国大陆科学钻探工程2号预先导孔，其深度为1028米，直径为75毫米。从该孔的施工情况看，井身倾斜非常严重，80米处井斜为4.4度，在纠斜两次后，继续钻至700米处井斜达到18度。施工过程中共发生35次断钻杆和脱扣事故。在施工过程中，科钻一井创造了一套硬岩纠斜的技术方法。其最为成功、也是最为惊险的一次纠斜实践，是在工程进行到3665米时。在这一井段，遇上了王达称之为“大肚子”的地层结构，这里的地层严重破碎，井身直径从157毫米，一下子增至近500毫米。套管扶正器钢板和扩孔钻头导向头落在井内，无法继续施工。王达说，这种故障已经属于事故范围了，由于井段地层严重破碎，事故处理变得更加困难。于是，指挥部被迫采用了侧钻绕障的手段，不仅解决了事故问题，还将井斜角由8.47度降到0.41度。在纠斜工程中，科钻一井所尝试的纠斜钻进和侧钻绕障技术方案，都是在我国没有先例的技术背景下进行的探索与实践，为我国今后类似的钻探工程留下了成功的示范案例。工欲善其事，必先利其器“工欲善其事，必先利其器。”我国第一次钻探这么深的井，又是这么硬的地层，“没有现成的设备可用”，王达说。从深度上说，以往用于石油钻探的石油钻机以牙轮钻头全面钻进为主，可以满足深度的要求，但它所采用的低速回转、大钻压的工艺却因压力不稳，不利于取心，不能满足科学钻探的要求。矿山地质钻探技术采用高速回转、小钻压工艺，却又不能应用于2000米以上深度，此外它的立轴给进行程短、油缸倒杆频繁，增加了辅助工作时间，还很容易造成孔底岩心堵塞。根据结晶岩科学深孔钻探的特殊要求，科钻一井将石油转盘钻机设备与地质勘探取心钻进工艺结合在一起，形成一种适用于硬岩深孔大直径科学钻探要求的组合式钻探技术，从钻探深度、地层硬度和岩心取心率上都成功地满足了工程的要求。在科钻一井中采用的一套20多米长的三合一设备，更是国际首创。这套三合一设备包括顶端的螺杆马达、中间的液动锤、下面的取心筒和钻头。因为结晶岩的质地硬而脆，单纯用切割的方式钻进的效果并不理想，把液动锤加在金刚钻上，可以在切削的同时使用冲击的力量，在硬而脆的结晶岩上作业，不仅提高了效率，也减少了岩心堵塞。在科钻一井施工中使用的液动锤是我国自行研制成功的，取得了一次下井连续工作时间17.66小时、累计进尺26.3米的好成绩，并在使用井深和单井进尺方面创下了世界纪录。金刚石钻头是硬岩深井钻进的又一个技术关键环节，它是钻进和获取岩心最基本和首要的条件，钻进速度和钻头寿命与工程成本密切相关。根据科钻一井所遇到的岩石类型，我国研制出了3种金刚石取心钻头。在科钻一井施工进程中，使用了这3类取心钻头163个，钻头平均使用寿命近25米，最长使用寿命超过75米，平均机械钻速每小时1米多。与美国卡洪山口和德国KTB两个国外最具代表性的科学钻探孔所使用的钻头相比，我国这套具有自主知识产权的金刚石钻头的制造与应用技术达到了国际先进水平，在国内处于领先地位。科钻一井的钻井液技术也是一大创新技术手段。科钻一井采用的钻进方法主要有取心钻进、扩孔钻进和全面钻进，不同的钻进方法需要采用不同性能的钻井液，以保证钻进工艺的实施。全面钻进和扩孔钻进要求泥浆的携带性能好，能及时排除钻进形成的较大颗粒岩屑，以提高钻进效率；取心钻进要求钻井液性能不仅有利于携带岩屑，停止循环时要能够悬浮岩屑，同时还要满足作为井底动力系统驱动介质的要求。从现场钻井液制备和管理的角度考虑，要求制备简单、性能调整容易和管理方便；从节约成本、减少排放的角度出发，现场最好采用单一的钻井液体系，钻进工艺变化时，不需要更换钻井液体系，仅通过简单的性能调整就能够满足钻进工艺变化的要求。科钻一井采用了专门研究和设计的LBM-SD钻井液体系，较好地实现了多方面的要求，保证了各种钻进方法的顺利实施。在坚硬的结晶岩中钻进5000余米，进行全孔连续取心，不仅在我国没有先例，在世界上也属于高难度钻井工程。我国的钻探技术人员在重重困难面前解决了大量技术难题，实现了全孔平均岩心取心率85.7，最长岩心达4.25米。科钻一井工程的成功，是我国钻探技术发展的里程碑，提升了我国钻探技术在国际上的地位。“望远镜”下看地球/readnews.asp?newsid=3063 2005年5月11日2001年6月，中国地学工作者在江苏东海县超高压变质岩带上架设了一只伸到地球深处的“望远镜”直径20厘米的钻孔。经过近4年的钻探，中国大陆科学钻探工程终于实现了预期目标，钻井深度被锁定在地下5158米处。4月18日，封井仪式在东海县隆重举行。 “针尖”中的秘密待解在中国东部的江苏连云港东海县，有一个直径20厘米的钻孔，像一只望远镜一样伸到地球深处，把地下5000米深处的奥秘一点点地呈现在人们眼前。这就是著名的地学高科技系统工程中国大陆科学钻探工程。从这个5000米的钻孔里到底能看到什么？这是人们最关心的一个问题。在大陆科学钻探工程总地质师杨经绥的计算机里，一个由六面体拼合而成的、酷似足球的东西呈现在我们的眼前。这个只有100微米，也就是针尖好么大的“足球”，来自地下600680米深的新鲜碎屑岩中。经过初步的工作，他们发现这个“足球”是由一种地球上不曾有过的物质形成的，类似的物质万分以前只在一些陨石中发现过，但比例差异太大。它到底是什么？成分、结构如何？怎样形成？何时形成？从哪儿来？如何保存的？都还是个谜。这些，是科学家们在封井后的后续研究中要解决的问题。生命的形成可能源于地下钻探到地下3910米处的时候，科学家发现了微生物。并成功培植活体。新发现微生物体内的特殊生物组合，对生物化学的研究和发展具有实用意义。课题组目前已在钻探现场初步建成能够对样品进行微生物培养分离及DNA提取前期工作的微生物实验室 ，装备了价值100万元的各种岩石无菌处理设备等大型仪器。他们采用克隆技术和微生物培养技术，对地下5002000米的岩石和5003500米的泥浆进行了系统研究，发现了硝酸盐还原菌、三价铁还原菌和产甲烷菌。而且岩石中的微生物含量低于泥浆，每克岩石中仅含103104个微生物个体，泥浆中含108109个微生物个体。研究表明，生命可以在地下深处缺氧、缺水太阳能的极端环境中生存，并且积极参加新陈代谢，即生命的形成可能起源于地下。这项研究对生命起源和早期演化提供了直接证据。“地心使者”带给我们什么在钻井场区，从地面至地下5000米处的连续岩心排放得整整齐齐。它们像来自地心的使者一样，向人们倾吐着地下的奥秘，带来了以往不为人知的、丰富的地学信息。在这些岩心里，科学家发现了新鲜的、连续的、定向的、罕见的、超高压变质岩心；在600680米处，发现了来自地幔岩中的、迄今在地球上还属于未知的新物质；在1068米榴辉岩中，发现了极端条件下形成的地下微生物；在东海毛北榴辉岩中，发现了微粒金刚石；在苏鲁地区占有90%的榴辉岩围岩中，发现了大量柯石英包体。另外，科学家们进行了液态、气态样品及其原方位测量数据的多学科综合研究，完成了岩性剖面、地球化学剖面、构造变形剖面、流变学剖面、岩心伽马异常剖面、矿化剖面、岩石物性系列剖面、地下流体化学剖面、地下微生物剖面等14种测井参数剖面； 现了地下特殊的氦、二氧化碳等流体异常；首次利用深孔进行三维地震探测及数据处理，地震层析资料揭示，扬子板块与苏鲁高压超高压变质带之间的响水断裂为超岩石圈断裂。2004年12月26日，印度洋发生海啸前，与钱度洋相隔数千公里的大陆钻探钻井检测仪器，两次检测到地下5000米液态、气态等有强烈异常。目前，科学家正在对这引起宝贵的数据进行分析，以期以对地震、海啸等灾害的预测研究有所帮助。如同在地下100公里处开钻中国版图这么大，为什么选择在江苏东海县开钻呢？总地质师杨经绥介绍说：“这里的地面岩石，是在地质事件中从地下10公里的地方被抬升上来的，从这儿开始打钻，起点就可以看作是地下100公里。所以，从5000米的钻井中得到的信息其实已经代表很深的东西了。”地球表层的岩石，如何在板块作用过程中被带到地下100多公里深处，形成超高压变质岩后又返回地面？这个问题如今已成为现代地学界研究的前沿课题和热点。以往，人类对地球内部的勘查因坚硬岩石的阻隔而困难重重。人们对地球内部的认识，大多是通过地球物理等方法间接获得的，地表地球物理遥测只能获得近地表的构造影像及深部的推测，这种推测存在“多解性”。而大陆科学钻探是获得地球大陆内部信息的唯一直接途径。数千米的深部钻探提供了通过保留在垂向层序中的地质记录研究“系统瞬态动力学”的手段，使“多解性”真相大白。由深部钻探技术和地球物理遥测技术构成的科学钻探工程被誉为“伸入地球内部的望远镜”。通过大陆科学钻探对岩石圈进行直接观测，可以揭示大陆地壳的物质组成与结构构造，校正地球物理对地球深部的遥测结果，探索地球深部流体系统、地热结构，监测地震活动，揭示地震发生规律，研究全球气候变化及环境变迁，探索地下微生物的分布及潜育条件，预防环境及地下水污染，处理核废料。长期观察地球变化等，可以解决一系列重大基础科学问题。5000米的深井有何用途“中国大陆科学钻探工程虽然在5158米的深度封井了，但实际上我们的科研工作才刚刚开始。”杨经绥说，“在钻井过程中我们做了很全面的常规工作，每深入地下一米都做一个切片，每两米做一次化学万分分析。接下来，就要对这些切片做系统的分析、研究。”封井后，科学家们将利用仪器长期观测，包括测量地应力、记录地球深部流体系统和温度的变化以及与地震有关的参数、地下微生物的分布等。此外，项目组还与江苏省政府联合组织科普工作，组织学生到井上参观。此次大陆科学钻探工程是使用“老手段”发现了“新东西”，例如在测井、录井和地球物理上的新发现。它的完成，为我国的大陆科学钻探事业打响了第一炮。中国大陆科学钻探工程科钻一井的主要技术成就与钻探施工的主要经验/results_zw.asp?newsId=L712141602534645 2005-12-17中国大陆科学钻探工程，简称CCSD（Chinese Continental Sientific Drilling），是国家“九五”重大科学工程和国际大陆科学钻探重点项目之一，也是当前实施的全球大陆科学钻探项目中最大和最深的科学钻井，故被称为中国第一井。本项目利用现代深部钻探高新技术，在具有全球地学意义的大别苏鲁超高压变质带东部的江苏省东海县施工一口5000m深的科学钻井。举世瞻目的中国大陆科学钻探工程科钻一井于2001年6月25日正式开钻，经过1353天的日夜奋战，于2005年1月23日，终孔深度达到5118.2m，之后经过物探测井和地球物理施工，于2005年3月8日，完成了全部施工任务。取得了许多创新性成果。科钻一井是采用国产钻探设备，依靠我国自己的力量进行设计和施工的。科钻一井的完工是我国地质工作者发扬自力更生精神，向地球科学进军的一次壮举。利用从钻孔中取得的固体和流体样品，进行观察和测试分析，结合物探测井资料及相关的井中物探方法观察地层，进行了多学科的综合研究，取得了一批重大科学成果，包括建立了中国第一井（从0-5118m）的岩性剖面、地球化学剖面、构造剖面、岩石伽玛异常剖面、矿化剖面、岩石物性剖面及流体剖面；发现了大量超高压矿物；首次发现了下地慢新矿物；发现了地下特殊流体异常；发现了极端条件下地下微生物；建立了主孔5000m的基本构造单元；确立了7-8亿年前的苏鲁古大地构造背景；提出了新的超高压变质带深俯冲与折返的模式；提出了中国近4000公里巨型中央超高压变质带；利用科钻一井建立了长期的地下观测与实验基地等。一、中国大陆科学钻探工程的主要技术成就在坚硬的结晶岩中施工5000m深的连续取心钻孔，不仅在我国没有先例，在世界上也属于高难度钻井工程。目前世界上只有极少数国家完成了这样的钻井工程。我国的钻探技术人员在施工科钻一井过程中，克服了重重困难，解决了大量技术难题，完全采用我国自己研制、开发的钻探技术与装备，实现了高难度的钻井目标，钻井工程取得了高效、优质、经济的良好效果。全孔平均岩心采取率达到85.7%。钻探技术的难点是：1.钻遇的岩石坚硬、研磨性强，导致钻进速度低、钻头寿命短；2.要求全孔连续采取岩心，导致提钻次数多，加大了辅助工序时间；3.钻遇的片麻岩各向异性显著，加之岩层陡斜、造斜性强，极易产生井斜；4.某些层段井壁坍塌、破碎严重，扩径显著，导致发生孔内事故；5.在坚硬的岩石施工5000m终孔直径157mm的连续取心钻孔，在我国没有先例，没有现成可用的钻探技术，没有深部资料可供参照，施工风险大。科钻一井的施工采用了“组合式钻探技术”，即石油钻井技术和地质岩心钻探技术的组合，采用石油钻井设备，同时采用地质岩心钻探常用的高转速金刚石取心钻进工艺方法，以这一套特殊的钻探技术体系解决大直径、深孔、硬岩连续取心钻进的技术难题。施工科钻一井的主要钻探技术成就是：1.研制开发出适合于大直径、硬岩、深井取心钻进的金刚石钻进系统，包括钻头、扩孔器、取心管、螺杆马达、液动潜孔锤以及硬岩扩孔钻进系统和硬岩定向系统。钻进系统在恶劣的钻井条件下使用，经受了考验，得到了改进和完善。研究和开发的钻探技术，极大地提升了我国钻探技术水平。2.试验成功的螺杆马达一液动锤金刚石取心钻进系统属世界首创。该系统研制成功，是深井硬岩取心钻探技术的重大突破。螺杆马达和液动潜孔锤都是由钻井液驱动的井底动力钻具。采用井底螺杆马达钻进的特点是钻杆柱不回转，具有减少功耗、降低钻杆柱磨损的优点，防止由于钻杆柱回转对井壁的干扰产生的事故。液动潜孔锤是一种具有冲击功能的钻具，可以大幅度提高钻进效率和回次取心长度，并可减少孔斜。这两种先进的井底钻具与金刚石取心钻具结合一起，形成了一种新型的、集多种钻进方法优点于一体的组合式钻进系统。试验结果表明，与普通的钻进系统相比，提高机械钻进速度50%-100%，提高回次取心进尺长度一倍以上，防斜和降斜效果明显。3.通过反复试验和改进，使液动潜孔锤钻进技术得到明显的改进和完善。国产液动潜孔锤结构新颖，性能优异，其钻进深度已达5118m。确立了我国液动潜孔锤钻进技术在世界的领先地位。4.研制成功了适用于深井硬岩高转速条件下的大直径簿壁金刚石取心钻头。这种钻头在恶劣的地层条件和液动潜孔锤的冲击作用下仍可获得较好的机械钻进速度和钻头寿命指标。5.在国内首次实现在深井坚硬岩石中进行长井段扩孔钻进，摸索出一整套适用的扩孔钻进技术，包括钻头、井底钻具组合、减振措施和钻进工艺参数。6.摸索出一套硬岩深井防斜、纠斜和造斜技术，在国内首次实现了在深井、大直径、硬岩条件下侧钻和纠斜。7.通过试验，将LBM钻井泥浆体系成功地用于深井、硬岩、大直径取心钻进，钻井液性能优异，保障了井壁稳定，在钻井液中添加润滑剂，并采用了严格的钻井液固控措施，使含砂量保持在0.03%左右，改善了井底动力钻具的工作条件，提高了其使用寿命和回次进尺长度。二、钻探施工的主要经验1.发扬自力更生精神，早在科钻一井开钻的十年前，已有组织、有计划地开展了中国大陆科学钻探工程先行性研究，开展了相关钻探技术的研究，在钻探施工期间，研究工作从未中断，取得的一批创新性的高新技术成果，为钻探施工的顺利进行，奠定了物质技术基础。2.早在1988年1993年，在刘广志院士的主持下，搜集、编译、出版了250万字的国外超深井钻进技术文献资料，开阔了视野；通过出国考察、参加国际会议、参加国际大陆科学钻探工程计划、派遣进修生出国学习、邀请国外专家来华讲学、开展中外合作、交流等多种形式，学习国外先进经验，使之洋为中用。3.在研发钻探关键技术方面，实行科研机构、地质院校、钻探施工单位、跨部门之间的攻关协作，充分发挥国内钻探工程技术人员的积极性和创造性，作到集思广益、优势互补。4.科钻一井钻孔施工设计思想先进，积极、稳妥；在施工过程中，根据情况的变化，及时调整设计施工方案，有效地指导了钻探施工。5.在国土资源部的领导下，建立了施工领导决策、参谋咨询和实施管理体系。在大陆科学钻探工程中心主任兼科钻一井现场总指挥王达教授的领导组织下，实行了科学决策，实现了科学管理，建立了井场施工基本运行制度，实施了计划管理，建立了严格的工程施工控制、生产技术管理和人力资源管理制度，实现了现场钻探施工工作高效运转。6.在现场有一批有理想、能掌握高难钻井工程的科技人员和一批在施工中技术过硬、吃苦耐劳能打硬仗的钻探施工队伍。在科钻一井施工过程中，国务院温家宝总理在百忙中发来了贺电、全国政协副主席万国权、国务院副总理曾培炎、国土资源部、原地矿部、江苏省、连云港市主要领导都曾亲临现场慰问施工人员、指导工作。领导的关怀极大地鼓舞了井场施工人员的斗志，激励了员工克服困难的勇气。我国大陆科学钻探工程的倡导者，中国工程院刘广志院士在他八十寿辰的聚会上，心情激动地讲道：“中国大陆科学钻探工程的胜利完工，大长了中国人民的志气。没有中国共产党的领导、没有新中国的社会主义制度，我们不可能完成这样高难度的五千米深的科学钻探工程。日本是经济强国，一些日本学者早就提出了在日本国土上打一口万米科学深钻的倡议，但至今未能实施”。三、建议当科钻一井正在顺利施工的时候，中国大陆科学钻探工程首席科学家，中国科学院许志琴院士及时提出了更加宏伟的，向地球科学进军的项目“入地工程计划”。通过对不同地区进行地质调查、钻进不同深度的科学钻孔，结合深部矿产资源勘查，研究解决一些重大基础地质问题，探索地球奥秘。在国土资源部制订“十一五”科技发展规划时，一些专家、学者提出了在“十一五”期间，钻进两口万米科学超深钻孔。施工万米科学深钻是向地球科学进军的一项更加宏伟的工程，也是一项高难度的、高新技术工程，其主要难点是：1.在万米深井中，在高温、高压条件下，不仅岩石坚硬、难钻，且岩石具有一定塑性，易产生孔底缩径事故，甚至在下钻时，找不到井眼，国外超深井钻进时出现过类似事件。2.由于科学钻井往往需要全孔连续取样，势必占用大量升降作业时间，导致施工周期明显增大。3.对钻杆柱的性能有更高的要求，在起下钻具时，钻杆柱上部承受