“地壳一号”万米大陆科学钻探钻机-2016.7.7

“地壳一号”万米大陆科学钻探钻机报告人：赵研吉林大学建设工程学院2016年07月07日,一、为什么要实施入地计划？二、大陆科学钻探的国内外现状三、万米大陆科学钻探面临的难题？四、“地壳一号”万米钻机研制五、“地壳一号”万米钻机运输六、“地壳一号”万米钻机组装七、松辽盆地科学钻探计划八、我国科学钻探未来发展前景？,报告提纲,一、为什么要实施入地计划？,地壳一号通向地球深部的望远镜,地球是人类居住的唯一场所，为人类提供了生命必需的粮食、水，和生活必须能源和矿产资源；同时也常给人类带来诸如火山、地震、海啸等灾难。,科学钻探是为地学研究目的而实施的钻探，它通过最先进的现代深部钻探技术手段，获取地下岩石、岩屑、流体，并进行地球物理测井和安放仪器进行长期观测，来获取地球内部的各种地学信息，校正地球物理对深部的探测结果。,被誉为人类的“入地望远镜”和了解地球演化的“时间隧道”,何谓“科学钻探”？,人类四大壮举,上天,天宫二号，2016年第三季度择机发射,地壳一号，松科2井计划钻深6400米,一、为什么要实施入地计划？,登极,雪龙号，圆满完成第32次南极科考,下海,蛟龙号，成功下潜7062米,人类四大壮举,上天,天宫二号，2016年第三季度择机发射,地壳一号，松科2井计划钻深6400米,与上天、海、登极相比，入地计划及专用装备相对滞后。,一、为什么要实施入地计划？,登极,雪龙号，圆满完成第32次南极科考,下海,蛟龙号，成功下潜7062米,入地计划的主要目的是什么？,一、为什么要实施入地计划？,运用最先进的深部探测技术与超深钻技术揭露地下物质组成与结构；开拓深部常规、非常规油气资源战略新区，开辟重要矿产资源“深部第二找矿空间”；查清现今地壳应力场，提高地质灾害预报预警能力；提高对地球认知水平，推动地球科学的发展与进步。,一、为什么要实施入地计划？,1996年2月，由德国、美国、中国三个发起国成立了“国际大陆科学钻探计划”（ICDP），1997年1月，中国正式加入了ICDP，成为该组织的理事国之一。目前，已有20个国家和2个团体加入了该组织。,二、大陆科学钻探的国内外现状,国际大陆科学钻探的主题,始于20世纪70年代，1996年2月，由德国、美国、中国三个发起国成立了“国际大陆科学钻探计划”（ICDP），1997年1月，中国正式加入了ICDP，成为该组织的理事国之一。目前，已有20个国家和2个团体加入了该组织。,1、国际大陆科学钻探计划现状,1,科拉超深钻-3井于1970年5月25日开钻，至1975年5月井深达7263m，用了5年时间，完成第一阶段要求。此后，到1986年3月井深达12300m，后6000m用了11年。至1989年将井深更改为12261m，3年内变浅39米，由于技术和经济原因而终孔。,前苏联-科拉超深钻（-3井）,当今世界最深的钻孔,科拉超深孔所用的钻探装备第一阶段采用的乌拉尔机械-4，钻进井深0-7263m；第二阶段换为乌拉尔机械-15000钻机，钻进井深为7263-12262m。这两种钻机的技术参数如下表：,德国KTB超深钻,德国于1985年至1994年间，在德国中部的Windischeschenbach镇实施了举世闻名的“联邦德国大陆深钻计划(KTB)”。,该项目是联邦德国的第一个大规模地学研究计划，得到了联邦研究与技术部提供5亿马克的资助。,在海西缝合带的结晶地块中先后钻探施工了两个钻孔，即：4000m深的KTB先导孔，和9101m的主孔（原设计孔深14000m）,KTB的钻探装备KTB科学钻探利用UTB-1型钻机完成，钻机设计钻探深度为14000m。钻机主要参数如右表：,KTB的现状,KTB工作人员在向代表团成员展示在9089.70米取到的最深岩芯,KTB的现状,深部探测代表团主要成员与ICDP首席运营官Harms教授在GFZ门前合影,KTB的科普展厅一角（它已成为德国地学教育的最佳科普场所，除展厅外，还有可以供亲手试验的物理、化学实验室）,KTB科普厅,我国已经实施了4口大陆科学钻探井，包括：江苏东海CCSD-1井、青海湖科学钻探、大庆松科-1井、汶川科钻。,2001年8月6日，在江苏东海县毛北村的大别苏鲁超高压变质带东部，中国第一口大陆科学钻探井正式开钻，至2005年4月18日现场施工任务全部完成，施工工程全部历时1395天，终孔深度5158.2m。,2、我国大陆科学钻探计划现状,该项目的主要研究目标是研究“大陆板块会聚边界的地慢动力学”及建立“超高压变质岩石形成与折返机制”的模式，揭开了我国深部地质勘探的新篇章。,青海湖科钻2004（气候变化与环境）,松科1井2007（气候变化与全球环境）,汶川科钻2008（地震活动监测）,2、我国大陆科学钻探计划现状,郯庐断裂带,羊八井,准葛尔,柴达木盐湖,祁连山,大巴山,在关键地带部署科学钻探，直接解释深部结构与物质组成，验证深部探测结果。实施万米科学钻，迈入国际钻探先进行列,我国大陆科学钻探工程计划,深部大陆科学钻探工程的需求，引领了钻探装备的发展。ICDP委托德国HerrenknechtGmbH公司研制，该钻机该钻机既可用于大陆科学钻探，也可用于地热勘探、石油天然气勘探及二氧化碳的地下埋存等。,钻杆柱由2个独立的顶驱系统驱动，具有很宽的转速范围；配备了备用转盘；实现了“非手工加接钻杆”液压缸行程为22m；提升力为350T。,深部全液压取心InnovaRig钻机,三、万米大陆科学钻探面临的难题,地壳一号通向地球深部的望远镜,高地温：260度以上的地层温度（柴油的燃点220度）高温泥浆国际最高300度，一般不超过260度；高温泥浆地表处理系统（固控系统）高温井下动力工具国际最高250度，一般不超过200度；高温固井材料国际最高280度，一般不超过260度。,三、万米大陆科学钻探面临的难题,垂直钻井困难：万米钻柱形如面条，垂直钻井难度极大SG-3井偏离800多米。常规钢钻杆强度不足；高强合金钻杆耐温性不够国际上最高200度。,三、万米大陆科学钻探面临的难题,地层复杂岩石坚硬、复杂，取心率低SG-3井取心率只有40%；地应力高，套管要求高德国KTB15mm厚的套管被地层挤扁；硬岩钻进慢，钻头寿命短，提下钻频繁。,三、万米大陆科学钻探面临的难题,四、“地壳一号”万米钻机,地壳一号通向地球深部的望远镜,1、研制万米钻机目的是什么？,满足我国地壳探测工程深部钻探取心的地质需要；满足深部石油天然气钻探和深部地热钻探的需要；在深部钻探液压顶驱钻机整机设计理论、装备制造及配套钻具方面取得突破，打破国外封锁；在数字化、智能化与自动化钻进装备领域后来居上，抢占国际钻探装备的制高点，为我国万米超深井科学钻探提供技术储备；使我国深部大陆科学钻探装备技术研发水平达到国际先进水平，为我国重大地球科学新发现和矿产资源储量快速增加提供技术保障。,四、“地壳一号”万米钻机,深部大陆科学钻探装备研制系统图,主要任务,SinoProbe-09-05深部大陆科学钻探装备研制,吉林大学+四川宏华,深部大陆科学钻探装备,科学钻探平台,数字化控制、大功率绞车、变流变频无级调速、五级固控系统，国际先进水平,大扭矩全液压顶驱、悬挂式自动排管机（通过验收，国际先进）、全液压自动猫道、智能化一键式铁钻工、高精度自动送钻系统,耐高温孔底动力钻具（勘探所）、仿生钻头（吉大）、高强铝合金钻杆（吉大）、耐高温电磁随钻测量系统（地大武汉）,科学钻探井下工具,耐高温钻井液（探工所）、耐高温固井材料（长春工程学院）、仿生钻头自动设计软件平台（长春工程学院+吉大）、深井井壁稳定性（地大北京）,名称,技术任务分解,研发核心技术及亮点,SinoProbe-09-05深部大陆科学钻探装备研制,核心关键装备技术,吉林大学+四川宏华,科学钻探工艺方法,吉林大学+地质大学（武汉）+地科院勘探技术研究所,吉林大学+地质大学（北京）+北京探矿工程研究所+长春工程学院,地面,地下,改造成熟技术,自主研发核心技术,集成关键技术,自动送钻系统和钻杆自动处理系统，提高钻探平台系统的自动化和智能化水平。,改造现有成熟的特深孔石油钻井装备关键部件，提升钻探平台系统的钻深能力。,将钻机平台系统与核心关键技术集成，并与绳索取心钻具、孔底动力钻具、铝合金钻杆和仿生钻头等先进的取心钻探技术和工艺相结合，实现我国深部大陆科学钻探装备的集成创新。,2、技术路线,四、“地壳一号”万米钻机,3、“地壳一号”万米钻探装备主体平台系统,绞车,VFD房,固控系统,底座,泥浆泵,司钻房,发电机组,井架,SinoProbe-09-05深部大陆科学钻探装备研制,绞车,VFD房,固控系统,底座,泥浆泵,司钻房,发电机组,井架,SinoProbe-09-05深部大陆科学钻探装备研制,SinoProbe-09-05深部大陆科学钻探装备研制,绞车,VFD房,固控系统,底座,泥浆泵,司钻房,发电机组,井架,绞车,VFD房,固控系统,底座,泥浆泵,司钻房,发电机组,井架,SinoProbe-09-05深部大陆科学钻探装备研制,绞车,VFD房,固控系统,底座,泥浆泵,司钻房,发电机组,井架,SinoProbe-09-05深部大陆科学钻探装备研制,绞车,VFD房,固控系统,底座,泥浆泵,司钻房,发电机组,井架,SinoProbe-09-05深部大陆科学钻探装备研制,绞车,VFD房,固控系统,底座,泥浆泵,司钻房,发电机组,井架,SinoProbe-09-05深部大陆科学钻探装备研制,绞车,VFD房,固控系统,底座,泥浆泵,司钻房,发电机组,井架,SinoProbe-09-05深部大陆科学钻探装备研制,绞车,VFD房,固控系统,底座,泥浆泵,司钻房,发电机组,井架,SinoProbe-09-05深部大陆科学钻探装备研制,绞车,VFD房,固控系统,底座,泥浆泵,司钻房,发电机组,井架,SinoProbe-09-05深部大陆科学钻探装备研制,2011年12月20日，我国首台大陆科学钻探万米钻机“地壳一号”钻机主体在四川宏华顺利竣工。,无级调速、大扭矩、运行平稳、无冲击、运动惯量小、易于防止过载、操纵性好，利于对转速的选择,全液压顶驱装置,完成设计、制造、验收，验收意见为达到国际同类装备先进水平。,全液压自动猫道装置,新增加研究内容，主要目的是提高整个钻机平台的自动化和智能化水平,自动摆排管机装置,起下钻拧卸钻具由传统液气大钳升级为自动操作完成,智能化铁钻工装置,技术参数,技术参数,技术参数,技术参数,4、“地壳一号”万米钻探装备关键装备技术,完成设计、制造、验收，验收意见为达到国际同类装备先进水平。,全液压自动猫道装置,新增加研究内容，主要目的是提高整个钻机平台的自动化和智能化水平,自动摆排管机装置,起下钻拧卸钻具由传统液气大钳升级为自动操作完成,智能化铁钻工装置,SinoProbe-09-05深部大陆科学钻探装备研制,无级调速、大扭矩、运行平稳、无冲击、运动惯量小、易于防止过载、操纵性好，利于对转速的选择,全液压顶驱装置,技术参数,无级调速、大扭矩、运行平稳、无冲击、运动惯量小、易于防止过载、操纵性好，利于对转速的选择,全液压顶驱装置,完成设计、制造、验收，验收意见为达到国际同类装备先进水平。,全液压自动猫道装置,新增加研究内容，主要目的是提高整个钻机平台的自动化和智能化水平,自动摆排管机装置,起下钻拧卸钻具由传统液气大钳升级为自动操作完成,智能化铁钻工装置,技术参数,SinoProbe-09-05深部大陆科学钻探装备研制,技术参数,技术参数,技术参数,无级调速、大扭矩、运行平稳、无冲击、运动惯量小、易于防止过载、操纵性好，利于对转速的选择,全液压顶驱装置,完成设计、制造、验收，验收意见为达到国际同类装备先进水平。,全液压自动猫道装置,新增加研究内容，主要目的是提高整个钻机平台的自动化和智能化水平,自动摆排管机装置,起下钻拧卸钻具由传统液气大钳升级为自动操作完成,智能化铁钻工装置,技术参数,SinoProbe-09-05深部大陆科学钻探装备研制,2013年3月27日，顺利通过验收，达到国际同类产品先进水平。,无级调速、大扭矩、运行平稳、无冲击、运动惯量小、易于防止过载、操纵性好，利于对转速的选择,全液压顶驱装置,完成设计、制造、验收，验收意见为达到国际同类装备先进水平。,全液压自动猫道装置,新增加研究内容，主要目的是提高整个钻机平台的自动化和智能化水平,自动摆排管机装置,起下钻拧卸钻具由传统液气大钳升级为自动操作完成,智能化铁钻工装置,技术参数,SinoProbe-09-05深部大陆科学钻探装备研制,无级调速、大扭矩、运行平稳、无冲击、运动惯量小、易于防止过载、操纵性好，利于对转速的选择,全液压顶驱装置,完成设计、制造、验收，验收意见为达到国际同类装备先进水平。,全液压自动猫道装置,新增加研究内容，主要目的是提高整个钻机平台的自动化和智能化水平,自动摆排管机装置,起下钻拧卸钻具由传统液气大钳升级为自动操作完成,智能化铁钻工装置,技术参数,SinoProbe-09-05深部大陆科学钻探装备研制,无级调速、大扭矩、运行平稳、无冲击、运动惯量小、易于防止过载、操纵性好，利于对转速的选择,全液压顶驱装置,完成设计、制造、验收，验收意见为达到国际同类装备先进水平。,全液压自动猫道装置,新增加研究内容，主要目的是提高整个钻机平台的自动化和智能化水平,自动摆排管机装置,起下钻拧卸钻具由传统液气大钳升级为自动操作完成,智能化铁钻工装置,技术参数,SinoProbe-09-05深部大陆科学钻探装备研制,2、“地壳一号”万米钻探装备关键装备技术,数字化样机,承担单位地科院勘探技术研究所,5、“地壳一号”万米钻探装备井下工具和钻探工艺方法,液动潜和加长提钻取心钻具,仿生钻头,高强度铝合金钻杆,仿生耦合孕镶金刚石钻头,仿生PDC齿钻头,井下控制和发射电路实物,随钻测量系统井下钻具结构图,地表接收装置电路及装机实物,软件终端显示界面,耐高温电磁随钻测量系统,耐高温泥浆,耐高温固井材料,井壁稳定性分析,1,2,3,5,6,4,7,井下工具（4项）,科学钻探工艺方法（4种）,8,承担单位北京探矿工程研究所,承担单位吉林大学,承担单位长春工程学院,承担单位吉林大学,承担单位地质大学（武汉）,承担单位地质大学（北京）,承担单位长春工程学院+吉林大学,仿生钻头自动设计软件平台,SinoProbe-09-05深部大陆科学钻探装备研制,考核指标及完成情况,寿命提高40%以上，机械钻速提高50%以上，为深部科学钻探缩短周期、节省费用。,（1）硬岩仿生钻头,技术特点,考核指标及完成情况,耐温能力达到260oC,极大提高硬岩钻进效率，能够满足深部科学钻探要求。,（2）深部大陆科学钻探钻具系统及取心技术,技术特点,5、“地壳一号”万米钻探装备井下工具和钻探工艺方法,（3）耐高温钻井液体系,考核指标及完成情况,耐温能力达到220oC,降低能耗、提高效率和钻深。,（3）高强铝合金钻杆,技术特点,（4）耐高温泥浆,考核指标及完成情况,耐温能力达到120oC，可以随钻测井，防斜效果好。,（5）耐高温电磁随钻测量系统,技术特点,考核指标及完成情况,耐温能力达到260oC,达到国际先进水平，能够满足深部科学钻探要求。,（6）耐高温固井材料,技术特点,SinoProbe-09-05深部大陆科学钻探装备研制,考核指标及完成情况,根据科学钻探钻遇地层岩性快速设计仿生钻头，提高效率。,（7）仿生钻头自动设计软件,技术特点,考核指标及完成情况,（8）深井井壁稳定性预测软件,地层等应力剖面,计算分析结果,技术特点,提前预测深井井壁稳定性，及时执行解决预案。,SinoProbe-09-05深部大陆科学钻探装备研制,“地壳一号”万米钻机基本参数,高：井架高60米=30层楼；重：全套重量约1500吨=300头5吨重大象；力量大：700吨大钩载荷=140头5吨重大象；钻深能力强：10000米钻深能力=地下10公里；功率大：4610千瓦=1.5倍6轴火车头（3000千瓦）；占地面积大：10000平米=近1.5倍标准足球场（7150平米）。,五、“地壳一号”万米钻机运输,地壳一号通向地球深部的望远镜,五、“地壳一号”万米钻机运输,概述,1,“地壳一号”万米钻机拆解包装为126件，总体积6000余立方米，总重量达1500多吨，运输及指挥车辆共计60余辆。为确保钻机设备安全、顺利到达目的地，国家国土资源部协调交通运输部落实沿途交通运管部门对车队通行给予保障和配合。运输时间：2013年10月15日10月21日。课题组参加全程运输人员：孙友宏、赵大军、高科、赵研、张楠。新闻媒体：中央电视台、新华社、人民网、光明日报、科技日报、国土资源报、吉林电视台、长春电视台、吉林人民广播电台、吉林日报、长春日报、东亚经贸新闻、新文化报、中国日报网、新浪、搜狐、网易、腾讯等门户网站及四川、黑龙江多家当地等20余家新闻媒体对“地壳一号”启运及远程运输都进行了相关报道或转载。,运输路线,2,运输车队途经：四川、陕西、河南、河北、北京、天津、辽宁、吉林、黑龙江等九省、直辖市，130多个县市，单程总运输里程3500多公里。,主要时间节点,3,（1）启运仪式时间：10月15日地点：广汉宏华公司参加人员：四川省政府相关部门领导，德阳市、广汉市委、市政府主要领导及项目组成员,中央电视台新闻频道（CCTV13）新闻直播间对“地壳一号”万米科学钻机出厂启运仪式进行了现场直播及专题报道；中央电视台科教频道（CCTV10）走近科学栏目组运用高空航拍等先进拍摄手段对运输过程进行全程纪录报道。,（2）国土资源部及中国地质科学院领导慰问时间：10月18日地点：牛陀服务区（距北京51KM）参加人员：国土资源部科技与国际合作司、中国地质调查局、中科院地质与地球物理研究所相关领导,（3）吉林大学领导慰问时间：10月20日地点：陶家屯服务区参加人员：李元元、赵继、韩晓峰等校领导，中国科学院院士林学钰、任露泉，地学部相关单位负责人、万米钻机科研团队、学生代表等,（4）抵达松辽盆地科学钻探井场10月20日晚8点，随着最后一辆载重货车驶入松辽科学钻探井场，“地壳一号”万米大陆科学钻探钻机运输车、后勤保障车、指挥车全部安全到达，标志着此次复杂远程运输任务取得圆满成功。,20日夜穿过浓雾向安达井场行进,21日现场欢迎仪式,六、“地壳一号”万米钻机组装,地壳一号通向地球深部的望远镜,六、“地壳一号”万米钻机组装,2013年10月21日、22日：在大雾中完成所有运输车辆的卸车任务；2013年10月23日11月17日日：完成万米钻机组装，包括：底座、绞车、转盘及驱动装置、井架、天车、发电气源房、电控房、泥浆泵组、固控系统及电缆管线等的安装。,向工人强调吊装工作技术要求,万米钻机各部件吊装工作全面展开,钻机具体安装顺序：,底座安装,1,以井口中心线和钻台区划线为基准，摆放底座底层左、右基座，并将左、右基座连成一体（包括后场基座两水柜间绞车梁）；安装中层各立柱和拉杆；最后安装顶层上转盘梁、立根盒梁、铺台，底层基座上人字架以及其余辅助部分。,划线，安装左右基底座,安装左、右基座中间处的拉杆,绞车安装,2,将绞车吊装在钻机底座后场的绞车梁上，按相应孔眼位置就位。紧固与绞车梁连接的螺栓。,吊装转盘电机横梁,转盘及驱动装置安装,3,转盘驱动装置（除万向轴外）在厂内已经整体安装在底座的电机梁上，并按运输模块包装运输。现场安装时，转盘驱动装置随电机梁一同安装。将转盘吊装并放置于转盘梁上，用销子连接并穿好别针（或用顶紧螺栓调节，按标记定位）。,安装转盘驱动装置,井架安装,4,井架安装遵循先下后上，先主体后附件的顺序，分段进行安装。,井架分段进行安装,天车安装,5,天车与井架采用螺栓连接。天车附件，如辅助滑轮、起重架及登梯助力器等安装齐全。,地面组装天车,吊装天车,发电气源房及电控房安装,6,按钻机平面图及放样划线位置摆放VFD房和高压配电房，并依次摆放各发电气源房。要求VFD房与1号发电房垂直摆放，且前边沿对齐。连接各机组的供油管线和气管线以及与气源系统各设备之间的连接管线。,吊放VFD、MCC房及三台发电机房,管线连接,固控系统安装,7,按钻机平面图放样划线位置安装固控系统各泥浆罐，按固控系统用户手册安装各罐内及罐面设备，连接各罐之间的联通管线及泥浆泵吸入管线。,泥浆泵与吸入罐1#连接,吸入罐1#、2#连接,线缆安装,8,穿绞车钢丝绳,VFD房线槽铺设,井架起升,9,绞车盘绳，准备起井架,使用绞车辅助电机驱动绞车起升井架，电机开始速度定在500转左右，悬重为250吨左右,井架与底座同时起升,起升平稳后，电机转速定为1500转，悬重随起升角度增大而减小,“地壳一号”万米钻机安装完成,七、松辽盆地科学钻探计划（松辽盆地资源与环境深部钻探示范）“地壳一号”科学钻探“第一站”,地壳一号通向地球深部的望远镜,近百年来全球气候正在经历一次以变暖为主要特征的显著变化，人类文明的发展迫切要求我们对这种变化的发展趋势及其效应有更加深入的了解。,Warmer,thenhot.Amiddle-of-the-roadscenariocallsforwarmingsofmorethan6inhighnorthernlatitudes.(Kerr,2008,Science),1、立项背景,第四纪仅代表整个地球气候环境演变的一小片段（0.1%）地质历史时期冰室状态与温室状态交替地球历史温室地球占主导地位,