1、大陆 科学钻探 工程 实践 与 13000米科学超深井钻探 技术 中国地质科学院勘探技术研究所 2014 年 10 月 9 日 张金昌 汇报提纲 一、 国内外科学钻探实践综述 二、 超万米科学钻探工程面临的技术难题 三、 13000米科学超深井钻探技术方案 四、 须开展的关键装备与技术研发 五、 结论 一、 国内外科学钻探实践综述 人类最早的科学钻探活动开始于海洋 ， 第一个科学钻探计划是美国的 “ 莫霍面钻探计划 ”（ 1950年代末 1966年 8月 ） 。 之后 ， 美国发起了 “ 深海钻探计划 ”（ Deep Sea Drilling Project，简称 DSDP 。 1966年 6
2、月 1983年 ） ， 作为 DSDP的延续 “ 大洋钻探计划 ” （ Ocean Drilling Program， 简称 ODP） 于 1985年 1月开始至 2002年 结束 。 我国于 1998年春天作为 “ 参与成员 ” 加入 ODP。 3 ODP钻探船 JOIDES“决心号” 一、 国内外科学钻探实践综述 ODP于 2003 年 10月转入 “ 综合大洋钻探计划（ IODP） ” 的新阶段 。IODP以 “ 地球系统科学 ”思想为指导 ， 计划打穿大洋壳 ， 揭示地震机理；查明深部生物圈和天然气水合物；了解极端气候和快速气候变化的过程；为国际学术界构筑起新世纪地球系统科学研究的平台
3、；同时为深海新资源勘探开发 、 环境预测和防震减灾等实际目标服务 。 4 全球大洋钻探 一、 国内外科学钻探实践综述 大陆科学钻探始于 20世纪 70年代 ， 在 1996年 2月国际大陆科学钻探计划 （ ICDP） 正式成立之前 ， 许多国家就已经开展了大陆科学钻探 。 5 ICDP Research Themes 国际大陆科学钻探研究主题 一、 国内外科学钻探实践综述 6 前苏联制定了庞大的科学深钻计划，在一些主要的地震剖面的交点处，布置了 20余口 7 12km的科学超深井。1970年开始钻进设计深度 15000m的科拉超深井，至 1986年达到 12262m井深，成为当今世界最深的钻井
4、。 前苏联实施 的 其他超深井有 ： 萨阿特累超深井、 乌拉尔超深井 （设计 15000m） 克里沃罗格超深井 （设计 12000m） 秋明超深井（设计 8000m） 季曼 -朝白拉超深井（设计 7000m） 滨里海超深井（设计 7000m） 孙枢 院士 世界最深钻井 科拉超深钻 (12262m) 平均机械钻速 1.8m/h 一、 国内外科学钻探实践综述 全孔连续取心； 提钻回收岩心； 主要用牙轮钻头取心钻进； 钻头 由 孔底 马达驱动； 采用轻质的铝合金钻杆； 小直径超前取心 ， 扩孔下套管 。前苏联科学深钻技术的特点一、 国内外科学钻探实践综述 一、 国内外科学钻探实践综述 美国实施了 1
5、0 多个科学钻探项目 ， 钻孔深度都较浅 ， 最深的只有 3997.45m圣安德烈斯断层科学钻探项目 ， 其它已实施的科学钻探项目有索尔顿湖科学钻探项目 、伊利火山链科学钻探项目 、 长谷地热勘探项目 、 瓦莱斯破火山口科学钻探项目 、 上地壳项目等 。 夏威夷科学钻探 (设计孔深 4500米 ) 9 夏威夷科学钻探 德国实施了举世闻名的 “ 联邦德国大陆深钻计划 （ KTB） ” ， 该计划由德国联邦研究与技术部提供总计 5亿马克的资助 。 在华力西缝合带的结晶地块中先后钻了一个井深 4000.1m的先导孔 和一个井深 9101m 的 主孔 。目的是研究地壳较深部位的物理 、 化学状态和过程
6、 ， 了解内陆地壳的结构 、成分 、 动力学及其演变 。 一、 国内外科学钻探实践综述 KTB先导孔井场 KTB主孔井场 KTB先导孔施工采用的大直径绳索取心钻进系统和高速液压顶驱 一、 国内外科学钻探实践综述 KTB先导孔采用绳索取心方法钻进到孔深3893m， 起钻时钻杆在 307.4m处发生断裂 。 处理无效后 ， 采用液压割管器将绳索取心钻杆柱在 3794.5m处割断 ， 水泥回填部分井段后侧钻 ，牙轮钻头全面钻进至 4000.10m后完钻 。 KTB主孔原设计井深 12000m， 在项目实施过程中 ， 调整到 10000m。 由于地层条件复杂 ， 事故频发 ， 钻进施工艰难 ， 钻进到
7、 9101m后提前完钻 。 一、 国内外科学钻探实践综述 一、 国内外科学钻探实践综述 KTB计划的主要创新： 1、设计制造了性能先进能力强大的专用钻机。可提 40米立根的钻塔、 APS自动钻杆操作系统、观光室。 一、 国内外科学钻探实践综述 KTB主孔技术成就 2、成功应用自动垂孔钻进系统，在 7000m井深范围内将井斜角控制在 1 范围内，对减少钻进施工的事故、降低风险和施工成本以及达到 9101m的完钻井深，起到了重要的作用。 此外 ， 法国 、 瑞典 、 瑞士 、 英国和日本也分别制定了科学钻探计划并组织实施 。 我国从 2001年开始实施 “ 中国大陆科学钻探工程 ” ， 经历了四年
8、时间 ， 在江苏省东海县坚硬的结晶岩中施工了一口 5158m深的连续取心钻井（ “ 科钻一井 ” ） ， 目的是研究大别 苏鲁超高压变质带的折返机制 。 2005年实施了青海湖科学钻探项目 。 采用 ICDP的 GLD800湖泊钻探取样系统 ， 施工了一系列浅钻 。该项目的目标是获取高精度的东亚古环境记录 ，研究区域的气候 、 生态和构造演变及其与其他区域和全球古气候变化的关系 。 一、 国内外科学钻探实践综述 中国大陆科学钻探工程项目在江苏省东海县实施 ， 在坚硬的结晶岩中完成一口深度 5158m的全井连续取心钻井 （ 完钻直径 157mm） 。 一、 国内外科学钻探实践综述 CCSD-1取
9、得的主要工程技术成就：1、创造性地将“组合式钻探技术”、“灵活的双孔方案”、“超前孔裸眼小直径取心钻进程序”有机地结合起来，形成了独具中国特色的在结晶岩中施工科学钻孔的一整套技术方案。 2、研制成功属世界首创的螺杆马达液动锤井底动力驱动冲击回转取心钻探技术系统，确保了科钻一井优质、高效、安全、低成本的顺利完工。 3、带导向的扩孔牙轮钻头在我国首次实现了坚硬结晶岩长井段扩孔钻进。 4、此外，在纠斜、侧钻绕障、泥浆技术等方面也有创新。 CCSD- 1 一、 国内外科学钻探实践综述 螺杆马达 / 绳索0 . 3 3 顶驱0 . 3 6 转盘0 . 4 7顶驱 / 绳索0 . 6 3 螺杆马达0 .
10、7 4 顶驱 / 液动锤 / 绳索0 . 8 9 螺杆马达 / 液动锤1 . 1 3 0 . 0 0 0 . 2 0 0 . 4 0 0 . 6 0 0 . 8 0 1 . 0 0 1 . 2 0 C C S D 不同取心钻进方法的机械钻速单位： m / hC C S D 不同取心钻进方法的回次长度螺杆马达/ 绳索0.84顶驱0.73转盘1.63顶驱/ 绳索1.52螺杆马达2.28顶驱/ 液动锤/ 绳索2.76螺杆马达/ 液动锤6.310.001.002.003.004.005.006.007.00单位：m钻进效率对比 回次进尺对比 使用液动潜孔锤提高钻进效率 3.2、 取心钻进的钻进方法 汶
11、川地震科学钻探项目 汶川特大地震发生之后 ， 从 2008年 10月开始 ， 我国组织实施了旨在研究地震机制和进行地震监测预报的 “ 汶川地震断裂带大陆科学钻探 ” ， 共施工了 5口科学钻井 ， 钻井深度范围为 550m至 3350m。 该项目实施的最大挑战也是最显著的特点是地震断裂带极高地应力条件下钻进取心 。 在该项目中从多种钻进方法中优选出螺杆马达 -液动锤 -提钻取心方法 。 所有的方法都采用半合管取心钻具 。 为了弥补提钻取心方法起下钻次数多 、 时间长的弱点 ， 组织研发了长半合管取心钻具 。 一、 国内外科学钻探实践综述 2006 2007年在大庆实施了 “ 松科一井 ” 项目
12、 ，施工了深度分别 1810m和 1915m的两口取心钻井 ，以研究白垩纪地球表层系统重大地质事件与温室气候变化 。 一、 国内外科学钻探实践综述 松科 1井取得的创新 性 成果 和主要收获 1、 形成了一套完整的 、 经济可行的白垩纪陆相地层钻探工程方案 ： 2、 集成创新了超长岩心取心技术 ； 3、 发明了长井段岩心长期保真保存技术 。 4、 对国际大陆科学钻探计划 (ICDP)产生了积极影响 ， 促使 “ 松科 2井 ” 科学钻探工程项目获得 ICDP的资助 。 5、 为 松科 2井 提供了 组织管理经验以及人才和技术储备 。 一、 国内外科学钻探实践综述 松科 2井（东孔） 松科 1井
13、（北孔） 松科 2井（西孔） 松科 1井（南孔） 一、 国内外科学钻探实践综述 设计深度6400m 的“ 松科二井 ” 于2014年 4月13日开钻 ，目前井深2826米 。 松科 2井 拟 达到 的 科学目标： 获取松辽盆地中深部地层沉积记录 ， 填补完整的 、 连续的白垩纪陆相沉积记录世界空白； 研究距今 6500万年至 1.4亿年间白垩纪地球温室气候和环境变化的时间隧道； 建立为建设 “ 百年大庆 ” 基础地质服务的 “ 金柱子 ” ； 为预测我国未来环境 -气候变化 、 拓展陆相油气勘探领域和资源量提供新的科学依据 。 一、 国内外科学钻探实践综述 一、 国内外科学钻探实践综述 完成我
14、国首例超 6000m井深的科学钻探工程； 研发大口径 同径 提钻取心 和 绳索取心钻进工艺 ，获取 3535m岩心； 研发抗 250oC以上 的 高温井底动力取心钻进工艺 、泥浆工艺和固井工艺； 检验我国首台万米科学钻探专用钻机性能 ； 研究高温测井技术 。 松科 2井拟达到的钻探技术目标： 五开井身结构 一、 国内外科学钻探实践综述 “地壳一号”钻机 钻机基本参数 名义钻深： 4 ”(114钻杆）： 10000m； （ 5（ 127mm）钻杆 ）： 8000m 最大钩载 7000kN 绞车输入功率 3000kW 提升系统绳数 7 8顺穿 钢丝绳直径 45mm 泥浆泵功率 台数 1600HP 3 转盘开口名义直径 1257.3mm（ 49 1/2） 井架高度 /型式 60m/K型 一、 国内外科学钻探实践综述 一、 国内外科学钻探实践综述 松科二井钻井现场 一、 国内外科学钻探实践综述 2014年 4月 13日松科二井开钻 松辽盆地科学钻探工程指挥部综合楼 一、 国内外科学钻探实践综述 汇报提纲 一、 国内外科学钻探实践综述 二、 超万米科学钻探工程面临的技术难题 三、 13000米科学超深井钻探技术方案 四、 须开展的关键装备与技术研发 五、 结论
