中国大陆科学钻探(CSDC)的最新进展
(地质矿产部科学技术委员会高级咨询中心，北京100812)
自20世纪90年代以来，中国大陆科学钻探(CSDC)的准备工作进展迅速:
召开“中国深部地质研究中的关键地质问题”(1991.3)研讨会。
“中国大陆科学钻探先锋项目”开始实施(1991.7)。1994 165438+10月提交相关报告。通过评审，认为我国开展大陆科学钻探的条件已经成熟，并争取列入“九五”国家重大科学工程项目。
国务院发布的《国家中长期科学和技术发展纲要》指出，2000年前做好实施地质科学(超深)钻探工程的技术准备，2020年前实施(1992.3)。
第一届(1992.4)、第二届(1993.5)“中国大陆科学钻探研讨会”先后召开，讨论中国科学钻探的选址问题，由12选区缩减为4个，最终选定大别-胶南为第一目标区。
“中国地质超深钻探(现称科学钻探)国家专业实验室”在中国地质大学(北京)建成，设备安装调试(1993.5)开展科学研究。
中国派代表团参加了在波茨坦(1993.8)举行的国际大陆科学钻探会议，并参加了ICDP (1993.9)的筹备会议。此后，地矿部推荐肖旭昌院士为中方委员(1994.438+0)。地质矿产部派肖旭昌和智敏到斯坦福大学参加ICDP会议(1995+02)。
“中国中国大陆第一个科学钻孔的实施与科学研究”被正式列为“九五”国家重大科学工程。国家科委组织资深专家评议投票，排名第三(1995.2)。财政部同意支付ICDP会费(1995.7)。以“大陆动力学与大陆科学钻探”为主题的第36届香山科学大会召开。中国地质界获得* * *中国大陆科学钻探知识(1995.5)。
再次举办中国大陆首次科学钻探第三次研讨会(1996+0)。进一步选择大别-胶南的目标；并组织专家进行现场考察。
(1996.2.26 ~ 3.1)参加日本东京筑波科学城第八届大陆科学钻探国际会议。地质矿产部派出了一个六人代表团参加会议。会议期间:①参加学术组1、6的会议论文宣讲；②在ICDP出席中美谅解备忘录签字仪式，参与计划的组织管理和未来国际合作的大型讨论；③刘广智出席了国际岩石圈CC-4小组主席M.D. Zobak教授主持的报告会，交流了CC-4小组在各国的活动，并提出了今后的活动。
配合中国首次大陆科学钻探选址，提出了“中国首次大陆科学钻探取心钻探工程技术预研发展计划”(1996.3)。
1中国大陆科学钻探导孔施工技术方案
1.1施工条件
(1)钻孔深度不得超过5000米。事先，地质部门会提出预期的钻孔柱状图和相关的地球物理资料。
(2)钻孔穿透的主要岩层为结晶岩，如片麻岩、榴辉岩、硬玉石英岩、大理岩等。
(3)穿透岩层的主要物理力学性质，单轴抗压强度可能高达100 ~ 150 MPa，某些情况下可能高达150 ~ 200 MPa，在地质钻探岩石可钻性分级中属于7 ~ 12硬岩层，某些情况下属于极硬岩层。岩层研磨性可能两极分化，多为强、高研磨性；少数为坚硬、致密和弱研磨滑层。有些含有内含物。
(4)岩心是提取大量地质信息的“信息源”，是研究下地壳和上地幔的物质数据。钻孔的直径应该足够大，以获得尽可能大直径的岩心。
井眼也是井内物化探测井的通道，其直径和孔壁稳定性应满足先进的高科技测井仪器的要求。
1.2科学钻探导向孔的主要任务和作用
(1)除了覆盖层、岩心、岩石样品、液体样品(矿化水、结晶水、石油等。)和气体样品(H2、O2、CO2、He、CH4、Cl、H2S、SO2和其他可能的气体)应连续进行各种试验和分析。
(2)在不同井段进行系统的物化探测井。
(3)减少今后该井段深孔取心和测井工作量。
(4)测量地热剖面，在导向孔周围钻一个或几个深度大于100 ~ 300m的测温孔，测量地热导热系数和热流密度，从而建立地热数学模型，推断导向孔地热剖面、终孔温度和地热变化，这对选择钻孔深部的取心工具、测井仪器和各种取样器，增强薄弱环节的结构性能十分重要。
(5)在导向孔中测试各种新研制的钻头、钻具和仪器。
(6)测试地层压力梯度和压裂强度，为井壁稳定和造斜趋势提供参考位置和参数。
(7)检查过去钻沉积岩时使用的各种仪器和方法在钻结晶岩时是否有效。
(8)锻炼钻探队伍，培养深孔、超深孔钻探人才。
1.3导孔钻探结构设计
在德国1993年9月召开的“国际大陆科学钻探会议”上，代表们几乎一致认为，根据多年来在施工中钻探科学钻探的国际经验，为了节省大量投资，更科学地钻探科学钻探，有必要大力提倡使用南非和加拿大已建成的数百个深度为4000 ~ 5000 m的勘探钻探经验。英国KENTING Drilling Company的John Beswick先生介绍，南非有150台钻井能力超过5000m的深井钻机，钻井能力超过5000m m的钻机有20多台，根据南非的钻井经验，用这种深部地质岩心钻机科学钻探2000 ~ 6000m，可以快速、经济地取得科学和经济效益。
有专家提出采用加拿大Heath&Sherwood钻井公司的HS-150钻机(钻井深度4570米，最大钻井已达5424米)和他们专门设计的HNQ、NBQ内外大环空绳索取心系统，具有以下特殊优势:①降低冲洗液压降；②内管放入外管后，能快速到达外管在孔底的定位位置(表
表1第一方案导孔钻孔结构
注:RTB——带扩孔的钻具，不需要提升和更换钻头。
如果采用第一种方案，应设计、开发或购买两套HNQ、HNQ、NBQ钻具。
表2方案二中导孔的钻孔结构
1.4施工技术路线
(1)参考国外建设经验和中国国情，要考虑:中国是发展中国家，财政经济状况并不宽裕。所有设备、仪器和工艺方法都要以“自力更生”为主，充分利用40年来钻井工程积累的成功经验。能改进升级的和能自行研制的，要充分发挥自己探矿机械仪器厂的潜力(表3)。本着“有引进来，没有引进来”的原则，引进国外重点产品，消化吸收，弥补燃眉之急。
(2)必须采用绳索取芯系统，大大减少起下钻时间，有效缩短工期；提高岩心质量，实现不用提钻柱或少提钻柱更换钻头，降低工人劳动强度。施工费用可节省1/3。
(3)充分发挥我国在使用小直径井下动力机和与绳索取心系统配套方面的技术优势，开发和采用小直径PDM和液动锤驱动的绳索取心钻具，实现钻杆不旋转或慢旋转钻进，可节约动力，减少钻杆和套管磨损，有效防止井斜(图1)。
表3耐温近300℃的国产处理剂
图1底部动力机驱动的绳索取心系统
(4)大力采用物理化学方法稳定孔壁，除上部井段下部分套管外，尽量在下部井段结晶岩中采用长裸眼钻井(岩石自稳)。一旦遇到复杂地层，岩层不稳定，应采用小间隙套管方案。
(5)发挥钻井液(油气、矿化水、结晶水、淡水、盐水、岩屑)多信息载体的作用，输送大量地质信息(图2)。
图2钻井液多信息载体的作用
①指防止井涌、井喷、坍塌、收缩等。②指岩屑和岩粉的运输。③指深部流体(油气、水等。)如H2、O2、CO2、CH4、He、H2S、CO2、SO2和Na、K、Ca、Mg微粉等。，它们在300℃和1000×105Pa下被带到地面。
2中国科学钻探先导孔钻探工程是一个急需的科研项目。
2.1地面设备
(1)绳索取心系统采用顶部驱动长冲程钻机，带桅杆钻机。
(2)微机控制绞车。
(3)全自动钻杆弯管。
(4)自动挤管机
(5)钻杆疲劳和断裂钻孔检测器。
(6)钻井作业自动化控制台(包括监控、采集、优化和反馈系统)。
(7)防喷器组(全封闭1套，钻杆密封2套)。
2.2深孔钻削的基本理论
(1)高温高压下岩石物理力学性质、结晶岩可钻性分类及破碎机理。
(2)建立高温高压试验设施。
(3)新型轻质高强度管材。
(4)钻杆断裂力学及监测系统。
(5)钻头的磨损规律和机理。
(6)高温高压钻井液理论:①钻井液(无固相)聚合物配方、处理剂、添加剂、高温稳定性、固控设备及理论；②高温高压钻井液的水力学、流变学和胶体化学理论与实践。
(7)钻井力学。
(8)建立机会井数据库。
2.3深孔钻削技术研究
(1)深孔钻探结构及管理程序设计。
(2)不同孔深的钻具稳定。
(3)深孔偏斜的预防和控制。
(4)计算机辅助钻井系统。
(5)取芯取样技术、液态和气态放射性样品采集技术、放射性自动检测技术。
(6)钻头和钻具的选择方案及相应钻井参数的确定。
(7)不同孔段地温检测及温度梯度规律。
(8)不同孔段岩石破碎规律及岩石物理力学性质的确定。
2.4井内系统
(1)长寿命金刚石钻头和铰刀。
(2)开发新型超硬材料刀具和取芯钻头。
(3)BHM驱动的电缆取芯系统:①螺杆钻具驱动的电缆取芯系统；②液压锤驱动的绳索取心系统；③“三合一”取心系统(绳索+螺杆钻具+不换钻头)。
(4)孔壁取心装置:①液压或刮样器；②孔底的电动机驱动水平取样器。
(5)高温高压气体或液体取样器。
(6)小口径MWD仪器。
(7)小直径垂直钻井防斜系统(VDS)。
(8)高温水泥及其固井技术。
(9)具有高温稳定性、高润滑性和抗腐蚀性的钻井液及其添加剂。
(10)地层测试器、深部流体流量计等。
(11)高精度深孔岩心定向仪器及方法。
(12)含铁铝合金钻杆及其合金钢接头。
2.5深孔的现代管理
(1)深孔设计、施工和研究资料(包括工程和经济)中的系统工程管理。
(2)设计、建设和研究过程中的数据库。
(3)数据编辑、整理、发布和信息交流。
2.6信息获取
有意识地采取有代表性的样品并获得更多的数据是科学钻探项目成功的先决条件。收集的数据可进一步分为两部分:井下和地面。孔内部分包括取芯、取砂、测井、钻井和水压试验，以及孔内(从孔底到地面或两孔之间)的地球物理试验。地面部分包括从孔口和泥浆测试装置获得的固体和液体样品，包括第一次和初步的地质描述、化学和物理分析。伐木工程是雄心勃勃且耗时的。钻导向孔时，钻井费用等于测井计划费用。为了降低生产信息丢失的风险，应逐个执行测井程序。钻孔后，将进行长期测量和测试(图3)。
图3
根据KTB的野外资料，是在野外实验室完成，直到提出科研报告，长期观测站是通过打洞建成的。
3 .地质超深钻探(科学钻探)国家专业实验室
3.1实验室的性质和任务
地质超深钻井技术国家专业实验室，隶属于中国地质大学(北京)，是1989年6月经国家计委、国家教委批准新建的国家专业实验室。也是地矿部开放研究实验室，学术上是相对独立的研究实体。本实验室是本学科及相关学科基础研究和应用基础研究的重要基地，也是培养本学科高级科技人才的摇篮。
按照“开放、流动、联合”的原则，实验室向国内外同行业开放。欢迎国内外专家学者在实验室发布的课题指南范围内申请研究课题，经学术委员会批准后来实验室开展科研工作。也可以自带课题和经费以及配套的仪器设备，开放研究实验室进行科研活动。
3.2实验室课题的研究领域
(1)大陆科学钻探
中国大陆科学钻探工程的建设与准备
东亚大陆环境科学钻探项目
高温高压地学模拟实验装置(也称HTHP井筒)(图4)
图4高温高压地学模拟实验装置
(2)新的钻井技术和方法
以岩石力学研究为基础，利用电子计算机等高新技术研究新的钻探技术、设备和方法。
交流变频调速钻机
绳索取心和无需钻孔的钻头更换
破岩工具的设计与研究
高温热熔法钻井新技术
3.3研究设施和设备
破岩机理与工具研究:主要从事岩石物理力学特性、破岩机理、破岩工具及井下钻具新技术的研究。主要设备是美国MTS公司的岩石力学试验机和0 ~ 8000 Hz连续可调的中频感应烧结设备。
计算机应用技术研究部分:主要从事钻井工程及其他相关部门的计算机应用技术研究。主要设备有计算机控制钻井实验系统、微机群及其外围设备、HP9000系列计算机工作站。
除上述设施外，实验室还专门建立了热熔钻试验台。
为了实现国际交流，实验室里设立了小型学术报告厅和专家工作室。
岩石圈结构和深部作用
3.4实验室管理和组织
地质超深钻井技术国家专业实验室受国家教委和地矿部双重领导，行政隶属于中国地质大学(北京)。
实验室实行主任负责制。实验室主任全面负责组织领导开放研究实验室的科学研究、学术活动、人员聘任、人员培训、资金使用和行政管理。
实验室有一个学术委员会，这是一个学术认可机构。其主要职责是:确定实验室的研究方向，制定项目指南，审批研究项目，评审科技成果，审议实验室的经费计划，组织重大学术活动。
实验室的固定工作人员和客座研究员由实验室主任任命。并实行终身制，成绩突出的可以聘用。
3.5实验室的主要研究成果
(1)微机控制钻井试验台。
(2)钻井工艺微机分析系统。
(3)金刚石钻进原理及优化钻进技术研究。
(4)地质钻机新型电力驱动系统的研究。
(5)改善钻柱性能和有效控制井底载荷的方法研究。
(6)钻井底部换钻头技术就别提了。
(7)热熔钻孔新技术。
(8)高温钻井液研究。
管理和研究人员
岩石圈结构和深部作用
学术委员会的组成
岩石圈结构和深部作用