13000米科学超深井钻探技术

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1、大陆科学钻探工程实践与13000米科学超深井钻探技术张金昌中国地质科学院勘探技术研究所2014年10月9日汇报提纲一、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”（DeepSeaDrillingProject，简称DSDP。1966年6月—1983年），作为DSDP的延续“大洋钻探计划”（OceanDrillingProgra

2、m，简称ODP）于1985年1月ODP钻探船开始至2002年结束。我国于1998JOIDES“决心号”年春天作为“参与成员”加入ODP。3一、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；同时为深海新资源勘探开全球大洋钻探发、环境预测和防震减灾等实际目标服务。4一、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（IC

3、DP）正式成立之前，许多国家就已经开展了大陆科学钻探。ICDPResearchThemes5国际大陆科学钻探研究主题一、国内外科学钻探实践综述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。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）孙枢院士滨里海超深井（设计7000m）……6一、国内外科学钻探

4、实践综述平均机械钻速1.8m/h世界最深钻井——科拉超深钻(12262m)一、国内外科学钻探实践综述前苏联科学深钻技术的特点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。一、国内外科学钻探实践综述美国实施了10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、夏威夷科学钻探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)9一、国内外科学钻探实

5、践综述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4000.1mKTB先导孔井场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，了解内陆地壳的结构、成分、动力学及其演变。KTB主孔井场一、国内外科学钻探实践综述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

6、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9101m后提前完钻。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。一、国内外科学钻探实践综述此外，

7、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