sxg20030821
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经现场浏览与大会论文摘要搜索，向大会注册的涉及钻探工程应用的论文摘要共311篇，其中308篇是以钻探工程为手段的各地学研究计划与能源、矿产、水资源等项目的地质成果介绍，仅3篇是由中国提交的纯钻探技术成果的摘要。一、国际科学钻探计划概况已有20多个重大国际钻探项目在国际大陆科学钻探组织（ICDP）框架下组织实施。ICDP聚焦于地球科学与国际社会经济问题中具挑战性的研究课题，如大陆动力学与自然灾害、火山体系与地热体（thermal regimes）、地球历史与气候变化、构造碰撞、非常规能源、深部生物等。其中突出的研究成果有：加利福尼亚圣安第斯、中国台湾车轮铺（Chelungpu）与希腊科林斯湾钻穿活性断层带取心研究地震循环的基本过程；日本Unzen火山、夏威夷、冰岛超临界火山流体活火山过程的研究；的的喀喀湖、马拉维、Bosumtwi、青海湖的古地质气候演化研究；Chicxulub，Bosumtwi和Chesapeake Bay在不同大小的陨石碰撞下陨石坑的形成过程及其对周围环境的影响。ICDP未来几年的研究主题有：气候动力学与全球环境、陨石坑及其形成过程、地下生物、活断层、板块汇聚边缘与碰撞带、自然资源等。钻探技术要面对大陆科学钻探的未来挑战，是完善孔内安全钻进系统、复杂地层无损无污染取心，及深部恶劣环境下长期观测设备的装置。在2004年至2008年的四年间，国际大洋钻探组织（IODP）完成的考察主要如下：经过55年后在北极罗蒙洛索夫山脊完成温室到冰室的历史记录；在富卡山脊建立了三个观测孔对胡安山侧的海底洋流进行调查；对墨西哥湾深水下的超高压与洋流过程进行调查；通过钻探再次获得科克斯板块洋底基岩资料。在坚冰海面进行深水钻探的钻探装备，是人类高效开展极地考察活动的必要条件。过去由于缺乏专门的破冰钻探船，很多科考活动进展缓慢甚至无法进行。如ODP第151航次开始在Yermak高地开展钻探，直到55年后的2004年，IODP的ACEX考察才在北纬87°55 ′16″、东经139°21′54″的北冰洋底罗蒙洛索夫山脊顶端重获430米岩心资料，而此次考察动用了两艘重型破冰船在钻探船周围保驾护航。最近，世界上最先进的极地研究设施，“北极光”号研究破冰船（图1）建造成功，其钻深能力，可在水深80～5000米永久性冰面覆盖的极地洋面上，破冰深入水下1000米取样，同时也可用于长期的国际多学科北极钻探考察。该船船体设计新颖，配备卫星航海、方位推进系统与冰处理支持，动力定位系统可在5米以上厚度的冰层上运行，定制的高寒深水钻机、全封闭的钻台和预研究工作室允许科技人员在极地条件下全天候工作。为了更好地适应大陆科学钻探的各项特殊要求，ICDP委托德国波茨坦PFZ(Geo-Forsechungs Zentrum）研制了一台新型的钻机—Innova Rig（图2），与标准的石油钻机相比，该钻机具有如下的技术特点：可进行回转、常规取心、绳索取心与气举等不同工艺方法的钻进；高安全标准、高自动化的模块式钻机设计，综合动力概念，无大绳的液力提升与给进系统，减少了环境污染和噪音强度，场地面各减小、钻探成本下降。该钻机还为测井仪器预设了存储单元，配置了测井电缆导绳器，可以实现快速测井；钻屑样品收集器与基于质谱原理的泥浆气体分析器，使野外研究可在原位进行；钻进信息系统已与ICDP钻进信息系统集成。钻机的技术参数为：发电机容量3×1540千伏安，驱动功率4000千瓦，泥浆泵功率3×1000千瓦，钻进深度5000米，名义大钩载荷3500千牛，转速220转，回转扭矩40～75千牛·米，提升油缸行程22米，绳索取心绞车容量5000米（钢绳直径7毫米），钻机总重3700千牛。图1 “北极光”号研究破冰船图2 德国Innova Rig钻机在通过钻探手段直接获取地下能源方面，冰岛深钻计划（IDDP）颇为引人注目。冰岛是一个多火山国家，在火山中心地带，高温地热源已被开发用于蒸汽或水发电，并向地方供热。在这些地区，一口2000～3000米深的钻井，井底温度达到300℃，井口温度可达200℃，单井可生产500～2000千瓦的电力。2002年以来，钻进到4000～5000米深度以调查地热资源的准备就在进行，这一工作的目标，就是确定在淡水温度与压力临界点（15℃，12兆帕）以上的条件下，提取能量与化学液体在技术与经济上究竟是否可行。2008年8月，第一口深井将在冰岛东北部的Krafla地热田开钻，这口井钻达预定井深时，井底温度将高达400～600℃，蒸汽所产生的电力估计将达到4～5百瓦。IDDP的这一预想若被证实，将导致冰岛和其他地区高温地热资源经济的重大进步。第一口深井的资金已落实，钻探工程计划在4～5个月内完成，2009年进行井中循环测试。二、中国白垩纪大陆科学钻探松科一井（北井）钻探工程松科一井是中国国家973计划项目“白垩系地球表层系统重大地质事件与温室气候变化”，为获取供地学研究的白垩纪地层实物资料，在中国东北部松辽盆地布置的环境科学钻探工程。工程由南井和北井（又称主井）组成，井深分别为1810米和1910米，岩心采取率要求90%。其中南井成井后可转化为石油生产井，由大庆油田按石油钻井程序建井；北井仅为采集岩样，由中国地质调查局勘探技术研究所承担，并组织中国地质大学与河南地矿工程公司协作施工。本井全井连续取心钻进的要求，使之不同于普通的石油钻井；钻遇地层为湖盆沉积、完井直径156毫米、需在井口安装井内压力控制系统，使之又不同于地质岩心钻探。故北井施工的装备与工艺均有其自身特点。设备与管材——2000米水源钻探装备出于井深、井径与井内安全钻进的要求，本井所用钻杆直径不得小于73毫米，而国内岩心钻机若使用这种钻杆，尚达不到钻进近2000米的深度，因此选用了2000米配套的水源钻井设备。与钻进同样井深的石油钻机比较，其优点是重量轻、体积小、功耗低，占地面积小、运行与维护成本低；提引器升降钻杆柱、钻机转盘拧卸扣，操作简便、配套紧凑；缺点是管材强度较低，不似石油钻井可强力给进；钻机转速较低，硬岩钻进时钻速低；钻塔提升高度有限，提下钻辅助时间长。钻井平台高架——满足井控设备安装要求2000米水源钻机的钻井平台直接坐于地面。为在井口安装防喷器，自设计钢基础构架，将平台高度提升1米（图3）。完钻时构架承受200千牛的设备静载、400千牛悬重的钻柱提下钻动载以及7级以上的大风载荷，未出现任何不安全迹象。图3 钻机底架效果设计取心钻进——岩心钻探工艺钻具规格与结构：钻头外径：156毫米普通双管钻具岩心直径：96毫米保真钻具（三层管）岩心直径：82毫米最大岩心容纳长度：9米保真钻具的衬管为透明度好、刚度好、化学性能稳定的PC有机材料管，其作用是钻进时保护松散样品不受扰动，出心时样品可随管无损抽出。样品易保管，易运输，且可在管内冷冻成型后剖切研究。（1）流沙层隔液保真取样：井深162～211米地层是无胶结的流砂层，钻进时钻具内腔与流动的钻井液必须完全隔绝，否则进入钻头的砂样会部分或完全冲蚀耗尽。所设计的钻具在砂层中取心钻进近50米，采样率达82%（图4）。图4 隔液保真钻具的取样效果（2）黏软—中硬地层嵌块式合金钻头：245～950米井段为长段软泥岩及其与酥松或较致密的泥岩、砂岩互层，如用常规的钻头结构形式，则在软泥岩中易泥包糊钻，在较致密的岩层中钻速低下。还因合金刀具抗崩耐磨性均较差需频繁更换，而钻头刚体价格昂贵，如直接在刚体上更换刀具必致刚体寿命短暂增加成本。图5a所示的大排水、排屑空间的嵌块式结构，不仅杜绝了软泥岩中的糊钻现象，且适应地层的软硬变化。在900余米进尺中，5只钻头刚体入井190回次、纯钻进近700小时后仍可继续使用。钻头所钻遇的岩层如图5b所示。（3）致密泥岩中螺杆钻复合回转钻进：井深1250米后地层进入黑色致密泥岩，无论是合金钻头还是PDC钻头，钻压加到45千牛、泵量开到950升/分钟，但钻速均只在2～3米/小时，孕镶金刚石钻头的转盘单回转钻进，钻速也只在5米/小时左右。孕镶钻头乃依赖高速磨削碎岩，但因设备和井内原因，作业时转盘最高转速只允许开至90转/分钟。为提高钻头转速提升钻速，启用螺杆马达实现井底驱动，同时低速开动转盘（37转/分钟）消除钻柱与井壁的静摩擦以求钻压均匀传递。这一措施的钻进效果由下表可对比。图5 嵌块式合金钻头及其钻井效果当代地球科学发展趋势：第33届国际地质大会热点聚焦（4）水力出心装置：常规钻具的岩心需从内管中直接取出，对于大口径钻具，传统的出心方法不仅劳动强度大、出心时间长，还因管内堵卡、机械振动以及岩心自由下落等原因，造成塑性与酥性心样变形、脆性岩心伤害，地层的原始信息被人为破坏。本井研制的水力出心装置，出心时只要在钻具上接头连接送浆管，再封住内、外管下端环隙，利用水压将岩心整体推出内管，减去了传统出心方法的各个环节，真正做到了常规钻具的岩心无损出管。装置原理与现场工作情况如图5所示。（5）泥浆护壁成果：一开地层为松散的流砂层与松软泥岩，泥浆技术不过关，极易引发卡钻、埋钻等井内事故，还可能会因长井段坍塌导致钻井报废。一开至完钻历时53日历天，钻具在流砂层与松软泥岩层中裸眼提、下110回次，不仅从未发生过井内险情，且井径规整、极少沉淤，固井时井内注液量表明井眼超径系数不到08。二开井段总长1566米，上部为松软、水敏性泥岩与酥松、脆弱的砂岩、砾岩穿插，850～1500米含多段易掉块地层。二开至完钻裸眼历时193日历天，提下钻具295回次，从未发生水敏地层膨胀缩径与脆性地层掉块导致卡钻事故。综合评述（1）取心钻进技术指标（见下页表）。（2）南、北井技术经济对比：北井运用水源钻探设备与岩心钻探工艺，历时8个月，完钻井深1811米，取心进尺1630米，岩心采取率95%；南井使用石油钻井设备与工艺，历时3个月，完钻井深1915米，取心进尺965米，岩心采取率98%。两井客观条件相比，尽管北井取心难度大、钻遇地层复杂、存在50米无胶结流砂层与500余米极致密的泥岩，且施工方进场时对地层性质毫无了解，但从总体上看：两种方法的岩心采取率均满足科研工作要求；石油钻井装备的钻进效率远高于水源钻探装备；石油钻井装备的工程费用为水源钻探装备的3倍以上。因此可得结论：在工程进度满足科研进度的前提下，选用组合钻探技术实施环境科学钻探工程，是有效压缩科研费用的可行之路。当代地球科学发展趋势：第33届国际地质大会热点聚焦（朱永宜执笔）
