海洋科學(xué)鉆探的歷史與現(xiàn)狀

海洋科學(xué)鉆探的歷史與現(xiàn)狀

2001年8月4日，中國大陸科學(xué)研究院（ccsd）成功開展了勘探工作。一年后，2000米的主孔得到了高質(zhì)量的完成。主孔上部井段的擴散孔、下套筒、固井、安裝頂驅(qū)系統(tǒng)和更換繩索入口孔的采樣完成。在新世紀(jì)到來的第一年,中國就邁出了向地球深部進(jìn)軍堅實而有力的步伐,CCSD的施工標(biāo)志著我國的經(jīng)濟(jì)實力和整體的工程科學(xué)技術(shù)達(dá)到了世界先進(jìn)水平,這是特別值得鉆探技術(shù)界驕傲的一件大事。1中國大陸科學(xué)探測的重要性和目標(biāo)1.1大陸科學(xué)鉆機計劃地球為人類提供了資源、能源、生活的空間和生存的環(huán)境,但同時又給人類帶來了地質(zhì)災(zāi)害(地震、火山、泥石流等),人類迫切地需要了解地球。但迄今為止,人類對地球內(nèi)部仍然所知甚少。長期以來,地球科學(xué)家們試圖運用地質(zhì)、地球物理和地球化學(xué)等方法來探測與研究地球內(nèi)部,但所獲得的認(rèn)識都是間接的?？茖W(xué)鉆探是唯一能獲得地下深處真實信息和圖像的地學(xué)研究方法,是人類解決所面臨的資源、災(zāi)害、環(huán)境等重大地學(xué)問題不可或缺的重要手段,被譽為“伸入地殼的望遠(yuǎn)鏡”。世界上最早的科學(xué)鉆探活動開始于海洋。海洋科學(xué)鉆探從20世紀(jì)60年代末開始,至今已實施了2個國際性的科學(xué)鉆探計劃——“深海鉆探計劃(DSDP)”和“大洋鉆探計劃(ODP)”。從1968年8月至1983年11月實施的“深海鉆探計劃(DSDP)”,采用了“格洛瑪·挑戰(zhàn)者號”科學(xué)鉆探船,起初由美國單獨執(zhí)行,后逐漸發(fā)展成有多國參加的國際性計劃。“大洋鉆探計劃(ODP)”從1985年1月開始實施,采用“JOIDES(決心號)”鉆探船(見圖1)。最初參與該計劃的有美國、法國、日本、加拿大、澳大利亞、英國、德國和代表12個國家的歐洲科學(xué)基金會,我國于1998年春天作為“參與成員”加入。大洋鉆探計劃實施30多年以來,在全球各大洋鉆井2000多口,獲取巖心數(shù)十萬米和大量數(shù)據(jù)。根據(jù)獲得的信息,驗證了大陸漂移和海底擴張假說,創(chuàng)建了板塊構(gòu)造學(xué)說,在海洋的歷史、古氣候和古生物的演化、海底火山噴發(fā)、沉積作用、海底礦產(chǎn)分布等研究方面,取得了許多重大成果。目前,ODP即將結(jié)束,代之而起的是整合大洋鉆探計劃(IODP),日本正在為其建造一艘名為“Chikyu”的57000t的鉆探船(見圖2)。其主要規(guī)格與“JOIDES”對比見表1。大陸地殼遠(yuǎn)比洋殼古老,隱藏有更多的地球奧秘,大陸還是人類直接居住、獲取主要的礦產(chǎn)資源以及遭受地質(zhì)災(zāi)害威脅最大的地方,因此人們迫切希望通過大陸科學(xué)鉆探來更多和更深入地了解大陸。大陸科學(xué)鉆探始于20世紀(jì)70年代,前蘇聯(lián)、德國、美國等在此方面做了大量工作。前蘇聯(lián)實施了11口超深孔和深孔,其中的科拉超深鉆孔深達(dá)12261m,為當(dāng)今世界最深的超深孔,并已成為世界第一個深部實驗室(觀測站)。德國的KTB在華力西縫合帶的結(jié)晶地塊中打了一口9100m的超深井。美國到1991年為止實施了7個項目,13個鉆孔,目前正在夏威夷實施科學(xué)鉆探。瑞典、法國及加拿大等國均制定了大陸科學(xué)鉆探計劃,開展淺孔科學(xué)鉆探工作。日本正在制定為期10年的超深鉆計劃,擬在太平洋、菲律賓及亞洲板塊結(jié)合帶上打超深井。墨西哥正通過科學(xué)鉆探研究世界上著名的Chicxulub隕石坑。據(jù)說6500萬年以前發(fā)生在墨西哥尤卡坦半島的一次隕石撞擊地球事件曾經(jīng)引起地球生物的大滅絕。為了協(xié)調(diào)世界范圍內(nèi)的大陸科學(xué)鉆探活動,減輕各國在實施該項活動時的成本和風(fēng)險,實現(xiàn)成果共享,最終促進(jìn)大陸科學(xué)鉆探在地學(xué)研究中的推廣應(yīng)用,1996年2月由德國、美國和中國發(fā)起成立了“國際大陸科學(xué)鉆探計劃(ICDP)”,其總部設(shè)在位于德國波茨坦的地學(xué)研究中心(GFZ)。該計劃從啟動以來,已資助了一系列科學(xué)鉆探項目,并不斷地有新的國家和團(tuán)體加入或申請加入該計劃。國際大陸科學(xué)鉆探組織的成立,標(biāo)志著大陸科學(xué)鉆探進(jìn)入了一個新的發(fā)展階段。1.2大陸科學(xué)鉆機在中國的實踐20年前,我國著名的地質(zhì)學(xué)家和鉆探工程專家就提出,應(yīng)采用科學(xué)鉆探的方法進(jìn)行地學(xué)研究,并開始進(jìn)行前期的資料搜集和信息研究工作。從1991年起,地質(zhì)礦產(chǎn)部展開了較大規(guī)模的中國大陸科學(xué)鉆探的前期研究工作,包括通過地質(zhì)和地球物理調(diào)查進(jìn)行鉆孔地點選擇以及進(jìn)行工程技術(shù)方面的準(zhǔn)備,先后完成了“中國大陸科學(xué)鉆探先行研究”、“中國大陸科學(xué)鉆探選址研究”和“5000米鉆探工程技術(shù)方案研究”。1994年2月,中國科學(xué)院地學(xué)部組織專家開展地球科學(xué)“入地”發(fā)展戰(zhàn)略研究,建議中國盡快開展大陸科學(xué)鉆探工程。1996年2月,我國作為發(fā)起國之一,加入了“國際大陸科學(xué)鉆探計劃(ICDP)”。1997年5月,國家計委組織兩院院士審議并通過了地質(zhì)礦產(chǎn)部提交的“中國大陸科學(xué)深鉆工程立項報告”,并于同年6月報國家科技領(lǐng)導(dǎo)小組批準(zhǔn),列為“九五”國家重大科學(xué)工程項目。1997年8月,由ICDP在青島組織召開了“大別-蘇魯超高壓變質(zhì)帶大陸科學(xué)鉆探選址國際研討會”,60多名與會中外科學(xué)家一致贊同在江蘇北部東?？h實施5000m深的大陸科學(xué)深鉆。1998年4月,國際大陸鉆探計劃專家委員會批準(zhǔn)“中國大別-蘇魯超高壓變質(zhì)帶大陸科學(xué)鉆探”項目列為國際大陸科學(xué)鉆探計劃項目。1999年9月27日,國家計委批準(zhǔn)了該項目的立項報告(計高技1423號)。項目的實施時間是2000～2004年。項目總投資14960萬元,其中中央預(yù)算內(nèi)基本建設(shè)投資11000萬元,包干使用;其余投資由國土資源大調(diào)查經(jīng)費解決(國土資發(fā)509號,中地調(diào)發(fā)44號)。這標(biāo)志著我國大陸科學(xué)鉆探工程正式啟動。2000年初,中國大陸科學(xué)鉆探工程中心與中國新星石油公司石油鉆井研究所一起,完成了項目可行性研究報告的編制,并將報告報送國家計委。中國國際工程咨詢公司受國家計委的委托分別于2000年3月和4月2次進(jìn)行了項目可行性評估。國家計委于2000年7月31日批準(zhǔn)了項目可行性研究報告(計高技1068號)。2000年7月,通過招標(biāo)選定中國新星石油公司石油鉆井研究所承擔(dān)項目的初步設(shè)計。鉆井研究所于2000年11月完成了設(shè)計報告的編制。國土資源部根據(jù)國家計委的要求于2000年11月14～15日組織召開專家審查會,通過了對鉆井研究所提交的“中國大陸科學(xué)鉆探工程項目初步設(shè)計”的審查。2001年8月1日國家計委批準(zhǔn)項目開工。8月4日在江蘇東?？h舉行了隆重的開幕式,宣告中國第一口大陸科學(xué)探井正式開鉆。1.3地質(zhì)意義和研究目標(biāo)中國大陸科學(xué)鉆探工程的總目標(biāo)是:通過利用現(xiàn)代深部鉆探高新技術(shù),在具有全球地學(xué)意義的大別-蘇魯超高壓變質(zhì)帶東部的東海地區(qū)實施中國第一口5000m科學(xué)深鉆,利用從鉆孔中獲取的全部巖心及液、氣態(tài)樣品分析數(shù)據(jù)和信息以及原位測井?dāng)?shù)據(jù),校正地球物理對深部組成與結(jié)構(gòu)的遙測結(jié)果,重塑超高壓變質(zhì)帶形成和折返機制的邊界條件,研究中國南、北兩大板塊會聚邊緣的地殼行為、殼-幔作用以及有關(guān)的成礦與流體作用,建立天然、動態(tài)和長期的地下觀測實驗站及地殼深部物質(zhì)研究基地。具體的科學(xué)目標(biāo)是:揭示超高壓變質(zhì)巖的形成與折返機理;再造大陸板塊匯聚邊界的深部物質(zhì)組成與結(jié)構(gòu);建立結(jié)晶巖地區(qū)地球物理理論模型和解釋標(biāo)尺;研究板塊匯聚邊緣的地球動力學(xué)過程和殼-幔相互作用;揭示超高壓變質(zhì)成礦機理,發(fā)現(xiàn)來自地幔深處的新礦物和新物質(zhì);探索現(xiàn)代地殼流體-巖石相互作用與成礦機理;研究地殼中微生物類型和潛育條件;為資源的開發(fā)及地震發(fā)生機制的探索提供新的科學(xué)依據(jù)。1.4超高壓變質(zhì)帶與地質(zhì)科學(xué)大陸科學(xué)深鉆是目前直接獲取地殼深部物質(zhì)與信息的唯一方法,為各種地球科學(xué)理論提供真實的依據(jù),是地球科學(xué)發(fā)展不可或缺的重要基礎(chǔ)。面臨21世紀(jì)重大發(fā)展機遇的中國,必須解決資源、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展問題。近30年來,國際上大陸科學(xué)鉆探成就一再證明,通過科學(xué)鉆探對深部地殼進(jìn)行原位探測,是研究巖石圈動力學(xué)、建立新地球科學(xué)觀及解決當(dāng)代人類面臨的資源短缺、災(zāi)害頻繁、環(huán)境惡化、工程穩(wěn)定性等重大科學(xué)問題的基礎(chǔ)和新的途徑。大陸科學(xué)深鉆是一項涉及不同學(xué)科、不同領(lǐng)域的綜合性系統(tǒng)工程,它除了帶動地球科學(xué)發(fā)展以外,還將帶動其它自然科學(xué)的進(jìn)步。例如:大陸科學(xué)鉆探工程同當(dāng)代科學(xué)圣壇上四大理論問題:天體、地球、生命、人類起源和演化等理論問題密切相關(guān)。大陸科學(xué)深鉆工程領(lǐng)域的某些重大發(fā)現(xiàn)和突破,如地磁反向、超微化石、超重新元素、深部流體、深部的生物、物理、化學(xué)過程等,將會給現(xiàn)代物理學(xué)、化學(xué)和生物學(xué)的發(fā)展提供新的生長點。例如,大陸深鉆孔中12km深處還存在喜溫厭氧微生物,同樣進(jìn)行著沉淀、生油、成巖及成礦的地質(zhì)作用,這一重大發(fā)現(xiàn)對生命科學(xué)研究提出新的挑戰(zhàn),開辟了新的領(lǐng)域?，F(xiàn)代地球科學(xué)中的許多重大理論問題,如非平衡態(tài)熱力學(xué)、統(tǒng)計熱力學(xué)、化學(xué)熱力學(xué)準(zhǔn)晶態(tài)、化能自養(yǎng)生物研究等,同樣也是其它基礎(chǔ)和技術(shù)科學(xué)的難題,有些問題甚至是各自科學(xué)領(lǐng)域中的前沿課題。通過地球科學(xué)與物理學(xué)、生物學(xué)、化學(xué)、材料科學(xué)及工程科學(xué)的學(xué)科交叉與結(jié)合,將有助于在某些重大自然科學(xué)理論問題上取得突破。超高壓變質(zhì)巖的發(fā)現(xiàn)被公認(rèn)是繼板塊學(xué)說提出以來地球科學(xué)研究領(lǐng)域取得的重大突破性進(jìn)展之一,是探索地球深部動力學(xué)過程和建立大陸動力學(xué)理論的窗口。超高壓變質(zhì)作用的研究是當(dāng)前固體地球科學(xué)研究的前沿與熱點。在具有全球地學(xué)意義的、世界上規(guī)模最大的大別-蘇魯超高壓變質(zhì)帶實施我國第一口大陸科學(xué)深鉆具有如下重大科學(xué)意義:(1)研究會聚板塊邊界深部物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)及動力學(xué)過程?，F(xiàn)代大陸會聚邊緣的碰撞造山作用正在舉世矚目的喜馬拉雅山進(jìn)行,但深部過程只能憑借地球物理手段遙測。大別-蘇魯?shù)貐^(qū)出露了地質(zhì)歷史中這一深部過程的直接產(chǎn)物——超高壓變質(zhì)帶,使其成為研究地質(zhì)歷史中板塊會聚邊界殼幔行為的全世界最好的地點。(2)揭示超高壓變質(zhì)巖的形成與折返機制?？率⑹莵碜缘厍蛏畈康男攀?它象一把金鑰匙,打開通往地球深處的大門。研究表明,上地殼物質(zhì)可以迅速帶至地下100km深處(或更深),又折返地面。這一“下地獄,又上天堂”的翻天覆地的地質(zhì)過程,已成為地學(xué)研究的熱點,以及將成為改變傳統(tǒng)地球動力觀的窗口。(3)通過最短距離獲得最深部信息。大別-蘇魯超高壓變質(zhì)帶的科學(xué)鉆井在世界已實施的大陸科學(xué)鉆井中位于最深的構(gòu)造部位——大陸碰撞帶根部。因此在深部研究方面將超過國際已實施的任何一口大陸科學(xué)鉆井。(4)后造山作用研究的理想場所。大別-蘇魯?shù)貐^(qū)大量中生代(100Ma左右)花崗巖出露及周邊中-新生代火山及含油沉積盆地的形成,表明該區(qū)最后成山始于中生代晚期。通過科學(xué)鉆探可以深入研究與超高壓變質(zhì)帶折返過程相伴生的后造山作用——隆升速率與冷卻史,地殼局部熔融與巖漿作用,伸展-平移構(gòu)造,韌-脆性變形轉(zhuǎn)化及“盆-山”格局形成等,為后造山作用研究提供有利條件。(5)重要的經(jīng)濟(jì)和社會意義。超高壓變質(zhì)帶中大型金剛石礦床的發(fā)現(xiàn)(北哈薩克斯坦),使超高壓變質(zhì)巖區(qū)成為21世紀(jì)金剛石戰(zhàn)略找礦遠(yuǎn)景區(qū),大別-蘇魯?shù)貐^(qū)已有多處發(fā)現(xiàn)金剛石,并已開采金紅石礦、蘭晶石礦、鎂鋁石榴石礦及水晶礦,深鉆的實施將為礦產(chǎn)資源開發(fā)及超高壓變質(zhì)帶的成礦提供新的研究途經(jīng)。最近,美國科學(xué)家又一次提出地球核心是由甲烷組成的,石油、天然氣可能是非生物形成的。如果這個假說成立,地球上的油氣資源將能用500年。而要證明它,需要鉆探100km。當(dāng)然,目前人類只能鉆探12～15km,離此目標(biāo)還十分遙遠(yuǎn)。但是,科學(xué)鉆探將有助于逐步解決這一關(guān)系人類生存的大問題。郯廬斷裂北、中段為強烈地震活動帶,1686年中國東部最大地震(8.5級)曾在郯城發(fā)生。利用可抵達(dá)多震層(積累能量并用地震形式釋放的圈層,5～10km深)上部的深鉆孔進(jìn)行地震及地應(yīng)力長期觀測,將為地震預(yù)報發(fā)生機理提供物理基礎(chǔ)。因此,可以說中國大陸科學(xué)鉆探工程具有明確的科學(xué)目標(biāo)和廣泛的經(jīng)濟(jì)社會意義。1.5工程技術(shù)目標(biāo)為實現(xiàn)上述科學(xué)目標(biāo),需要在堅硬的結(jié)晶巖地區(qū)施工5000m深的取心鉆孔。盡管我國石油行業(yè)在沉積巖地層曾經(jīng)鉆探過深達(dá)7000多米的鉆孔,也打過一些參數(shù)井。但真正意義的、以地球科學(xué)研究為目的的深部鉆探工作則是空白。石油鉆井,一般是在沉積地層施工,巖石比較軟,多為點取心鉆進(jìn),井中原始信息的提取和巖樣的分析測試也比較簡單,配套的工程也少。因此,大陸科學(xué)鉆探工程是一項技術(shù)難度很大,極具挑戰(zhàn)性、綜合性,應(yīng)用高新技術(shù)的大科學(xué)工程。全世界都以科學(xué)深鉆作為衡量一個國家鉆探技術(shù)乃至工程科學(xué)技術(shù)水平的標(biāo)志。中國大陸科學(xué)鉆探工程由鉆探子工程、測井子工程、地球物理子工程、鉆孔地質(zhì)與實驗分析子工程、管理信息和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)子工程組成。工程技術(shù)總目標(biāo)是:通過項目的實施,研究開發(fā)出一整套新型的、適用于深孔硬巖惡劣條件的鉆探技術(shù)體系,包括取心鉆探設(shè)備、金剛石鉆頭、繩索取心系統(tǒng)、液動潛孔錘鉆進(jìn)系統(tǒng)、鉆井液系統(tǒng)、垂孔鉆進(jìn)系統(tǒng)以及深孔硬巖鉆進(jìn)施工工藝和程序,使我國的鉆探技術(shù)上一個臺階,達(dá)到20世紀(jì)90年代的國際先進(jìn)水平。具體的工程技術(shù)目標(biāo)是:(1)形成一套完整的硬巖深孔大直徑金剛石繩索取心鉆進(jìn)技術(shù)體系;(2)使獨具中國特色的液動潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)更加完善,進(jìn)一步鞏固我國在液動潛孔錘技術(shù)領(lǐng)域中的領(lǐng)先地位;(3)研究與開發(fā)新型的以繩索取心為基礎(chǔ)的組合式取心鉆進(jìn)系統(tǒng),如孔底馬達(dá)/繩索取心二合一鉆具、液動潛孔錘/繩索取心二合一鉆具及其相應(yīng)的鉆進(jìn)工藝,其成果將居國際領(lǐng)先地位;(4)帶動我國鉆探器具和鉆探材料生產(chǎn)制造技術(shù)與使用技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展,使其趕超世界先進(jìn)水平;(5)建立一個地球物理測井新儀器、新方法、新技術(shù)的試驗基地,推動我國測井技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。2項目建設(shè)的主要內(nèi)容2.1世界級地質(zhì)場址選擇科學(xué)鉆探孔位選定,要經(jīng)過以下3個步驟:選址先行研究:選出科學(xué)目標(biāo)明確而且工程上可行的世界級地質(zhì)場址,作為首選選區(qū);科學(xué)深鉆靶區(qū)的選定:在確定的選區(qū)進(jìn)一步選篩出能全面實現(xiàn)科學(xué)目標(biāo)的地段,并通過國際研討會確定科學(xué)深鉆的靶區(qū);科學(xué)深鉆孔位選定:在通過對靶區(qū)進(jìn)行精細(xì)的地質(zhì)和地球物理調(diào)查后,建立三維的地質(zhì)地球物理模型,據(jù)此確定鉆孔坐標(biāo)。2.1.1鉆進(jìn)示范區(qū)選擇1991年,地質(zhì)礦產(chǎn)部啟動深部地質(zhì)研究項目“中國大陸科學(xué)鉆探先行研究”。通過總結(jié)我國深部地質(zhì)研究的關(guān)鍵問題,初選出一批科學(xué)鉆探候選項目。綜合第一次及第二次科學(xué)鉆探研討會專家的意見,共提出12個鉆探選區(qū),它們是:京津唐地區(qū)、膠南、大別、三峽、南陽盆地西緣、四川龍門山、四川攀西、甘肅金川、山東膠北、青藏高原、江南古陸東側(cè)、阿爾金山地區(qū)。在對各項目的科學(xué)意義、前期的地質(zhì)和地球物理工作、工程實施的可行性等因素進(jìn)行綜合分析、比較之后,確定以大別-蘇魯超高壓變質(zhì)帶作為第一個中國大陸深鉆項目的研究目標(biāo),并圍繞此目標(biāo),開展了大量的地質(zhì)和地球物理調(diào)查工作。2.1.2有利于科學(xué)鉆進(jìn)經(jīng)過大量的地質(zhì)與地球物理調(diào)查和專家建議,在延綿1000km的大別-蘇魯超高壓變質(zhì)帶中選出了3個符合科學(xué)鉆探選址條件的候選靶區(qū),它們分別位于:山東諸城、江蘇東海和安徽潛山。這3個地區(qū)的上地殼深度為15km左右,都發(fā)現(xiàn)有地震波速>6.7km/s、電阻率>6000Ω·m的地層或透鏡體,推測為折返到地殼淺部的超高壓變質(zhì)巖塊體。深入的研究及對比結(jié)果表明,江蘇省東海地區(qū)更有利于進(jìn)行科學(xué)鉆探。因為這里超高壓變質(zhì)巖分布廣泛,其中發(fā)現(xiàn)有金剛石,地質(zhì)構(gòu)造層位也處于較深部位,大量鉆孔指示地下具疊置巖片構(gòu)造,并發(fā)現(xiàn)在3～4km以上存在高波速、高密度體。同時,該區(qū)礦產(chǎn)豐富,交通便利,經(jīng)濟(jì)相對發(fā)達(dá)。在ICDP的資助下,1997年8月在青島召開了“大別-蘇魯科學(xué)鉆探選址國際研討會”,60多名中外專家參加了會議。專家一致贊同將位于蘇北的東海地區(qū)作為中國科學(xué)深鉆的首選靶區(qū)。1998年元月,由中國、美國、德國、加拿大、法國等5國科學(xué)家組成的聯(lián)合專家組,共同向ICDP總部提交了在蘇北東海進(jìn)行科學(xué)深鉆的實施建議書,并得到批準(zhǔn)。2.1.3地質(zhì)和地球物理背景為在東海地區(qū)選定孔位,原地礦部中國大陸科學(xué)鉆探研究中心組織各方面的力量,進(jìn)行了大量的地質(zhì)與地球物理研究。研究表明,東海縣西南的毛北地區(qū)符合科學(xué)鉆探的選孔原則。因為在該地區(qū)地下3～4km存在高密度、高電阻、高波速的強反射體,并位于整個超高壓變質(zhì)帶的構(gòu)造最深部位,5km深鉆就可以把它打穿。同時,這里也是超高壓變質(zhì)帶中傾角最緩的部位,通過較短的距離可以穿過超高壓變質(zhì)巖的多個單元。地溫測量表明,這里的地溫梯度不高(約25℃/km),有利于鉆探工程實施。1997年12月,中國大陸科學(xué)鉆探研究中心邀請了40多位國內(nèi)專家對東海靶區(qū)內(nèi)深鉆孔位選定進(jìn)行了研討,與會專家一致認(rèn)為:根據(jù)上述“五高兩低”的原則和實際資料的分析,毛北孔址可作為大陸科學(xué)深鉆工程的首選孔位。在鉆孔選區(qū)江蘇省東海縣進(jìn)行了深入的地質(zhì)和地球物理調(diào)查研究,包括1∶5000和1∶10000地質(zhì)填圖;反射地震與層析成像、重力和磁力調(diào)查;施工深度430m和1028m的CCSD預(yù)先導(dǎo)孔1號孔(PP1)和2號孔(PP2)并進(jìn)行地球物理測井、垂直地震剖面(VSP)和地?zé)釡y量;對20世紀(jì)70～80年代完成的一些淺鉆孔巖心重新進(jìn)行了整理、編錄、分析和研究等。通過多學(xué)科綜合研究,完成了科學(xué)鉆孔區(qū)的三維地質(zhì)和地球物理模型的建立,并據(jù)此提出了中國大陸科學(xué)鉆探工程鉆孔的地理坐標(biāo)(X=3809.530km;Y=40377.874km)。2000年10月27日領(lǐng)導(dǎo)小組審議并通過了工程中心提出的主孔孔位精確坐標(biāo)的建議(中科鉆領(lǐng)1號)。2.2該項目的技術(shù)準(zhǔn)備2.2.1提高地質(zhì)巖心深鉆能力鉆探工程子系統(tǒng)的任務(wù)是鉆進(jìn)5000m科學(xué)鉆孔,獲取地學(xué)研究所需要的的巖心、巖屑和流體,為測井、孔內(nèi)試驗和長期觀測提供通道。鉆進(jìn)施工將遇到的巖石主要是片麻巖和榴輝巖,巖層產(chǎn)狀陡,屬于堅硬、難鉆的強造斜性地層。為滿足地學(xué)研究的需要,要求5000m鉆孔全孔連續(xù)取心。為保證測井的實施,鉆孔的終孔直徑≮6in(156mm)。由這些條件可知,該工程的鉆進(jìn)施工條件惡劣,是一項高難度的鉆探工程。解決鉆探技術(shù)難題的基本思路是:(1)采用雙孔方案和組合式鉆探技術(shù);(2)除個別關(guān)鍵設(shè)備和器具考慮從國外引進(jìn)外,主要采用國內(nèi)現(xiàn)有的鉆探技術(shù),但須通過研究與開發(fā),對現(xiàn)有的鉆探設(shè)備和器具進(jìn)行改進(jìn)和完善?！半p孔方案”:即在施工難度較大的5000m深鉆之前,先鉆一口2000m深的較淺鉆孔。這樣做的好處是:可預(yù)先獲得施工經(jīng)驗和進(jìn)行深鉆設(shè)計所需的地層參數(shù),提前試驗將在深鉆施工時采用的鉆進(jìn)器具和材料,因此有助于降低深鉆施工的風(fēng)險。作為雙孔方案的替代方案是:如果先導(dǎo)孔施工質(zhì)量優(yōu)良,孔斜在允許的范圍內(nèi),則直接將先導(dǎo)孔擴孔,下套管升級為主孔。這樣可以大量節(jié)約時間與經(jīng)費?！敖M合式鉆探技術(shù)”:是石油鉆井技術(shù)和地質(zhì)巖心鉆探技術(shù)的結(jié)合,即在石油轉(zhuǎn)盤鉆機上,加裝高速回轉(zhuǎn)的頂驅(qū)系統(tǒng),采用地質(zhì)巖心鉆探常用的金剛石繩索取心鉆進(jìn)工藝方法。這種特殊的鉆探技術(shù)體系是專為解決深孔、硬巖中連續(xù)取心施工的技術(shù)難題而開發(fā)的,其可行性在國外的科學(xué)深鉆和地質(zhì)巖心深鉆施工中得到了成功的證實。該項目的鉆孔結(jié)構(gòu)、套管程序和鉆進(jìn)施工程序設(shè)計采用了先進(jìn)的“超前孔裸眼鉆進(jìn)方法”,其特點是:采用活動套管,以小直徑取心鉆進(jìn),需要下套管護(hù)壁時,回收活動套管后擴孔鉆進(jìn)。設(shè)計中采用了具有我國特色的液動潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù),既能提高硬巖鉆進(jìn)效率,又有利于減輕孔斜。實施此項工程所需的鉆探設(shè)備和器具主要立足于國內(nèi)解決。但技術(shù)難度較大的3個關(guān)鍵部件即高轉(zhuǎn)速頂驅(qū)系統(tǒng)、高強度繩索取心鉆桿和垂孔鉆進(jìn)系統(tǒng),計劃從國外引進(jìn),該措施有利于減輕鉆探施工的風(fēng)險和保障施工成功。2.2.2測井項目合作完成情況測井子工程的任務(wù)是:通過將儀器下放到鉆孔中并進(jìn)行測量,獲取有關(guān)深部巖層的電、磁、聲、熱、核、震等各種物理場的原位觀測數(shù)據(jù),通過對測井資料進(jìn)行計算機處理和綜合性分析、研究,提取出豐富的地質(zhì)和地球物理信息,為實現(xiàn)地學(xué)研究目標(biāo)和安全、順利地完成鉆探施工提供保障。測井子工程的實施考慮到經(jīng)濟(jì)性原則,盡可能通過與ICDP的國際合作完成較多的測井項目,其余的測井項目將采用招標(biāo)或委托承包方式由國內(nèi)外測井公司完成。主要測井項目分為以下3類:(1)鉆井過程中經(jīng)常性的測井項目,包括電阻率、自然電位、自然伽瑪、井眼幾何形狀、井液電阻率等,為地質(zhì)及工程提供急需數(shù)據(jù)的測井項目,如層界深度、井身質(zhì)量、協(xié)助處理鉆井事故等,經(jīng)常性測井項目將部分使用ICDP提供的有關(guān)儀器,由中方常駐井場測井技術(shù)人員完成;(2)與ICDP合作完成的中間及完井測井項目,包括LL3-MSFL(電法),SP-Redox、IP,MED(微電阻掃描)、BHTV(超聲井壁成象)、自然伽瑪GR及自然伽瑪能譜SGR,溫度(DTS80)及熱導(dǎo)率,三分量地磁儀及磁化率儀器MS,流體采樣的FS等;(3)通過聘請國內(nèi)(外)測井服務(wù)公司承擔(dān)的測井項目,包括雙側(cè)向、巖性密度、補償中子、全波列陣列聲波、井中重力測量、元素測井等。測井結(jié)果解釋分為測井公司解釋、專題解釋和測井專家組綜合解釋3個層次。2.2.3毛北主孔地區(qū)二維三分量多波地震剖面的測量地球物理子工程為中國大陸科學(xué)鉆探工程的選址和大陸地殼超高壓變質(zhì)帶巖塊形成和折返機制的地質(zhì)科學(xué)研究,提供地下地質(zhì)體的各種地震地質(zhì)信息資料,主要采用如下3種當(dāng)今地學(xué)領(lǐng)域的地震探測高新技術(shù):(1)高分辨率三維地震測量:在毛北主孔地區(qū),以主孔為中心,做10km2面積高分辨率三維地震測量。(2)垂直地震剖面(VSP)測量:在2000m先導(dǎo)孔和5000m主孔中,采用井旁地面激發(fā),井下三分量地震觀測,同時在地面作零偏移距2種觀測系統(tǒng)接收,取得全井及井下縱向及橫向速度資料。(3)二維三分量(2D×3C)多波地震剖面測量:穿過主孔井位并垂直底層走向,做一條長度為5km的二維三分量多波地震剖面。采用井中激發(fā)三分量組合檢波器接收。取得反射縱波、橫波、轉(zhuǎn)換波等多波地震資料,以了解主孔井下及周邊巖體速度、巖性、流體層的存在和變化情況。2.2.4實驗實驗測試分析測試的主要目的與作用是通過對鉆進(jìn)產(chǎn)生的巖石和地層流體樣品的測試、分析、定位及鑒定,獲得井孔中的各種地學(xué)信息以及與鉆進(jìn)施工有關(guān)的工程信息。分析測試由現(xiàn)場實驗測試和場外實驗測試2部分組成?，F(xiàn)場實驗測試主要對難以保存的、易變化的試樣、重點氣體和液體樣品及部分時限性要求很強的項目進(jìn)行分析測試。對不易變化的巖心樣品的分析測試,外送到場外高水平實驗室進(jìn)行,既可減少設(shè)備投資,又可獲得高質(zhì)量的分析結(jié)果?，F(xiàn)場實驗測試的內(nèi)容是:進(jìn)行流體的實時分析測試;對巖心、巖屑進(jìn)行編錄,描述和照像;對巖心和巖屑進(jìn)行巖相學(xué)鑒定和構(gòu)造分析;建立鉆孔巖性和構(gòu)造剖面。場外實驗室的主要任務(wù)是:對巖心(巖屑)和流體進(jìn)行巖石學(xué)、礦物學(xué)、構(gòu)造學(xué)、地球化學(xué)和巖石物理分析測試。2.2.5項目數(shù)據(jù)資源的存儲、管理和應(yīng)用大陸科學(xué)鉆探工程的實施,將產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)信息,對地學(xué)研究和其它相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用研究具有重要意義。對這些數(shù)據(jù)資源進(jìn)行有效的存儲、管理和應(yīng)用,主要由本項目的數(shù)據(jù)管理和信息網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)來完成。該子系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集處理、數(shù)據(jù)庫管理、網(wǎng)絡(luò)管理、信息綜合處理、公共信息服務(wù)等部分組成。井場信息中心的局域網(wǎng)系統(tǒng)將與國內(nèi)、國外信息機構(gòu)或信息網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)互聯(lián)。2.2.6《流體技術(shù)》《南加工過程模型圖2中國大陸科學(xué)鉆探工程基地位于江蘇省東?？h毛北地區(qū),峰泉公路西側(cè),東?？h種畜場南約2.5km處。地勢平坦,占地約40畝(27000m2)。土建工程包括:基地建筑、輸變電、給排水、道路橋涵4個部分。其中建筑面積約2800m2,主體建筑為彩鋼板平房,是集辦公、科研、實驗、會議、庫房及生活于一體的綜合性建筑。其中井場占地面積10200m2(15畝);井隊辦公生活區(qū)占地4800m2(7畝);現(xiàn)場實驗室占地9000m2(13.5畝);現(xiàn)場道路占地3500m2(5.3畝)。除現(xiàn)場實驗室和未來鉆孔保留地外,均為臨時用地。2.3項目風(fēng)險和環(huán)境保護(hù)措施2.3.1孔斜事故的影響對于中國大陸科學(xué)鉆探工程項目來說,其最大的風(fēng)險應(yīng)數(shù)鉆探工程子系統(tǒng)。鉆探工程實施時的主要風(fēng)險是孔斜和各種孔內(nèi)事故,它們對工程進(jìn)度、工程質(zhì)量、工程費用都會起到顯著的影響作用。該項目的準(zhǔn)備已進(jìn)行了多年。在長期的準(zhǔn)備工作中,項目實施單位在充分認(rèn)識到鉆探工程實施時可能遇到的風(fēng)險和和技術(shù)難題的基礎(chǔ)上,制定了周密的對策和一系列的技術(shù)措施。2.3.2生活污水回用實施該項工程可能的污染源主要有:鉆探施工產(chǎn)生的泥漿和水泥漿液、實驗室產(chǎn)生的廢酸堿液、工業(yè)污水和生活污水、廢油、生活垃圾。將采取以下措施予以處理:鉆進(jìn)施工采用無毒和無公害的泥漿,施工結(jié)束后將廢泥漿和水泥漿液固化后外運到指定地點填埋。實驗室每天產(chǎn)生少量的廢酸、堿液以及設(shè)備運行產(chǎn)生的廢油,將回收后外運到指定地點處理。生產(chǎn)和生活污水將處理達(dá)標(biāo)后排放。生活垃圾通過焚燒處理。根據(jù)國家有關(guān)噪聲及煙塵控制及排放標(biāo)準(zhǔn),把噪聲及煙塵控制在允許的標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)。3項目的組織和管理3.1科學(xué)鉆探、地質(zhì)勘探、測設(shè)、場指揮機構(gòu)為保證中國大陸科學(xué)鉆探工程的順利實施,提高決策的科學(xué)化,加強對工程項目的監(jiān)控和協(xié)調(diào),組建了中國大陸科學(xué)鉆探工程的領(lǐng)導(dǎo)決策、參謀咨詢和實施管理體系,其組成為:(1)中國大陸科學(xué)鉆探工程領(lǐng)導(dǎo)小組:負(fù)責(zé)該項目組織實施的領(lǐng)導(dǎo)和重大決策。(2)中國大陸科學(xué)鉆探工程科學(xué)顧問委員會:由我國地學(xué)界不同領(lǐng)域的知名學(xué)者和專家組成,其職責(zé)是為領(lǐng)導(dǎo)小組和工程中心提供科學(xué)和技術(shù)咨詢。(3)中國大陸科學(xué)鉆探工程中心:是獨立的項目法人,是中國大陸科學(xué)鉆探工程的執(zhí)行機構(gòu),其主要職責(zé)是承擔(dān)并組織實施此項科學(xué)工程以及與該項目配套的國土資源大調(diào)查項目和科研項目以及開展科學(xué)鉆探領(lǐng)域的國際合作。工程中心下設(shè)地學(xué)部、工程部和辦公室。地學(xué)部負(fù)責(zé)制定項目的總體科學(xué)目標(biāo)、實施地學(xué)研究項目以及現(xiàn)場實驗室和信息系統(tǒng)的建設(shè)、運行和管理。工程部負(fù)責(zé)鉆探和測井子工程的組織實施以及有關(guān)的技術(shù)研究與開發(fā)。辦公室負(fù)責(zé)工程中心的日常運轉(zhuǎn)和管理以及與國內(nèi)外有關(guān)部門的日常聯(lián)系。(4)施工現(xiàn)場指揮部:施工現(xiàn)場設(shè)指揮部,由總指揮、副總指揮、總地質(zhì)師、總工程師、副總地質(zhì)師、副總工程師組成,下設(shè)巖石物性實驗室、巖石構(gòu)造實驗室、流體化學(xué)實驗室、生產(chǎn)調(diào)度室、鉆探技術(shù)室、測井監(jiān)督與技術(shù)室、現(xiàn)場辦公室、后勤服務(wù)室、信息中心等機構(gòu)。工程管理采用統(tǒng)一組織、分項實施、以招標(biāo)方式為主的辦法。工程項目實行合同制管理,通過合同明確中國大陸科學(xué)鉆探工程中心(甲方)與項目承擔(dān)方(乙方)的責(zé)、權(quán)、利。鉆探和測井等施工的管理采取監(jiān)督制,工程中心聘任具有合格資質(zhì)的人員擔(dān)任總監(jiān)、副總監(jiān)。工程實行統(tǒng)一設(shè)計、統(tǒng)一計劃、統(tǒng)一招投標(biāo)、統(tǒng)一監(jiān)督、統(tǒng)一驗收的管理體制。3.2項目進(jìn)步和投資估算3.2.1主孔工程施工中國大陸科學(xué)鉆探工程項目的先導(dǎo)孔計劃于2001年6月下旬正式開鉆。先導(dǎo)孔施工約需9個月。先導(dǎo)孔完鉆后,要進(jìn)行為期3個月的地球物理測井、地溫梯度和VSP(垂直地震剖面)測量。主孔計劃于2002年7月開鉆。主孔施工約需2.5年。主孔完鉆后,要進(jìn)行3個月的地球物理測井。然后,進(jìn)行主孔完井,將主孔的主要孔段用套管保護(hù)起來,并安裝好井口裝置,為下一階段深部地殼實驗室的長期觀測打好物質(zhì)基礎(chǔ)。整個工程項目結(jié)束的時間是2005年6月。3.2.2項目投資總結(jié)實施中國大陸科學(xué)鉆探工程項目國家計委批準(zhǔn)總經(jīng)費14960萬元。根據(jù)項目初步設(shè)計概算為16618.9萬元。3.3確定工程單位鉆探子工程和測井子工程的施工招標(biāo)分別于2000年11月和2001年元月開始,對參加投標(biāo)的5家鉆井公司和6家測井公司的設(shè)備能力、人員素質(zhì)、資質(zhì)和業(yè)績、管理情況和施工報價等進(jìn)行了認(rèn)真、細(xì)致的考察和評比。在評標(biāo)委員會推薦的基礎(chǔ)上,鉆探子工程已確定中標(biāo)單位為中原石油勘探局鉆井三公司。由于工程費用不足,經(jīng)三公司努力爭取,中石化集團(tuán)決定以科研經(jīng)費名義資助1000萬元。此外,測井子工程、錄井工程和工程監(jiān)督招標(biāo)工作也已進(jìn)行,中標(biāo)單位分別為勝利石油管理局測井公司、地質(zhì)錄井公司和華北石油管理局鉆井研究院。3.4基坑施工情況現(xiàn)場基建包括道路、上下水、電力、通訊、視頻及野外實驗室、巖心庫、辦公室、員工宿舍等房屋建設(shè)。所有的基建施工項目均按照國家有關(guān)規(guī)定招標(biāo)進(jìn)行,現(xiàn)所有基建工作已全部完工。共修筑簡易瀝青道路2.4km、架設(shè)高壓線7.5km、在基巖中施工了一口供水量達(dá)8.4m3/h的淡水井、建筑各類房屋3500m2。3.5通過培訓(xùn)、引進(jìn)先進(jìn)的頂驅(qū)系統(tǒng)作為ICDP的成員單位,在項目執(zhí)行過程中得到ICDP的支持是非常重要的。2000年12月與ICDP簽署了關(guān)于大別項目的合作備忘錄。2001年又與ICDP的OSG(技術(shù)支持組)就項目進(jìn)展與執(zhí)行情況進(jìn)行了多次會談,ICDP已按照雙方協(xié)議為我方培訓(xùn)了3批技術(shù)人員,并給予本項目150萬美元的資助。同時,在OSG的協(xié)調(diào)下,中心順利地從德國引進(jìn)了先進(jìn)的巖心掃描儀和繩索取心鉆具,租用ICDP的液壓頂驅(qū)系統(tǒng)也已到達(dá)現(xiàn)場。德方專家還多次來華指導(dǎo)工作計劃及技術(shù)培訓(xùn)計劃,并簽署了有關(guān)紀(jì)要。4項目進(jìn)展情況4.12地層巖性結(jié)構(gòu)及施工方法先導(dǎo)孔于2001年6月25日上午9∶30開鉆,2002年4月15日終孔,終孔深度2046.54m。鉆進(jìn)施工結(jié)束后進(jìn)行了地球物理測井和VSP(垂直地震剖面)測量,2002年5月5日先導(dǎo)孔施工階段宣告結(jié)束,施工總時間為315天。鉆進(jìn)分成2個階段,即一開全面鉆進(jìn)井段和二開取心鉆進(jìn)階段。一開施工從2001年6月25日至7月7日,采用三牙輪全面鉆進(jìn),井徑為17in(444.5mm),完鉆孔深100.36m,完鉆孔斜0°45′,最大孔斜1.2°。由于巖石堅硬,采用了鑲硬質(zhì)合金齒滑動軸承牙輪鉆頭。由于井眼直徑大且井淺加不上鉆壓,此段施工機械鉆速較低,平均機械鉆速僅為0.39m/h。完鉆后,下入13in(340mm)表層套管100.36m,并進(jìn)行了固井。裝井口后,下入9in(273mm)活動套管101m二開施工于2001年7月16日開始,從孔深101m至2046.54m,采用〉157/96mm金剛石鉆頭進(jìn)行取心鉆進(jìn)。鉆進(jìn)中,嘗試了不同的取心鉆進(jìn)工藝方法,分別有:(1)螺桿馬達(dá)+金剛石雙管取心鉆進(jìn)工藝方法;(2)螺桿馬達(dá)+液動潛孔錘+金剛石雙管取心鉆進(jìn)工藝方法;(3)轉(zhuǎn)盤+金剛石雙管取心鉆進(jìn)工藝方法;(4)螺桿馬達(dá)+金剛石單管取心鉆進(jìn)工藝方法。通過對幾種方法的機械鉆速、回次長度、巖心采取率和巖心質(zhì)量幾個主要參數(shù)進(jìn)行比較,認(rèn)為螺桿馬達(dá)+液動潛孔錘+金剛石雙管取心鉆進(jìn)方法是一種優(yōu)質(zhì)高效的取心鉆進(jìn)工藝方法,因此在施工的后半段時間幾乎全部采用該方法施工。取心進(jìn)尺總計1945.54m;平均巖心采取率88.71%;平均機械鉆速0.93m/h;平均鉆頭壽命17.53m,最高鉆頭壽命75.23m;平均回次進(jìn)尺2.96m,最長回次進(jìn)尺8.72m;平均日進(jìn)尺7.31m;純鉆時間利用率30.9%;起下鉆時間占用率45.9%;輔助時間占用率18.21%。全井的最大孔斜為4.1°,方位角為340°～280°。由于先導(dǎo)孔施工質(zhì)量好,根據(jù)工程中心的建議,經(jīng)領(lǐng)導(dǎo)小組批準(zhǔn)采用了替代方案。4.2擴孔鉆頭使用情況中國大陸科學(xué)鉆探工程科鉆一井的擴孔鉆進(jìn)于2002年5月7日開鉆,這標(biāo)志著主孔鉆進(jìn)正式開始,至8月27日以2028m的深度勝利完鉆,施工時間總計111天。擴孔鉆進(jìn)是科鉆一井施工第二階段,任務(wù)是將〉157mm的先導(dǎo)孔擴大到〉311mm,完鉆后下套管、固井,為主孔2000～5000m井段取心鉆進(jìn)打下一個穩(wěn)固的基礎(chǔ)。在堅硬的結(jié)晶巖中進(jìn)行長井段和大直徑擴孔鉆進(jìn),在