扬剧在线播放稽丽:我队深部钻探技术思考与设想

韩毅昌
一、深部钻探技术目的意义
科学深孔和超深孔是通向地壳深部的通道，能够使人们直接、真实、客观地了解地球的深部地层矿藏资源，探测地壳与上地幔的结构、物质组分、地温、地应力、地震、地电、地磁、地热等情况。深部科学钻探是“伸入地壳的望远镜”。对于发展地球科学和勘查技术，发展社会经济，改善人们的生活意义重大。但其代价和难度也是非同寻常。专家认为：钻进10-15km超深孔的难度不亚于发射人造地球卫星。所以钻孔深度常作为衡量一个国家钻探技术水平的重要标志之一。一些工业先进国家对于超深孔钻探都十分重视，美、俄等国均设立专门委员会，统筹有关科学技术规划，处理有关事宜。
目前，国土资源部及各省地矿局正在开展地质找矿改革发展大讨论，今年年初省局提出长江中下游深部找矿战略，2008年5·12四川汶川大地震，给我国带来的巨大损失和巨大伤痛，提醒了我们，四川汶川地震断裂带科学钻探为预防地震灾害研究，都提供了深部科学钻探难得的机遇。因此，深部科学钻探技术将纳入今后一个时期思考、研究、探索的热门课题。我们从现在起，在思想上、组织上、经济上、技力上做准备，着手研究这项工作，为迎接深部找矿和科学技术新的挑战打下基础。
二、深部钻探技术概况
（一）钻探深度基本定义
深部钻井的定义：随着钻探工程技术的发展和钻井深度不断加深而变化。根据有关资料介绍，孔深标准划分一般是：浅孔：0-300米，中浅孔：300-600米，中深孔：600-1200米，深孔：1200-2500米，特深孔大于2500米。1969年以来，国际上习惯于将用旋转钻机（石油机）施工的6000米深的井和用地质岩心钻机施工的2500米深的钻孔，通称为超深井。
（二）国外超深钻探技术发展情况
近30年来，由于科学技术的飞速发展，进一步推进地质科学向外层空间和地球深部（内层空间）两个方向发展，从而使人类探索地球深部的奥秘有了可能。深部地质学——一门新兴的地质学科正在兴起。为研究地壳与上地幔专门的地质井、地层井赋于超深井以崭新的含义称为莫霍井。深度通常为10-15km。
1．历年来世界超深井深度记录：
美国：主要采用转盘钻机施工。1927年井深度2454米，1928年2600米，1929年2830米，1930年2975米，1931年3228米，1933年3338米，1934年3470米，1935年3900米，1938年4576米，1944年4955米，1946年5081米，1947年5436米，1949年6259米，1953年6552米，1958年7729米，1970年7808米，1972年9165米，1974年9583米。
前苏联：在科拉半岛施工的Cr-3号超深井，1980年井深度10000米，1981年10780米，1982年11000米。
世界其他国家用立轴式地质岩心钻探超深孔记录：加拿大：1944年孔深2312米日本：1965年2500米，1966年2703米，1972年2807米。南非：1960年3000米，1938年3268米，1962年4300米。
2．设备和工艺要点
目前，国外石油钻探使用的设备主要是以转盘式石油钻机施工为主，1974年美国在俄克拉诃马州钻成一口9583米的超深井，创造转盘式石油钻机施工历史记录。前苏联石油钻探超深井施工设备主要是15000米钻机，用呈倒“Y”字形的井底钻具，连接涡轮钻施工，1982年在科拉半岛施工，超深井11000米，创世界石油深钻记录。
国外取心钻进超深孔设备主要以立轴式岩心钻机施工为主，南非于1962年施工超深井4300米，采用64.7KW柴油机驱动钻机，卷扬能力44.5KN，水泵为11.8 KW，排量60-120L/min，最终泵压5.7mpa，在循环中加入2%切削油做冲洗液，终孔直径BX（2 1/16in），至今仍创世界记录。见表1。
国外最大钻探2000米以上的主轴式超深岩心钻机  表1
钻机型号
钻进深度/m
动力机功率/KW
钻杆规格/mm
钻  机
重量/t
国外厂厂家
D-2000
2000
58.8
53(钻)
5130(包括动力机)
瑞典阿特拉斯-
科普柯公司
HS-115
2000
63
联邦德国威尔斯公司
DB-850
2000
40.5
43
2400(包括动力机)
比利时弗拉基
公司
SG-1200
1900
59
罗马尼亚
BHTP-2000
2000
75
50.42
10.170
前苏联(回转
导管式)
EA-2000
2000
75
50
18.68
前苏联(转盘式)
TXL-IE
2500
58.8
NQT
7.20(包括动力机)
日本利根公司
3000
BQT
AD-LA
3000
58.8
NQ
7.500
日本矿研公司
F150C
3340
200.6
BXTT
澳大利亚
明德利尔公司
DH-10
3500
BQ
美国长年公司
注：以上钻机均用金刚石钻进，除前苏联钻机外，
均可用绳索取芯工艺。
钻塔与底座。南非使用的是26.6m(88ft)标准石油井架，四脚打混凝土桩脚，其上垫基台木，日本用的是高30-35米井架，井架底座下垫基台木。
钻孔结构。多级口径，一般用普通单管钻穿覆盖层后，采用绳索取心工艺，能预防孔斜，减少起下钻次数，终孔直径一般为BQ级，钻杆外径Ф55.6mm，岩心直径Ф36.5mm。
钻头。多采用外阶梯式表镶金刚石钻头，深孔段钻头的金刚石镶入数为常规钻头的2倍，并加大外刃尺寸（BQ钻头外径Ф59.56mm加大到Ф61.2mm-63.2mm，NQ钻头外径Ф75.31mm加大到Ф75.7mm-Ф78-800mm）。相应增大环状间隙和水槽尺寸，改善冲洗液冲洗和排粉效果。钻头寿命提高1.5倍左右，同时提高钻进效率。
超深孔对冲洗液的特殊要求。超深孔的冲洗液是在高温高压状态下进行工作的，按一般地温梯度推算，2000米孔深孔底温度一般在60-80℃，4000米孔底温度则达128-150℃，但地层越老，地层异常显著，常常超过很多。高温将促使泥浆中粘土分散性增强，泥浆发生增稠现象，甚至完全丧失流动性。高温能加速有机化学剂的氧化和高分子裂解断链，使泥浆处理剂失去作用，泥浆失水量的显著上升或流动性遭到破坏。高温还会加剧泥浆被可溶盐类的污染。对深孔冲洗液抗高温处理剂的要求是：热稳定性好，  亲水性强，有较强吸附基。
常用的抗高温几种处理剂
处理剂
抗高温能力/℃
水解聚丙烯腈
200-203
铁铬盐
130
腐植酸及煤碱剂
200-230
其衍生物
铬-煤碱剂
230
铬-磺甲基腐植酸（SMC）
220
磺甲基五倍子舟宁（SMT）
羟基甲基纤维素（CMC）
140-180
金刚石钻进超深孔尽可能地使用抗高温的乳化冲洗液。
防斜。钻塔底座地基坚硬，钻机底座水平，立轴垂直，钻具同心度要好，钻具级配合理，超过级配要求，应在钻杆、岩心管连接处加扶正器或稳正器，浅孔或中深孔段还应考虑加钻铤。
做好超深孔的各项记录，建立技术资料积累与分析。
（三）国内深部或超深孔钻探发展情况
我国地质系统1978年为配合试验JU-1500型钻机，在浙江施工我国第一口超深岩心钻孔，深度1803.8m。1979年将陆续施工一批深度为2500m左右的超深孔，这些超深孔多是找矿而施工的。还没有同深部地质科学研究有机地结合起来。
2004年“中国大陆钻探工程”列为国家重大科学工程项目之一，也是国际大陆科学钻探计划的重点项目，其总体目标是：通过利用现代深部钻探高新技术，在具有全球地学意义的大别山—苏鲁超高压变质带东部（江苏省东海县）实施中国第一口5000米科学深钻（科钻一井），利用从钻孔中获取的岩心及液、气态样品与井下原位观测数据，进行多学科综合研究，查明大陆造山带的物质组成与结构构造，揭示超高压变质带的形成与折返机制，探索现代地下深部流体与极端条件下的微生物，建立长期的地下观测与实验基础。
科钻一井先导孔于2001年6月25日开钻，2002年4月15日顺利钻至井深2046.54米完钻，主孔于2002年5月7日开始，2005年1日23日钻至井深5118.2米完钻。
这是我国技术人员克服了重重困难，解决了各种各样的钻探技术难题，完全采用我国自己开发的钻探技术，实现了高难度的钻进目标。除获得了丰硕的地学研究成果外，在钻探技术方面也取得了一批重大成果。
2009年6月9日，国土资源部人才中心在成都举办深部钻探技术培训班上获知：河北地矿局四队，安徽地矿局、山东地矿局第三地质队采用XY-5、XY-6立轴式钻机，BW-320水泵，150KW发电机组驱动，Ф89钻杆，23米钻塔，国产绳索取芯施工一大批2000米左右的取心超深孔，主要用于找煤、石油、铁矿。山东地矿局第三地质队采用动力头式钻机施工过1000米孔55个，超1500米孔17个，超2000米2个，最大终孔孔深2210米。辽宁省地矿局第八地质队在本溪桥头矿区用xy-6钻机施工若干个2000米左右的孔，探获亚洲最大最深的铁矿。
目前国内岩心钻探技术工艺方法较为先进的有液动冲击锤绳索取芯钻探，这种方法，钻进回次长，钻进效率高，防斜效果好，岩心采取率高（尤其是破碎带地层钻进中更为明显）。
冲洗液类型采用耐高温，剪切稀释性能好，润滑性能好，护壁稳定性好，携带岩屑能力强的无固相或低固相冲洗液。
在复杂地层综合治理中，选择多级口径、优质泥浆、水泥配合、套管隔离、快速穿过的二十字方针。
深孔定向钻探技术采用液动孔底马达螺杆受控定向钻探技术和人工型连续造斜器定向钻探技术。
液动锤、液动螺杆和LZ型受控定向和绳索取芯、优质型泥浆通过科研、试验、生产使用，已经在钻探生产中常态化、系列化、成熟化了。在国际科学钻探技术上，具有领先水平。
我们江西省地矿局在深部钻探技术上相对滞后，大多数还是施工中浅孔，中深孔不多，钻探工艺技术还是80年代的水平。但由于市场经济运作积累了一定的经验，管理体制和机制不同，施工员工的责任心增强了，技能、操作水平提高，因此孔内事故和机械事故大大减少，钻探成本减少了，钻探效率提高了，从经济技术指标看，明显高于计划经济时代。
三、目前深部钻探技术主要问题
深部钻探技术是一门多学科，多理论的综合技术知识，开展深部钻探技术，首先要学习和掌握地质学、机械学、断裂学、水力学，钻杆柱之弹性力学、材料学、电力学、振动力学，高温高压状态下岩石破碎机理，冲洗液胶体化学，高温高压状态下新材料、新工具、新钻头等等知识。就我队而言，深部钻探技术主要问题：一是设备工具机具问题。2008年底大队购买一台xy-5型钻机，可以施工1200米之内深度井，但至今仍未开钻，其它钻机大都是xy-4钻机和BW-150变量泵，施工中浅孔居多，中深孔居少。深部钻探设备机具缺乏。二是深部钻探管材问题。我队现有的Ф50mm钻杆和少量的套管，远远适应不了深钻施工，也就是说，没有一台套深部钻探设备、机具、钻杆。三是没有深部钻探技术施工经验。四是没有培训深部钻探技术施工的生产技术人员、生产管理人员。五是深部钻探高温高压状态下冲洗液技术缺乏认识，缺乏技术实验。六是深部钻探防斜技术没有研究。七是深部钻探物探测井，水文测试，地应力测试，地震及声波测试，压水试验工作没有研究、分析。
要开展深部钻探技术研究，让深部钻探技术适应找矿需要，逐步走向市场，走向社会，为人类服务，就必须涉及上述七个主要技术问题。
四、深部钻探技术发展的机遇与挑战
鉴于深部科学钻探钻孔深度大，孔径大，结晶岩石坚硬和研磨性强，钻孔轨迹难控制，钻孔稳定性差，取芯量大，孔内温度高压力大等诸多不利因素，对钻探技术构成强有力的挑战，如果江西局不去面对，那将失去长江中下游深部地质找矿极好的机遇，也无法为国家提供长江中下游深部矿产资源。现在就美国、俄罗斯、南非、日本、加拿大已经具备深部钻探技术经验，我国的石油天然气深部钻探除外，河北地矿局、山东地矿局、安徽地矿局、辽宁地矿局在深部钻探技术研究上已经走在我局、我队前面，这些局的深部钻探技术已经为寻找石油天然气资源、煤碳资源、铁矿资源作出了重大贡献，为地矿系统的地勘单位走向地壳深部市场，发展地勘经济做出了典范。
5.12四川汶川地震后，党和政府高度重视迅速开展地震灾害预防研究工作，组织科学家对汶川地震中心区域进行汶川地震断裂带深部科学钻探研究，设计施工先导孔1200米，主孔3000米2个，2000米1个，通过深部钻探研究地层结构，地层应力变化，地温水质分析、地质情况、地震观测等，现已正在实施。
我们江西省是资源大省，我们江西地矿局为我省获得资源大省荣耀作出过重大贡献，我们912大队是综合地质大队，冷水坑银铅锌矿获得亚洲之最立下汗马功劳。我们将珍惜来之不易的找矿成果，我们将珍惜国家在长江中下游深部找矿的极好机遇，借国土资源部在全国开展地质找矿改革发展大讨论的东风，借着国内国外深部钻探技术的经验，迎接挑战，深入开展深部钻探技术的思考，研究探索，为深部地学、找矿等做准备。重点从深部钻探技术装备仪器，深部钻探施工队伍人才的培养，深部钻探技术工艺上，复杂地层综合治理上进行研究探索，追求成功，追求目标的实现。
五、我队深部钻探技术初步方案设想
贵溪市冷水镇地处长江中下游，冷水坑银铅锌矿田产生该地区，其矿产储量居亚洲铅锌矿储量之最，矿藏埋深大都在600m以上，按钻孔深度划分属浅中孔，中深孔段隐存一定的铅锌矿。
为了积极响应国家在长江中下游深部找矿的号召，在贵溪市冷水坑地区开展中、深部找矿具有极好的找矿条件，通过中、深部钻探施工，有可能获得更多更大的金属矿藏，如金、铜、铁等矿产资源。
1.科学深钻的施工程序
科学深钻施工是一项多学科，科研门类浩繁的系统工程，而且耗资大，因此钻孔布置分为两类，即先导孔或称指示孔，这类钻孔如能今年启动施工（如现在已安装在冷水小源矿区勘探孔上的钻机xy-5型，设计孔深1200m，待取得科研成果和经验后，再施工主孔，或称深孔1500-2500m。）这样必然为深部找矿争取主动。
2.先导孔的主要任务
⑴钻孔采取岩心、岩样、水样可进行20项测试分析，取祥地质资料和数据。
⑵连续进行多孔段地球物理化学测井，取全取准地球物理与地球化学数据。
⑶先导孔要测出其地温剖面图，终孔温度，研究地温变化对科学深钻选择取心钻具、液态与气态取样工具的结构性能。
⑷摸索各类钻头、钻具与测量仪在深钻中的应用情况。
⑸测试地层压力梯度，给漏水层、涌水层提供依据。还应为岩层造斜倾向和钻孔孔壁稳定性提出有参考价值的意见。
⑹测试地温不断升高的冲洗液性能变化。
⑺锻炼深钻施工队伍，为主孔（深钻）施工提供资料，打下基础。
3.深钻主要施工方案的确定
根据国内外深部钻探技术施工经验和深部钻探技术发展趋势，确定深部钻探技术方案为：
⑴选择适应深钻的地基基础，为深钻设备安装提供坚固的地基。
⑵选择适应2000米深度的xy-6钻机，BW-250或BW-320泥浆泵，动力为150千瓦的发电机组或柴油机，23m或18.5m的管子四角塔，钻杆选用Ф89mm国产绳索取芯钻杆，或者Ф75mm绳索取芯钻杆，钻机发展方向为动力头钻机、钻杆发展方向为轻质高强度的铝合金钻杆，数控电脑操作钻进工艺方法。
⑶钻具选用液动冲击锤绳索取芯钻具，钻具发展方向为液动冲击锤不提钻换钻头工艺。螺杆马达﹢液动锤﹢金刚石绳索取芯钻进。复杂地层取芯（破碎带取芯）配合半合管绳索取芯钻具以确保岩矿心采取率。
⑷选择适应高地温变化的绳索取芯金刚石钻头和特种金刚石钻头、扩孔器。
⑸选择适应高地温变化，稀释性好，性能稳定的泥浆用于冷却钻头，排屑岩粉，保护孔壁。对于松散不稳定地层采用细分散泥浆；对于泥页岩地层采用抑制冲洗液如聚合物无固相冲洗液或钾基冲洗液；对于压力地层采取压力平衡冲洗液和压力平衡钻进技术；对于破碎地层采用LBM防坍塌泥浆；对于水溶性地层采用盐水泥浆。
⑹套管材质选用强度高，抗拉，抗弯，抗压，抗裂，性能指标达到深部钻探要求的钢套管。
⑺测井仪器选用适应高地温变化，防腐防酸防化学破坏作用的测量仪器。
⑻努力造就一支年轻化专业化知识化的深部钻探技术，管理和生产骨干队伍。
⑼配用液动螺杆定向钻探技术防止深部孔斜或深部纠斜。
六、结束语
深部钻探技术初步方案按照深部地质找矿和西部地区地震灾害预防的需要，如能争取今明两年实施先导孔施工，用三年时间施工一个2000米，一个3000米深度的主孔取得经验和科研成果后逐步走向市场，实现深部钻探商品经济大发展，对于促进和壮大地勘经济发展，意义深远，对于我队在科学钻探事业进步乃至全局钻探事业的发展意义重大。因此，建议省局加大深部钻探投入，开展深部钻探科学技术研究，为深部地质找矿和社会服务做好准备。