摘要:中國大陸科學鉆探工程項目的實施既是對我國現有鉆探技術的一個挑戰,同時,更是一個全面提高我國整體鉆探技術水平的、千載難逢的大好機遇。論述了中國大陸科學鉆探工程項目的實施對推動我國鉆探技術如組合式鉆探技術、取心鉆進技術、液動錘鉆進技術、金剛石鉆頭應用水平等的發展的作用。

 

  關鍵詞:中國大陸科學鉆探工程;鉆探技術;取心鉆進;液動錘鉆進;金剛石鉆頭

 

  1概述

 

  中國大陸科學鉆探工程是一項重大科學工程,是機遇,也是挑戰。 中國大陸科學鉆探工程是在現代深部鉆探技術和地球物理遙測技術等構成的綜合反饋系統基礎上,在大別-蘇魯超高壓變質結晶巖地區實施井深5000m的中國第一口科學深鉆井,獲取完整的巖心及液、氣態樣品,取得原位測井數據,校正地球物理對深部組成與結構的遙測,研究作為建立新地球動力觀窗口的大陸會聚板塊邊緣的深部組成、行為、殼幔作用及其動力學,并為資源、能源及地震發生機制提供新的科學依據,推動我國地球科學在21世紀更好地服務于國家經濟和社會發展,并在一些重要領域躍居世界前列。這個重大科學工程完工后,將建成亞洲第一個現代深部地質作用長期觀測與實驗基地。

 

  中國第一口大陸科學深鉆井在獲取地球深部信息方面,將超過世界上同等深度的任何一口科學鉆井,并將極大地促進我國地球探測技術發展。工程的實施將揭示超高壓變質巖形成和折返的奧秘,其科研成果將對地球科學發展起關鍵作用,其技術成果將使眾多的鉆探應用領域迅速趕上世界先進水平,帶動鉆探、實驗測試、機械工藝及超硬材料等技術的開發與發展。

 

  通過工程實施可培養造就一批跨世紀的地學研究與管理人才,促進地球科學與物理學、化學、生物 學、工程學、經濟學和管理科學的聯合與交叉,為發展新學科生長點提供機遇,從而為我國經濟和社會發展帶來巨大效益。 中國大陸科學鉆探工程將要獲得新的地學基礎理論和鉆探技術知識,將為建立地球科學知識創新 系統、技術創新系統、知識傳播系統和知識應用系統做出重大貢獻。 鉆探子工程是該項目的核心與關鍵,是其它工程及研究項目賴以進行的基礎和前提,能否順利完成5000m科學鉆孔的施工,將直接影響中國大陸科學鉆探工程項目的進度及眾多科學目標的實現。

 

  中國大陸科學鉆探工程的科學目標

 

  (1)揭示超高壓變質巖的形成與折返機理;

 

  (2)再造大陸板塊匯聚邊界的深部物質組成與結構;

 

  (3)建立結晶巖地區地球物理理論模型和解釋標尺;

 

  (4)研究板塊匯聚邊緣的地球動力學過程和殼-幔相互作用;

 

  (5)揭示超高壓變質成礦機理,發現來自地幔深處的新礦物和新物質;

 

  (6)探索現代地殼流體-巖石相互作用與成礦機理;

 

  (7)研究地殼中微生物類型和潛育條件;

 

  (8)為資源的開發及地震發生機制的探索提供新的科學依據。

 

  中國大陸科學鉆探工程的技術目標

 

  (1)形成一套完整的硬巖深孔(5000m)大直徑(終孔直徑152mm)金剛石繩索取心鉆進技術體系。

 

  (2)使具有中國特色的液動錘鉆進技術更加完善,進一步提高我國液動錘技術應用效果,擴大包括孔深與孔徑在內的應用領域。

 

  (3)研究與開發新型的以繩索取心為基礎的組合式取心鉆進系統,如孔底馬達/繩索取心二合一鉆具、液動錘/繩索取心二合一鉆具及其相應的鉆進工藝,其成果將居國際領先地位。

 

  (4)帶動我國鉆探器具和鉆探材料生產制造技術與使用技術的進一步發展,使其趕超世界先進水平。

 

  (5)建立一個地球物理測井新儀器、新方法、新技術的試驗基地,推動我國測井技術的發展和應用。

 

  很顯然,中國大陸科學鉆探工程項目的實施既是對我國現有鉆探技術的一個挑戰,同時,更是一個全面提高我國整體鉆探技術水平的、千載難逢的大好機遇。

 

  項目的實施有助于打破我國鉆井行業內部門間的門戶之見,發展組合式鉆探技術 經過幾代鉆探工作者的努力,我國鉆探技術整體上已達國際先進水平。特別是由于我國地大物博、地質現象豐富,幾乎在世界各地所能遇到的不同地質條件下的鉆探技術難題在我國不同地區、不同礦區都有所存在,并通過采取不同技術措施而得到解決,積累了豐富的寶貴經驗。但在高硬度、強研磨性的結晶巖中施工5000m深度的連續取心科學鉆孔還是首次。大陸科學鉆探既不同于常規地質礦產鉆探,又與常規油氣鉆探有較大區別,這無疑是對我國鉆探技術的一大挑戰。

 

  雖然我國在結晶巖中進行過相當多的地質礦產勘探鉆進,但由于我國采礦現實技術水平的限制,勘探鉆進深度一般在2000m以內,且多采用小口徑鉆探技術,即鉆孔口徑通常為59~76mm,而這樣的鉆孔口徑是無法滿足科學鉆探要求的,特別是無法滿足多種測井儀器對孔徑的要求。5000m孔深對于常規油氣勘探鉆進來說雖然是常規深度,但通常油氣鉆進是在各種沉積巖中進行且多為非取心鉆進。在結晶巖中連續取心鉆進5000m孔深,顯然對常規油氣鉆進技術來說也是新課題。

 

  然而,由于長期以來我國鉆井行業內各部門間 缺乏必要的溝通與交流,一些先進的鉆進技術雖在各部門的工作領域被證明為行之有效且取得了顯著的經濟效益與社會效益,但不能在更廣闊的應用領域中發揮效益,甚至由于存在不同程度的門戶之見,還導致不同部門間的技術封鎖或抵制。而本項目的實施,由于其施工的特殊性,給我國鉆井行業提供了一個打破門戶之見、充分交流、彼此借鑒、共同提高的大舞臺,因此,將現有各種鉆探技術的優點通過技術改造而融合成一全新的鉆探技術體系 組合式 鉆探技術,不僅有利于順利完成本項目的鉆探工程施工,更有利于將在項目實施過程中得到不斷提高與完善的全新鉆探技術體系應用于我國整個鉆井行業,使其發揮出巨大的經濟效益與社會效益。

 

  項目的實施有助于進一步提高與完善取心鉆進技術

 

  繩索取心技術在地質勘探鉆進領域早已是成熟技術并在世界范圍內得到了廣泛應用,但在石油鉆井行業中,由于取心鉆進比率低、孔深大而很少采用該項技術。然而一些石油鉆井單位應用繩索取心鉆探技術所取得的成功經驗表明,將繩索取心鉆探技術應用于石油鉆井行業,不僅是可行的,而且其經濟效益將由于采用該項技術后鉆探效率和取心質量的提高而更為巨大,特別是隨著我國石油天然氣資源勘探開發區域的不斷擴大,勘探開發難度亦越來越大,現石油系統長期以來沿用的取心方法雖經過不斷提高與完善,但從取心技術本身來講,并沒有根本的突破性創新與進展。可以預見,在今后的油氣資源以及煤層氣勘探開發中,取心鉆進比例將越來越大,地質條件也不可避免地會越來越復雜,使得如何高效率、高質量地獲取地層深部巖心成為亟待解決的重大課題。而天然氣水合物的勘探開發利用,對取得高質量地下實物資料提出了更高要求。

 

  面臨的新問題

 

  然而,僅僅憑借傳統的繩索取心鉆探技術是無法全面滿足未來各種礦產資源勘探開發要求的。就本項目而言,可以肯定的是,盡管本項目也是取心鉆進,但由于工作條件的巨大差異,在堅硬的純結晶巖地層完成孔徑156mm、深度達5000m的連續取心鉆孔,在世界上還是第一次(德國KTB先導孔孔徑152mm,終孔孔深40001m),必將面臨一系列前所未有的新問題,如:

 

  (1)深孔小環隙鉆井水力學研究;

 

  (2)深孔高溫高壓條件下結晶巖鉆孔穩定性研究;

 

  (3)深孔高溫高壓條件下的巖石力學和巖石破碎機理研究;

 

  (4)防斜糾斜技術方法研究;

 

  (5)孔底工程、地質信息實時檢測、處理、傳送與反饋控制問題研究等;

 

  (6)高強度、高質量繩索取心鉆桿、鉆具的設計、加工和制造等;

 

  (7)高效率、長壽命金剛石鉆頭的研發(超硬材料、制造工藝)等。

 

  預研項目重點

 

  在聽取了本行業權威專家的意見并經反復論證之后,中國大陸科學鉆探工程中心為確保本項目高質量取心鉆進得以順利完成,并進一步發展與完善以繩索取心為基礎的取心方法,在開展的預研項目中重點考慮了取心鉆具,如:

 

  (1)大直徑繩索取心系統;

 

  (2)繩索取心式液動錘鉆進系統;

 

  (3)繩索打撈式螺桿馬達取心鉆進系統;

 

  (4)繩索打撈式渦輪馬達取心鉆進系統等。這些項目立項的出發點是將繩索取心技術與其它先進的取心、鉆進和孔底驅動方法有機結合,形成以繩索取心為基礎的組合式取心鉆進技術,在為本項目實施提供經濟、有效的取心技術手段之外,更希望以中國大陸科學鉆探工程項目的實施為契機,使我國的取心鉆進技術水平有一個長足的進步。

 

  項目的實施有助于推動我國液動錘鉆進技術的推廣應用

 

  液動錘鉆進是獨具我國特色的一種優質、高效的鉆進方法,目前該技術已得到了國際鉆探界的高度重視,包括美國、德國、澳大利亞等工業發達國家均從我國引進了該項技術,并希望將其應用于大洋鉆探(ODP)、大陸科學鉆探和石油鉆井。實踐結果表明:液動錘鉆進在中硬~堅硬巖層中的技術經濟指標均優于常規回轉鉆進,且有利于防止孔斜及減輕巖心卡堵。

 

  需做的研發工作

 

  由于行業內部門間缺乏必要的交流與溝通,有時甚至是部門間技術封鎖或相互排斥,液動錘沖擊回轉鉆進技術在油氣勘探與開發鉆進中尚未得到廣泛應用。近年來,隨著油氣井鉆進條件越來越復雜,如地層堅硬導致機械鉆速極低,高陡構造使得井斜

 

  控制非常困難等,所有這些都直接導致效率低、材耗 大、事故頻繁,而液動錘沖擊回轉鉆進技術的特點恰恰最有利于解決這些難題。當然,要把這一技術成熟地應用于油氣鉆進領域,還有大量研發工作要做, 如:

 

  (1)液動錘在大密度、高粘度條件下的工作性能及工作壽命;

 

  (2)液動錘在深孔高背壓條件下的工作性能;

 

  (3)高溫高壓條件下液動錘運動機構的設計;

 

  (4)沖擊功與牙輪鉆頭之間的合理匹配關系;

 

  (5)適合液動錘沖擊載荷條件下工作的牙輪鉆頭的研發等。

 

  眾所周知,地質礦產勘探鉆進與油氣勘探鉆進相比,不僅鉆孔直徑小,孔深也淺,且使用無固相或低固相沖洗液,有關研發單位早就想把液動錘技術應用于油氣勘探鉆井領域,但由于缺乏必要的試驗條件(如大排量泥漿泵、大直徑深孔實鉆等)而只能停留在技術方案階段或初步試驗階段,然而只有在上述一系列問題均得到有效解決后才能真正把該項技術推向石油鉆井行業。

 

  液動錘鉆進試驗

 

  1999年6~7月,中國大陸科學鉆探工程中心曾在江蘇東海縣毛北組織進行了液動錘鉆進試驗。試驗鉆孔距中國大陸科學鉆探工程預先導孔- 約20m,設計孔深100m,液動錘鉆進孔段的鉆孔直徑分別為158mm(上部固定式鉆頭鉆進段)和152mm(下部牙輪鉆頭鉆進段)。鉆進時不取巖心。

 

  試驗目標

 

  此次試驗是為中國大陸科學鉆探工程項目的正式實施做準備。試驗欲達到的具體目標如下:

 

  (1)評價在硬巖中進行液動錘全面鉆進的有效性;

 

  (2)采用不同鉆頭對液動錘鉆進效果的影響;

 

  (3)不同的液動錘使用效果對比;

 

  (4)液動錘鉆進減輕孔斜的效果;

 

  (5)現有液動錘系統用于硬巖全面鉆進存在的主要問題。

 

  試驗所得結論

 

  試驗中采用了我國液動錘研究成果最顯著的2家單位(吉林大學建設工程學院和中國地質科學院勘探技術研究所)的液動錘。試驗鉆孔由江蘇地質六隊施工。 通過此次試驗,得出以下結論:

 

  (1)液動錘鉆進是在硬巖中進行大直徑全面鉆進的有效方法。該孔的試驗結果表明:在較軟的片麻巖中,液動錘鉆進的鉆速達到了5m/h;在堅硬的片麻巖中,液動錘鉆進的鉆速接近于3m/h,遠遠高于在同一鉆孔中和相距20m的預先導孔- 的相同孔段采取任何其它鉆進方法獲得的鉆速。

 

  (2)牙輪鉆頭配合采用液動錘在硬巖中進行大直徑全面鉆進可取得良好效果。 在鉆進的第二階段,由于巖石突然變硬,采用固定式鉆頭鉆進時液動錘提供的沖擊能量不足以在巖石中產生體積破碎,碎巖形式是疲勞破碎,鉆進效率和鉆頭壽命都很低。在第三階段,換用牙輪鉆頭后,鉆進速度明顯改善(從083m/h提高到294m/h),鉆頭硬質合金齒磨損輕微,屬于正常范圍。對于液動錘與牙輪鉆頭配合使用,人們普遍擔心的是,牙輪鉆頭能否承受高能量的沖擊作用,使這一鉆進系統在高效工作的同時,還具有較長的壽命。最主要的擔心是鉆頭的軸承,對于小直徑鉆頭尤其如此,因為小鉆頭的軸承更小、更弱。試驗結果表明,牙輪鉆頭能夠承受高能量的沖擊作用。

 

  (3)試驗中采用的2種液動錘皆適用于淺孔和硬巖條件下進行的大直徑全面鉆進。 此次試驗采用了2種液動錘,即吉林大學的SC-127型射流式雙作用液動錘和勘探技術研究所的YZX-127型閥式雙作用液動錘。總的來說,2種液動錘皆能在試驗條件(淺孔、硬巖、大直徑鉆孔、全面鉆進)下進行有效鉆進。

 

  本項目的實施,為多年來得不到深孔試驗條件的液動錘研發單位提供了一個千載難逢的試驗機遇,為液動錘在油氣鉆探領域的應用提供了一個向國內外充分展示其優越性的舞臺。中國大陸科學鉆探工程中心亦在預研項目中重點支持了2家單位不同類型的液動錘應用于本項目的研究課題,并計劃在2000m先導孔中采用繩索取心液動錘,在5000m主孔上部311mm(12in)孔段全面鉆進中采用大直徑液動錘,下部156mm孔段鉆進采用繩索取心液動錘。

 

  項目的實施有助于推動我國金剛石鉆頭應用水平的提高

 

  曾經較普遍地認為,我國金剛石鉆頭研制與應用已達國際先進水平。但實際上,無論是在人造金剛石質量、胎體材料、加工精度、加工質量等以及實 際應用水平等方面,與國外先進水平相比都還存在一定的差距。只不過由于國內金剛石制品與國外相同產品在價格上相差懸殊,故在固體礦產勘探鉆進領域,使用國內金剛石鉆頭(擴孔器)與使用同規格國外產品相比,綜合性能價格比顯然是國內產品占優,但就產品質量本身來說,尚不能說國內金剛石鉆頭(擴孔器)已經達到國際先進水平。 本項目的實施,既有從國外引進的、代表了國際先進水平的金剛石鉆頭,也有國內諸多生產廠家專為本項目加工制作的、充分反映了我國金剛石鉆頭(擴孔器)實際制造水平的各類產品,所有的產品均在同一個機臺、同樣的操作人員、同樣的鉆進參數、同樣的鉆孔、同樣的地層中使用,這本身就是名副其實的擂臺賽,是以最相近的施工條件來比較和檢驗我國金剛石鉆頭(擴孔器)實際水平的最佳場所。 參與本項目金剛石鉆頭(擴孔器)競賽(競標)的既有生產單位,也有大專院校、科研院所;既有國有企業,也有合資公司、民營企業;既有油田系統單位,也有地勘部門單位;既有熱壓鉆頭,也有電鍍鉆頭。八仙過海,各顯神通的共同目標只有一個,那就是:為中國大陸科學鉆探提供當代先進水平的鉆頭,保證工程順利完成,并力爭名列前茅。 我國金剛石鉆頭(擴孔器)的真正技術水平將毫無疑問地由于各個參與單位在超硬材料、金剛石處理、胎體配方、保徑措施、唇面形狀、水口結構、制作工藝等方面采取科技攻關措施而充分展現出來,并一定能夠獲得長足的進步。

 

  結論

 

  (1)中國大陸科學鉆探工程項目的實施既是對我國現有鉆探技術的一個挑戰,同時,更是一個全面提高我國整體鉆探技術水平的、千載難逢的大好機遇;

 

  (2)項目的實施有助于打破我國鉆井行業內部門間的門戶之見,發展組合式鉆探技術;

 

  (3)項目的實施有助于進一步提高與完善取心鉆進技術;

 

  (4)項目的實施有助于推動我國液動錘鉆進技術的推廣應用;

 

  (5)項目的實施有助于推動我國金剛石鉆頭應用水平的提高。