大陆科学钻探概述

科学钻探是以地球科学研究为目的的钻探。它是通过在岩层中钻探岩心、岩屑和流体(气体和液体)，进行地球物理测井，在钻孔中放置仪器进行长期观测，获得地下岩层中的各种地学信息。陆地上的科学钻探称为大陆科学钻探。

国际地球科学界认为，只有通过钻探直接观察和研究地壳中活跃的物理、化学和生物功能、特征和过程，才能获得对地球科学的真实而精确的认识，验证远距离勘探的结论，提高勘探的可靠性。

根据1993年9月在德国召开的国际大陆科学钻探大会的协议，科学钻探深度的定义为:浅孔2000 ~ 4000 m(用深岩心钻机)，深孔4000 ~ 6000 m(用旋挖钻机)，超深孔6000 ~ 15000 m(用巨型钻机)。此外，湖泊钻探也是科学钻探的一部分，钻探深度一般为10 ~ 500m。

大陆科学钻探是当代地球科学中划时代的大型科学工程，是解决当代人类面临的人口、资源、环境问题的必由之路，是推动21世纪地球科学及相关学科发展的大科学。大陆科学钻探是从地质超深钻探发展而来的，其预期目标主要是研究深部地质问题。事实上，通过科学选址实施浅层钻探，还可以研究一些与人类生存密切相关的重大地球科学问题和课题，如气候、环境、地震、有毒废弃物的安全处置等。

1 ICDP(国际大陆科学钻探计划)介绍

1.1的成立背景

1992 165438+10月，经济合作与发展组织(OECD)举办的盛大科学论坛对大洋和大陆钻探的全面国际合作进行了评论。1993 8月31日至9月1日，在德国波茨坦举行的国际大陆科学钻探会议上提出了ICDP框架。9月2日，来自15国家的代表出席了KTB站点“国际大陆科学钻探大会管理者会议”，并决定成立ICDP筹备组，由德国地球科学研究中心的R.Emmermann教授负责起草ICDP的相关章程。1996年2月，《ICDP启蒙书》正式发行。

1.2 ICDP的任务

获得可靠的资金，进行有效的规划，实施对全局有重大意义的可行计划；

确定适合科学钻探的国际合作地点；

确保适当的现场前调查；

为钻井项目提供核心技术支持；

确保对计划进行适当的监控；

确保项目成果的有效传播。

1.3 ICDP的标准

国际性——地质科学、工程技术和资本的国际合作；

全球——开展具有全球意义的大课题；

必须钻孔——必须用钻孔来解决的问题；

社会需求——比如解决能源、矿产、地质灾害、气候、环境等问题；

钻探深度和成本——在满足科学目标的前提下，尽量降低钻探难度；

活动的过程——研究当前活动的地质现象。

1.4 ICDP与ODP的差异

ICDP——钻井地点在某国，先受益；研究世界级的科学问题；研究38亿年的地球历史；必须以“科学”为题。

ODP-钻井位置、条件、孔深和技术的多样化；在公海上钻井是一项全球计划；研究1.8亿年的地球历史；本身就是科学目的，没必要贴上“科学”的标签；主要设备是钻井船，技术比较成熟。

2大陆科学钻探的作用

研究地震和火山爆发的物理和化学过程以及减少其影响的最佳方法；

研究最近地球气候变化的模式和原因；

研究陨石撞击对气候和星团灭绝的影响；

研究深层生物圈的性质及其与地质过程的关系，如碳氢化合物和沉积物的形成和生物演变；

放射性和其他有毒废物的安全处置；

沉积盆地和油气的来源和演化；

矿床是如何在各种地质体中形成的；

研究地壳中板块构造、热力学、物质和流体迁移的基本物理过程；

如何更好地解释用于了解地壳结构和性质的地球物理数据？

3大陆科学钻探的现状

目前，美国、俄罗斯、德国、加拿大、日本、法国、英国、瑞典、新西兰、比利时、冰岛、澳大利亚、奥地利和瑞士都进行了科学钻探。全球计划完成近100个科学钻孔，其中深钻孔超过10个。代表性的科学钻探计划如下:

以下工作已经完成:

1960年，美国提出了国际上地幔计划(IUMP)。

1965深海钻探计划(DSDP)实施。

1970年，苏联开始SG-3大陆超深钻探施工。

1983，大洋钻探计划(ODP)启动。

1984年，美国成立了DOSECC，计划完成29个科学钻孔。

1987年德国开始KTB导孔施工，1989年完成，最终孔深4000.1m。

1990，KTB主孔开工，9月1994完工，最终孔深9101m。

0、20065438年ICDP计划批准的项目及其实施情况(见下表)。

地球科学进展

3.1前苏联

前苏联大陆科学钻探最早，钻孔最多。第二次世界大战后，实施了几十口基准井。1965建立了超深钻孔的实施步骤。根据深部地球物理资料，地质学家别利亚耶夫等人提出，为了获得完整的地壳剖面，至少要在6个区域钻科学超深孔。前苏联国家科委为这个庞大的计划成立了“地球地下资源和超深钻探部科学委员会”，有95个单位参加，由前地质部长E·A·科兹洛夫斯基担任主席。设计施工18超深孔，其中SG-1孔设计深度12000m，SG-2、SG-3孔深度15000m，其余15孔为导孔(卫星孔)，深度约6000m。SG-3超深井钻井于1970，设计15000m，0986年3月最终井深12262m，是目前世界上第一口深井。1988年，雅罗斯拉夫科学钻探国际会议上宣布，前苏联取得了40项重大科研成果。

3.2美国

自1961以来，实施了一系列海上科学钻探计划，如莫霍面计划、DSDP深海钻探计划、ODP大洋钻探计划等。，都取得了辉煌的成就。然而，海上钻井设备复杂且昂贵。1993年，他们提出了一个口号:“把船靠岸”，大力发展大陆科学钻探。

大陆科学钻探计划(美国/CSDP)；

已完成的钻探项目有:INYO井1 ~ 4号、Bayes火山口1号、Illinois井(VC1、VC2A、VC2B)、Salton湖、长谷、卡洪山口、上地壳项目。

计划实施的项目有30多个，其中阿巴拉契亚的深取心钻井、伊利诺伊盆地的超深钻井、得克萨斯州墨西哥湾海岸的超深钻井和夏威夷岛的深钻井项目(正在实施中)深度超过6km。

90年代，美国将主要实施5个项目，即卡特迈的诺瓦拉普塔、卡洪山口三期、贝伊斯的新破火山项目、纽瓦克盆地钻探和基础钻探项目。

1974年，美国在俄克拉荷马州钻探了大陆科学钻探孔罗杰斯1 (Betha Rogers N0.1)，深度9583m。1985年，在国家科学基金会的领导下，制定了“大陆科学钻探计划”(CSDP)，选定了29个孔，相继取得重大成果:①1985，在索尔顿S2-14 #孔开展了以高温地热水研究为核心的科学钻探计划(SSSDP)，1988。②在1986期间，沿圣安德列亚斯断层相继打了10个平均深度为5000米的科学钻孔，以监测和研究加利福尼亚地震的发生机制。Cajon通孔施工的第一个孔进行了岩心磁定向(占65，438+00%)、热导率、热辐射、应力场、波速等测试。，并发现断裂带摩擦应力近100 MPa，导致局部热导率异常1 hfu(= 40mw/m2)，美国地质调查局测定。(3)美国洛斯阿拉莫斯国家实验室(Los Alamos National Laboratory)花了10年在芬顿山(Fenton Hill)钻了两个科学钻孔，水平距离30m，勘探开发直接发电的“干热岩”，深度分别达到3200m和4500m，直达火山岩。水力压裂将两个钻孔连接起来，形成一个“热室”，钻孔底部温度达到300℃，一个钻孔注入冷水，另一个钻孔排放200℃。(4)在圣安德烈亚斯建造的科学钻孔2000米处的结晶基岩中发现了嗜冷菌，这为研究地表下的生物活动提供了依据。它的分布、总量，它与油气生成的关系，它与地表生物活动的关系，甚至它与生物起源的关系，地下生物圈的边界等。，都留给科学钻探去探索和解决。

3.3瑞典和西欧国家

在前苏联通过科学钻探在地下深处发现碳氢化合物和其他流体的鼓舞下，瑞典和欧共体以及其他缺乏石油的国家成立了OECD(欧洲经济合作与发展组织),将科学钻探列为巨型科学。起初，瑞典在西里扬陨石坑建造了Gravberg 1孔，深度为6350m，获得了85桶油气样品(约18.5 t)。经检测，其成分与普通油气无异，含有极细的磁铁矿粉，举世瞩目。科学家们断定油气来自上地幔的裂缝，属于非生物来源，随后布置了另一个名为斯坦伯格1号的科学钻探孔。

3.4德国

KTB至1993年9月2日，钻孔深度为8312.5米(当孔深为8008.6米时，地温为215℃)。KTB目前取得的主要科学成果有:①确认了深部的温度变化和热量传递，查明了深达6公里的地壳热结构；②深部地球物理勘探资料(反射地震、地电、重磁异常等。)进行校正，查明地球物理结构的性质和非均质性；(3)地壳中流体的来源、成分和运动规律的发现，对探索新能源和探讨矿床成因具有重要意义；④深达6km的应力分布数据，是目前世界上最深的，对预测地震、火山等灾害具有重要意义；⑤发现莫霍面以下仍然存在地球磁场，这是理论上的重大突破。

KTB还在实践中发展了一系列新技术、新工艺，其中最重要的是:①巨型钻机已经开发使用，钻井设备自动化取得重大进展。KTB钻井设备主要技术指标:钻机高度83m，设备总重2500t，10000m钻杆重量400t，最大钩载800t，总功率9500kW，泥浆泵流量1000 ~ 4000 L/min，工作泵压350bar，泥浆罐总容积450m3。②开发并使用了一套垂直钻井系统(VDS)。采用该技术，钻孔深度达到7000米时，钻孔顶角不超过2°，钻孔水平位移不超过20m。由于导向孔未采用VDS系统，当钻孔深度为4000米时，水平位移达到180米；(3)在施工组织管理、信息获取、利用、发布和工地试验室方面积累了宝贵的经验。

4.大陆科学钻探面临的技术挑战

需要深孔重设备，钻孔结构复杂，管材强度有限，钻孔弯曲严重，回转阻力增大，辅助时间长；

结晶岩——钻井效率低、钻头寿命短、井眼弯曲严重、纠斜困难等。

高温高压-泥浆性能变差，钻杆强度下降，井壁稳定性差，测井仪器性能下降等。高信息量——高取芯心率和取芯质量、录井系统、流体样品采集、深场实验室等。

5中国大陆科学钻探(CCSD)简介

5.1历史回顾

1988中建议为中国大陆制定科学的钻井计划。

1991，原地矿部开始组织“中国大陆科学钻探先导研究和选址研究”。

1992地质科学钻探工程被列入《国家中长期科技发展规划纲要》。

1995 165438+10月，国务院领导批准中国加入国际大陆科学钻探计划(ICDP)。

1996年2月中国正式成为ICDP的三大赞助国之一。

1996年8月，原地矿部与德国地球科学中心签署大别-苏鲁科学钻探合作协议。

1997年6月，国家科技领导小组批准“中国大陆科学钻探工程”为“九五”国家重大科学工程之一。

1997年8月，由ICDP主办的“大别-苏鲁超高压变质带大陆科学钻探选址国际研讨会”召开，中外专家一致同意在苏北东海县实施5000米科学深部钻探。

1998年4月，ICDP审议通过“中国大别-苏鲁超高压变质带大陆科学钻探”项目正式立项，并给予654.38+50万美元的经济支持。

从1998到65438+2月到1999，在江苏东海县茅北镇完成了1000m深度的导孔施工，目的是为CCSD的施工设计和主孔施工提供必要的资料，积累施工经验。

1999年9月底，经过近10年的努力，在中华人民共和国成立50周年纪念日前夕，国家计委正式批复同意在中国大陆建立科学钻探工程，标志着该工程正式实施。

2000年3月28日至29日，由国家计委中国咨询公司组织的十余名专家在北京对中国大陆科学钻探工程(工程部分)可行性研究报告进行了专家论证，会上十余名专家一致同意通过该报告。自此，中国大陆科学钻探工程正式进入设计建造阶段。

2001年6月25日，中国大陆科学钻探工程先导孔终于在江苏省东海县开始试钻。

2001年8月2日，国家计委批准中国大陆科学钻探工程初步设计并开工。

2001年8月4日，中国大陆科学钻探工程奠基仪式在江苏东海钻探现场举行，全国政协副主席万国权出席，各新闻单位争相报道。

2002年4月15日，井深2046.5米，完钻取心，完钻导向孔。

2002年5月7日，开始主孔扩孔钻。

2002年8月27日零时45分，扩孔深度2028米，扩孔完成。

2002年6月10日，主孔取芯钻探开始。

2005年3月8日，钻探顺利完成，最终孔深5158m

2005年4月18日，竣工仪式在中国大陆科学钻探施工现场举行。国务院副总理曾出席仪式并发表重要讲话。

2006年3月6日，中国国际大陆科学钻探委员会(ICDP-中国)在京成立。主任为，副主任为、安志胜、黄。刘东生院士、孙枢院士、刘光鼎院士、李廷栋院士、刘广智院士等。被聘为委员会咨询小组的专家。

5.2施工的基本要求和条件

设计井深:5000米。

最终孔直径:英寸(157毫米)

取心要求:从全井连续取心。

地层条件:坚硬的结晶岩，如片麻岩、榴辉岩、角闪石等。

温度梯度:2.5℃/100米

5.3的目的

通过最短的钻井距离，获得最深部的垂向连续变化信息，建立真实的深部物质成分、结构、流变学、地球化学、岩石物理、流体、地热、地应力和现代微生物剖面，并对地球物理遥测结果进行校正，从而建立深部结晶岩区的全球地球物理尺度。

揭示超高压变质带形成和折返机制的奥秘，研究会聚型大陆地壳边缘的动力学，为大陆动力学理论的建立奠定基础。

研究了超高压变质带中金刚石和金红石(国防和航天材料)的地质背景和成矿机理，开辟了新的找矿方向。

发现地幔深部的新矿物和新物质，探索超高压物理条件下的矿物化学和结构行为。

研究现代地壳流体的富集、分布和运移，探索其深部来源，揭示深水圈的活动和水岩相互作用对成岩成矿的影响；

本文通过对生活在地下深处的现代微生物的研究，揭示了极端条件(高温高压)下地下生物圈的生物钟时限、微生物的孵化条件及其对成岩、矿化和生油的影响。

在钻孔中放置各种探测仪器，监测地震活动，研究地震机理，揭示地球深部现代地壳活动和各种物理、化学、生物效应。同时，钻孔可以作为一个长期的、动态的、高温高压的成岩成矿实验室和矿物合成腔体，完成许多在地表条件下无法进行的重要科学实验。

推动我国钻井工程技术及相关领域的发展。推动我国钻探技术的发展，其技术成果将使许多钻探应用领域迅速赶上世界先进水平，促进工程科学、实验测试、机械技术和超硬材料的发展和进步。大陆科学深部钻探系统将发展和完善深部地球物理遥测的方法和技术，成为检验深部地球物理正反演理论的实验场。

培养数百名跨世纪地学研究和管理专家，满足21世纪我国开展常规科学钻探工程及相关科学研究的人才需求，促进地学与物理、化学、生物、工程、经济、管理科学的结合和交叉，为发展新学科提供机遇。

5.4 CCSD的八个科学目标

(1)揭示了超高压变质岩的形成和折返机制。

(2)重建大陆板块会聚边界的深部物质组成和结构。

(3)建立结晶岩区地球物理模型和解释尺度。

(4)研究板块会聚边缘的地球动力学和壳幔相互作用。

(5)揭示超高压变质成矿机制，发现新矿物和新物质。

(6)探索现代地壳的流体-岩石相互作用及成矿机制。

(7)研究现代地壳中微生物的类型及其孵化条件。

(8)为资源开发和探索地震发生机制提供科学依据。

5.5项目选址和钻探子项目

选址原则:瞄准具有重大关键地质意义的区域；服务于人类社会面临的资源、环境、灾害三大问题；高度的地质和地球物理研究；地层尽量平坦，不受花岗岩干扰，能穿越尽可能多的层位；技术上可行(特别是地热梯度要低)；交通便利，地势相对平坦，通讯方便。

1997年8月，大别-苏鲁超高压变质带大陆科学钻探选址国际研讨会在中国青岛召开。中外专家一致同意在苏北东海县茅北镇进行5000米科学深钻。该钻孔位于具有全球地学意义的大别苏鲁超高压变质带，最短距离钻探可获得最深的地学信息。东海县及附近地区经济发达，交通通讯便利，水电供应充足，是内地打井的理想之地。

5.5.1钻井施工技术问题

硬地层钻(扩)眼效率、深孔硬岩大直径全孔取心技术、大倾角硬地层防斜纠斜技术、深孔小间隙井段水力设计和钻井液技术、不可预测的复杂情况等。

技术目标

配套硬岩深孔(5000米)、大直径(最终孔径不小于156毫米)金刚石绳索取心钻井技术体系；使我国独有的液压锤钻井技术更加完善，进一步巩固我国在液压锤技术领域的领先地位；研发以绳索取心为基础的新型复合取心钻井系统，如井下马达/绳索取心二合一钻具、液压锤/绳索取心二合一钻具及其相应的钻井技术，其成果将占据世界领先地位；带动我国钻井仪器和钻井材料制造技术和应用技术的进一步发展，使其赶上世界先进水平。

5.5.3双孔钻探方案:导向孔+主孔。

钻完导向孔后，主孔上部用大直径液压锤全钻，有利于防止井斜；导孔小直径取芯取代了主孔上部大直径取芯，节约了施工成本；获取准确设计主孔钻探技术方案所需的地下地层信息；主孔中使用的钻具和材料可在导向孔中进行测试。

5.5.4复合钻井技术:石油旋挖钻机+地质岩心钻井技术。

以金刚石绳索取心钻井技术为主体；使用金刚石取心钻头，转速高；孔壁间隙小，泵压高，排量小；采用低固含量洗涤液；对WOB控制有很高的要求。

5.5.5导向孔钻探技术

螺杆马达+金刚石双管取心钻井，螺杆马达+液压锤+金刚石双管取心钻井，转盘+金刚石双管取心钻井，螺杆马达+金刚石单管取心钻井。其中螺杆马达+液压锤+金刚石取心钻进技术尤为突出，为世界首创，效果显著，可显著提高机械钻速，延长取心进尺长度。

5.5.6主要钻孔技术

原设计计划采用金刚石绳索取心钻进，并增加了液压动力头装置。由于绳索取心钻杆加工质量问题和动力头输出扭矩不足，绳索取心钻井技术被放弃。主孔基本以螺杆马达+液压锤+金刚石取心钻进技术为主。

钻机-ZJ70D

宝鸡石油机械厂生产的新一代电动钻机。钻孔深度在5000 ~ 7000米之间；；最大钩载:4500kN；最大钻柱重量为220吨；绞车最大输入功率为1470 kw；；吊钩提升速度为0 ~ 1.6m/s；绞车齿数为2+2R，无级变速；绞车齿数为4+4R，无级变速；钻台高度为9m；钻机高度为45米。

5.5.8钻具、钻头和冲洗液(略)

5.6地球科学成就

完成了一系列5158m的金矿柱，包括岩性剖面、地球化学剖面、构造剖面、岩石伽马异常剖面、矿化剖面、岩石物理剖面和流体剖面。

在国内首次完成了长井段岩心深度和方位测井归位。

首次完成结晶岩区三维地震勘探，揭示了地壳精细结构。

中国大陆科学钻探主孔5000米的岩性剖面揭示了50多种丰富多彩的岩石类型。在原金红石矿体下发现一个新的400米厚的工业级金红石矿体。

证实2亿年前苏鲁地区曾发生过巨量物质超深俯冲的壮观地质事件。证实了苏鲁地体在晚三叠世经历了超高压变质作用后快速隆升的动力学演化过程。

发现UHP榴辉岩的主要矿物中含有以OH形式存在的结构水。

氧同位素研究表明，超高压变质岩的原岩与近地表大气降水进行了交换，花岗岩的侵入为其提供了热源，为新元古代全球雪球事件提供了重要证据。

建立了苏鲁高压-变质超高压构造格架，确定了岩石-构造单元和构造边界的大型韧性剪切带体系。

它涉及几何学、运动学和动力学。

揭示了锐钛矿、板钛矿、榍石和金红石在含金红石榴辉岩中的赋存状态及其可能的相互转化关系。

在极端生存条件下发现地下微生物。

5.7钻井技术成果

完成了一个最终孔径为156mm、最终孔深为5158mm的连续取心科学钻孔。

研究开发了具有自主知识产权的井下马达驱动的冲击旋转取心钻井方法及其钻井系统。

形成国内完整独特的硬岩深孔(5000米以上)钻探施工技术体系。包括:大直径(最终井径不小于156mm)取心钻井技术、硬岩扩孔钻井技术、强倾斜地层防斜纠斜技术、新型硬岩钻井液体系、硬岩小间隙套管固井技术、活动套管技术等。提高了我国独具特色的液压锤钻井技术，进一步巩固了我国在液压锤技术领域的领先地位。

研究开发了以绳索取心为基础的多种新型组合取心钻井系统，如:井底马达(螺杆马达或涡轮马达)+绳索取心二合一钻具、液压锤+绳索取心二合一钻具、螺杆马达+液压锤+绳索取心三合一钻具及其相应的钻井技术，成果居世界领先地位。极大地推动了我国钻具和钻井材料制造技术的进一步发展。

墨西哥希克苏鲁伯大陆科学钻探(CSDP)简介

其科学目标是研究陨石撞击事件和生物集群的灭绝。钻孔位于墨西哥Chicxulub火山口，距离撞击中心约60 ~ 80 km，设计孔深2500~3000m m，计划实施工期1998 ~ 2005年，已完成多次浅钻，但实际实施时间有所延迟。2000年，开始钻700米深的导向孔。ICDP将资助65438万美元。

约6500万年前，一颗直径约10 ~ 15 km的小行星或彗星撞击当时的浅海区域(即今天的尤卡坦地台)，突然爆炸释放的能量约为100万吨TNT当量，形成一个直径200km的巨大陨石坑。火灾一触即发，沙尘遮天蔽日，全球气候持续变冷；并喷出大量的CO2和SO2气体，造成大量陆地和海洋生物的窒息和死亡。正是在这个地质时代，恐龙突然灭绝了。因此，科学家推测这种撞击可能是恐龙灭绝的直接原因。在白垩纪-第三纪界线期间，撞击在空气中抛出的尘埃、灰烬和小球体形成的分散物质遍布全球。

CSDP有望解决的基本问题包括:陨石撞击事件的基本性质、撞击变形的基本性质、陨石坑形成的基本性质和弹射过程的基本性质。

7湖泊钻探

全球变化研究是ICDP的科学目标之一。目前，全世界的科学家都非常重视它。地球气候和环境的演变记录在海洋、湖泊、冰川、黄土、珊瑚、钟乳石和树木年轮等沉积物中。如果通过一些浅层科学钻探采集这些原状沉积物样品，并利用现代测试分析仪器进行各种研究，就可以客观地建立全球变化模型。世界上有很多开展全球变化研究的机构，非常活跃，也有很多浅层科学钻探项目。例如，国际地圈/生物圈项目(IGBP)、南北半球宫(Panash)、从欧洲到非洲的极地-赤道-极地横断面(PEP)、环北极古环境方案(CAPE)、国际海洋全球变化研究(images)、国际大陆钻探项目(ICDP)、欧亚北部第四纪环境(Queen)、新格陵兰冰芯项目(Ngrip)等。除ODP(IODP)和其他海上钻井外，湖泊钻井占主导地位。

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Http://www.icdp-online.de/或http://icdp.gfz-potsdam.de(国际大陆科学钻探计划网站)。