13000米科学超深井钻探技术

汇报提纲
三、13000米科学超深井钻探技术方案 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 13000m科学超深井钻孔结构和套管程序 取心钻进的钻进方法 全面钻进的钻进方法 扩孔钻进的钻进方法 井下动力钻具 复合钻柱的设计 钻机方案 钻井液方案 钻井轨迹控制方案
3.1
夏威夷科学钻探
项目、瓦莱斯破火山口科学钻探项目、上
地壳项目等。
夏威夷科学钻探(设计孔深4500米)
9
一、国内外科学钻探实践综述
德国实施了举世闻名的“联邦德 国大陆深钻计划（ KTB ）”，该计划 由德国联邦研究与技术部提供总计 5
亿马克的资助。在华力西缝合带的结
晶地块中先后钻了一个井深 4000.1m
一、国内外科学钻探实践综述
设计深度 6400m 的 “松科二 井 ” 于 2014 年 4 月 13 日 开 钻 ， 目前井深 2826米。
松科1井（北孔）
松科2井（东孔）
松科2井（西孔）
松科1井（南孔）
一、国内外科学钻探实践综述
松科2井拟达到的科学目标：
获取松辽盆地中深部地层沉积记录，填补完整的、连 续的白垩纪陆相沉积记录世界空白；
KTB先导孔井场
的先导孔和一个井深9101m 的主孔。
目的是研究地壳较深部位的物理、化
学状态和过程，了解内陆地壳的结构、
成分、动力学及其演变。
KTB主孔井场
一、国内外科学钻探实践综述
KTB先导孔施工采用 的大直径绳索取心钻 进系统和高速液压顶 驱
一、国内外科学钻探实践综述
KTB 先导孔采用绳索取心方法钻进到孔深 3893m ，起钻时钻杆在 307.4m 处发生断裂。处 理无效后，采用液压割管器将绳索取心钻杆柱 在 3794.5m 处割断，水泥回填部分井段后侧钻， 牙轮钻头全面钻进至4000.10m后完钻。 KTB主孔原设计井深 12000m，在项目实施过
一、国内外科学钻探实践综述
CCSD-1
3.2、取心钻进的钻进方法
使 用 液 动 潜 孔 锤 提 高 钻 进 效 率
单位： m/h
1.20
CCSD不同取心钻进方法的机械钻速
螺杆马达 /液动锤 1.13
回次进尺对比
7.00
单位：m
1.00
螺杆马达 0.74
顶驱 / 绳索 0.63
顶驱 / 液动锤/绳索 0.89
名义钻深：
4 ½”(114钻杆）：10000m； （5″（127mm）钻杆 ）： 8000m 最大钩载 绞车输入功率 提升系统绳数 钢丝绳直径 泥浆泵功率×台数 7000kN 3000kW 7×8顺穿 φ45mm 1600HP×3
钻机
转盘开口名义直径 1257.3mm（49 1/2″） 井架高度/型式 60m/K型
都采用半合管取心钻具。为了弥补提钻取心方法起下钻次
数多、时间长的弱点，组织研发了长半合管取心钻具。
一、国内外科学钻探实践综述
2006～2007年在大庆实施了“松科一井”项目， 施工了深度分别 1810m 和 1915m 的两口取心钻井， 以研究白垩纪地球表层系统重大地质事件与温室 气候变化。
一、国内外科学钻探实践综述
大陆科学钻探工程实践与 13000米科学超深井钻探技术
张金昌
中国地质科学院勘探技术研究所
2014 年 10 月 9 日
汇报提纲
一、国内外科学钻探实践综述 二、超万米科学钻探工程面临的技术难题
三、13000米科学超深井钻探技术方案
四、须开展的关键装备与技术研发 五、结论
一、国内外科学钻探实践综述
人类最早的科学钻探活动开 始于海洋，第一个科学钻探计划 是美国的“莫霍面钻探计划” （1950年代末—1966年8月）。之 后，美国发起了“深海钻探计划” （Deep Sea Drilling Project， 简 称 DSDP 。 1966 年 6 月 —1983 年），作为 DSDP 的延续“大洋钻 探 计 划 ” （ Ocean Drilling Program，简称ODP）于1985年1月 开始至 2002 年结束。我国于 1998 年春天作为“参与成员”加入ODP。
二、超万米科学钻探工程面临的技术难题
3、井斜问题： 随着钻井深度加大，井斜一般也会加大。井斜 加大后，会带来诸如：过高的磨阻及扭矩；在下入 和提出测量仪器时遇阻；下套管困难；套管、钻具、 稳定器及钻头出现严重的磨损等困难； 4、钻井器材对超长井深的适应性问题： 超长的钻杆柱本身的重量就可能使钻杆柱发生 断裂，钻进施工中承受拉伸、压缩、弯曲、扭矩等 复杂载荷的作用更容易破坏失效。各种井底器具， 可能承受高达140MPa-150MPa的压力，其强度和密封 性会受到严峻的考验。
二、超万米科学钻探工程面临的技术难题
1、地质条件复杂： 如地应力集中、地层压力异常、地层破 碎、地层蠕变缩径等复杂地质条件。 2、高温问题： 地 壳 的 平 均 地 温 梯 度 为 3 ℃ /100m ， 13000m 科学超深井的预计井底温度为 250 ℃ 400℃。以目前的钻井技术水准来说，要在如 此的高温条件下进行施工，难度非常之大， 许多钻井器材的耐温能力还不能满足要求。
螺杆马达/绳索 顶驱 0.84 1.00 0.73
0.00
一、国内外科学钻探实践综述
汶川地震科学钻探项目
汶川特大地震发生之后，从 2008 年 10 月开始，我国组 织实施了旨在研究地震机制和进行地震监测预报的“汶川
地震断裂带大陆科学钻探”，共施工了 5 口科学钻井，钻
井深度范围为550m至3350m。 该项目实施的最大挑战也是最显著的特点是地震断裂 带极高地应力条件下钻进取心。在该项目中从多种钻进方 法中优选出螺杆马达-液动锤-提钻取心方法。所有的方法
研究距今6500万年至1.4亿年间白垩纪地球温室气候和
环境变化的时间隧道；
建立为建设“百年大庆”基础地质服务的“金柱子”；
为预测我国未来环境-气候变化、拓展陆相油气勘探领
域和资源量提供新的科学依据。
一、国内外科学钻探实践综述
松科2井拟达到的钻探技术目标：
完成我国首例超6000m井深的科学钻探工程；
内将井斜角控制在1°范围
内，对减少钻进施工的事故、
降低风险和施工成本以及达
到9101m的完钻井深，起到 了重要的作用。
一、国内外科学钻探实践综述
此外，法国、瑞典、瑞士、英国和日本也分别 制定了科学钻探计划并组织实施。 我国从2001年开始实施“中国大陆科学钻探工 程”，经历了四年时间，在江苏省东海县坚硬的 结 晶 岩 中 施 工 了 一 口 5158m 深 的 连 续 取 心 钻 井 （“科钻一井”），目的是研究大别—苏鲁超高 压变质带的折返机制。 2005年实施了青海湖科学钻探项目。采用ICDP 的 GLD800 湖泊钻探取样系统，施工了一系列浅钻。 该项目的目标是获取高精度的东亚古环境记录， 研究区域的气候、生态和构造演变及其与其他区 域和全球古气候变化的关系。
0.80
0.60
顶驱 0.36
CCSD不同取心钻进方法的回次长度
螺杆马达/液动锤 6.31
转盘 0.47
螺杆马达 /绳索 0.33
6.00 5.00 4.00 3.00 2.00
转盘 1.63 顶驱/绳索 1.52 顶驱/液动锤/绳索 2.76 螺杆马达 2.28
0.40
0.20
0.00
钻进效率对比
前苏联科学深钻技术的特点
全孔连续取心； 提钻回收岩心；

主要用牙轮钻头取心钻进； 钻头由孔底马达驱动； 采用轻质的铝合金钻杆； 小直径超前取心，扩孔下套管。
一、国内外科学钻探实践综述
美国实施了 10 多个科学钻探项目，钻 孔深度都较浅，最深的只有 3997.45m 圣安 德烈斯断层科学钻探项目，其它已实施的 科学钻探项目有索尔顿湖科学钻探项目、 伊利火山链科学钻探项目、长谷地热勘探
程中，调整到10000m。由于地层条件复杂，事
故频发，钻进施工艰难，钻进到 9101m 后提前
完钻。
一、国内外科学钻探实践综述
KTB计划的主要创新： 1、设计制造了性能先进能力强大的专用钻机。可提40 米立根的钻塔、APS自动钻杆操作系统、观光室。
一、国内外科学钻探实践综述
KTB主孔技术成就 2、成功应用自动垂孔钻 进系统，在7000m井深范围
二、超万米科学钻探工程面临的技术难题
5、井身结构设计困难： 超深井地质构造、地层压力体系复杂，地层层 序和压力预测精度差，同时随着井深的增加，井下 复杂情况多，不可预见因素多，给井身结构设计带 来极大的难度。尤其是山前高陡构造带超深井钻井， 几乎集中了所有的超深井钻井技术难点，地层层序 预测误差大，复杂地层井段难于确定，导致井身结 构设计不能完全符合施工要求和应对预想不到的复 杂情况，钻井施工难度及风险加大。缺少邻井参考 资料，对较深部位的地层条件缺乏了解，进一步加 大了井身结构设计和施工的风险。
一、国内外科学钻探实践综述
中国大陆科学钻探工 程项目在江苏省东海县 实施，在坚硬的结晶岩 中完成一口深度5158m的 全井连续取心钻井（完 钻直径157mm）。
CCSD-1取得的主要工程技术成就： 1、创造性地将“组合式钻探技 术”、“灵活的双孔方案”、 “超前孔裸眼小直径取心钻进程 序”有机地结合起来，形成了独 具中国特色的在结晶岩中施工科 学钻孔的一整套技术方案。2、研 制成功属世界首创的螺杆马达液 动锤井底动力驱动冲击回转取心 钻探技术系统，确保了科钻一井 优质、高效、安全、低成本的顺 利完工。3、带导向的扩孔牙轮钻 头在我国首次实现了坚硬结晶岩 长井段扩孔钻进。4、此外，在纠 斜、侧钻绕障、泥浆技术等方面 也有创新。
全球大洋钻探
4
一、国内外科学钻探实践综述
大陆科学钻探始于20世纪70年代，在1996年2月国 际大陆科学钻探计划（ ICDP ）正式成立之前，许多 国家就已经开展了大陆科学钻探。
ICDP Research Themes
5
一、国内外科学钻探实践综述
前苏联制定了庞大的科学深钻计 划，在一些主要的地震剖面的交点处， 布置了20余口7～12km的科学超深井。 1970年开始钻进设计深度15000m的科 拉超深井，至1986年达到12262m井深， 成为当今世界最深的钻井。 前苏联实施的其他超深井有：
13000m科学超深井钻孔结构和套管程序
研发大口径同径提钻取心和绳索取心钻进工艺，
获取3535m岩心；
研发抗 250 oC 以上的高温井底动力取心钻进工艺、
泥浆工艺和固井工艺；
检验我国首台万米科学钻探专用钻机性能；
研究高温测井技术。
一、国内外科学钻探实践综述
五 开 井 身 结 构
一、国内外科学钻探实践综述
“地壳一号” 钻机基本参数
ODP钻探船 JOIDES“决心号”
3
一、国内外科学钻探实践综述
ODP 于 2003 年 10 月转 入“综合大洋钻探计划 （ IODP ） ” 的 新 阶 段 。 IODP 以“地球系统科学” 思想为指导，计划打穿大 洋壳，揭示地震机理；查 明深部生物圈和天然气水 合物；了解极端气候和快 速气候变化的过程；为国 际学术界构筑起新世纪地 球系统科学研究的平台； 同时为深海新资源勘探开 发、环境预测和防震减灾 等实际目标服务。
松科1井取得的创新性成果和主要收获 1、形成了一套完整的、经济可行的白垩纪陆相地 层钻探工程方案： 2、集成创ຫໍສະໝຸດ Baidu了超长岩心取心技术； 3、发明了长井段岩心长期保真保存技术。 4 、对国际大陆科学钻探计划 (ICDP) 产生了积极影 响，促使“松科 2井”科学钻探工程项目获得 ICDP 的资 助。 5、为松科2井提供了组织管理经验以及人才和技术 储备。
萨阿特累超深井、 乌拉尔超深井（设计15000m） 克里沃罗格超深井（设计12000m） 秋明超深井（设计8000m） 季曼-朝白拉超深井（设计7000m） 滨里海超深井（设计7000m）……
孙枢 院士
6
一、国内外科学钻探实践综述
平均机械钻速1.8m/h
世界最深钻井——科拉超深钻(12262m)
一、国内外科学钻探实践综述
一、国内外科学钻探实践综述
松科二井钻井现场
一、国内外科学钻探实践综述
2014年4月13日松科二井开钻
一、国内外科学钻探实践综述
松辽盆地科学钻探工程指挥部综合楼
汇报提纲
一、国内外科学钻探实践综述 二、超万米科学钻探工程面临的技术难题
三、13000米科学超深井钻探技术方案
四、须开展的关键装备与技术研发 五、结论