論中國大陸科學(xué)鉆探工程項目實(shí)施對我國鉆探技術(shù)的推動(dòng)作用

  摘要:中國大陸科學(xué)鉆探工程項目的實(shí)施既是對我國現有鉆探技術(shù)的一個(gè)挑戰,同時(shí),更是一個(gè)全面提高我國整體鉆探技術(shù)水平的、千載難逢的大好機遇。論述了中國大陸科學(xué)鉆探工程項目的實(shí)施對推動(dòng)我國鉆探技術(shù)如組合式鉆探技術(shù)、取心鉆進(jìn)技術(shù)、液動(dòng)錘鉆進(jìn)技術(shù)、金剛石鉆頭應用水平等的發(fā)展的作用。

 

  關(guān)鍵詞:中國大陸科學(xué)鉆探工程;鉆探技術(shù);取心鉆進(jìn);液動(dòng)錘鉆進(jìn);金剛石鉆頭

 

  1概述

 

  中國大陸科學(xué)鉆探工程是一項重大科學(xué)工程,是機遇,也是挑戰。 中國大陸科學(xué)鉆探工程是在現代深部鉆探技術(shù)和地球物理遙測技術(shù)等構成的綜合反饋系統基礎上,在大別-蘇魯超高壓變質(zhì)結晶巖地區實(shí)施井深5000m的中國第一口科學(xué)深鉆井,獲取完整的巖心及液、氣態(tài)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(dòng)力觀(guān)窗口的大陸會(huì )聚板塊邊緣的深部組成、行為、殼幔作用及其動(dòng)力學(xué),并為資源、能源及地震發(fā)生機制提供新的科學(xué)依據,推動(dòng)我國地球科學(xué)在21世紀更好地服務(wù)于國家經(jīng)濟和社會(huì )發(fā)展,并在一些重要領(lǐng)域躍居世界前列。這個(gè)重大科學(xué)工程完工后,將建成亞洲第一個(gè)現代深部地質(zhì)作用長(cháng)期觀(guān)測與實(shí)驗基地。

 

  中國第一口大陸科學(xué)深鉆井在獲取地球深部信息方面,將超過(guò)世界上同等深度的任何一口科學(xué)鉆井,并將極大地促進(jìn)我國地球探測技術(shù)發(fā)展。工程的實(shí)施將揭示超高壓變質(zhì)巖形成和折返的奧秘,其科研成果將對地球科學(xué)發(fā)展起關(guān)鍵作用,其技術(shù)成果將使眾多的鉆探應用領(lǐng)域迅速趕上世界先進(jìn)水平,帶動(dòng)鉆探、實(shí)驗測試、機械工藝及超硬材料等技術(shù)的開(kāi)發(fā)與發(fā)展。

 

  通過(guò)工程實(shí)施可培養造就一批跨世紀的地學(xué)研究與管理人才,促進(jìn)地球科學(xué)與物理學(xué)、化學(xué)、生物 學(xué)、工程學(xué)、經(jīng)濟學(xué)和管理科學(xué)的聯(lián)合與交叉,為發(fā)展新學(xué)科生長(cháng)點(diǎn)提供機遇,從而為我國經(jīng)濟和社會(huì )發(fā)展帶來(lái)巨大效益。 中國大陸科學(xué)鉆探工程將要獲得新的地學(xué)基礎理論和鉆探技術(shù)知識,將為建立地球科學(xué)知識創(chuàng )新 系統、技術(shù)創(chuàng )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(guān)鍵,是其它工程及研究項目賴(lài)以進(jìn)行的基礎和前提,能否順利完成5000m科學(xué)鉆孔的施工,將直接影響中國大陸科學(xué)鉆探工程項目的進(jìn)度及眾多科學(xué)目標的實(shí)現。

 

  中國大陸科學(xué)鉆探工程的科學(xué)目標

 

  (1)揭示超高壓變質(zhì)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(zhì)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(dòng)力學(xué)過(guò)程和殼-幔相互作用;

 

  (5)揭示超高壓變質(zhì)成礦機理,發(fā)現來(lái)自地幔深處的新礦物和新物質(zhì);

 

  (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(lèi)型和潛育條件;

 

  (8)為資源的開(kāi)發(fā)及地震發(fā)生機制的探索提供新的科學(xué)依據。

 

  中國大陸科學(xué)鉆探工程的技術(shù)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(jìn)技術(shù)體系。

 

  (2)使具有中國特色的液動(dòng)錘鉆進(jìn)技術(shù)更加完善,進(jìn)一步提高我國液動(dòng)錘技術(shù)應用效果,擴大包括孔深與孔徑在內的應用領(lǐng)域。

 

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

 

  (4)帶動(dòng)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(gè)地球物理測井新儀器、新方法、新技術(shù)的試驗基地,推動(dòng)我國測井技術(shù)的發(fā)展和應用。

 

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

 

  項目的實(shí)施有助于打破我國鉆井行業(yè)內部門(mén)間的門(mén)戶(hù)之見(jiàn),發(fā)展組合式鉆探技術(shù) 經(jīng)過(guò)幾代鉆探工作者的努力,我國鉆探技術(shù)整體上已達國際先進(jìn)水平。特別是由于我國地大物博、地質(zhì)現象豐富,幾乎在世界各地所能遇到的不同地質(zhì)條件下的鉆探技術(shù)難題在我國不同地區、不同礦區都有所存在,并通過(guò)采取不同技術(shù)措施而得到解決,積累了豐富的寶貴經(jīng)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(xué)鉆孔還是首次。大陸科學(xué)鉆探既不同于常規地質(zhì)礦產(chǎn)鉆探,又與常規油氣鉆探有較大區別,這無(wú)疑是對我國鉆探技術(shù)的一大挑戰。

 

  雖然我國在結晶巖中進(jìn)行過(guò)相當多的地質(zhì)礦產(chǎn)勘探鉆進(jìn),但由于我國采礦現實(shí)技術(shù)水平的限制,勘探鉆進(jìn)深度一般在2000m以?xún)?且多采用小口徑鉆探技術(shù),即鉆孔口徑通常為59~76mm,而這樣的鉆孔口徑是無(wú)法滿(mǎn)足科學(xué)鉆探要求的,特別是無(wú)法滿(mǎn)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(jìn)來(lái)說(shuō)雖然是常規深度,但通常油氣鉆進(jìn)是在各種沉積巖中進(jìn)行且多為非取心鉆進(jìn)。在結晶巖中連續取心鉆進(jìn)5000m孔深,顯然對常規油氣鉆進(jìn)技術(shù)來(lái)說(shuō)也是新課題。

 

  然而,由于長(cháng)期以來(lái)我國鉆井行業(yè)內各部門(mén)間 缺乏必要的溝通與交流,一些先進(jìn)的鉆進(jìn)技術(shù)雖在各部門(mén)的工作領(lǐng)域被證明為行之有效且取得了顯著(zhù)的經(jīng)濟效益與社會(huì )效益,但不能在更廣闊的應用領(lǐng)域中發(fā)揮效益,甚至由于存在不同程度的門(mén)戶(hù)之見(jiàn),還導致不同部門(mén)間的技術(shù)封鎖或抵制。而本項目的實(shí)施,由于其施工的特殊性,給我國鉆井行業(yè)提供了一個(gè)打破門(mén)戶(hù)之見(jiàn)、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(shù)的優(yōu)點(diǎn)通過(guò)技術(shù)改造而融合成一全新的鉆探技術(shù)體系 組合式 鉆探技術(shù),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(shí)施過(guò)程中得到不斷提高與完善的全新鉆探技術(shù)體系應用于我國整個(gè)鉆井行業(yè),使其發(fā)揮出巨大的經(jīng)濟效益與社會(huì )效益。

 

  項目的實(shí)施有助于進(jìn)一步提高與完善取心鉆進(jìn)技術(shù)

 

  繩索取心技術(shù)在地質(zhì)勘探鉆進(jìn)領(lǐng)域早已是成熟技術(shù)并在世界范圍內得到了廣泛應用,但在石油鉆井行業(yè)中,由于取心鉆進(jìn)比率低、孔深大而很少采用該項技術(shù)。然而一些石油鉆井單位應用繩索取心鉆探技術(shù)所取得的成功經(jīng)驗表明,將繩索取心鉆探技術(shù)應用于石油鉆井行業(yè),不僅是可行的,而且其經(jīng)濟效益將由于采用該項技術(shù)后鉆探效率和取心質(zhì)量的提高而更為巨大,特別是隨著(zhù)我國石油天然氣資源勘探開(kāi)發(fā)區域的不斷擴大,勘探開(kāi)發(fā)難度亦越來(lái)越大,現石油系統長(cháng)期以來(lái)沿用的取心方法雖經(jīng)過(guò)不斷提高與完善,但從取心技術(shù)本身來(lái)講,并沒(méi)有根本的突破性創(chuàng )新與進(jìn)展?？梢灶A見(jiàn),在今后的油氣資源以及煤層氣勘探開(kāi)發(fā)中,取心鉆進(jìn)比例將越來(lái)越大,地質(zhì)條件也不可避免地會(huì )越來(lái)越復雜,使得如何高效率、高質(zhì)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(kāi)發(fā)利用,對取得高質(zhì)量地下實(shí)物資料提出了更高要求。

 

  面臨的新問(wèn)題

 

  然而,僅僅憑借傳統的繩索取心鉆探技術(shù)是無(wú)法全面滿(mǎn)足未來(lái)各種礦產(chǎn)資源勘探開(kāi)發(fā)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(jìn),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(wèn)題,如:

 

  (1)深孔小環(huán)隙鉆井水力學(xué)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(xué)和巖石破碎機理研究;

 

  (4)防斜糾斜技術(shù)方法研究;

 

  (5)孔底工程、地質(zhì)信息實(shí)時(shí)檢測、處理、傳送與反饋控制問(wèn)題研究等;

 

  (6)高強度、高質(zhì)量繩索取心鉆桿、鉆具的設計、加工和制造等;

 

  (7)高效率、長(cháng)壽命金剛石鉆頭的研發(fā)(超硬材料、制造工藝)等。

 

  預研項目重點(diǎn)

 

  在聽(tīng)取了本行業(yè)權威專(zhuān)家的意見(jiàn)并經(jīng)反復論證之后,中國大陸科學(xué)鉆探工程中心為確保本項目高質(zhì)量取心鉆進(jìn)得以順利完成,并進(jìn)一步發(fā)展與完善以繩索取心為基礎的取心方法,在開(kāi)展的預研項目中重點(diǎn)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(dòng)錘鉆進(jìn)系統;

 

  (3)繩索打撈式螺桿馬達取心鉆進(jìn)系統;

 

  (4)繩索打撈式渦輪馬達取心鉆進(jìn)系統等。這些項目立項的出發(fā)點(diǎn)是將繩索取心技術(shù)與其它先進(jìn)的取心、鉆進(jìn)和孔底驅動(dòng)方法有機結合,形成以繩索取心為基礎的組合式取心鉆進(jìn)技術(shù),在為本項目實(shí)施提供經(jīng)濟、有效的取心技術(shù)手段之外,更希望以中國大陸科學(xué)鉆探工程項目的實(shí)施為契機,使我國的取心鉆進(jìn)技術(shù)水平有一個(gè)長(cháng)足的進(jìn)步。

 

  項目的實(shí)施有助于推動(dòng)我國液動(dòng)錘鉆進(jìn)技術(shù)的推廣應用

 

  液動(dòng)錘鉆進(jìn)是獨具我國特色的一種優(yōu)質(zhì)、高效的鉆進(jìn)方法,目前該技術(shù)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(yè)發(fā)達國家均從我國引進(jìn)了該項技術(shù),并希望將其應用于大洋鉆探(ODP)、大陸科學(xué)鉆探和石油鉆井。實(shí)踐結果表明:液動(dòng)錘鉆進(jìn)在中硬~堅硬巖層中的技術(shù)經(jīng)濟指標均優(yōu)于常規回轉鉆進(jìn),且有利于防止孔斜及減輕巖心卡堵。

 

  需做的研發(fā)工作

 

  由于行業(yè)內部門(mén)間缺乏必要的交流與溝通,有時(shí)甚至是部門(mén)間技術(shù)封鎖或相互排斥,液動(dòng)錘沖擊回轉鉆進(jìn)技術(shù)在油氣勘探與開(kāi)發(fā)鉆進(jìn)中尚未得到廣泛應用。近年來(lái),隨著(zhù)油氣井鉆進(jìn)條件越來(lái)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(dòng)錘沖擊回轉鉆進(jìn)技術(shù)的特點(diǎn)恰恰最有利于解決這些難題。當然,要把這一技術(shù)成熟地應用于油氣鉆進(jìn)領(lǐng)域,還有大量研發(fā)工作要做, 如:

 

  (1)液動(dòng)錘在大密度、高粘度條件下的工作性能及工作壽命;

 

  (2)液動(dòng)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(dòng)錘運動(dòng)機構的設計;

 

  (4)沖擊功與牙輪鉆頭之間的合理匹配關(guān)系;

 

  (5)適合液動(dòng)錘沖擊載荷條件下工作的牙輪鉆頭的研發(fā)等。

 

  眾所周知,地質(zhì)礦產(chǎn)勘探鉆進(jìn)與油氣勘探鉆進(jìn)相比,不僅鉆孔直徑小,孔深也淺,且使用無(wú)固相或低固相沖洗液,有關(guān)研發(fā)單位早就想把液動(dòng)錘技術(shù)應用于油氣勘探鉆井領(lǐng)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(shí)鉆等)而只能停留在技術(shù)方案階段或初步試驗階段,然而只有在上述一系列問(wèn)題均得到有效解決后才能真正把該項技術(shù)推向石油鉆井行業(yè)。

 

  液動(dòng)錘鉆進(jìn)試驗

 

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

 

  試驗目標

 

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

 

  (1)評價(jià)在硬巖中進(jìn)行液動(dòng)錘全面鉆進(jìn)的有效性;

 

  (2)采用不同鉆頭對液動(dòng)錘鉆進(jìn)效果的影響;

 

  (3)不同的液動(dòng)錘使用效果對比;

 

  (4)液動(dòng)錘鉆進(jìn)減輕孔斜的效果;

 

  (5)現有液動(dòng)錘系統用于硬巖全面鉆進(jìn)存在的主要問(wèn)題。

 

  試驗所得結論

 

  試驗中采用了我國液動(dòng)錘研究成果最顯著(zhù)的2家單位(吉林大學(xué)建設工程學(xué)院和中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所)的液動(dòng)錘。試驗鉆孔由江蘇地質(zhì)六隊施工。 通過(guò)此次試驗,得出以下結論:

 

  (1)液動(dòng)錘鉆進(jìn)是在硬巖中進(jìn)行大直徑全面鉆進(jìn)的有效方法。該孔的試驗結果表明:在較軟的片麻巖中,液動(dòng)錘鉆進(jìn)的鉆速達到了5m/h;在堅硬的片麻巖中,液動(dòng)錘鉆進(jìn)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(jìn)方法獲得的鉆速。

 

  (2)牙輪鉆頭配合采用液動(dòng)錘在硬巖中進(jìn)行大直徑全面鉆進(jìn)可取得良好效果。 在鉆進(jìn)的第二階段,由于巖石突然變硬,采用固定式鉆頭鉆進(jìn)時(shí)液動(dòng)錘提供的沖擊能量不足以在巖石中產(chǎn)生體積破碎,碎巖形式是疲勞破碎,鉆進(jìn)效率和鉆頭壽命都很低。在第三階段,換用牙輪鉆頭后,鉆進(jìn)速度明顯改善(從083m/h提高到294m/h),鉆頭硬質(zhì)合金齒磨損輕微,屬于正常范圍。對于液動(dòng)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(jìn)系統在高效工作的同時(shí),還具有較長(cháng)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(dòng)錘皆適用于淺孔和硬巖條件下進(jìn)行的大直徑全面鉆進(jìn)。 此次試驗采用了2種液動(dòng)錘,即吉林大學(xué)的SC-127型射流式雙作用液動(dòng)錘和勘探技術(shù)研究所的YZX-127型閥式雙作用液動(dòng)錘?？偟膩?lái)說(shuō),2種液動(dòng)錘皆能在試驗條件(淺孔、硬巖、大直徑鉆孔、全面鉆進(jìn))下進(jìn)行有效鉆進(jìn)。

 

  本項目的實(shí)施,為多年來(lái)得不到深孔試驗條件的液動(dòng)錘研發(fā)單位提供了一個(gè)千載難逢的試驗機遇,為液動(dòng)錘在油氣鉆探領(lǐng)域的應用提供了一個(gè)向國內外充分展示其優(yōu)越性的舞臺。中國大陸科學(xué)鉆探工程中心亦在預研項目中重點(diǎn)支持了2家單位不同類(lèi)型的液動(dòng)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(dòng)錘,在5000m主孔上部311mm(12in)孔段全面鉆進(jìn)中采用大直徑液動(dòng)錘,下部156mm孔段鉆進(jìn)采用繩索取心液動(dòng)錘。

 

  項目的實(shí)施有助于推動(dòng)我國金剛石鉆頭應用水平的提高

 

  曾經(jīng)較普遍地認為,我國金剛石鉆頭研制與應用已達國際先進(jìn)水平。但實(shí)際上,無(wú)論是在人造金剛石質(zhì)量、胎體材料、加工精度、加工質(zhì)量等以及實(shí) 際應用水平等方面,與國外先進(jìn)水平相比都還存在一定的差距。只不過(guò)由于國內金剛石制品與國外相同產(chǎn)品在價(jià)格上相差懸殊,故在固體礦產(chǎn)勘探鉆進(jìn)領(lǐng)域,使用國內金剛石鉆頭(擴孔器)與使用同規格國外產(chǎn)品相比,綜合性能價(jià)格比顯然是國內產(chǎn)品占優(yōu),但就產(chǎn)品質(zhì)量本身來(lái)說(shuō),尚不能說(shuō)國內金剛石鉆頭(擴孔器)已經(jīng)達到國際先進(jìn)水平。 本項目的實(shí)施,既有從國外引進(jìn)的、代表了國際先進(jìn)水平的金剛石鉆頭,也有國內諸多生產(chǎn)廠(chǎng)家專(zhuān)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(shí)際制造水平的各類(lèi)產(chǎn)品,所有的產(chǎn)品均在同一個(gè)機臺、同樣的操作人員、同樣的鉆進(jìn)參數、同樣的鉆孔、同樣的地層中使用,這本身就是名副其實(shí)的擂臺賽,是以最相近的施工條件來(lái)比較和檢驗我國金剛石鉆頭(擴孔器)實(shí)際水平的最佳場(chǎng)所。 參與本項目金剛石鉆頭(擴孔器)競賽(競標)的既有生產(chǎn)單位,也有大專(zhuān)院校、科研院所;既有國有企業(yè),也有合資公司、民營(yíng)企業(yè);既有油田系統單位,也有地勘部門(mén)單位;既有熱壓鉆頭,也有電鍍鉆頭。八仙過(guò)海,各顯神通的共同目標只有一個(gè),那就是:為中國大陸科學(xué)鉆探提供當代先進(jìn)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(shù)水平將毫無(wú)疑問(wèn)地由于各個(gè)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(guān)措施而充分展現出來(lái),并一定能夠獲得長(cháng)足的進(jìn)步。

 

  結論

 

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

 

  (2)項目的實(shí)施有助于打破我國鉆井行業(yè)內部門(mén)間的門(mén)戶(hù)之見(jiàn),發(fā)展組合式鉆探技術(shù);

 

  (3)項目的實(shí)施有助于進(jìn)一步提高與完善取心鉆進(jìn)技術(shù);

 

  (4)項目的實(shí)施有助于推動(dòng)我國液動(dòng)錘鉆進(jìn)技術(shù)的推廣應用;

 

  (5)項目的實(shí)施有助于推動(dòng)我國金剛石鉆頭應用水平的提高。