科学钻探常见问题及答案

1、1.为什么要进行科学钻探 地球为人类提供了资源、能源、生活的空间和生存的环境，但同时又给人类带来了地质灾害（地震、火山、泥石流等），人类为了本身生存的需要，迫切地希望了解地球。但迄今为止，人类对地球内部仍然所知甚少。长期以来，地球科学家们试图运用地质、地球物理和地球化学等方法来探测与研究地球内部，但所获得的认识都是间接的。科学钻探是唯一能获得地下深处真实信息和图象的地学研究方法，是人类解决所面临的资源、灾害、环境等重大地学问题不可或缺的重要手段，被誉为“伸入地壳的望远镜”。 2.科学钻探的主要领域有哪些 科学钻探是为地学研究的目的而实施的钻探，它是通过钻孔获取岩心、岩屑、岩层中的流体（气体和液

2、体）以及进行地球物理测井和在钻孔中安放仪器进行长期观测，来获取地下岩层中的各种地学信息，进行地学研究。 只要是满足以上条件的钻探活动皆可称之为科学钻探，而不论其钻探的区域、钻孔的深浅和钻孔直径的大小。按照区域划分，可分为大洋科学钻探、大陆科学钻探、湖泊钻探、冰心钻探和外空钻探。科学钻孔的深度可浅至数毫米（美国火星钻探），深至数千米、甚至上万米，世界上最深的科学钻孔（同时也是世界上的最深钻孔）是深度为12262米的科拉超深钻（俄罗斯）。 目前大陆科学钻探已在全球形成宏伟的整合计划，正在实施的国际大陆科学钻探项目有20余项，主要研究领域包括板块构造、火山与地震活动、全球环境与气候变化、陨石撞击与灾

3、变事件、地热与流体系统和大陆与地幔动力学等，并与国际大洋科学钻探联手，意味着一个探测地球的新时代的来临。3. 海洋科学钻探发展的历程 1961年1966年美国的“莫霍面计划”；1966年6月1983年11月深海钻探计划（DSDP）；1985年2003年大洋钻探计划（ODP）；2003年10月2013年综合大洋钻探计划（IODP）。各钻探计划所取得的主要科学成果：“莫霍面计划”第一次深海钻探成功，证明洋底地壳第二层由玄武岩组成；DSDP计划完成了近百卷的DSDP初期报告，证实了大陆漂移和海底扩张学说，建立了板块学说，催生了古海洋学这一新学科；ODP计划揭示了洋壳结构和海底高原的形成，证明了气候演

4、变的轨道周期和地球环境的突变事件，分析了汇聚大陆边缘深部流体作用，发现了海底深部生物圈和天然气水合物；IODP正在为揭示地震机理，理解极端气候和快速气候变化过程做进一步的研究。4. IODP的来源与工作目标“IODP”即“In tegrated O cean D rilling P rogram(整合大洋钻探计划) ”, 它是在ODP 基础上, 通过革新技术、扩大规模及更进一步的深入研究而提出的更符合科学潮流、更具国际化的新世纪大洋钻探计划, 是继DSDP、ODP 后国际合作深海钻探的第三个阶段。IODP 的特点在于以多条船为基础, 去进一步探索以往不能钻探的海区和深度, 去解决过去未能回答的

5、科学问题。除了能在浅海和滨海区钻探的设备外, IODP 的技术核心是装配了日、美的两条深海钻探船。日本在确定以信息科学和海洋科学作为两大重点的国策以后, 制定了“OD21”计划, 将要建造一艘大约57 500 t 级的立管钻探船, 和美国扩建或新建的非立管钻探船在海上共同执行IODP。2000 年5 月1 日, 日本科技署和文部省部长H iro2fum iN akasone 和美国国家基金委主席R ita R Co l2w ell 联合发表声明, 宣布两国将在对等基础上支持IODP 的实施, 通过钻探海底研究地球历史和地球系统过程(ESP)。【IODP的三大科学主题1深部生物圈和洋底下的海洋2

6、环境的变化、过程和影响3固体地球循环和地球动力学】IODP的八大优先研究目标1深部生物圈； 2.天然气水合物； 3极端气候；4. 高频气候变化 ；5.大陆破裂和沉积盆地的形成；6.大型火成岩省 ；7.21世纪Moho钻孔； 8.会聚边缘之下的地震震源区 5.国际大陆科学钻探科学目标大陆科学钻探可以帮助人们直接、精确地了解地壳成份、结构构造和各种地质过程，对了解地球资源与环境起着至关重要的作用。国际大陆科学钻探计划的研究主题是：与地震、火山爆发有关的物理、化学过程及相关的减灾措施；近期全球气候变化的方式与原因；天体撞击对全球气候变化及大规模生物灭绝的影响；深部生物圈及其与各种地质过程的关系如何安

7、全处理核废料和有毒废料；沉积盆地与能源资源的产生与演化；不同地质环境下矿床的形成；板块构造的机理，地壳内部热、物质和流体的迁移规律；如何更好地利用地球物理资料了解地壳内部的结构与性质。6.中国大陆科学钻探采用了哪些关键技术1. 组合式钻探技术 石油钻探设备机具+地质钻探金刚石取心钻进工艺2. 灵活的双孔方案3. 超前孔裸眼(小直径取心)钻进方法4.以国产技术装备为主 科钻一井对设备提出了特殊的较高要求: 充裕的大钩负荷、高转速、高泵压、精确的钻压控制、完善的固相控制、仪表齐全、电网供电、安全、环保等。5.取心钻进技术体系：螺杆马达-液动锤-金刚石取心钻进系统液动锤 螺杆马达金刚石取心钻头岩心管

8、钻井泥浆系统钻进数据采集钻进工艺（钻压、转速、排量、双回转）6扩孔钻进技术：-强化扩孔钻头的保径设计 -在钻头上方加聚晶金刚石扩孔器-优化钻头结构、材质设计及焊接工艺-优化牙轮和压掌参数-在底部钻具组合中加减振器 -在钻井液中加润滑剂 7.井斜控制技术： 刚、直、满、重钻具组合 采用螺杆马达驱动，消除了钻柱公转的扩径效应；液动锤钻进时小钻压、高钻速和减轻岩心堵塞，都是防斜的积极因素。8.低粘、低切、低密度、低失水及润滑性能优良的泥浆技术9.固井与活动套管技术 活动套管技术采用上部悬挂和下部外层套管鞋的双承载设计，上部防滑块和下部防滑齿的防倒扣设计，套管串上安装刚性扶正器和弹性扶正器的居中设计，

9、有效地解决了活动套管的安装技术难题。创造性地研发了带有金刚石修孔器的修孔划眼钻具组合、试下套管和钻井液中添加液体润滑剂及固体润滑剂的技术措施，保障了下套管作业的安全。流变性性能好的双密度水泥浆的设计，解决了注水泥浆及替浆压力加大的技术难题和水泥浆可能存在的漏失问题。应用分级箍的双级注水泥设计，可以降低环形空间的静液柱压力，降低了施工压力，减少了注水泥作业中发生井漏的可能性，水泥浆上返高度及固井质量均满足设计要求。10. 钻探数据采集与处理 在石油钻井的综合录井系统的基础上，通过人工输入数据和二次开发，完善地表数据采集系统，使其能够满足大陆科学钻探的要求，并在科钻一井现场施工中获得良好的应用效果

10、；研究开发随钻孔底钻探数据采集系统，检测的参数有：钻孔顶角、泥浆压力、工具面向角、温度等，补充地表数据采集系统采集参数的不足，提高钻进过程监测和施工决策的水平；在原有综合录井系统上进行二次计算机软件开发，提高钻探数据的实时利用和非实时的处理功能，实现实时钻探数据实时传输（从井场实时传输到现场指挥部），从而实现了多级（井场和现场指挥部）多点（多台计算机）的钻进过程实时监测，提高了钻探数据处理与应用水平；从井场传输到指挥部的钻探数据，通过二次开发的计算机软件，将钻探实时数据存储到数据库中，为后续的钻探数据再开发和利用提供了良好的软件平台。 7.冰层钻探的关键技术难点有哪些？（1），难点一：钻井液技

11、术。正如常规钻进一样,低温地层钻进同样需要与之相匹配的低温钻井液,从而实现井壁的稳定、地层压力的平衡、钻屑的携带和悬浮、钻头与钻具的冷却和润滑等功能.才能够保证钻进安全顺利。冰层、极地、永冻层以及赋存天然气水合物的永冻层等低温地层的钻进,所用的低温钻井液在冰点以下能够正常工作是十分重要和必备的条件。一方面,这要求钻井液在低温条件下能够起到常规钻井液所具有的护壁堵漏的功能,即具有良好的流变性和滤失性能,如视粘度、剪切强度、动塑比和滤失量等;另一方面,要求控制其本身的流体温度,避免在循环过程中由于钻井液本身的热传递而改变所钻地层的固有温度,从而使其性能发生破坏。 （2），难点二：钻井设备。在冰层、

12、极地、永冻层以及赋存天然气水合物的永冻层等低温地层的钻进时，钻井机械应适应低温条件钻进，在低温条件下设备的各种机械性能和物理性能（如硬度，强度等）能够满足低温钻进需要。（3）难点三：钻进过程中机械钻速快导致单位时间内孔底的冰屑过多，平均机械钻速降低，回次长度减少，增加专门的清底时间等。很大程度上影响了该冰层钻进方法的使用效果和能力。大多数的钻具只能用来钻进冰层，而在冰下岩层中或冰中有夹层不能使用。8.海洋钻探技术难点：要从漂浮于茫茫大洋中的钻探船上伸出数千米长的钻杆, 由于波浪的作用使船体浮动从而使钻杆和钻头随船体升降而起伏, 从而导致岩心受到扰动，影响正常钻进及岩心的采取，要在洋底确定的位置

13、上钻进千余米, 首先要解决船位的固定问题。钻进海底基岩坚硬的玄武岩时钻头易磨损，而起钻换钻头之后不容易找到原来的孔口了，因此要解决重新找回孔口的问题。一般是通过在孔口处安装一个电磁波发射装置，再在钻头上安装接受装置来重新定位。由于钻进玄武岩这类坚硬岩石, 需足够的轴向压力,必须保证钻具能够垂直钻进，才能避免钻孔弯曲甚至钻具折断。因此要为硬岩钻进设置洋底导引装置，从而实现自动垂钻。必要时应研究开发立管钻进系统。由于海水的盐度较高，对钻探设备具有很强的腐蚀作用，因此要求设备的材料具有很好的耐腐蚀性。9.前苏联科学钻探的主要成就表现在哪些方面？主要技术特点有哪些？答：（1），主要成就：俄罗斯科学钻探

14、的代表A,科拉超深井在全世界的地球深部结构研究中占有特殊的地位。它揭示了两个构造物质岩系太古代岩系和元古代岩系，说明了地球在1530亿年之间形成的特点。B,使我们第一次得到古老陆壳深部地带结构和成份的直接资料，并可编制标准的地质、地球化学和地球物理剖面。得到的实际材料大大修正了以前大陆地壳的层状结构模型，证明直到最深处都存在着金属矿化和液体，改变了传统的关于地球物理界面性质的概念。C，钻进过程中解决了一系列超深钻技术和工艺问题。认识了关于钻井的合理结构、关于钻管柱工作条件及钻管柱下部的配置、以及关于防止井筒弯曲及在各种地质条件下消除或防止事故的独一无二的材料，为大深度钻进研制了多道遥测系统。D

15、， 通过对自然和人工起源物理场的变化进行规则的观测，得到关于贝辰加地块结构、组成地块的岩石的成分及物理特性、金属矿化、钻井所有深度和地块近地表带各种元素分布的新数据。E, 在科拉井基础上建立了强大的技术工艺、设计和科研基地。钻进期间研究、制造和在极端条件下试验了原原本本的技术工具及工艺解决措施，其中许多在世界上是独一无二的。F, 科拉井目前不仅是科研方面，而且是技术工艺性质方面独一无二的实验室。这里在很短期限内就能够组织和安排任何种类的研究。（2），主要技术特点： 第一，首次采用了“超前孔裸眼钻进方法”，在深部底层情况不清楚、钻孔设计依据不足的情况下，大大降低了钻进过程中的风险。其中科拉超深井

16、的超前裸眼孔段曾长达1万米，此后这种设计思想为世界其他国家的钻探技术人员普遍接受。第二，采用了铝合金钻杆柱。尽管铝合金的强度比钢要低，但重量却比刚钻杆轻的多，其自重引起的应力比刚钻杆小得多，因此具有以下优点：1，对钻机的负荷要求要小得多。设计深度15000m的科拉超深孔钻机(铝合金钻杆)的大钩负载为500t，而德国12000m超深孔钻机（刚钻杆）的大钩负载为800t；2，可加速旗下钻过程。实验结果表明：使用铝合金钻柱比钢钻柱可节约起钻时间35%，节约下钻时间17%。第三，研制并采用了能够提供井底动力的多节式涡轮钻具。可以大大改善井壁稳定性，节省了钻井时间和钻井成本。第四，使用了能够耐高温的特制

17、钻井液。能够适应超深地层中复杂恶劣的环境。10. 德国科学钻探先导孔采用的是什么钻探技术？技术关键有哪些？(1)地质勘查钻进方法+油气井设备+高速顶驱：石油钻井通常是在沉积岩地层钻进，其主要特点可以简单归纳为径大井深，多采用牙轮钻头、钻铤加压、转盘回转、绞车给进，低转速回转，大泵量循环（喷射钻进需要足够的水马力），取心比例低。 地质勘探岩心钻探则有较大不同，各种地层都需对付，尤以结晶岩为主（金属矿产多在结晶岩地层中成矿），地形复杂，径小孔浅，地层坚硬，研磨性强，多采用立轴钻机、金刚石钻进、高速回转，油缸给进、全孔取心。 （2）金刚石绳索取心钻进系统：采用绳索取心，以减少起下钻次数和辅助施工时间

18、。采用薄壁孕镶金刚石钻头和高转速钻进工艺方法，以获得较高的机械钻速；采用井底马达驱动，以减少对井壁的破坏，改善钻柱工作状态，改善施工安全性；(3)获取大量地质信息：气测，泥浆；（4）钻孔轨迹数据：孔底压力温度，倾角，顶角； (5)VDS系统，有效控制井斜；对主孔钻探已进行了几年的充分准备在开展前期调查和优选孔位的研究之后1987年9月1990年4月进入先导孔阶段先打了一口先导孔然后进行了测井和试验利用传筑的转盘钻机的提升能力。同时使用回转钻进和绳索取心技术穿入基岩40001m获得了3594m质量极好的岩心先导孔进行了大量盼孔内攫!【井， 以提高结晶岩测井数据的精度并对改进的和新开发的工具进行试

19、验通过对各种测量结果的交叉对比确定了主孔的测井项目测井工作总共进行了393圆次(1670kin)攫!【试和试验64次。该项目还在孔位周围开展大规模地球物理试验、ISO89方法和面积为20 x 20km的三维地震测量这些资料目前正在克劳斯塔尔大学DE KORP处理中心进行评价钻探现场试验室的建立证明是成功地实现超深孔科研工作的前提这一跨学科的机构共有19名科学家和15名技术人员。他们分成四个工作小组：她质学岩石学岩石物理学岩石力学，地球化学矿物学。数据处理现场实验室负责对岩心 岩屑 体和气体进行几乎是连续性的研究研究成果定期在大陆超撵钻报中发表。作为向各研究项目提供适当样品和信息的基地（A）先导

20、孔首次采用新的钻井液系统。并且在岩璃(岩粉)、流体和气体的地学评价方面取得了突破该系统为饮用永其中含量为2 (重量比)的Dchyril(注：一种新型冲洗液处理剂)这是一种台锂的钠 镁硅酸盐它形成一种具有高性能润滑作用的触变冲洗液，可蓠足所有技术要求，并对环境无污染不合固态物质和元索含量比(LiNaLiMg，NaMg)稳定的特点（B）.金刚石钻探获得的岩粉用离心机与钻井液分离每钻进一米基岩采一次样并用。双x射线法进行分析利用新的评价方法，采样后一小时内即可对其化学组分(x射线萤光分析)和矿物组分(x射线衍射)进行定量分析(如表1 )所以一边钻进一边即可获得所穿透基底的可靠的岩石学数据现场试验室一项非常成功的试验是对钻井液中释放的气体不断地进行分析特殊设计的全自动联机处理气体质谱仪每三分钟即可涮定出l0个气体组分(N O2Ar。co cHH2HeH2S，C2H，C I)尽管解释复杂但可证实这些 气体测试 (gas logs)对蚀变带和含流体层具有精密的指示作用。对于迅速决定是否进行定位钻杆测试(DST)和井内钻井液采样极为有用11.环境科学钻探对钻探技术的要求？环境科学钻探是一项研究人类生存环境的新型钻探项目。其研究内容是: 研究大陆古气候及古环境的变化规律; 研究沉积物时代、沉积环境; 研究环境污染程度, 为国家经济区域规划提供决策依据。环境钻探工