壹、國際科學鉆探計劃概述
在國際大陸科學鉆探組織(ICDP)的框架下，組織實施了20多個重大國際鉆探項目。ICDP側重於地球科學和國際社會經濟問題中具有挑戰性的研究課題，如大陸動力學和自然災害、火山系統和熱狀態、地球歷史和氣候變化、構造碰撞、非傳統能源、深層生物等。其中，突出的研究成果有:在美國加州聖安第斯山、中國臺灣省車倫堡、希臘科林斯灣等地鉆取巖芯，研究地震周期的基本過程；日本雲仙火山、夏威夷和冰島的火山活動過程研究超臨界火山流體:的的喀喀湖、馬拉維、博蘇姆特維和青海湖的古地質和氣候演化研究；不同大小隕石碰撞下希克蘇魯伯、博蘇姆特維和切薩皮克灣隕石坑的形成過程及其對周圍環境的影響。ICDP未來幾年的研究課題包括:氣候動力學與全球環境、隕石坑及其形成過程、地下生物、活動斷層、板塊匯聚邊緣和碰撞帶、自然資源等。為了應對未來大陸科學鉆探的挑戰，鉆探技術是完善孔內安全鉆探系統、復雜地層無損無汙染取心和深部惡劣環境長期觀測設備的裝置。
從2004年到2008年的四年間，國際大洋鉆探組織(IODP)完成了以下調查:歷時55年，在北極羅蒙諾索夫海嶺完成了從溫室到冰室的歷史記錄；在弗卡海嶺上建立了三個觀測井，以調查涓山壹側的海底洋流。調查墨西哥灣深水下的超高壓和洋流過程；Cox板塊海底的基巖數據是通過鉆探重新獲得的。
在堅硬冰面上進行深水鉆探的鉆探設備是人類高效開展極地考察活動的必要條件。過去，由於缺乏專門的破冰鉆探船，許多科考活動進展緩慢，甚至無法進行。例如，ODP航次151在耶爾馬克高地開始鉆探，直到55年後的2004年，IODP ACEX考察隊才在北緯87° 55′16″、東經139′的北冰洋底部羅蒙諾索夫海嶺頂部重新獲得40英尺。近日，世界上最先進的極地考察設施——考察破冰船“北極光”(圖1)成功建造。其鉆探深度可在水深80-5000m的永久冰覆蓋的極地洋面破冰，也可用於長期的國際多學科北極鉆探調查。該船船體設計新穎，配備衛星導航、方位推進系統和冰處理支持。動力定位系統可以在厚度超過2.5米的冰層上運行。定制的高山深水鉆機、全封閉鉆井平臺和預研工作室，讓科技人員可以在極地條件下全天工作。
為了更好地滿足大陸科學鉆探的特殊要求，ICDP委托德國PFZ(Geo-Forsechungs Zentrum)開發壹種新型鉆機——Innovalig(圖2)。與標準石油鉆機相比，該鉆機具有以下技術特點:可采用旋轉鉆井、常規取心、繩索取心和氣舉等不同技術進行鉆井；模塊化鉆機設計具有高安全標準和高自動化，綜合動力概念，沒有大繩液壓提升和進給系統，減少了環境汙染和噪音強度，減少了場地和地面，降低了鉆井成本。鉆機還預設了測井儀器存儲單元，並配有測井電纜導向器，可實現快速測井。基於質譜原理的鉆屑樣品采集器和泥漿氣體分析儀使得現場研究可以在原位進行；鉆井信息系統已與ICDP鉆井信息系統集成。鉆機技術參數為:發電機容量3×1540 kVA，驅動功率4000 kW，泥漿泵功率3×1000 kW，鉆進深度5000m，公稱鉤載3,500 kN，轉速220 rpm，扭矩40 ~ 75kn·m，提升油缸行程22 m，繩索取心絞車。
圖1“北極光”號研究破冰船
圖2德國創新鉆機
在通過鉆探直接獲取地下能源方面，冰島深鉆項目(IDDP)相當引人註目。冰島是壹個多火山的國家。在火山中心，高溫熱源被開發出來，用於蒸汽或水發電，提供局部熱量。在這些地區，壹口2000 ~ 3000米深的井，井底溫度300℃，井口溫度200℃，單井可發電500 ~ 2000千瓦。自2002年以來，鉆探至4000 ~ 5000米深度以調查地熱資源的準備工作壹直在進行。這項工作的目標是確定在淡水溫度和壓力的臨界點(374.15℃，22.12 MPa)以上的條件下，提取能量和化學液體在技術上和經濟上是否可行。2008年8月，第壹口深井將在冰島東北部的克拉夫拉地熱田鉆探。當這口井到達預定深度時，井底溫度將高達400 ~ 600℃，蒸汽產生的功率估計可達4 ~ 50W。如果IDDP的這壹預測得到證實，將會導致冰島和其他地區高溫地熱資源經濟的巨大進步。第壹口深井的資金已經落實，鉆井工程計劃在4 ~ 5個月內完成，2009年進行井眼循環試驗。
二、中國白堊紀大陸科學鉆探宋克壹井(北京)鉆探工程。
宋克1井是國家973計劃項目“白堊紀地表系統重大地質事件與溫室氣候變化”。為了獲取白堊紀地層的物性數據用於地學研究，是布置在我國東北松遼盆地的壹個環境科學鉆探項目。該項目由南井和北井(又稱主井)組成，井深分別為1810 m和1910 m，要求巖心采取率為90%。其中，南井完井後可轉為采油井，該井由大慶油田按照石油鉆井程序建造；北井只采集巖石樣品，由中國地質調查局勘查技術研究所承擔，中國地質大學和河南地礦工程公司組織合作施工。該井連續取心鉆井的要求使其不同於普通石油鉆井；鉆井遇到的地層是湖盆沈積，完井直徑156 mm，需要在井口安裝井內壓力控制系統，這與地質巖心鉆井不同。因此，北井施工的設備和工藝各有特色。
1.設備和管道-2000米水源鉆井設備
由於井深、井徑和井內安全鉆井的要求，該井使用的鉆桿直徑不應小於73mm，但國產巖心鉆機如果使用這種鉆桿，無法達到近2000m的鉆井深度，因此選用2000m水源鉆井設備。與鉆同樣井深的石油鉆機相比，它具有重量輕、體積小、功耗低、占地面積小、運行維護費用低等優點。吊卡上提鉆柱，旋出鉆機轉盤，操作簡單，配套緊湊；缺點是油管強度低，不像石油鉆井可以強力進給；鉆機轉速低，鉆硬巖時機械鉆速低；鉆機提升高度有限，起下鉆輔助時間長。
2.高架鉆井平臺——滿足井控設備的安裝要求。
2000米水源鉆機的鉆井平臺直接坐落在地面上。為了在井口安裝防噴器，設計了鋼基礎框架，平臺高度提高了2.1m(圖3)。鉆進結束時，機架承受200 kn設備靜載荷、400 kn懸重鉆柱鉆進載荷和7級以上大風載荷，無不安全跡象。
圖3鉆機底架效果設計
3.巖心鉆探-巖心鉆探技術
鉆具的規格和結構:
鉆頭外徑:156毫米。
普通雙管鉆具芯徑:96mm。
保真鉆具(三重管)芯徑:82mm。
最大巖心夾持長度:9m。
保真鉆具的尾管是PC有機材料管，透明度好，剛性好，化學性質穩定，用於保護松散樣品在鉆井過程中不受幹擾，取心時樣品可隨管提取，不會損壞。樣品易於保存和運輸，在試管中冷凍後可以進行切割和研究。
(1)流沙層液密保真取樣:162 ~ 211米深度的地層為未固結流沙層，鉆進時鉆具內腔必須與流動的鉆井液完全隔離，否則進入鉆頭的砂樣會部分或全部被侵蝕耗盡。使用設計的鉆具在砂層中鉆進近50m，取樣率為82%(圖4)。
圖4防液保真鉆具取樣效果
(2)適用於軟-中硬地層的塊式合金鉆頭:245-950米井段為壹段長的軟泥巖及其與脆性或致密泥巖和砂巖的互層。如果采用常規鉆頭結構，在軟泥巖中容易鉆進，在致密地層中機械鉆速低。還有，由於合金工具的抗崩性和耐磨性差，需要經常更換，鉆頭的剛性體價格昂貴。如果直接在剛體上更換工具，剛體的壽命會很短，成本也會增加。圖5a所示的排水排屑空間大的嵌入式結構，既消除了軟泥巖中鉆漿現象，又適應地層軟硬變化。900米進尺，剛性鉆進190次，純鉆近700小時，仍可使用5個鉆頭。鉆頭遇到的巖層如圖5b所示。
(3)在致密泥巖中采用旋挖結合螺桿鉆進:井深1250m後，地層進入黑色致密泥巖。無論是合金鉆頭還是PDC鉆頭，WOB提高到45kN，泵送能力950L/min，但機械鉆速只有0.2 ~ 0.3m/h，用孕鑲金剛石鉆頭的轉盤，機械鉆速只有0.5m/h左右。孕鑲鉆頭依靠的是破碎巖石的高速研磨，但由於設備Wainai的原因，作業時轉盤的最高轉速只允許為90 rpm。為了提高鉆頭速度和機械鉆速，啟動螺桿馬達驅動井底，同時低速(37轉/分)啟動轉盤，消除鉆柱和井壁之間的靜摩擦，以便均勻傳遞WOB。該措施的鉆井效果可從下表進行對比。
圖5鑲嵌合金鉆頭及其鉆進效果
當代地球科學的發展趨勢:第33屆國際地質大會的焦點
(4)水力取心器:常規鉆具的巖心需要直接從內管中取出。對於大直徑鉆具，傳統的取心方法不僅勞動強度大、取心時間長，而且由於堵管、機械振動、巖心自由下落等原因造成塑性脆性巖心變形和脆性巖心損壞，地層原始信息被人為破壞。該井研制的水力取心裝置只需將送漿管連接到鉆具上，然後密封內外管下端的環形間隙，利用水壓將巖心推出內管，省去了傳統取心方法的所有環節，真正實現了常規鉆具巖心的無損取心。該裝置的原理和現場工作如圖5所示。
(5)泥漿護壁成果:壹開地層為松散流砂層和軟泥巖，泥漿工藝不達標，容易造成卡鉆、埋鉆等井下事故，也可能因長井段坍塌而導致棄鉆。從壹開到完鉆用時53日歷天，在流砂層和軟泥巖層中起下鉆110次，不僅從未造成井內險情，而且井徑規則，沈降量小。固井期間，井內流體註入表明，該井的超徑系數小於1.08。二開井段總長1.566米，上部為軟水敏泥巖夾脆脆砂巖和礫巖，850 ~ 1.500米包含多段易掉地層。從二開到裸眼完鉆用時193日歷天，共上提鉆具295次。沒有因水敏地層的膨脹收縮和脆性地層的脫落造成卡鉆事故。
4.全面審查
(1)取心鉆探技術指標(見下頁表格)。
(2)南、北井技術經濟對比:北井采用水源鉆探設備和巖心鉆探技術，歷時8個月，鉆探深度1811 m，取心進尺1630 m，巖心收獲率95%；南井采用石油鉆井設備和技術，歷時3個月。鉆探深度1915米，取心進尺965米，巖心收獲率98%。對比兩口井的客觀條件，北井雖然取心困難，但遇到的地層復雜，有50米的松散流砂層和500米的極密泥巖，施工方進場時對地層性質壹無所知，總體來說，兩種方法的巖心收獲率都能滿足科研要求。石油鉆井設備的鉆井效率遠高於水上鉆井設備；石油鉆井設備的工程造價是水上鉆井設備的三倍以上。因此，在項目進度滿足科研進度的前提下，選擇組合鉆井技術實施環境科學鉆探項目，是有效降低科研費用的可行途徑。
當代地球科學的發展趨勢:第33屆國際地質大會的焦點
(作者朱永毅)