第一部分概述 

　　　　地球为人类提供了资源、能源、生活空间和生存环境，但同时又给人类带来了地质灾害（地震、火山和泥石流等）。人类为了自身生存的需要，迫切地希望了解地球。但是，地球的身体硕大，其半径将近6400公里，相当于我们从北京到海南走一个来回还要多（图1-1）。故而，迄今为止，人类对地球内部仍然所知甚少。长期以来，科学家们试图运用各种方法来探测与研究地球内部，但所获得的认识都是有限的。科学钻探是目前能直接获取地下实物数据资料的唯一技术方法，是人类解决所面临的资源、灾害、环境等重大问题不可或缺的重要手段，被誉为“伸入地壳的望远镜”。 

　　图1-1 人类的家园——地球 

　　　　所谓钻探通俗的讲就是“定个点，打个眼”，即在指定地点钻一个相对很深的可以接近地球心脏的孔。科学钻探就是为科学研究目的进行的钻探，更确切地说是为了地质学科学研究进行的钻探。类似我们平时打的水井，只不过深度要放长千倍以上。通过钻探工程取出地下深部岩石、矿石样品供科学家化验、分析、测试研究，这样，通过望闻问切，就能准确了解地球的身体状况，达到科学研究了解地下深部信息的目的。 

　　　　根据钻孔（井）深度不同，钻孔（井）分为浅、深、特深、超深孔（井）。因各档之间界限没有统一标准，具体到某一深度的孔（井）不同领域有不同称呼，但对于超过10000米的钻井一定是超深井。 

　　　　截至目前，世界上最深的钻孔（井）是前苏联在科拉半岛钻成的科拉科学超深井，深度12262米，其次是德国实施的KTB科学钻井，井深9001米。在此之前，所钻最深井是石油钻井，最深可达7000-8000米。石油勘探对深井钻井技术的促进作用远大于任何其他矿山勘探开发活动。这是因为我们没有必要像煤矿、金矿开采那样把人送到井下，所以石油钻井井孔直径相对煤矿矿井等要小得多，井深也深得多。此外，根据储油层结构不同，石油钻井井身结构设计亦有不同型式，多数情况下设计为直井（图1-2）。对于薄油层开采井及近海大陆架石油井，为了减少钻井数量或降低钻井成本，多设计成定向水平井（图1-3）。 

　　图1-2 垂直井钻井示意图    

　　图1-3 定向水平井钻井示意图 

　　　　科学钻探首先要确定钻井井位，这一般由地质学家根据需要指定。如汶川地震后178天，我们就在四川省都江堰市虹口乡展开汶川地震断裂带科学钻探工程，这是我国第一次围绕大地震的主题进行的科学钻探，为未来地震的监测、预报或预警提供最基础的数据。像盖房子一样，钻井井位确定之后，我们要平整场地，进行钻探机场地基修筑，安装好钻机设备（钻孔施工所使用的地面设备总称。包括钻探机、动力机、泥浆泵、钻塔等）。科学钻井所用设备一般采用能力相当的石油钻井设备，比如德国KTB科学钻井。也有为科学钻井设计制造专用设备的，比如前苏联科拉超深井。钻机要有足够的动力，钻塔必须具有足够的高度，这样才能通过它将长达数千米的钻杆下放到孔内进行钻进。 

　　　　钻进时钻杆柱下端安装有切削钻头，其上端由钻机动力机驱动带动整个钻杆柱和钻头回转，从而达到克取岩石达到钻进的目的。整个钻进过程就像我们的身体驱动臂膀，用力伸手去抓取东西一样，胳膊越长，力气越大，抓取的东西越快，伸的也就越远。 

　　　　钻进过程中每隔一段时间，我们需要提一次钻，用来更换磨损的钻头钻具或提取卡取的岩心，像辘轳取水一样通过钻塔和滑车系统将钻杆一节一节的提出孔外。地下岩石、矿石样品的提取有两种方式，普通单管提钻取心和绳索取心。像小时候玩的贪吃蛇游戏，蛇越钻越深，越吃越多，当胃容量达到饱和也就是存取岩心的岩心管已满和的时候我们就要将它取出来。第一种方法就是将整条蛇全部拎出来，简便易行，但身子短时尚可，要是几千米的话光提一次钻就要花上几天的时间，费时费力；第二种方法就是从蛇尾部下一个带绳索的打捞器，下入到最底部后将已满和的胃部岩心管卡取打捞上来，取出岩心另行保存后，再将岩心管送入孔底。这样就可以大大提高钻进效率，让蛇吃的更快，长得更长，钻进的更深。 

　　　　在钻进过程中，由于深入孔内的钻杆钻具只有不断地像螺丝一样回转才能克取岩心，通过摩擦会产生大量的热量，降低钻杆钻具的寿命，这就需要使用泥浆来对其降温。泥浆是泥土和水混合而成的半流体，就像给钻杆擦了一层清凉油，在降温的同时，还可以起到护肤的作用，保护孔壁和从孔底携带泥沙上返。 

　　　　科学钻探说起来容易做起来难，因为在深达数千米的地下到底是何状况我们一无所知。地球由地壳、地幔和地核（外核、内核）组成，地核的组成物质以铁、镍为主，温度可达上千摄氏度（图1-4）。地球的圈层结构决定了从地球表面开始越往深处温度越高。因此，地壳内存在一个地温梯度——越是深入到地球心脏温度会越高，大约每深入一百米温度上升3℃，这样钻至10000米深时温度已经上升了300℃。同时，地壳内部还存在着地应力，它是引起采矿、水利水电、土木建筑、铁道、公路、军事和其他各种地下或露天岩土开挖工程变形和破坏的根本作用力，对我们钻探而言也是很大的困难。就像塞得满满一包的棉花，他们内部之间都是相互呼应的，一旦袋子破了开了口子，就会相互拥挤着往外跑，一发不可收拾。所以在钻进过程中我们必须采取各种措施预防和应对地温梯度和地应力的存在。包括研制耐高温泥浆，耐高温钻头和高强度管材等等。 

　　图1-4 地球圈层结构示意图 

　　　　同时我们还要注意钻井安全，一旦钻孔达到含油地层，石油在地下气体和水的压力作用下通常会自流到或喷出到地表形成井喷，造成重大伤亡事故（图1-5）。钻井时，地下气体和水的压力必须得到控制。控制地下气体和水的压力由通过钻杆循环到井底的泥浆来实现。井内压力大时，增加泥浆比重，反之则用较小比重的泥浆钻进。我们要尽量避免井喷的发生，井喷会造成石油和天然气的损失，同时，还要用一种可控的方法将地下石油天然气开采出来，为我所用。 

　　图1-5 石油天然气井井喷事故 

　　　　总之，超万米科学超深井是施工难度很大、风险很高的钻井工程，实施过程中将会遇到一系列的难题。为此，我们将对其关键技术进行探讨研究，为未来科学超深井钻探提供可靠有利保障，为地壳探测工程提供技术服务。 

　　　　第二部分 世界科学钻探概况 

　　　　一、科学钻探的意义 

　　　　地球在为人类提供资源、能源、生活空间和生存环境的同时，有时也会给人类带来灾难。地震、火山喷发、泥石流、海底地震引起的海啸等自然灾害时常发生，常常造成大量人员伤亡。人类为了自身生存的需要，迫切希望了解地球。但迄今为止，人类对地球内部仍然所知甚少。长期以来，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。科学钻探是目前能直接获取地下实物数据和提供测量信道的唯一技术方法，是人类解决所面临的资源、灾害、环境等重大问题不可或缺的重要手段，被誉为“伸入地壳的望远镜”。 

　　　　科学钻探可用来至少实现以下10个方面的地学研究目标： 

　　　　⑴了解地壳深部的过程、状态、结构、构造和成分，研究岩石圈动力学和演变； 

　　　　⑵查明地球物理接口和异常的本质，提高地球物理数据的解释精度—地球物理校正； 

　　　　⑶寻找深部矿产资源； 

　　　　⑷勘探与开发深部能源（常规碳氢化合物与非生物碳氢化合物和干热岩地热）； 

　　　　⑸开展地震和火山灾害预报监测； 

　　　　⑹勘探核废料和其它有害废料的储埋地点； 

　　　　⑺了解生物圈的性质和下界限； 

　　　　⑻研究地球的气候史以及全球气候和环境的变化； 

　　　　⑼研究陨石冲击和生物灭绝事件； 

　　　　⑽发展地质勘查技术，提高人类在恶劣条件下，向地球的内层空间前进，探索深层奥秘的能力。 

　　　　二、海洋科学钻探 

　　　　世界上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”。该计划于二十世纪五十年代末启动，目的是要钻透莫霍面（地壳和地幔的接口），实现地学研究的重大突破。该计划的第一口科学钻孔于1961年3月开钻。由于实施技术难度大和费用高昂，该计划于1966年8月终止。 

　　　　1966年6月，美国发起了“深海钻探计划”（Deep Sea Drilling Project，简称DSDP），其目的是在世界各大洋施工大量深度较浅的钻孔，采集沉积层样品和岩心, 研究洋底上部地壳。该计划由地球深部取样海洋研究机构联合体（JOIDES）实施，由斯克利浦斯海洋研究所牵头，采用“格洛玛?挑战者”号科学钻探船。该计划起初由美国单独执行，后逐渐发展成有多国参加的国际性计划。该计划于1983年结束。 

　　　　“大洋钻探计划”（Ocean Drilling Program，简称ODP）是“深海钻探计划”的延续。该计划从1985年1月开始实施，于2002年结束。ODP的学术领导机构是JOIDES （地球深部取样海洋研究机构联合体），执行和实施机构是得克萨斯农工大学。参与该计划的最初有美国、德国、法国、日本、英国、加拿大、澳大利亚和代表12个国家的欧洲科学基金会，我国于1998年春天作为“参与成员”加入。ODP采用“乔迪斯·决心”号（JOIDES Resolution）钻探船（图2-1）。该钻探船比DSDP的“格洛玛?挑战者”号的装备条件和技术能力要强得多。 

　　图2-1 “乔迪斯●决心”号钻探船 

　　　　深海钻探计划（DSDP）和大洋钻探计划（ODP）是20 世纪地球科学规模最大、历时最久的国际合作研究计划，三十余年来在全球各大洋钻井2889 口，取岩心31.5 万余米。科学家通过研究，验证了大陆漂移和海底扩张假说以及板块构造理论、创立了古海洋学、揭示了洋壳结构和海底高原的形成、证实了气候演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的作用、发现了海底深部生物圈和天然气水合物，导致地球科学一次又一次的重大突破。 

　　　　大洋钻探计划（ODP）于2003 年10 月转入“综合大洋钻探计划（IODP）”的新阶段。综合大洋钻探以“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。IODP 的钻探范围将扩大到全球所有海区（包括陆架浅海和极地海区），研究领域从地球科学扩大到生命科学，手段从钻探扩大到海底深部观测网和井下试验。美国、日本等国的投入有重大增加。IODP 的年度总预算将达到1.6 亿美元，是ODP 的四倍。 

　　　　与DSDP、ODP仅仅依靠一艘钻探船的情况不同，综合大洋钻探计划的一个主要特点是将以多个钻探平台为主，除了类似于“乔迪斯·决心”号这样的非立管钻探船以外，日本斥资5.4亿美元建造的五万吨级的立管钻探船“地球”号（Chikyu）（图2-2）也加盟到IODP计划中。一些能在海冰区和浅海区钻探的钻探平台也加入了IODP。 

　　图2-2 “地球”号钻探船 

　　　　三、大陆科学钻探 

　　　　（一）国外大陆科学钻探 

　　　　大陆地壳远比洋壳古老，隐藏有更多的地球奥秘，大陆还是人类直接居住、获取主要矿产与其它资源以及遭受地质灾害威胁最大的地方，因此人们迫切希望通过大陆科学钻探来更多和更深入地了解大陆。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正式成立之前，许多国家就已经开展了大陆科学钻探。 

　　　　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（图2-3），至1986 年达到12262m 井深，成为当今世界最深的钻井。前苏联共实施了11 个科学超深井和深井，除了科拉超深井之外，其他的著名超深井有萨阿特累超深井、乌拉尔超深井、克里沃罗格超深井、第聂伯－顿涅茨克科学钻井、秋明超深井、迪尔劳兹深井等。 

　　图2-3 前苏联科拉超深井  

　　　　德国实施了举世闻名的“联邦德国大陆深钻计划（KTB）”，在华力西缝合带的结晶地块中先后钻了一个4000.1m 深井和一个9101m 的超深井，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。 

　　　　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、长谷地热勘探项目、瓦莱斯破火山口科学钻探项目、上地壳项目等。 

　　　　1982 年，法国的科学家提出了100 个须通过科学钻探解决的地学问题，从中选定了12 个问题，计划实施科学钻探，已完成了3 个，其钻孔深度分别为900m、1400m 和3500m。 

　　　　瑞典国家动力委员会在瑞典中部Gravberg 地区的锡利扬陨石撞击构造，施工了一口6950m 深的科学探井，以寻找非生物成因的石油和天然气。 

　　　　瑞典、瑞士和英国分别实施了以核废料储埋点勘察为目的的科学钻探，钻孔深度一般为1000～2000m，最深为2500m。加拿大等国均制定了大陆科学钻探计划，开展浅孔科学钻探工作。 

　　　　日本制定了为期10 年超深钻计划，拟在太平洋、菲律宾及亚洲板块结合带上打超深井。目前已施工了一些以火山和地震研究为目标的浅至中深科学钻孔。 

　　　　（二）我国大陆科学钻探 

　　　　迄今为止，我国已经完成或正在实施的大陆科学钻探工程共有四项。 

　　　　1. 中国大陆科学钻探工程 

　　　　我国从2001年开始实施“中国大陆科学钻探工程”（图2-4），它位于世界著名的中国大别-苏鲁超高压变质带东部连云港市东海县，以解决板块会聚边界的大陆深俯冲及地幔动力学为科学目标，受到国际地学界高度瞩目。 

　　图2-4 中国大陆科学钻探施工现场  

　　　　该工程2001年6月25日正式开钻，时任国务院副总理温家宝给工程开钻发去了贺信。采用组合式钻探技术，即利用石油钻机的强大提升能力，结合地质勘探金刚石取心钻探方法，完成深孔、硬岩、大直径连续取心的项目要求（图2-5）。 

　　图2-5 组合式钻探技术 

　　　　经历了近四年时间，于2005年4月完成施工，在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。时任国务院副总理曾培炎应邀出席了在施工现场举行的竣工典礼。 

　　　　2. 青海湖科学钻探 

　　　　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（图2-6），该设备是由美国提供的，由积木式驳船和钻机组成。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。 

　　图2-6 青海湖科学钻探GLD800钻机 

　　　　3. 汶川地震断裂带大陆科学钻探 

　　　　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”。该项目的任务是施工5口科学钻井（图2-7），钻井深度范围为550m至2338m，为地震研究提供岩心和测井资料，为在地层深部进行科学实验提供通道。由于施工地层非常破碎，且现场多次遭遇山洪、泥石流等地质灾害，项目完成时间由计划的2011年12月延期至2014年6月。 

　　图2-7 汶川科学钻探KZ-30-DB钻机 

　　　　4. 松辽盆地大陆科学钻探计划 

　　　　松辽盆地大陆科学钻探计划，由布置在大庆地区周边的松科1井（分南孔和北孔）和松科2井（分东孔和西孔）组成（图2-8），“2井4孔”分别对白垩纪不同层段进行取心钻进，最终连接各井岩心构造松辽盆地白垩纪完整的地质综合剖面。2009年，在国家973计划和大庆石油管理局资助完成的松科1井成果基础上，中国地质大学（北京）牵头组织的“松辽盆地大陆科学钻探”项目申报，获国际大陆科学钻探计划（ICDP）批准。2012年，由国土资源部批准立项、地质矿产调查评价财政专项资助、中国地质调查局组织、中国地质调查局勘探技术研究所承担的“松辽盆地深部资源与环境钻探工程示范”项目起动，实施松辽盆地科学钻探计划的主体工程——松科2井（东井）（以下简称松科2井）。 

　　图2-8 松辽盆地“二井四孔”在东西向大剖面上的投影 

　　　　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。设计深度6400m的“松科二井”于2014年4月13日开钻（图2-9）。松辽盆地国际大陆科学钻探工程的总体目标是：通过科学钻探工程，实现“两井四孔、万米连续取心”，填补完整的、连续的白垩纪陆相沉积记录世界空白，为研究距今6500万年至1.4亿年间地球温室气候和环境变化奠定坚实研究基础，建立起为建设“百年大庆”和基础地质服务的“金柱子”。同时，通过获取松辽盆地深达6400m的原位、连续地球物理参数，为松辽盆地及其相关类似盆地的地球物理勘探提供科学“标尺”。通过该项目的实施，在大陆深部科学钻探关键技术研究方面，全面提升我国深部科学钻探技术水平，最终形成具有我国自主知识产权的科学钻探技术和方法体系，为我国万米超深井科学钻探提供技术储备；使我国深部大陆科学钻探技术研发水平达到国际先进水平，为我国重大地球科学新发现和矿产资源储量快速增加提供技术保障。 

　　图2-9 松科二井施工现场 

　　　　此外，我国在深部探测计划专项的范围内，围绕超万米科学钻井的选址工作，施工了6-7口深度2000m-3000m的小直径科学钻孔。 

　　　　（三）国际大陆科学钻探计划（ICDP） 

　　　　为了协调世界范围内的大陆科学钻探活动，减轻各国在实施该项活动时的成本和风险，实现成果共享，最终促进大陆科学钻探在地学研究中的推广应用，1996年2月由德国、美国和中国发起成立了“国际大陆科学钻探计划（ICDP）”，其总部设在位于德国波茨坦的德国地学研究中心（GFZ）。ICDP 成立至今已15年，共有24个成员，包括德国、美国、中国、日本、墨西哥、波兰、加拿大、奥地利、冰岛、挪威、意大利、西班牙、瑞典、法国、以色列、捷克、南非、芬兰、新西兰、瑞士、印度和荷兰共22个国家，以及联合国教科文组织（UNESCO）和斯伦贝谢公司两个团体成员。该计划从启动以来，已资助了数十个科学钻探项目，不断还有新的国家和团体加入或申请加入该计划。我国的“中国大别－苏鲁超高压变质带大陆科学钻探项目”、“青海湖科学钻探项目”和“白垩纪松辽盆地大陆科学钻探项目”先后被列为ICDP项目，得到了国际大陆科学钻探计划组织的资助。 

　　　　注：本宣传材料主要内容节选自张金昌等编著、地质出版社出版的《科学超深井钻探技术方案预研究科普报告》一书，部分材料来源于王达等编著、科学出版社出版的《中国大陆科学钻探工程科钻一井钻探工程技术》一书。