地質(zhì)超深鉆探技術(shù)國家專業(yè)實驗室

深部地質(zhì)鉆探應(yīng)用基礎(chǔ)理論研究

地質(zhì)鉆探裝備與機(jī)具研究

地質(zhì)鉆探及環(huán)境鉆探鉆進(jìn)工藝技術(shù)研究

井底動力機(jī)具研究

2011年，在地質(zhì)超深鉆探技術(shù)國家專業(yè)實驗室的基礎(chǔ)上組建了深部地質(zhì)鉆探技術(shù)國土資源部重點(diǎn)實驗室，承傳中國地質(zhì)大學(xué)（北京）探礦工程學(xué)科近60年積累，整合相關(guān)學(xué)科優(yōu)勢資源，在國土資源部和依托單位的支持下，于2011年通過評審，開始新一輪建設(shè)。實驗室針對資源與環(huán)境中地質(zhì)鉆探技術(shù)有關(guān)科學(xué)與關(guān)鍵技術(shù)問題開展系統(tǒng)研究，凝練出深部地質(zhì)鉆探應(yīng)用基礎(chǔ)理論研究、地質(zhì)鉆探裝備與機(jī)具研究、地質(zhì)鉆探及環(huán)境鉆探鉆進(jìn)工藝技術(shù)研究等三個主要研究方向。

近年來開展“聲頻振動鉆機(jī)及鉆探技術(shù)研究” 、“井下閉環(huán)高精度導(dǎo)向鉆進(jìn)技術(shù)研究”、“萬米深孔高溫高壓取心渦輪鉆具及其應(yīng)用技術(shù)”等國際合作重點(diǎn)項目3項，國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項目子課題及青年基金3項，教育部博士點(diǎn)基金、國家國土公益項目、地調(diào)項目以及相關(guān)科研項目20多項，取得突出的科研成果，在聲頻振動鉆進(jìn)技術(shù)、井下閉環(huán)鉆井技術(shù)、環(huán)境鉆探技術(shù)、智能化自動化鉆進(jìn)技術(shù)、頁巖氣鉆探技術(shù)等方面形成了鮮明的特色，在本領(lǐng)域具有較大影響力，其中聲頻振動鉆進(jìn)技術(shù)填補(bǔ)國內(nèi)空白，獲2009年國際工業(yè)博覽會高校展區(qū)二等獎，該技術(shù)已完成系列研究；研發(fā)的系列鉆具獲得專利10余項，部分已經(jīng)在現(xiàn)場得到成功應(yīng)用。

截止到2014年，實驗室現(xiàn)有主要研究人員35名：教授18人、副教授11人。擁有王達(dá)、張偉等大學(xué)科學(xué)鉆探的專家組成了專家委員會，同時一批探礦工程界的老專家作為學(xué)術(shù)顧問。實驗室與美國休斯頓大學(xué)開展國際合作，與俄羅斯開展國際合作項目。實驗室在讀碩士研究生58人，博士研究生3人。

實驗室以國家目標(biāo)和任務(wù)為導(dǎo)向，針對深部礦產(chǎn)資源勘探、地殼探測工程、深部地?zé)豳Y源勘探與開發(fā)、非常規(guī)油氣資源與開發(fā)等國家重大工程需求，瞄準(zhǔn)國際前沿鉆探技術(shù)，認(rèn)真實行“開放、流動、聯(lián)合、競爭”的運(yùn)行機(jī)制，積極開展國際合作與交流，本著“求真、探索、務(wù)實、創(chuàng)新”的精神，努力創(chuàng)建深部地質(zhì)鉆探核心關(guān)鍵技術(shù)的開放研究平臺、高級人才培養(yǎng)基地和國際合作交流平臺。

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主要介紹前蘇聯(lián)、美國、德國、中國等超深孔鉆探的情況：

①前蘇聯(lián)。20世紀(jì)60年代初，地質(zhì)學(xué)家Н.А.別利亞耶夫斯基等根據(jù)深部地球物理資料提出，為獲得整個地殼剖面，至少要在6個地區(qū)打超深孔。蘇聯(lián)國家科委為統(tǒng)一協(xié)調(diào)超深孔鉆探規(guī)劃，組建了“地球地下資源研究與超深孔鉆探部門科學(xué)委員會”。由Е.А.科茲洛夫斯基任主席。有95個生產(chǎn)和科研單位參加。設(shè)計施工超深孔約18口。其中СГ－1井設(shè)計深度12000米（在烏拉爾的馬格尼托哥爾斯克復(fù)背斜）;СГ-2井設(shè)計深度15000米（阿塞拜疆的薩阿特雷）；СГ－3井設(shè)計深度15000米（科拉半島）。其他15口為6000米左右的衛(wèi)星井。СГ-3井到1986年3月已達(dá)12300米，居世界領(lǐng)先地位。

在超深孔鉆探中意外地發(fā)現(xiàn)：在7000～8000米深的巖層中，有礦化水和大量溫度達(dá) 150℃的二氧化碳、氦、氫和碳?xì)浠衔餁怏w；在巖石中還有20億年前的生物化石；火成巖比預(yù)估的要厚得多；預(yù)計在4500米左右遇到太古宙巖層，實際上在6800米才遇到；過去認(rèn)為地震波傳播速度突變處就是康拉德面（即地殼花崗巖與深部玄武巖的交界處），物探探測為7000米，而11000米還未遇到。這使水熱礦床和油氣形成的傳統(tǒng)理論遇到挑戰(zhàn)。蘇聯(lián)科學(xué)家認(rèn)為，在4700米以下，用折射波識別地震波折射和多種巖石結(jié)構(gòu)的單道地震速率來劃分層位是錯誤的。

②美國。1961年，美國開始實施莫霍計劃 （MoholeProject），在加利福尼亞灣外試鉆，此后在墨西哥西海岸外鉆到玄武巖，因多種原因而中途終止計劃執(zhí)行。1965年，美國組建了"海洋地球深部取樣聯(lián)合機(jī)構(gòu)”（JOIDES），由蘇、英、日、聯(lián)邦德國等參加商定進(jìn)行“深海鉆探計劃”。

1968～1983年正式執(zhí)行“深海鉆探計劃”，用“格洛瑪·挑戰(zhàn)者”號鉆探船航遍各大洋，在96個航次中共航行60萬公里，在624個工作點(diǎn)上鉆了1092個鉆孔，取巖心近9.8萬米，最大工作水深6247米，水下最大鉆進(jìn)深度1412米，鉆入玄武巖最深583米，編成的《深海鉆探計劃初步報告》至1985年已達(dá)40多卷，對地球科學(xué)、海洋科學(xué)做出了巨大貢獻(xiàn)。

1974年，美國在俄克拉何馬州鉆成了羅杰斯1號超深孔，深9583米。1984年 3月，在美國國家科學(xué)基金會領(lǐng)導(dǎo)下，由23所大學(xué)參加組建了地殼深部觀測與取樣組織（ECDOSO）。1985年一些科學(xué)家提出33份有關(guān)科學(xué)鉆探的建議，分設(shè)“大洋鉆探計劃”（ODP）及“大陸科學(xué)鉆探計劃”（CSDP），這兩個計劃是相輔相成的，美國大陸共選定井位29處，1986年在索爾頓海的以研究地?zé)釣橹鞯谝豢谏羁子?月完工，井底溫度高達(dá)365℃。

③德國。1985年，聯(lián)邦德國成立了“大陸深孔鉆探”（KTB）組織，在聯(lián)邦德國科技部（BMFT）領(lǐng)導(dǎo)下，選定兩個深孔孔位，代號分別為ENV和ZTT。ENV先導(dǎo)孔于1987年9月18日開鉆，孔深達(dá)到4000.1米，于1988年4月完成。主孔設(shè)計深度為12000米已于1990年9月正式開鉆。

④中國。中國開展深部地質(zhì)學(xué)研究已取得一些成果，并參加了“國際巖石圈計劃”。1978年為石油勘探鉆成一口深7175米的超深井，1988年起已籌辦超深孔地質(zhì)鉆探。2001年中國實施大陸科學(xué)鉆探工程CCSD—l孔，該鉆孔于2001年4月18日在江蘇省東?？h安峰鎮(zhèn)毛北村北側(cè)破土動工。2005年3月該井井深達(dá)到5158米，孔徑256毫米，終孔。投資額1.5億元，鉆探工程將歷時5年。2007年，中國成功實施了全球第一口陸相白堊紀(jì)科學(xué)鉆探井松科一井（SK-1），連續(xù)獲取巖心2485.89米，取心率達(dá)96.46%。 。2014年4月13日，松科二井順利開鉆，到2014年8月8日已鉆進(jìn)2826m?！八煽贫睂⑹侨虻谝豢阢@穿白堊紀(jì)陸相地層的大陸科學(xué)鉆探井，其設(shè)計井深為6400m，為ICDP迄今為止所資助項目之最深科學(xué)鉆探井，也是我國第一深的科學(xué)鉆探井。松遼盆地大陸科學(xué)鉆探工程的實施，將獲取大約4500米的關(guān)鍵巖心。它與2007年10月完成的松科一井，將實現(xiàn)“兩井四孔、萬米連續(xù)取心”， 構(gòu)成全球首個近乎完整的白堊紀(jì)陸相沉積記錄，從而獲取白堊紀(jì)時期亞洲東部高分辨率氣候環(huán)境變化記錄 。

⑤其他國家。法國、意大利、捷克和斯洛伐克、羅馬尼亞等分別鉆了多口超深孔。日本、澳大利亞等國參加了“深海鉆探計劃”和“大洋鉆探計劃”。

超深孔鉆探與一般的鉆探相比，有如下特殊性。①孔位應(yīng)選在地殼盡可能裸露的結(jié)晶巖地區(qū)。②要盡量取出全套地層的地下地質(zhì)實物資料，如巖心、巖屑、側(cè)壁巖樣、液態(tài)和氣態(tài)樣；進(jìn)行地球物理測井和采集地球化學(xué)信息資料。③為減輕鉆探設(shè)備的總重量、節(jié)約功率總消耗，使用高強(qiáng)度輕合金鉆桿;為保持長鉆桿柱（3000～15000米）的高度穩(wěn)定性、預(yù)防鉆孔彎曲，大量削減起下鉆次數(shù)，降低非生產(chǎn)時間和勞動強(qiáng)度，要采用與孔底動力機(jī)（渦輪鉆、螺桿鉆、沖擊回轉(zhuǎn)鉆）結(jié)合的繩索取心和孔底換鉆頭等新技術(shù)。④結(jié)晶巖堅硬，要研制全新式長壽命金剛石鉆頭。⑤由于鉆探工作是在高溫、（150～400℃）、高壓（100～150MPa）狀態(tài)下進(jìn)行，各類孔底動力機(jī)、鉆頭、測井儀器、電纜等都要提高耐高溫、高壓的能力，還必須采用抗高溫的鉆井液材料和處理劑。

超深孔地質(zhì)鉆探主要有以下 7個：①研究深部地質(zhì)學(xué)、實施“國際巖石圈計劃”（ILP）的主要手段之一;②探察地殼和上地幔的結(jié)構(gòu)，研究其物質(zhì)組分和礦產(chǎn)分布規(guī)律，研究新的成礦理論；③驗證深層地球物探探測資料；④探索地震預(yù)報新途徑；⑤在火山巖區(qū)勘探和開發(fā)“干熱巖”地?zé)崮茉?；⑥作為地殼深部長期觀測孔站，裝置儀器長期觀測地磁、地電、地應(yīng)力、地?zé)嶙兓?，掌握地殼活動?guī)律，研究巖礦成因、變質(zhì)作用、物相轉(zhuǎn)化、合成礦物的條件等；⑦作為地殼深部核廢料處理場。