地質(zhì)超深鉆探技術(shù)國(guó)家專業(yè)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)室新的發(fā)展階段

2011年，在地質(zhì)超深鉆探技術(shù)國(guó)家專業(yè)實(shí)驗(yàn)室的基礎(chǔ)上組建了深部地質(zhì)鉆探技術(shù)國(guó)土資源部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，承傳中國(guó)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(shì)資源，在國(guó)土資源部和依托單位的支持下，于2011年通過(guò)評(píng)審，開(kāi)始新一輪建設(shè)。實(shí)驗(yàn)室針對(duì)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(wèn)題開(kāi)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(gè)主要研究方向。

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(dòng)力機(jī)具研究

截止到2014年，實(shí)驗(yàn)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(huì)，同時(shí)一批探礦工程界的老專家作為學(xué)術(shù)顧問(wèn)。實(shí)驗(yàn)室與美國(guó)休斯頓大學(xué)開(kāi)展國(guó)際合作，與俄羅斯開(kāi)展國(guó)際合作項(xiàng)目。實(shí)驗(yàn)室在讀碩士研究生58人，博士研究生3人。

近年來(lái)開(kāi)展“聲頻振動(dòng)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(wàn)米深孔高溫高壓取心渦輪鉆具及其應(yīng)用技術(shù)”等國(guó)際合作重點(diǎn)項(xiàng)目3項(xiàng)，國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目子課題及青年基金3項(xiàng)，教育部博士點(diǎn)基金、國(guó)家國(guó)土公益項(xiàng)目、地調(diào)項(xiàng)目以及相關(guān)科研項(xiàng)目20多項(xiàng)，取得突出的科研成果，在聲頻振動(dòng)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(dòng)化鉆進(jìn)技術(shù)、頁(yè)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(dòng)鉆進(jìn)技術(shù)填補(bǔ)國(guó)內(nèi)空白，獲2009年國(guó)際工業(yè)博覽會(huì)高校展區(qū)二等獎(jiǎng)，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(xiàng)，部分已經(jīng)在現(xiàn)場(chǎng)得到成功應(yīng)用。

實(shí)驗(yàn)室以國(guó)家目標(biāo)和任務(wù)為導(dǎo)向，針對(duì)深部礦產(chǎn)資源勘探、地殼探測(cè)工程、深部地?zé)豳Y源勘探與開(kāi)發(fā)、非常規(guī)油氣資源與開(kāi)發(fā)等國(guó)家重大工程需求，瞄準(zhǔn)國(guó)際前沿鉆探技術(shù)，認(rèn)真實(shí)行“開(kāi)放、流動(dòng)、聯(lián)合、競(jìng)爭(zhēng)”的運(yùn)行機(jī)制，積極開(kāi)展國(guó)際合作與交流，本著“求真、探索、務(wù)實(shí)、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(kāi)放研究平臺(tái)、高級(jí)人才培養(yǎng)基地和國(guó)際合作交流平臺(tái)。

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主要介紹前蘇聯(lián)、美國(guó)、德國(guó)、中國(guó)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(gè)地殼剖面，至少要在6個(gè)地區(qū)打超深孔。蘇聯(lián)國(guó)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(huì)”。由Е.А.科茲洛夫斯基任主席。有95個(gè)生產(chǎn)和科研單位參加。設(shè)計(jì)施工超深孔約18口。其中СГ－1井設(shè)計(jì)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(jì)深度15000米（阿塞拜疆的薩阿特雷）；СГ－3井設(shè)計(jì)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(jì)在4500米左右遇到太古宙巖層，實(shí)際上在6800米才遇到；過(guò)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(cè)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(shí)別地震波折射和多種巖石結(jié)構(gòu)的單道地震速率來(lái)劃分層位是錯(cuò)誤的。

②美國(guó)。1961年，美國(guó)開(kāi)始實(shí)施莫霍計(jì)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(jì)劃執(zhí)行。1965年，美國(guó)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(guó)等參加商定進(jìn)行“深海鉆探計(jì)劃”。

1968～1983年正式執(zhí)行“深海鉆探計(jì)劃”，用“格洛瑪·挑戰(zhàn)者”號(hào)鉆探船航遍各大洋，在96個(gè)航次中共航行60萬(wàn)公里，在624個(gè)工作點(diǎn)上鉆了1092個(gè)鉆孔，取巖心近9.8萬(wàn)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(jì)劃初步報(bào)告》至1985年已達(dá)40多卷，對(duì)地球科學(xué)、海洋科學(xué)做出了巨大貢獻(xiàn)。

1974年，美國(guó)在俄克拉何馬州鉆成了羅杰斯1號(hào)超深孔，深9583米。1984年 3月，在美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)領(lǐng)導(dǎo)下，由23所大學(xué)參加組建了地殼深部觀測(cè)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(jì)劃”（ODP）及“大陸科學(xué)鉆探計(jì)劃”（CSDP），這兩個(gè)計(jì)劃是相輔相成的，美國(guó)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(guó)。1985年，聯(lián)邦德國(guó)成立了“大陸深孔鉆探”（KTB）組織，在聯(lián)邦德國(guó)科技部（BMFT）領(lǐng)導(dǎo)下，選定兩個(gè)深孔孔位，代號(hào)分別為ENV和ZTT。ENV先導(dǎo)孔于1987年9月18日開(kāi)鉆，孔深達(dá)到4000.1米，于1988年4月完成。主孔設(shè)計(jì)深度為12000米已于1990年9月正式開(kāi)鉆。

④中國(guó)。中國(guó)開(kāi)展深部地質(zhì)學(xué)研究已取得一些成果，并參加了“國(guó)際巖石圈計(jì)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(guó)實(shí)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(dòng)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(shí)5年。2007年，中國(guó)成功實(shí)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(kāi)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(jì)井深為6400m，為ICDP迄今為止所資助項(xiàng)目之最深科學(xué)鉆探井，也是我國(guó)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(shí)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(shí)現(xiàn)“兩井四孔、萬(wàn)米連續(xù)取心”， 構(gòu)成全球首個(gè)近乎完整的白堊紀(jì)陸相沉積記錄，從而獲取白堊紀(jì)時(shí)期亞洲東部高分辨率氣候環(huán)境變化記錄 。

⑤其他國(guó)家。法國(guó)、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(guó)參加了“深海鉆探計(jì)劃”和“大洋鉆探計(jì)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(shí)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(cè)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(zhǎng)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(shí)間和勞動(dòng)強(qiáng)度，要采用與孔底動(dòng)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(jiān)硬，要研制全新式長(zhǎng)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(dòng)力機(jī)、鉆頭、測(cè)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(gè)：①研究深部地質(zhì)學(xué)、實(shí)施“國(guó)際巖石圈計(jì)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(yàn)證深層地球物探探測(cè)資料；④探索地震預(yù)報(bào)新途徑；⑤在火山巖區(qū)勘探和開(kāi)發(fā)“干熱巖”地?zé)崮茉矗虎拮鳛榈貧ど畈块L(zhǎng)期觀測(cè)孔站，裝置儀器長(zhǎng)期觀測(cè)地磁、地電、地應(yīng)力、地?zé)嶙兓莆盏貧せ顒?dòng)規(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(chǎng)。