水利水電工程大頂角超深斜孔鉆探技術(shù)與實踐

孫云志，1964年8月生，湖北黃陂人，博士，教授級高工，地質(zhì)工程專家，注冊巖土工程師（水利水電工程），現(xiàn)為長江巖土工程總公司（武漢）副總工程師，主要從事水利水電工程地質(zhì)、巖土工程、地質(zhì)災(zāi)害防治、巖體水力學(xué)等勘察與研究，先后獲得全國優(yōu)秀工程勘察設(shè)計一等獎、湖北省科技進步二等獎、水力發(fā)電科技進步三等獎、武漢市科技進步一等獎等，公開發(fā)表著作多部、論文50余篇。

盧春華，1976年3月生，江西高安人，博士，副教授，中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院勘察與基礎(chǔ)工程系主任。主要從事鉆探工具、工藝和非常規(guī)能源勘探開發(fā)相關(guān)教學(xué)和研究工作。主持和參與了國家自然科學(xué)基金項目、國家“863”計劃項目、中俄國際合作項目等20余項科研項目。公開發(fā)表論文20多篇，授權(quán)專利15項，出版專著2部，獲教育部技術(shù)發(fā)明一等獎和二等獎各1項，獲中國地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查成果一等獎1項，成果“新型節(jié)水鉆探工藝與設(shè)備研究”被中國地質(zhì)學(xué)會入選2009年十大地質(zhì)科技成果。

前言

1 緒論

1．1 問題的提出

1．2 我國跨江勘探技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀簡述

1．3 研究內(nèi)容及主要成果

參考文獻

2 斜孔鉆進關(guān)鍵基礎(chǔ)理論

2．1 斜孔鉆進典型地層巖石鉆進特性

2．2 斜孔孔壁穩(wěn)定性

2．3 斜孔管柱阻力計算

2．4 大頂角斜孔巖屑運移機理

參考文獻

3 大頂角超深斜孔鉆探工藝

3．1 鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計和套管定向程序

3．2 鉆進工藝方法

3．3 斜孔鉆探泥漿技術(shù)

3．4 孔內(nèi)事故的預(yù)防與處理

參考文獻

4 大頂角超深斜孔鉆探裝備及機具

4．1 鉆機及輔助設(shè)備

4．2 大頂角斜孔四腳鉆塔設(shè)計

4．3 斜孔鉆桿和鉆具

參考文獻

5 大頂角超深斜孔軌跡控制技術(shù)

5．1 概述

5．2 鉆孔軌跡設(shè)計與控制原理

5．3 測斜定向儀器和隨鉆測量技術(shù)

5．4 定向鉆具結(jié)構(gòu)和工作原理

5．5 雙向成對跨江斜孔軌跡控制

參考文獻

6 大頂角超深斜孔取芯技術(shù)

6．1 巖芯采取基本要求

6．2 巖芯卡取方法

6．3 單層巖芯管鉆具

6．4 雙層巖芯管鉆具

6．5 斜孔繩索取芯技術(shù)

6．6 復(fù)雜地層原狀取芯技術(shù)

參考文獻

7 輕便式氣囊隔離隨鉆壓水試驗器

7．1 概述

7．2 隨鉆壓水試驗器工作原理與結(jié)構(gòu)設(shè)計

7．3 隨鉆壓水試驗器操作方法

7．4 隨鉆壓水試驗器的應(yīng)用

參考文獻

8 大頂角超深斜孔孔內(nèi)測試

8．1 壓水試驗

8．2 聲波測試

8．3 鉆孔全景圖像檢測

8．4 鉆孔徑向加壓法試驗

8．5 自然悴餼"para" label-module="para">

8．6 有害氣體測試

8．7 放射性測試

參考文獻

9 雙向成對跨江大頂角超深斜孔鉆探技術(shù)應(yīng)用實例

9．1 概述

9．2 順河斷裂特征

9．3 筑壩工程地質(zhì)問題

9．4 雙向成對跨江大頂角斜孔鉆探

9．5 工程管理和技術(shù)經(jīng)濟分析

參考文獻

2100433B

《水利水電工程大頂角超深斜孔鉆探技術(shù)與實踐》在總結(jié)了國內(nèi)外有關(guān)斜孔鉆探技術(shù)與實踐的基礎(chǔ)上，結(jié)合《水利水電工程大頂角超深斜孔鉆探技術(shù)與實踐》編著單位的水利水電工程大頂角超深斜孔鉆探相關(guān)技術(shù)的研發(fā)及工程實踐，系統(tǒng)地講述了斜孔鉆進的關(guān)鍵基礎(chǔ)理論、大頂角超深斜孔鉆探工藝技術(shù)與方法、軌跡控制技術(shù)、取芯技術(shù)、孔內(nèi)測試、隨鉆壓水試驗器等。

《水利水電工程大頂角超深斜孔鉆探技術(shù)與實踐》共分9章，內(nèi)容包括：緒論、斜孔鉆進關(guān)鍵基礎(chǔ)理論、大頂角超深斜孔鉆探工藝、大頂角超深斜孔鉆探裝備及機具、大頂角超深斜孔軌跡控制技術(shù)、大頂角超深斜孔取芯技術(shù)、輕便式氣囊隔離隨鉆壓水試驗器、大頂角超深斜孔孔內(nèi)測試、雙向成對跨江大頂角超深斜孔鉆探技術(shù)應(yīng)用實例。

《水利水電工程大頂角超深斜孔鉆探技術(shù)與實踐》可供水利水電工程界的工程技術(shù)人員、研究人員閱讀，也可作為其他基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)工程勘察、地質(zhì)與地下資源勘察等相關(guān)工程及科技人員的技術(shù)參考書，亦可作為相關(guān)高校的教學(xué)參考書。

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 150℃的二氧化碳、氦、氫和碳氫化合物氣體；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)合機構(gòu)”（JOIDES），由蘇、英、日、聯(lián)邦德國等參加商定進行“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40多卷，對地球科學(xué)、海洋科學(xué)做出了巨大貢獻。

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熱為主第一口深孔于3月完工，井底溫度高達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2826m。“松科二井”將是全球第一口鉆穿白堊紀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陸相沉積記錄，從而獲取白堊紀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)時間和勞動強度，要采用與孔底動力機（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)下進行，各類孔底動力機、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”地熱能源；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、地熱變化，掌握地殼活動規(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。