超深孔地质钻探

超深孔钻探与一般的钻探相比，有如下特殊性。①孔位应选在地壳尽可能裸露的结晶岩地区。②要尽量取出全套地层的地下地质实物资料，如岩心、岩屑、侧壁岩样、液态和气态样；进行地球物理测井和采集地球化学信息资料。③为减轻钻探设备的总重量、节约功率总消耗，使用高强度轻合金钻杆;为保持长钻杆柱（3000～15000米）的高度稳定性、预防钻孔弯曲，大量削减起下钻次数，降低非生产时间和劳动强度，要采用与孔底动力机（涡轮钻、螺杆钻、冲击回转钻）结合的绳索取心和孔底换钻头等新技术。④结晶岩坚硬，要研制全新式长寿命金刚石钻头。⑤由于钻探工作是在高温、（150～400℃）、高压（100～150MPa）状态下进行，各类孔底动力机、钻头、测井仪器、电缆等都要提高耐高温、高压的能力，还必须采用抗高温的钻井液材料和处理剂。

深孔地质测试

试验要求

一、试验内容：深孔钻 探宜开展综合测试和试验，主要内容有：

1.综合物探测井(工程测井、水文测井、测地温)

2.地应力测试

3.抽水试验、提水试验及压水试验二、测试、试验技术要求 测试、

(一)综合物探测井(工程测井、水文测井、测地温) 由中标单位写出技术要求，由处曹哲明总工批准。 　(二) 、地应力测试要求：　1.采用水压致裂法测量地应力

2.在测试前，应根据地层分布、隧道埋深和相关资料初步拟定各个深 孔地应力测试点数量及位置。在钻孔完成后，可根据钻探及测井资 料适当对测试点位置进行调整。

3.地应力测试钻孔终孔直径应满足测试要求。

4.测试点应选择在基岩较完整处，并应选择合适的钻进方法，保证测 试段(一般 1~2m)孔壁光滑。

5.根据测试结果确定主应力的方向及数值， 并对场区构造应力场进行 分析评估

6.根据主应力方向及数值和隧道围岩岩石强度预测硬质岩岩爆、 软质 岩塑性变形的可能性，并对隧道的轴线方向提出建议。

7.提交地应力测试报告和场区地应力分析评估报告。 (应经过相关部 门评审鉴定，并附上评审鉴定意见)(三) 、水文试验： 抽水试验〔1〕一般技术要求：

1、钻探过程中必须按有关要求进行简易水文地质观测。

2、为查明每个含水层(带)的静水位、承压水头高度、水质、水量和 进行分层评价，要求在各含水层之间进行严格的止水工作。

3、根据含水层(带)颗粒级配情况，选择不同类型、规格的过滤器。安 装过滤器的长度、位置应与含水层相对应，严禁错位。

4、抽水试验必须在彻底清除井内泥浆、破坏井壁泥皮，抽出渗入含水层 中的泥浆颗粒，恢复含水层的天然透水性之后进行。为此，必须在井、 过滤器安装完毕、开始抽水前彻底进行洗孔。

〔2〕 、抽水试验要求： 抽水试验前后应准确测量有效孔深，试验孔采用稳定流抽水试验，对各含 水层进行分层抽水试验，要求一次性钻至设计孔深后，从下至上进行分层抽水， 首先对基岩地层进行抽水试验，然后封住基岩部分钻孔(注意留 3～5 米作为沉 淀管) 、然后对上面含水层进行抽水试验。

1、抽水技术要求： ⑴ 视基岩的破碎程度，决定对含水层部分是否下滤管。

⑵ 清孔至水净沙清，量取稳定水位。

⑶ 合理选择抽水设备和测试仪器， 正式抽水前应作一次最大水位降低的试 抽，其延续时间一般为 4~8 小时，试抽后要正确测定静止水位及孔深， 通过试抽确定最大可能水位下降值， 初步测定涌水量和水位下降的关系。

⑷ 正式抽水一般进行三次， 三次水位降深值最好为抽水前水柱高度的 1/6、 1/4、1/3，若抽水设备性能达不到上述要求时，也可根据试抽时最大水位 降深 S 来确定，即三次水位降深值分别为 1/3S、2/3S、S

⑸ 正式抽水试验，水位稳定后，持续抽水时间为 24 小时。若为非稳定流 抽水试验，其延续时间应符合有关规定。

⑹ 抽水试验结束后取水样 1500ml。停泵后测量恢复水位。

3、其它技术要求：

⑴水位、出水量测量时水位波动允许范围 水泵抽水时： 空压机抽水时： 3～5cm 10～15cm出水量波动范围均不宜超过 5%。

⑵抽水试验孔每次水位下降开始后，其动水位和出水量的观测时间，应在 第 5、10、15、20、25、30 分钟各测一次，以后每隔 30 分钟各测一次。

⑶水温、气温的测量时间，应为每隔 4 小时各测一次。

⑷每次抽水试验结束后，抽水试验孔应按停泵后的第 1、2、3、4、6、8、 10、15、20、25、30 分钟各测一次恢复水位，以后每隔 30 分钟各测一次恢复水 位，直到接近或达到静止水位。

⑸抽水过程中应及时绘制水量、水位曲线等综合性图表。当发现曲线反常 时应查明原因，及时纠正，必要时重新进行抽水试验。 ⑹抽水试验结束后应封孔。

〔3〕抽水试验应交资料 1、钻探原始记录及日志。 2、水位、出水量记录表;水温、气温记录表。 3、恢复水位记录表。 4、绘制 Q、S-t 曲线图。 5、绘制 S-lgt 曲线图。 6、绘制 Q=f(S)关系曲线图。 7、用二次降深代替三次降深绘制 Q=f(S)曲线图。 8、绘制 q=f(S)关系曲线图。 9、绘制水位恢复曲线图。 10、计算渗透系数及渗透半径;承压含水层计算导水率。 11、钻孔地质剖面及钻孔地质图。 12、抽水试验综合成果表：包括各个落程的抽水起讫时间、抽水前钻孔深 度、静止水位、各落程的降低水位、抽水持续时间及稳定时间、涌水 量及单位涌水量、水位恢复时间、水温及抽水设备(水泵或风、水、 测管配置深度、动力、过滤器类型、口径、长度、流量计、水位计) 等 13、水质分析成果表。 14、岩土颗粒分析成果表及曲线图。15、水文地质参数计算。

提水试验： 提水试验： 〔1〕提水试验要求 1、提水试验前必须按要求洗井。 2、试验孔包含多个含水层时，需进行分层止水，再分层进行提水试验。 3、提水试验前必须测定静止水位、水温、孔深。 4、必须根据孔内水柱高度，设计提水时稳定降深的次数和深度。 5、做提水试验时，为求单位时间内提水次数的均匀，提出水量大致相等， 以使水位、水量相对稳定。

6、提水时稳定降深的控制原则： ⑴提水试验中要进行 2～3 次降深。 ⑵水位降深应大于 0.5 米。 ⑶提升提水桶的次数应根据孔内涌水量的大小而定;水大多提，水小少提; 原则是提水后孔内水位应保持在动水位附近。动水位测量的允许误差值为 0.1 米，水量允许误差为 10%。

7、提水的观测时间，开始时每隔 5 分钟观测一次，以后每隔 30 分钟观测 一次。同时测量提出的水量。

8、水位稳定的延续时间一般为 4～6 小时。如果水位、水量不稳定，提水 时间应适当延长。

9、提水试验结束后，应立即观测恢复水位，并做好记录。其观测时间间隔 与提水试验相同，直到达到或接近静止水位。

10、试验结束后应立即封孔。 〔2〕提水试验应交资料 1、钻探原始记录及日志 2、提水试验记录表。 3、恢复水位记录表。 4、涌水量计算单。 5、渗透系数计算单。注水试验： 注水试验：〔1〕注水试验要求 1、注水试验的方法：固定水头注水是将钻孔中的水位抬高到一定的高度， 保持水头不变连续注水。 2、注水前应做好洗孔工作，清除钻孔中的岩粉，测量记录钻孔深度和地下 静止水位。 3、注水开始时，注水量应由小到大，连续注入。当动水位升高到设计高度 后，应控制注水量，使水头稳定，水量不变。 4、注水开始后，应每隔 3、5、10、15 分钟观测一次水位、水量，以后每 隔 30 分钟观测一次，至稳定后再延续 2 至 4 小时，注水即可结束。 5、注水一般进行三次水位抬高，每次抬高水位最好采用 2、4、6 米或更大 一些，但每次水位差最小不应小于 1 米。 Q max− Q min 6、注水过程中稳定耗水量的允许误差为： Q常见或平均 <10%。稳定 动水位允许误差为 5cm。 7、注水停止后，应立即观测钻孔中下降水位，观测时间与注水升高水位相 同。当水位下降慢，可 30 分钟观测一次，以后可延长为 1 至 2 小时一次，直到 下降达到地下水的静止水位为止。 〔2〕注水试验应交资料 1、钻探原始记录及日志。 2、注水记录表。 3、恢复水位记录表。 4、计算渗透系数。压水试验〔1〕 压水试验对钻孔的技术要求 〕 、 1、压水试验钻孔孔径尽可能保持一致，孔壁必须保持完整，以使栓塞密贴 不漏水，必要时可考虑在预计设置栓塞的位置浇注水泥，待水泥凝固后，用旋转 岩心钻钻穿水泥浇注孔段。 2、在坚硬地层应用合金钻头钻进，在松软地层中用冲击法钻进;若用钢砂5钻进时应使投砂量均匀，且在设置栓塞的孔段不且采用。 3、钻进过程中禁止用泥浆、泥球钻进。如因特殊原因用泥浆钻进时，在压 水试验前，应进行洗孔。 4、对试验段以上所遇各层地下水，应进行止水，待含水层封闭后，始可继 续钻进。 5、在坚硬岩层中进行压水试验时，一般不在试验段设置过滤器，但在松散 地层或破碎带中，为保护试验孔壁，应设置过滤器。 〔2〕压水试验段的确定 〕压水试验段的确定 1、岩层裂隙带、岩层接触带及断层破碎带地段做压水试验时，试验段长度 一般为 5m; 2、在隧道高程以上 30～50m，以下 10～20m 的范围内，为岩层裂隙带、 岩层接触带及断层破碎带时，试验段长度一般为 5m;为完整岩层时，试验段长 度为 10m。 〔3〕压水试验的步骤和要求 〕 1、清洗钻孔： 在一般情况下，岩心完整，没有特殊不良地质现象和软弱夹层，可用高压 水流的正循环法冲洗孔壁，待回水澄清无沉渣时，即可停止洗孔。洗孔时间一般 不得少于 2 小时。在松软地层洗孔有困难时，可放过滤器后再进行洗孔。 2、试段隔离： 应根据孔径和试段位置，确定栓塞直径和压水管长度。栓塞卡于设计要求 的深度后，应采用试验的最大压力进行试验，测定管内外的水位，检查栓塞止水 效果，如果有绕塞返水现象，应进行处理。 3、测定地下静止水位： 试验前应观测试验孔段的地下水位，以确定压力计零点，观测每 10 分钟进 行一次，当连续三次读数的水位变幅小于 1cm/min，观测即可停止。以最后一次 测得的水位确定压力计算零点。若各试验段位于同一含水层中时，可统一测定水 位。 4、流量的观测： 把压力计调整到设计值并保持稳定后，每隔 10 分钟测读一次流量，当试验成果符合下列标准之一时，此试验工作即可结束。并以最终读数作为计算用的流 量，即压入耗水量。 ⑴连续四次读数其最大值与最小值之差小于最小终值的 10%。 ⑵当流量逐渐减小时，连续四次的读数的数值均小于 0.5L/min。 ⑶当流量逐渐增大时，连续四次读数不再有增大的趋势。 〔4〕 应交资料 〕 、 1、钻探原始记录及钻探日志。 2、地下水静止水位记录表。 3、流量记录表。 4、绘制 S=f(Q)曲线。 5、计算单位涌水量。 6、计算渗透系数。 三、配合 测试试验人员应先提出有关钻孔孔径、钻探工艺及施钻等方面的具体要求， 在钻探和测试过程中应与钻探人员和甲方现场技术人员密切配合， 确保　测试试验 工作的顺利完成。如有特殊情况，请与现场配合人员商量解决。　四、检查验收 1、现场测试技术人员在进行各项测试、试验前应及时通知甲方，甲方派相 关技术人员现场进行配合，并提交现场测试、试验的情况报告，和测试、试验报 告一起作为验收是否合格的依据。验收报告作为工程拨款的依据。

超深孔地质钻探主要有以下 7个：①研究深部地质学、实施“国际岩石圈计划”（ILP）的主要手段之一;②探察地壳和上地幔的结构，研究其物质组分和矿产分布规律，研究新的成矿理论；③验证深层地球物探探测资料；④探索地震预报新途径；⑤在火山岩区勘探和开发“干热岩”地热能源；⑥作为地壳深部长期观测孔站，装置仪器长期观测地磁、地电、地应力、地热变化，掌握地壳活动规律，研究岩矿成因、变质作用、物相转化、合成矿物的条件等；⑦作为地壳深部核废料处理场。

主要介绍前苏联、美国、德国、中国等超深孔钻探的情况：

①前苏联。20世纪60年代初，地质学家Н.А.别利亚耶夫斯基等根据深部地球物理资料提出，为获得整个地壳剖面，至少要在6个地区打超深孔。苏联国家科委为统一协调超深孔钻探规划，组建了“地球地下资源研究与超深孔钻探部门科学委员会”。由Е.А.科兹洛夫斯基任主席。有95个生产和科研单位参加。设计施工超深孔约18口。其中СГ－1井设计深度12000米（在乌拉尔的马格尼托哥尔斯克复背斜）;СГ-2井设计深度15000米（阿塞拜疆的萨阿特雷）；СГ－3井设计深度15000米（科拉半岛）。其他15口为6000米左右的卫星井。СГ-3井到1986年3月已达12300米，居世界领先地位。

在超深孔钻探中意外地发现：在7000～8000米深的岩层中，有矿化水和大量温度达 150℃的二氧化碳、氦、氢和碳氢化合物气体；在岩石中还有20亿年前的生物化石；火成岩比预估的要厚得多；预计在4500米左右遇到太古宙岩层，实际上在6800米才遇到；过去认为地震波传播速度突变处就是康拉德面（即地壳花岗岩与深部玄武岩的交界处），物探探测为7000米，而11000米还未遇到。这使水热矿床和油气形成的传统理论遇到挑战。苏联科学家认为，在4700米以下，用折射波识别地震波折射和多种岩石结构的单道地震速率来划分层位是错误的。

②美国。1961年，美国开始实施莫霍计划 （MoholeProject），在加利福尼亚湾外试钻，此后在墨西哥西海岸外钻到玄武岩，因多种原因而中途终止计划执行。1965年，美国组建了"海洋地球深部取样联合机构”（JOIDES），由苏、英、日、联邦德国等参加商定进行“深海钻探计划”。

1968～1983年正式执行“深海钻探计划”，用“格洛玛·挑战者”号钻探船航遍各大洋，在96个航次中共航行60万公里，在624个工作点上钻了1092个钻孔，取岩心近9.8万米，最大工作水深6247米，水下最大钻进深度1412米，钻入玄武岩最深583米，编成的《深海钻探计划初步报告》至1985年已达40多卷，对地球科学、海洋科学做出了巨大贡献。

1974年，美国在俄克拉何马州钻成了罗杰斯1号超深孔，深9583米。1984年 3月，在美国国家科学基金会领导下，由23所大学参加组建了地壳深部观测与取样组织（ECDOSO）。1985年一些科学家提出33份有关科学钻探的建议，分设“大洋钻探计划”（ODP）及“大陆科学钻探计划”（CSDP），这两个计划是相辅相成的，美国大陆共选定井位29处，1986年在索尔顿海的以研究地热为主第一口深孔于3月完工，井底温度高达365℃。

③德国。1985年，联邦德国成立了“大陆深孔钻探”（KTB）组织，在联邦德国科技部（BMFT）领导下，选定两个深孔孔位，代号分别为ENV和ZTT。ENV先导孔于1987年9月18日开钻，孔深达到4000.1米，于1988年4月完成。主孔设计深度为12000米已于1990年9月正式开钻。

④中国。中国开展深部地质学研究已取得一些成果，并参加了“国际岩石圈计划”。1978年为石油勘探钻成一口深7175米的超深井，1988年起已筹办超深孔地质钻探。2001年中国实施大陆科学钻探工程CCSD—l孔，该钻孔于2001年4月18日在江苏省东海县安峰镇毛北村北侧破土动工。2005年3月该井井深达到5158米，孔径256毫米，终孔。投资额1.5亿元，钻探工程将历时5年。2007年，中国成功实施了全球第一口陆相白垩纪科学钻探井松科一井（SK-1），连续获取岩心2485.89米，取心率达96.46%。 。2014年4月13日，松科二井顺利开钻，到2014年8月8日已钻进2826m。“松科二井”将是全球第一口钻穿白垩纪陆相地层的大陆科学钻探井，其设计井深为6400m，为ICDP迄今为止所资助项目之最深科学钻探井，也是我国第一深的科学钻探井。松辽盆地大陆科学钻探工程的实施，将获取大约4500米的关键岩心。它与2007年10月完成的松科一井，将实现“两井四孔、万米连续取心”， 构成全球首个近乎完整的白垩纪陆相沉积记录，从而获取白垩纪时期亚洲东部高分辨率气候环境变化记录 。

⑤其他国家。法国、意大利、捷克和斯洛伐克、罗马尼亚等分别钻了多口超深孔。日本、澳大利亚等国参加了“深海钻探计划”和“大洋钻探计划”。

科拉超深井（俄语：Кольская сверхглубокая скважина）是苏联于1970年在科拉半岛邻近挪威国界的地区开始的一项科学钻探，其中最深的一个钻孔SG-3在1989年达到12,263米，以垂深计算，这个钻孔仍是到达地球最深处的人造物。然而，其井深记录在2008年和2011年被在卡塔尔的阿肖辛油井（12,289米）和俄罗斯在库页岛的Odoptu OP-11油井（12,345米）打破，排名世界第三。科拉超深井SG-3是世界上最深的参数井。由科学研发中心“NEDRA”钻成。位于摩尔曼斯克州，扎波利亚尔内市以西10公里。井开于波罗的海地盾东北部，前寒武纪携矿接合处。井深12262米，上部直径92cm，下部直径21.5cm。SG-3井不带勘探目的，纯粹用于在莫霍面接近地表处的科研。 2100433B

从理论上说，钻超深洞的过程非常简单，就是将这样的一台旋转钻机安装在一条钻杆的底部就可以了。当它钻到此洞底时，威力强大的发动机将会钻破洞底，这样此洞就会不断加深。液体不断从此洞中旋转着进进出出，以冷却钻头并维持此钻洞的稳定性。当钻头磨坏后，工人就会另换一个。

虽然钻洞的基本原理众所周知，但是钻一个超深洞却是一项非常困难的工作。在钻到地表下如此深的地方时，期间前苏联就遇到了一系列技术问题。其中最重要的问题是地壳深处的过热问题。负责科拉超深钻洞的工程师利用有限的资源想出了有效的制冷方法，从而能够让几十个特制钻头在超过600华氏度(合316摄氏度)的高温下正常工作。

科拉超深钻井是继苏联空间站、深海勘探船之后的第三大科研成果，一直是俄罗斯科学家的骄傲。当钻探深度达到9500米时，钻头钻进了一个含有黄金和钻石的地层。取出的岩芯经分析表明，金含量居然高达80克/吨。要知道金含量达到4克/吨的金矿层就具有商业开采价值，地球表层中很少能找到金含量超过10克/吨的矿层，相比之下这里几乎是金子的宝藏。2100433B