水利水电工程大顶角超深斜孔钻探技术与实践

孙云志，1964年8月生，湖北黄陂人，博士，教授级高工，地质工程专家，注册岩土工程师（水利水电工程），现为长江岩土工程总公司（武汉）副总工程师，主要从事水利水电工程地质、岩土工程、地质灾害防治、岩体水力学等勘察与研究，先后获得全国优秀工程勘察设计一等奖、湖北省科技进步二等奖、水力发电科技进步三等奖、武汉市科技进步一等奖等，公开发表著作多部、论文50余篇。

卢春华，1976年3月生，江西高安人，博士，副教授，中国地质大学（武汉）工程学院勘察与基础工程系主任。主要从事钻探工具、工艺和非常规能源勘探开发相关教学和研究工作。主持和参与了国家自然科学基金项目、国家“863”计划项目、中俄国际合作项目等20余项科研项目。公开发表论文20多篇，授权专利15项，出版专著2部，获教育部技术发明一等奖和二等奖各1项，获中国地质调查局地质调查成果一等奖1项，成果“新型节水钻探工艺与设备研究”被中国地质学会入选2009年十大地质科技成果。

前言

1 绪论

1．1 问题的提出

1．2 我国跨江勘探技术应用现状简述

1．3 研究内容及主要成果

参考文献

2 斜孔钻进关键基础理论

2．1 斜孔钻进典型地层岩石钻进特性

2．2 斜孔孔壁稳定性

2．3 斜孔管柱阻力计算

2．4 大顶角斜孔岩屑运移机理

参考文献

3 大顶角超深斜孔钻探工艺

3．1 钻孔结构设计和套管定向程序

3．2 钻进工艺方法

3．3 斜孔钻探泥浆技术

3．4 孔内事故的预防与处理

参考文献

4 大顶角超深斜孔钻探装备及机具

4．1 钻机及辅助设备

4．2 大顶角斜孔四脚钻塔设计

4．3 斜孔钻杆和钻具

参考文献

5 大顶角超深斜孔轨迹控制技术

5．1 概述

5．2 钻孔轨迹设计与控制原理

5．3 测斜定向仪器和随钻测量技术

5．4 定向钻具结构和工作原理

5．5 双向成对跨江斜孔轨迹控制

参考文献

6 大顶角超深斜孔取芯技术

6．1 岩芯采取基本要求

6．2 岩芯卡取方法

6．3 单层岩芯管钻具

6．4 双层岩芯管钻具

6．5 斜孔绳索取芯技术

6．6 复杂地层原状取芯技术

参考文献

7 轻便式气囊隔离随钻压水试验器

7．1 概述

7．2 随钻压水试验器工作原理与结构设计

7．3 随钻压水试验器操作方法

7．4 随钻压水试验器的应用

参考文献

8 大顶角超深斜孔孔内测试

8．1 压水试验

8．2 声波测试

8．3 钻孔全景图像检测

8．4 钻孔径向加压法试验

8．5 自然悴饩"para" label-module="para">

8．6 有害气体测试

8．7 放射性测试

参考文献

9 双向成对跨江大顶角超深斜孔钻探技术应用实例

9．1 概述

9．2 顺河断裂特征

9．3 筑坝工程地质问题

9．4 双向成对跨江大顶角斜孔钻探

9．5 工程管理和技术经济分析

参考文献

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《水利水电工程大顶角超深斜孔钻探技术与实践》在总结了国内外有关斜孔钻探技术与实践的基础上，结合《水利水电工程大顶角超深斜孔钻探技术与实践》编著单位的水利水电工程大顶角超深斜孔钻探相关技术的研发及工程实践，系统地讲述了斜孔钻进的关键基础理论、大顶角超深斜孔钻探工艺技术与方法、轨迹控制技术、取芯技术、孔内测试、随钻压水试验器等。

《水利水电工程大顶角超深斜孔钻探技术与实践》共分9章，内容包括：绪论、斜孔钻进关键基础理论、大顶角超深斜孔钻探工艺、大顶角超深斜孔钻探装备及机具、大顶角超深斜孔轨迹控制技术、大顶角超深斜孔取芯技术、轻便式气囊隔离随钻压水试验器、大顶角超深斜孔孔内测试、双向成对跨江大顶角超深斜孔钻探技术应用实例。

《水利水电工程大顶角超深斜孔钻探技术与实践》可供水利水电工程界的工程技术人员、研究人员阅读，也可作为其他基础设施建设工程勘察、地质与地下资源勘察等相关工程及科技人员的技术参考书，亦可作为相关高校的教学参考书。

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”。

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。

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。