超深孔地質鑽探

超深孔地質鑽探是指研究地殼深部和上地幔地質和礦藏等情況而進行的鑽探工程，又稱科學鑽探。超深孔的深度定義，隨鑽探工程技術的發展而變化。用旋轉鑽機施工深6000米以上，用岩心鑽機施工深3000米以上的鑽孔，統稱為超深孔。根據《地質岩心鑽探規程（DZ/T0227-2010）》規定孔深大於3000米的鑽孔被定義為特深孔。

基本介紹

• 中文名：超深孔地質鑽探
• 性質：為研究地殼而進行的鑽探工程
• 度深：6000米以上
• 設備：旋轉鑽機

目的

超深孔地質鑽探主要有以下 7個：①研究深部地質學、實施“國際岩石圈計畫”（ILP）的主要手段之一;②探察地殼和上地幔的結構，研究其物質組分和礦產分布規律，研究新的成礦理論；③驗證深層地球物探探測資料；④探索地震預報新途徑；⑤在火山岩區勘探和開發“乾熱岩”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、地應力、地熱變化，掌握地殼活動規律，研究岩礦成因、變質作用、物相轉化、合成礦物的條件等；⑦作為地殼深部核廢料處理場。

鑽探深部地層獲取的岩心

特點

超深孔鑽探與一般的鑽探相比，有如下特殊性。①孔位應選在地殼儘可能裸露的結晶岩地區。②要儘量取出全套地層的地下地質實物資料，如岩心、岩屑、側壁岩樣、液態和氣態樣；進行地球物理測井和採集地球化學信息資料。③為減輕鑽探設備的總重量、節約功率總消耗，使用高強度輕合金鑽桿;為保持長鑽桿柱（3000～15000米）的高度穩定性、預防鑽孔彎曲，大量削減起下鑽次數，降低非生產時間和勞動強度，要採用與孔底動力機（渦輪鑽、螺桿鑽、衝擊迴轉鑽）結合的繩索取心和孔底換鑽頭等新技術。④結晶岩堅硬，要研製全新式長壽命金剛石鑽頭。⑤由於鑽探工作是在高溫、（150～400℃）、高壓（100～150MPa）狀態下進行，各類孔底動力機、鑽頭、測井儀器、電纜等都要提高耐高溫、高壓的能力，還必須採用抗高溫的鑽井液材料和處理劑。

各國超深孔及其成果簡介

主要介紹前蘇聯、美國、德國、中國等超深孔鑽探的情況：

①前蘇聯。20世紀60年代初，地質學家Н.А.別利亞耶夫斯基等根據深部地球物理資料提出，為獲得整個地殼剖面，至少要在6個地區打超深孔。蘇聯國家科委為統一協調超深孔鑽探規劃，組建了“地球地下資源研究與超深孔鑽探部門科學委員會”。由Е.А.科茲洛夫斯基任主席。有95個生產和科研單位參加。設計施工超深孔約18口。其中СГ－1井設計深度12000米（在烏拉爾的馬格尼托哥爾斯克復背斜）;СГ-2井設計深度15000米（亞塞拜然的薩阿特雷）；СГ－3井設計深度15000米（科拉半島）。其他15口為6000米左右的衛星井。СГ-3井到1986年3月已達12300米，居世界領先地位。

在超深孔鑽探中意外地發現：在7000～8000米深的岩層中，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；在岩石中還有20億年前的生物化石；火成岩比預估的要厚得多；預計在4500米左右遇到太古宙岩層，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（即地殼花崗岩與深部玄武岩的交界處），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理論遇到挑戰。蘇聯科學家認為，在4700米以下，用折射波識別地震波折射和多種岩石結構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畫 （MoholeProject），在加利福尼亞灣外試鑽，此後在墨西哥西海岸外鑽到玄武岩，因多種原因而中途終止計畫執行。1965年，美國組建了"海洋地球深部取樣聯合機構”（JOIDES），由蘇、英、日、聯邦德國等參加商定進行“深海鑽探計畫”。

1968～1983年正式執行“深海鑽探計畫”，用“格洛瑪·挑戰者”號鑽探船航遍各大洋，在96個航次中共航行60萬公里，在624個工作點上鑽了1092個鑽孔，取岩心近9.8萬米，最大工作水深6247米，水下最大鑽進深度1412米，鑽入玄武岩最深583米，編成的《深海鑽探計畫初步報告》至1985年已達40多卷，對地球科學、海洋科學做出了巨大貢獻。

1974年，美國在俄克拉何馬州鑽成了羅傑斯1號超深孔，深9583米。1984年 3月，在美國國家科學基金會領導下，由23所大學參加組建了地殼深部觀測與取樣組織（ECDOSO）。1985年一些科學家提出33份有關科學鑽探的建議，分設“大洋鑽探計畫”（ODP）及“大陸科學鑽探計畫”（CSDP），這兩個計畫是相輔相成的，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於3月完工，井底溫度高達365℃。

③德國。1985年，聯邦德國成立了“大陸深孔鑽探”（KTB）組織，在聯邦德國科技部（BMFT）領導下，選定兩個深孔孔位，代號分別為ENV和ZTT。ENV先導孔於1987年9月18日開鑽，孔深達到4000.1米，於1988年4月完成。主孔設計深度為12000米已於1990年9月正式開鑽。

④中國。中國開展深部地質學研究已取得一些成果，並參加了“國際岩石圈計畫”。1978年為石油勘探鑽成一口深7175米的超深井，1988年起已籌辦超深孔地質鑽探。2001年中國實施大陸科學鑽探工程CCSD—l孔，該鑽孔於2001年4月18日在江蘇省東海縣安峰鎮毛北村北側破土動工。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，鑽探工程將歷時5年。2007年，中國成功實施了全球第一口陸相白堊紀科學鑽探井松科一井（SK-1），連續獲取岩心2485.89米，取心率達96.46%。。2014年4月13日，松科二井順利開鑽，到2014年8月8日已鑽進2826m。“松科二井”將是全球第一口鑽穿白堊紀陸相地層的大陸科學鑽探井，其設計井深為6400m，為ICDP迄今為止所資助項目之最深科學鑽探井，也是我國第一深的科學鑽探井。松遼盆地大陸科學鑽探工程的實施，將獲取大約4500米的關鍵岩心。它與2007年10月完成的松科一井，將實現“兩井四孔、萬米連續取心”， 構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解析度氣候環境變化記錄。

深孔鑽機

松科二井施工現場

⑤其他國家。法國、義大利、捷克和斯洛伐克、羅馬尼亞等分別鑽了多口超深孔。日本、澳大利亞等國參加了“深海鑽探計畫”和“大洋鑽探計畫”。

測試要求

深孔地質測試

試驗要求

一、試驗內容：深孔鑽探宜開展綜合測試和試驗，主要內容有：

深孔施工

1.綜合物探測井(工程測井、水文測井、測地溫)

2.地應力測試

3.抽水試驗、提水試驗及壓水試驗二、測試、試驗技術要求 測試、

(一)綜合物探測井(工程測井、水文測井、測地溫) 由中標單位寫出技術要求，由處曹哲明總工批准。 　(二) 、地應力測試要求：　1.採用水壓致裂法測量地應力

2.在測試前，應根據地層分布、隧道埋深和相關資料初步擬定各個深 孔地應力測試點數量及位置。在鑽孔完成後，可根據鑽探及測井資 料適當對測試點位置進行調整。

3.地應力測試鑽孔終孔直徑應滿足測試要求。

4.測試點應選擇在基岩較完整處，並應選擇合適的鑽進方法，保證測 試段(一般 1~2m)孔壁光滑。

5.根據測試結果確定主應力的方向及數值， 並對場區構造應力場進行 分析評估

6.根據主應力方向及數值和隧道圍岩岩石強度預測硬質岩岩爆、 軟質 岩塑性變形的可能性，並對隧道的軸線方向提出建議。

7.提交地應力測試報告和場區地應力分析評估報告。 (應經過相關部 門評審鑑定，並附上評審鑑定意見)(三) 、水文試驗： 抽水試驗〔1〕一般技術要求：

1、鑽探過程中必須按有關要求進行簡易水文地質觀測。

2、為查明每個含水層(帶)的靜水位、承壓水頭高度、水質、水量和 進行分層評價，要求在各含水層之間進行嚴格的止水工作。

3、根據含水層(帶)顆粒級配情況，選擇不同類型、規格的過濾器。安 裝過濾器的長度、位置應與含水層相對應，嚴禁錯位。

4、抽水試驗必須在徹底清除井內泥漿、破壞井壁泥皮，抽出滲入含水層 中的泥漿顆粒，恢復含水層的天然透水性之後進行。為此，必須在井、 過濾器安裝完畢、開始抽水前徹底進行洗孔。

〔2〕 、抽水試驗要求： 抽水試驗前後應準確測量有效孔深，試驗孔採用穩定流抽水試驗，對各含 水層進行分層抽水試驗，要求一次性鑽至設計孔深後，從下至上進行分層抽水， 首先對基岩地層進行抽水試驗，然後封住基岩部分鑽孔(注意留 3～5 米作為沉 淀管) 、然後對上面含水層進行抽水試驗。

1、抽水技術要求： ⑴ 視基岩的破碎程度，決定對含水層部分是否下濾管。

⑵ 清孔至水淨沙清，量取穩定水位。

⑶ 合理選擇抽水設備和測試儀器， 正式抽水前應作一次最大水位降低的試 抽，其延續時間一般為 4~8 小時，試抽後要正確測定靜止水位及孔深， 通過試抽確定最大可能水位下降值， 初步測定湧水量和水位下降的關係。

⑷ 正式抽水一般進行三次， 三次水位降深值最好為抽水前水柱高度的 1/6、 1/4、1/3，若抽水設備性能達不到上述要求時，也可根據試抽時最大水位 降深 S 來確定，即三次水位降深值分別為 1/3S、2/3S、S

⑸ 正式抽水試驗，水位穩定後，持續抽水時間為 24 小時。若為非穩定流 抽水試驗，其延續時間應符合有關規定。

⑹ 抽水試驗結束後取水樣 1500ml。停泵後測量恢復水位。

3、其它技術要求：

⑴水位、出水量測量時水位波動允許範圍 水泵抽水時： 空壓機抽水時： 3～5cm 10～15cm出水量波動範圍均不宜超過 5%。

⑵抽水試驗孔每次水位下降開始後，其動水位和出水量的觀測時間，應在 第 5、10、15、20、25、30 分鐘各測一次，以後每隔 30 分鐘各測一次。

⑶水溫、氣溫的測量時間，應為每隔 4 小時各測一次。

⑷每次抽水試驗結束後，抽水試驗孔應按停泵後的第 1、2、3、4、6、8、 10、15、20、25、30 分鐘各測一次恢復水位，以後每隔 30 分鐘各測一次恢復水 位，直到接近或達到靜止水位。

⑸抽水過程中應及時繪製水量、水位曲線等綜合性圖表。當發現曲線反常 時應查明原因，及時糾正，必要時重新進行抽水試驗。 ⑹抽水試驗結束後應封孔。

〔3〕抽水試驗應交資料 1、鑽探原始記錄及日誌。 2、水位、出水量記錄表;水溫、氣溫記錄表。 3、恢復水位記錄表。 4、繪製 Q、S-t 曲線圖。 5、繪製 S-lgt 曲線圖。 6、繪製 Q=f(S)關係曲線圖。 7、用二次降深代替三次降深繪製 Q=f(S)曲線圖。 8、繪製 q=f(S)關係曲線圖。 9、繪製水位恢復曲線圖。 10、計算滲透係數及滲透半徑;承壓含水層計算導水率。 11、鑽孔地質剖面及鑽孔地質圖。 12、抽水試驗綜合成果表：包括各個落程的抽水起訖時間、抽水前鑽孔深 度、靜止水位、各落程的降低水位、抽水持續時間及穩定時間、湧水 量及單位湧水量、水位恢復時間、水溫及抽水設備(水泵或風、水、 測管配置深度、動力、過濾器類型、口徑、長度、流量計、水位計) 等 13、水質分析成果表。 14、岩土顆粒分析成果表及曲線圖。15、水文地質參數計算。

提水試驗： 提水試驗： 〔1〕提水試驗要求 1、提水試驗前必須按要求洗井。 2、試驗孔包含多個含水層時，需進行分層止水，再分層進行提水試驗。 3、提水試驗前必須測定靜止水位、水溫、孔深。 4、必須根據孔內水柱高度，設計提水時穩定降深的次數和深度。 5、做提水試驗時，為求單位時間內提水次數的均勻，提出水量大致相等， 以使水位、水量相對穩定。

6、提水時穩定降深的控制原則： ⑴提水試驗中要進行 2～3 次降深。 ⑵水位降深應大於 0.5 米。 ⑶提升提水桶的次數應根據孔內湧水量的大小而定;水大多提，水小少提; 原則是提水後孔內水位應保持在動水位附近。動水位測量的允許誤差值為+0.1 米，水量允許誤差為+10%。

7、提水的觀測時間，開始時每隔 5 分鐘觀測一次，以後每隔 30 分鐘觀測 一次。同時測量提出的水量。

8、水位穩定的延續時間一般為 4～6 小時。如果水位、水量不穩定，提水 時間應適當延長。

9、提水試驗結束後，應立即觀測恢復水位，並做好記錄。其觀測時間間隔 與提水試驗相同，直到達到或接近靜止水位。

10、試驗結束後應立即封孔。 〔2〕提水試驗應交資料 1、鑽探原始記錄及日誌 2、提水試驗記錄表。 3、恢復水位記錄表。 4、湧水量計算單。 5、滲透係數計算單。注水試驗： 注水試驗：〔1〕注水試驗要求 1、注水試驗的方法：固定水頭注水是將鑽孔中的水位抬高到一定的高度， 保持水頭不變連續注水。 2、注水前應做好洗孔工作，清除鑽孔中的岩粉，測量記錄鑽孔深度和地下 靜止水位。 3、注水開始時，注水量應由小到大，連續注入。當動水位升高到設計高度 後，應控制注水量，使水頭穩定，水量不變。 4、注水開始後，應每隔 3、5、10、15 分鐘觀測一次水位、水量，以後每 隔 30 分鐘觀測一次，至穩定後再延續 2 至 4 小時，注水即可結束。 5、注水一般進行三次水位抬高，每次抬高水位最好採用 2、4、6 米或更大 一些，但每次水位差最小不應小於 1 米。 Q max− Q min 6、注水過程中穩定耗水量的允許誤差為： Q常見或平均 <10%。穩定 動水位允許誤差為+5cm。 7、注水停止後，應立即觀測鑽孔中下降水位，觀測時間與注水升高水位相 同。當水位下降慢，可 30 分鐘觀測一次，以後可延長為 1 至 2 小時一次，直到 下降達到地下水的靜止水位為止。 〔2〕注水試驗應交資料 1、鑽探原始記錄及日誌。 2、注水記錄表。 3、恢復水位記錄表。 4、計算滲透係數。壓水試驗〔1〕 壓水試驗對鑽孔的技術要求 〕 、 1、壓水試驗鑽孔孔徑儘可能保持一致，孔壁必須保持完整，以使栓塞密貼 不漏水，必要時可考慮在預計設定栓塞的位置澆注水泥，待水泥凝固後，用旋轉 岩心鑽鑽穿水泥澆注孔段。 2、在堅硬地層套用合金鑽頭鑽進，在鬆軟地層中用衝擊法鑽進;若用鋼砂5鑽進時應使投砂量均勻，且在設定栓塞的孔段不且採用。 3、鑽進過程中禁止用泥漿、泥球鑽進。如因特殊原因用泥漿鑽進時，在壓 水試驗前，應進行洗孔。 4、對試驗段以上所遇各層地下水，應進行止水，待含水層封閉後，始可繼 續鑽進。 5、在堅硬岩層中進行壓水試驗時，一般不在試驗段設定過濾器，但在鬆散 地層或破碎帶中，為保護試驗孔壁，應設定過濾器。 〔2〕壓水試驗段的確定 〕壓水試驗段的確定 1、岩層裂隙帶、岩層接觸帶及斷層破碎帶地段做壓水試驗時，試驗段長度 一般為 5m; 2、在隧道高程以上 30～50m，以下 10～20m 的範圍內，為岩層裂隙帶、 岩層接觸帶及斷層破碎帶時，試驗段長度一般為 5m;為完整岩層時，試驗段長 度為 10m。 〔3〕壓水試驗的步驟和要求 〕 1、清洗鑽孔： 在一般情況下，岩心完整，沒有特殊不良地質現象和軟弱夾層，可用高壓 水流的正循環法沖洗孔壁，待回水澄清無沉渣時，即可停止洗孔。洗孔時間一般 不得少於 2 小時。在鬆軟地層洗孔有困難時，可放過濾器後再進行洗孔。 2、試段隔離： 應根據孔徑和試段位置，確定栓塞直徑和壓水管長度。栓塞卡於設計要求 的深度後，應採用試驗的最大壓力進行試驗，測定管內外的水位，檢查栓塞止水 效果，如果有繞塞返水現象，應進行處理。 3、測定地下靜止水位： 試驗前應觀測試驗孔段的地下水位，以確定壓力計零點，觀測每 10 分鐘進 行一次，當連續三次讀數的水位變幅小於 1cm/min，觀測即可停止。以最後一次 測得的水位確定壓力計算零點。若各試驗段位於同一含水層中時，可統一測定水 位。 4、流量的觀測： 把壓力計調整到設計值並保持穩定後，每隔 10 分鐘測讀一次流量，當試驗成果符合下列標準之一時，此試驗工作即可結束。並以最終讀數作為計算用的流 量，即壓入耗水量。 ⑴連續四次讀數其最大值與最小值之差小於最小終值的 10%。 ⑵當流量逐漸減小時，連續四次的讀數的數值均小於 0.5L/min。 ⑶當流量逐漸增大時，連續四次讀數不再有增大的趨勢。 〔4〕 應交資料 〕 、 1、鑽探原始記錄及鑽探日誌。 2、地下水靜止水位記錄表。 3、流量記錄表。 4、繪製 S=f(Q)曲線。 5、計算單位湧水量。 6、計算滲透係數。 三、配合 測試試驗人員應先提出有關鑽孔孔徑、鑽探工藝及施鑽等方面的具體要求， 在鑽探和測試過程中應與鑽探人員和甲方現場技術人員密切配合， 確保　測試試驗 工作的順利完成。如有特殊情況，請與現場配合人員商量解決。　四、檢查驗收 1、現場測試技術人員在進行各項測試、試驗前應及時通知甲方，甲方派相 關技術人員現場進行配合，並提交現場測試、試驗的情況報告，和測試、試驗報 告一起作為驗收是否合格的依據。驗收報告作為工程撥款的依據。