邹长春等：中国大陆科学深钻发展的若干思考与建议

中国大陆科学深钻发展的若干思考与建议

（1.中国地质大学(北京)地球物理与信息技术学院,北京 100083；2.中国地质大学(北京)生物地质与环境地质国家重点实验室,北京 100083；3.中国地质大学(北京)地球科学与资源学院,北京 100083）

摘    要

科学钻探是获取地球内部信息的最直接和最重要手段,在解决“向地球深部进军”战略科技问题上起着无可替代的作用。本文简要回顾国内外大陆科学钻探的发展历程和深钻的发展现状,分析大陆科学深钻发展特点与态势;围绕中国大陆科学深钻,梳理其关键科学技术问题、面临的挑战与机遇;在此基础上提出中国大陆科学深钻发展的目标、优先发展方向与发展途径建议。大陆科学深钻能够为地球动力学过程、地质灾害、地质资源和环境变化等全球关注的地球科学前沿问题提供独特的研究途径,但是其实施深度又受超高温和超高压等恶劣井眼环境的制约;现代科学技术的进步有力促进了大陆科学深钻中各项技术的发展,为超深井和特深井科学钻探提供重要支撑。中国大陆科学深钻应以9000~15000 m特深井为目标,注重“超深”“深时”和“深观”等领域的科学问题,优先发展地球深部构造、深部生命、深时气候和深部资源探测等方向,研究超深物质、动力学过程和岩石物理等实验技术,研发超高温超高压环境下的钻井、测井和长期观测等技术与装备,促使我国深地探测能力和水平实现一次飞跃。

关键词

深部探测; 大陆科学钻探; 特深井; 地球物理测井; 发展战略

0 引    言

“上天、入地、下海、登极”是人类探索自然奥秘的四大壮举。习近平总书记在2016年5月30日全国科技创新大会上指出:向地球深部进军是我们必须解决的战略科技问题。作为“入地”工程的代表,大陆科学钻探是人类获取地球内部信息、揭开地球深部奥秘的最直接和最重要手段,被誉为伸入地球深处的“望远镜”[1]。大陆科学钻探旨在解决与人类生存和社会发展密切相关的地球内部关键科学问题,如厘清气候变化和生态演变规律、发现深部能源和矿产资源、探索自然灾害发生机制等,对于生态环境保护、资源可持续利用和自然灾害预防等具有十分重要的意义,因此备受瞩目并已经发展为地球科学的前沿领域[1-7]。

大陆科学钻探是以先进的钻探技术、井中探测技术和观测技术为手段的非营利性大科学工程,通过挖掘钻孔并获取岩石和流体样品、探测井壁地层来实现科学目标[8-10]。20世纪50年代末美国启动的“莫霍计划(Project Mohole)”是人类最早实施的科学钻探项目[11-12]。此后,苏联、德和美等国相继制定并实施了一系列大陆科学钻探计划。1996年,德国、美国和中国发起成立了“国际大陆科学钻探计划(ICDP)”,标志着全球大陆科学钻探进入了一个新阶段,中国的大陆科学钻探也逐步开展起来。在众多的大陆科学钻探项目中,苏联科拉超深钻、德国大陆科学钻探(KTB)、中国大陆科学钻探(CCSD)和松辽盆地科学钻探(CCSD-SK)均为示范性科学深钻工程。这些工程的规模庞大,在地学研究和工程技术领域均取得了重大突破[2-3,13-15]。

大陆科学深钻的实施受复杂地质条件和超高温超高压等恶劣井眼环境的制约,使得人类通过大陆科学深钻直接获取的地球深部信息依然十分有限[7,16]。现代科学技术的进步为钻井、取心、录井、测井和井中观测等各项关键核心技术的发展提供了强有力的支持,有助于推动更深科学钻探的实施。中国随着全面建设社会主义现代化国家新征程的开启,大陆科学深钻也迎来了历史性发展机遇。根据《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》(下文简称为《纲要》),中国将在深地领域实施一批具有前瞻性和战略性的国家重大科技项目[17]。《纲要》已将地球深部探测装备列入了应当集中优势资源攻关的科技前沿领域。中国大陆科学深钻事业正在迎来高质量发展的机遇期,中国亟需加强大陆科学深钻战略研究,制定长远规划,谋划和探索大国发展的未来之路。

本文通过回顾国内外大陆科学钻探的发展历程,结合中国大陆科学钻探发展需求,剖析中国大陆科学深钻(尤其是井中探测领域)所面临的挑战与机遇,提出应对策略与发展途径,以期为中国地球内部探测发展提供参考。

1 大陆科学钻探发展历程与深钻发展状况

1.1 大陆科学钻探发展历程与进展

自20世纪50年代末美国启动“莫霍计划”以来,苏联、德、法、英、美等国先后实施多个大陆科学钻探工程。中国从20世纪60年代开始筹备大陆科学钻探计划,目前已经实施了10余个科学钻探项目。

1.1.1 国外大陆科学钻探发展历程

国外大陆科学钻探的发展主要经历了起步、取得重大突破和持续发展等几个阶段。

(1)20世纪60年代——起步阶段。

科学钻探开始于海洋科学研究。1957年,美国科学家Walter Munk提出世界上第一个科学钻探项目——“莫霍计划”,并于1961年在墨西哥瓜达卢佩岛(Guadalupe Island)附近的太平洋海底钻探,尝试向地幔钻进[18]。由于钻探技术上的难度、高昂的经费预算以及政治阻碍,美国国会于1966年8月否决了对“莫霍计划”的拨款,因此该计划被迫搁浅[19]。1968年,美国开始实施“深海钻探计划”,通过在各大洋布置钻孔,广泛地获取岩心和沉积物样品,对洋底上部地壳开展研究[20]。早期的海洋科学钻探工作促使人们意识到,实施深海钻探在技术上可行且对地球科学发展意义重大,这也为大陆科学钻探的实施打下了基础。

(2)20世纪70至90年代中——取得重大突破的发展阶段。

苏联、德国和美国在这一时期的大陆科学钻探活动中走在前列。苏联于1970年开始实施科拉超深钻SG-3井,历时19年,完钻深度达到12262 m[21-22]。1987年9月,德国大陆科学钻探(KTB)开始正式施工,先后完成终孔深度为4000 m的先导孔和9101 m的主孔,并在钻孔现场组建了一个庞大的地表与深井长期观测系统[23-25]。美国这一时期的科学钻探以中、浅井为主,还通过建立“大陆地壳深部观测采样组织”,在美国各地实施了29口科学深钻孔[26-27]。苏联、德国的科学深钻注重地壳深部的结构、构造、成分等信息,美国的科学深钻则聚焦于地壳浅部正在发生的各种地质作用。SG-3井和KTB主孔是这一时期最具代表性的大陆科学钻探工程,均以地壳深部探测为目标,克服了高温高压恶劣井眼环境,系统地开展钻探、测井和长期观测等工作,具有里程碑式的意义。

(3)20世纪90年代中至今——持续发展阶段。

自20世纪90年代中期以来,世界各国对大陆科学钻探的部署越来越活跃,国际合作愈加频繁。1996年2月26日,德国、中国和美国共同成立了国际大陆科学钻探计划(International Continental Scientific Drilling Program, ICDP),对全球大陆科学钻探进行协调和资助,推动了大陆科学钻探进一步发展。迄今为止,全球已有22个国家成为ICDP正式成员国,在ICDP框架下开展的钻探项目以及工作组(Workshop)达到167个,钻探井位遍布全球各大洲(图1)。大陆科学钻探的研究领域涵盖了环境气候演化、灾难性事件、自然资源等诸多领域。环境气候演化领域的代表性项目包括俄罗斯贝加尔湖钻探[28],死海盆地钻探[29]等;灾难性事件领域的代表性项目包括墨西哥Chicxulub陨石坑钻探[30],美国圣安德列斯断层深部长期观测研究(SAFOD)[31-32];自然资源领域的代表性项目包括冰岛深钻(IDDP)[33],加拿大Mallik水合物钻探[34]等。如今,大陆科学钻探的研究领域持续拓宽,钻探项目数量持续增多,已经发展成为地球科学中的前沿领域。

1.1.2 国外大陆科学钻探取得的主要成就

在发展阶段,国外大陆科学钻探取得的科学成就主要集中在地球深部结构。科拉超深钻建立了前寒武纪地壳的地质-地球物理-地球化学垂直剖面图,并在深部变质作用和成矿作用等方面的研究中取得突破[21-22];KTB超深钻获得了地下9101 m范围内的地壳组成、结构等资料,温度、应力和流体分布等信息以及该范围内各种岩石物理参数数据,查明了该范围内的三期变质作用[23-25]。在持续发展阶段,国外大陆科学钻探取得的科学成果集中体现在地震断裂、灾难性事件、古气候研究等方面:SAFOD项目利用深井观测资料确定了地震发生时的应力、温度和流体压力条件,证实了断裂带发展过程中缺乏深层流体的结论[31-32];墨西哥科学家通过Chicxulub陨石坑钻探项目采集得到的岩心样品,分析了陨石坑的形成及其与全球大规模灭绝之间的联系,研究了撞击后的陨石坑变化、环境演化和动物恢复过程[30];IDDP项目成功钻穿了洋中脊活动热液系统,获得大量超临界状态下岩石的物理、化学信息,验证了钻探超临界地热井的可行性[35]。这些科学成果加深了人类对全球环境变化、生命演变以及未来能源等重大科学命题的理解。

国际大陆科学钻探的不断发展,极大促进了钻探技术与深部探测技术的创新与变革。大陆科学钻探除了采用石油工业中的先进技术外,还根据自身的特殊性,不断研发特殊的工程技术。钻探方面,仪器的耐高温高压指标显著提高,15000 m钻机、耐热达到200 ℃的轻合金钻杆以及新型钻井液等新钻探工具的出现保证了超深钻井工作的顺利进行,并实现了大口径、无污染取心[21,25]。测井方面,克服了高温高压等恶劣井眼环境,大部分测井仪器温度上限高达256 ℃,首次实现了在深度超过9000 m的钻孔中进行测井[22-23];成像测井技术也得到了广泛应用,促进了地下断层、裂缝的研究,同时让井下构造环境以更直观的方式呈现在技术人员面前,提升了测井解释工作的多元性和准确性[32]。长期观测方面,深井地球物理观测得到长足的发展,观测内容从发展阶段的地应力、地下流体、地震,拓展到了持续发展阶段的温度、应变、倾斜等,实现对地球内部更高质量、更高精度、更有时效性的监测[23,32,36]。

1.1.3 中国大陆科学钻探的发展历程

从20世纪70年代开始,中国科学家就一直呼吁实施中国大陆科学钻探计划。进入21世纪后,相关项目终于获得批准,并正式进入了实施阶段。

(1)20世纪60年代末至90年代末——准备阶段。

中国大陆科学钻探计划的准备阶段包括启蒙认识、前期准备和筹备起步等过程。1965年,地质学家谢家荣先生指出战后地质工作已向地球深部发展[37]。1977年,国家科委建议组建“国家大陆超深孔钻探委员会”[38]。中国地质学家从1988年开始建议制定中国大陆科学钻探计划[39]。地矿部于1993年12月批准建设“中国大陆科学钻探工程”[38]。1995年11月,国务院批准中国加入“国际大陆科学钻探计划”[40]。

(2)20世纪90年代末至今——实施阶段。

2001年,中国大陆科学钻探项目的获批,标志着正式进入实施阶段。在ICDP框架下,中国实施了“中国大陆科学钻探(2001—2005)”[40-41]、“青海湖科学钻探(2005)”[42-43]、“松辽盆地科学钻探(2006—2018)”[44-45]、“渭河盆地科学钻探(2022)”等项目,中国台湾地区实施了“车笼埔断层钻探(2004)”项目[46-47]。中国还自主实施了以地震研究为目标的“汶川地震断裂科学钻探(2008—2014)”[48-50]以及与矿产资源勘查密切相关的“中国铀矿3000 m科学深钻(2012—2013)”[51]、“南岭成矿带于都—赣县矿集区科学钻探(2011—2013)”[52]、“云南腾冲火山-地热构造带科学钻探(2012—2013)”[53]、“漠河冻土区天然气水合物科学钻探(2010)”[54]、“铜陵矿集区3000 m科学钻探(2012—2014)”[55-56]等项目。这些钻探项目的实施推动了中国地球内部探测事业的发展,促进了钻井、测井和长期观测等核心技术的进步,为中国深地探测提供了有力支撑。

1.1.4 中国大陆科学钻探取得的主要成就

1.1.4.1 科学成就

中国大陆科学钻探工作解决了诸多地质学问题,这些问题主要体现在深部结构构造、古环境古气候、地震断裂和深部资源等方面。

(1)深部结构构造。中国大陆科学钻探东海一井首次在超高压变质岩区建立了5000 m深的由岩性、构造变形、测井等一系列剖面组成的“金柱子”,并在大陆深俯冲研究中取得了一系列进展[1-2];松辽盆地科学钻探实现了对白垩纪陆相地层厘米级高分辨率精细刻画,建立了松辽盆地陆相地层“金柱子”[44-45]。

(2)古环境古气候。松辽盆地科学钻探松科一井、松科二井和松科三井完成了陆相白垩系地质记录连续取心,提出了松辽盆地演化新模式,获得白垩纪陆地古气候演变规律的重要证据[44-45];青海湖环境科学钻探查明青海湖湖盆形成演化、气候-构造变化和青海湖湖面波动的过程[42-43]。

(3)地震断裂。汶川地震断裂科学钻探查明汶川地震断裂带结构、组成[50],揭示汶川地震断裂弱化机理,提出汶川大地震发生的新成因模式,厘清地震活动的规律和发震机理[48-49];车笼埔断层钻探厘清了车笼埔断裂的剧烈错动规律和产生机理[46-47]。

(4)深部资源。松辽盆地科学钻探丰富了白垩纪陆相生油理论,证实了松辽盆地深部具有非常规天然气能源潜力,具备盆地型干热岩赋存条件[57-58];还发现了深部铀矿线索,为深部能源勘查提供了重要资料[59-60]。

1.1.4.2 技术成就

在中国大陆科学钻探工作的推进中,技术人员不断对钻井和探测手段进行改良、革新、创造,突破了一系列恶劣环境造成的瓶颈,创造了诸多世界纪录。

(1)钻井。

中国在大陆科学钻探工作中不断完善和升级钻探技术,在钻探器具、工艺等方面都取得了巨大的进步,钻探深度不断增加。在东海一井的实施中,首创螺杆马达-液动锤-金刚石取心钻进系统,首次实现在坚硬的岩石中进行长井段扩孔钻进,摸索出了一整套适用的扩孔钻进技术,是钻探取心技术的重大突破[7,61]。在这些新方法新技术的支撑下,我国解决了施工过程中所遇到的岩石硬度高、岩壁易脱落、岩层破碎严重、地层温度高、易井斜、岩心易损坏等问题,成功完成了钻井取心任务。在松科二井的实施中,研发了万米钻机,创造了311 mm大口径连续取心最长、三种不同口径单回次取心最长等四项世界纪录。在世界上首次研发并成功应用大口径一次取心成井等技术,将钻进速度提高了2倍,并成功研发了抗高温钻探技术,创造了国内最高温度(241 ℃)条件下钻进的新纪录[62]。这些钻探技术的进步有力保障了中国科学钻探工作的开展,也为将来更大深度的科学深钻积累了技术和经验。

(2)测井。

测井新方法:中国大陆科学钻探的测井工程紧密围绕科学目标开展,针对性应用、研发测井新方法。在东海一井的实施工作中,开发了国内第一套具备人机联作岩心空间归位、特征参数提取及统计等功能的成像测井岩心扫描图像综合处理系统[63]。在松科二井的测井工作中,除常规石油测井外,还采用了阵列声波、阵列感应、微电阻率扫描成像、自然伽马能谱、核磁共振成像等新一代石油测井方法和磁化率、热导率、元素俘获能谱等特种测井方法[13,59]。这些新方法的使用为测井解释提供了更多元的信息,能够更好地为钻探施工和地学研究服务。

突破高温瓶颈:中国在开展科学钻探过程中不断进行技术攻关以突破高温瓶颈。松科二井测井创造了三项超高温测井记录,一是采用测井仪器记录到井底温度241 ℃,是迄今中国最高温度测井记录;二是成功获得220~241 ℃井眼环境下阵列声波测井资料,创造了中国超高温阵列声波测井记录;三是成功获得200 ℃井眼环境下电成像测井资料,创造了中国超高温电成像测井记录。这些技术进步推动了测井工作的顺利实施,确保在恶劣井眼环境下获得连续、原位、高分辨率的各类地层物理、化学信息,为地质研究工作提供了大量基础资料。

科学解释成果:中国大陆科学钻探的测井工作通过测井解释,在基础地质、岩石物性、深部资源探测等方面取得了诸多进展。在东海一井中,首次实现了长井段准确快速岩心定深、定向归位,给出了精确的岩心产状和构造要素及地应力方向和井斜间的关系;首次系统分析了超高压变质岩的测井响应特征,建立变质岩岩性识别模型;发现井斜受岩性和裂缝构造制约,地应力方向随深度变化的规律,同时发现多处放射性异常层和孔隙性岩层[63-64]。在松科二井中,在取全取准原位信息的基础上,提取地层岩矿组分、结构构造等基础地质信息;查明裂缝分布和产状特征,推断裂缝成因和形成时的应力状态;对岩心进行深度和方位归位,建立深度标尺;识别富含有机质的烃源岩和高放射性层;分析沉积环境和井旁构造[58-60]。这些地学成果为钻探工程科学目标的实现奠定了良好的基础。

(3)井中长期观测。

21世纪以来,中国大陆科学钻探的实施为建立深井长期观测站提供了良好的条件,目前已建有东海深井观测站和汶川长期地震观测站[49,65]。其中东海深井观测站实现了4000 m深井地震观测[65]。长期观测站的建立为中国研究大陆构造运动和岩石圈形成演化过程提供了丰富的证据,同时大大提高了中国对地震活动的监测能力。

1.2 全球深钻发展状况

按照垂直井深,深钻一般可分为三类:4500~6000 m为深井,6000~9000 m为超深井,大于9000 m为特深井[65]。依此分类,东海一井和松科二井分别属于深井和超深井,KTB主孔和SG-3井都属于特深井。其中,松科二井创造了亚洲科学钻探井最深记录(7018 m),SG-3井保持着全球科学钻探井最深记录(12262 m)。

深钻的实施可以追溯到20世纪30年代。在该领域,美国创造了多项的首次记录:1938年钻探全球第一口深井,井深达到了4573 m;1949年完成世界上第一口超深井,井深6255 m;1972年,实施世界上第一口特深井Baden1井,深度达到9159 m[67]。2008年,美国Tiber井成为全球第二口超万米的特深井。21世纪以来超过万米的井还有卡塔尔BD-04A井,俄罗斯Odoptu OP-11井,阿联酋UZ-688井等,但这些井都不是直井(表1)。目前,部分国家已具备实施超万米特深井的能力。

表1   国内外典型的深钻井与大位移油井[67-68]

中国于1976年钻成了第一口超深井,即深度为6011 m的女基井[68]。1978年,中国钻成深度为7175 m的关基井,成为继美国和苏联之后第三个完成7000 m超深井的国家[67]。此后,中国还完成英深1井、马深1井、蓬深6井等石油超深探井。中国的深钻正处于快速发展时期,但目前仍未超过10000 m。

总的来说,全球深钻在过去80多年得到了长足的发展,钻探深度不断取得新的突破,21世纪以来更是出现了诸多超过万米的探井。最初的深钻以油气探井为目的,已逐渐发展到科学钻探领域。

1.3 大陆科学深钻发展特点与发展态势

1.3.1 大陆科学深钻发展特点

大陆科学深钻是一项十分复杂的大科学工程,其发展主要具有技术难度大、实施周期长、多学科协同攻关、国际化程度高等特点。

(1)技术难度大。大陆科学深钻技术难度大,具有极大的风险。它必须钻穿地球深部的坚硬岩石,克服高温、高压的极端环境。

(2)实施周期长。大陆科学深钻实施周期一般较长,需要雄厚的经济支持。科拉3井历时19年才完工,KTB超深钻从开始施工到完成主孔也耗时7年。东海一井和松科二井的深度虽然不及上述两口井,但其施工周期也均为4年左右。

(3)多学科协同攻关。大陆科学深钻是一项复杂的地球系统科学工程,在选址、施工与科学研究的过程中,需要地质学、地球物理学、地球化学、生命科学、海洋科学、天文学、数理科学、信息科学、控制科学、材料科学和管理科学及其分支学科和新的交叉学科的协同攻关,掌握钻井、取心、录井、测井和井中观测等关键技术。

(4)国际化程度高。大陆科学深钻国际化程度高,一直以来致力于资料和成果共享。作为国际大陆科学钻探计划的“灯塔”工程,松科二井从选址到钻探、测井等工程的实施,再到科学研究,都由多国科学家共同参与,促进了先进经验的相互交流,推动大陆科学深钻的发展。

1.3.2 大陆科学深钻发展态势

ICDP在成立后很长一段时间里都注重环境、资源和灾害三大领域的科学研究。其中环境领域主要聚焦于气候与生态系统,资源领域主要聚焦于地质资源的可持续利用,灾害领域主要聚焦于自然灾害的形成机制。2020年,ICDP提出2020—2030的科学主题,包括地球动力学过程、地质灾害、地质资源和环境变化四大领域(表2)。ICDP过去的三大领域并没有明确的界限,研究主题互有交叉。目前,ICDP的四大研究领域都具有截然不同的研究主题,且研究主题更加具体化。地球圈层循环、低碳、温室效应等新增设的主题均是目前人类社会最关心的问题。

表2   ICDP在不同阶段的科学主题

不同时期的科学深钻项目在科学目标上也存在不同。20世纪最著名的科拉超深钻和KTB超深钻的科学目标均是获得地球深部信息,研究地球深部地质作用。21世纪初的东海一井除了进行地球深部动力学研究外,还开始关注深部生命、水圈生物圈的循环等问题[2]。近年实施的松辽盆地科学钻探的科学目标则涵盖了古气候研究、资源能源探索、基础地质研究和发展深部探测技术等多方面[57]。可见,大陆科学深钻项目的科学目标正逐渐多元化,从最初单一的地球深部动力学研究,扩展到了地球圈层循环、古环境古气候等多方面。

未来的大陆科学深钻,将更加聚焦于清洁能源、碳循环、地质灾害等与人类生存密切相关的问题,更加注重对地球宜居性和社会可持续发展领域的研究。技术上,一是必然向纵深发展,不断实现科学技术突破;二是必然加强长期观测,开展对地球内部运动变化过程的实时观测和监测。

2 中国大陆科学深钻的关键科学问题、挑战与机遇

随着中国经济实力、科技实力、综合国力和国际影响力持续增强,大陆科学深钻备受中国的科学家和钻探专家瞩目,它的发展必将为地球科学研究带来新的突破,同时也面临许多新的工程技术难题。

2.1 关键科学问题

大陆科学深钻依靠深井、超深井和特深科学钻井的取样分析、原位探测和长期观测的优势,通过地质学、地球物理学、地球化学、生命科学和天文学等多学科的综合研究,实现地球深部动力学、资源、环境与灾害等领域前沿科学问题的探索和原创发现。从地球内部探测发展需要看,中国大陆科学深钻关键科学问题体现在“超深”“深时”和“深观”三个方面。

(1)“超深”方面,通过深井环境下直接取样和原位探测,解决地壳物质组成、构造与演化、深部资源、深部生命以及全球环境与气候变化等方面的科学问题。具体包括:探索钻遇深部地层的物质组成、状态与浅表系统互馈机理与效应;探索极端高温和高压环境下岩石物理特征和地球物理响应机制[69];研究深部物质循环,探索地球深部碳、氢和地热等可利用资源的分布[70];探索深部地下生命起源、生命极限与适应机制,深部生物圈能量来源、营养物质循环,人类活动与深部生物圈的相互作用等。

(2)“深时”方面,通过大陆科学深钻大科学工程与“深时数字地球(DDE)”等大科学计划紧密结合,借助DDE全领域、可视化的地学知识图谱和全球共享的“深时”大数据处理分析平台,研究深时物质演化、生命演化和气候演化相关的重大地球科学问题[71-72]。

(3)“深观”方面,深井长期观测能够有效克服浅表效应和人文干扰,获取来自地球内部的真实信息,客观地认识地球内部状态与变化[65],揭示大陆现代构造运动特征、解决地球岩石圈形成及演化过程等方面的科学问题。具体包括:揭示地震、火山的孕育过程与机制;研究人类活动对自然灾害的诱发机制,人类活动与深部生物圈的相互作用,深部资源开发和环境安全监测以及灾害预测,以及深层地下流体系统的组成、状态与浅表的相互作用及在全球气候与环境变化中的复杂作用等。

2.2 挑战与机遇

2.2.1 面临的挑战

大陆科学深钻是一项复杂的地球系统科学工程,随着钻探深度的加深,深部地质条件愈加复杂,高温、高压和高地应力等问题将更加突出,钻井、测井和长期观测将面临一系列工程难题与技术瓶颈,这些因素同时影响工程施工周期和经济投入。

(1)深部地质条件与井眼环境复杂。

由于钻探深度大,钻进过程中可能钻遇到各种复杂地层情况,如山前构造、高陡构造、复合盐膏层、强造斜地层、巨厚砾石层、多压力系统以及岩体硬度高、研磨性强等。复杂的地质条件增加了钻井难度和风险,将会出现应力集中、井壁坍塌、井壁缩颈、地层漏失、地层压力异常、地层硫化氢浓度和矿化度高等问题,这将给钻探和测井带来一系列难题,使得超深钻成为难度和风险最大的钻井工程项目[16]。

井中温度和压力是影响大陆科学深钻工程实施的关键因素。温度超过150 ℃、压力超过68.95 MPa时,可分为高温高压、超高温超高压和恶劣温压环境等几种情况(图2)。高温高压环境(HPHT):温度150~205 ℃,压力68.95~137.90 MPa;超高温超高压环境(Ultra-HPHT):温度205~260 ℃,压力137.90~241.32 MPa;恶劣温压环境(HPHT-hc):温度>260 ℃,压力>241.32 MPa[73]。其中,高温和超高温是关键的制约因素。

图2   高温高压井眼环境(引自文献[73],有修改)

(2)技术要求高。

大陆科学深钻必须克服高温、高压和高地应力等关键问题,在其实施过程中钻探、测井和长期观测技术以及配套工艺和装备等面临着巨大挑战。

钻探技术:中国实施的松科二井钻探工程创造了国内最高温度(241 ℃)条件下钻进纪录,已经成功研发超高温的水基钻井液体系、固井、随钻测温等系列技术和全金属涡轮钻具,为中国未来的大陆科学深钻奠定了坚实基础。但是,对于9000 m及更深钻探,钻井工具、钻井液和水泥浆依然面临抗高温能力不足的问题[7]。此外,还面临着井斜控制难、井身结构设计困难、单一钻杆柱适应性不足的问题,以及井壁易坍塌、井漏和井涌等问题[16]。

测井技术:测井仪器设备方面,现有的常规测井仪器耐温一般为260 ℃,成像测井仪器耐温一般为175 ℃,难以满足9000 m及更大深度钻孔内高温的要求。中国自主研发的耐高温测井仪器极少,在核心技术和关键技术上过去对外依存度高,斯伦贝谢(Schlumberger)、哈里伯顿(Halliburton)和贝克休斯(Baker Hughes)等国际石油公司生产的测井系统在中国应用广泛。大陆科学深钻所需的重要下井仪器、零部件和耐高温元件,包括耐高温的井中重力仪、元素俘获能谱测井仪、多极子声波测井仪和电阻率成像测井仪,以及配套的耐高温芯片和电缆等需要进口。此外,适合大陆科学深钻需要的随钻测井技术严重不足。

测井资料评价方面,针对大陆科学深钻开展的基础实验研究薄弱,特别是超高温超高压岩石物理实验缺乏。大陆科学深钻可能出现极端高温情况,如冰岛科学钻探IDDP-2井4659 m处温度达到427 ℃,压力达到34 MPa,地层水可能出现超临界状态,地层物性发生变化[35]。厘清超高温超高压岩石物理响应规律,才能最大限度地发挥好测井技术的作用。

井中长期观测技术:井中长期观测包括地震(宽频和加速度地震仪)、流体压力、温度、应变、倾斜等的监测,耐温、耐压和稳定连续观测时间是关键指标。井中观测深度小于3000 m的情况下,井眼环境温度一般不超过125 ℃,大多数的井中观测仪器能够满足耐温条件。随着观测深度增大,对观测仪器要求提高。井深5000 m情况下,观测仪器必须具备耐高温(150 ℃以上)、耐高压(50 MPa以上)及稳定连续工作10年以上等性能[65]。目前,耐温超过175 ℃的仪器研发是井中长期观测的技术瓶颈。

中国在东海一井建立了目前世界上最深的深井地球物理长期观测站,将三分量地震仪、地温观测仪和流体压力仪安置在不同深度,采用美国SONDI公司和OYO GEOSPACE公司研发的深井观测仪器设备,实现了最大观测深度为4050 m的长期观测[65]。然而,中国缺乏自主研发的耐高温井中长期观测技术。

中国的大陆科学深钻发展时间短,钻井设备已经实现了国产化,部分关键技术已经走在国际前列。然而,测井和长期观测方面的关键设备依然依靠引进(表3)。

表3   中国大陆科学深钻关键技术、工艺与装备的发展现状(与国际对比)

(3)施工周期长、经济投入巨大。

大陆科学深钻工程施工周期一般都比较长,投入费用也很高,具体影响因素包括:钻遇地层复杂,井下情况多变,施工难度大,影响钻井效率和施工周期[16];需要最大限度地采取岩心样品,以完成既定科学目标;施工过程中需要开展深钻试验,以研发钻探新技术;开展长期观测,持续进行数据采集。

苏联SG-3井因经费不足停止钻进,历时19年,终孔孔深12262 m;德国KTB主孔、中国东海一井和松科二井钻探耗时大致为4年,终孔孔深分别为9101 m、5158 m和7018 m。上述典型的深钻工程反映出大陆科学深钻在施工周期、财力和人力方面均具有巨大的挑战性。

2.2.2 发展机遇

我国目前处于实现中华民族伟大复兴的关键时期,正朝着全面建成社会主义现代化强国、实现第二个百年奋斗目标迈进。新一轮科技革命和产业革命加快演进,为大陆科学钻探向纵深发展提供了强有力支持,并将可能催生深地探测领域的重大科技创新。面临的机遇主要包括:

(1)《纲要》明确指出,制定实施战略性科学计划和科学工程,将有利于加快推进实施深地战略,建设深井长期观测科学实验场[17]。同时,强调加强原创性引领性科技攻关,从国家急迫需要和长远需求出发,集中优势资源攻克关键核心技术,包括大陆科学深钻相关的耐高温关键元器件、零部件、地球深部探测装备研制;

(2)中国积极开展和参与DDE等国际大科学计划,数字化时代的可持续发展正在催生新的科学范式,地学大数据与地球系统科学的结合有望成为地球科学重大理论的新突破口[72]。采用超级计算、人工智能和大数据一体化计算模式,对大陆科学深钻所获取的原位、高分辨率和连续地质信息以及过去数十亿年地球时空大数据进行整合,可能实现大数据驱动的科学发现和新突破;

(3)近60年来国际大陆科学钻探和大洋钻探的经验,近20年来中国科学钻探取得的非凡成就,为中国科学深钻发展奠定了坚实基础。由于技术难度、施工风险和经济成本等原因,国外三大科学钻探计划(“莫霍计划”、SG-3井和KTB主孔)均未完成既定目标,其中科拉3井预计12000m深处井温为100 ℃,但实际温度达到180 ℃,严重超过预期。积累经验和吸取教训,将有助于降低未来科学钻探实施过程中的风险。

3 发展目标与优先发展方向

3.1 发展目标

根据中国科学技术进步水平、综合国力和国家整体发展战略,参照ICDP的科学目标和实施计划,制定中国大陆科学深钻发展战略和长远规划,分阶段推进超深、特深科学钻探的实施。

2021—2040年,中国大陆科学深钻的总体发展目标:(1)面向科学深钻前沿的地球科学问题,发展地球内部探测的基础理论,实现与数理、电子信息、材料、机械和生命科学等的多学科交叉融合,取得具有重大影响的原创性成果。(2)突破超高温超高压瓶颈,发展特深科学钻探的钻井、取心和测井等先进技术,研发具有自主知识产权的关键技术装备和工艺。(3)发展科学深钻井中长期观测新理论、新方法和新技术,建立深井长期观测站和深地观测网。经过20年的努力,使中国大陆深钻的整体水平迈上一个新台阶,努力在若干重点领域取得具有重大影响的科学发现和变革性成就,使中国在国际科学深钻领域具有突出的地位和重大的影响力(图3和表4)。

图3   2021—2040年中国大陆科学深钻发展规划

表4   中国大陆科学深钻战略目标的部分技术指标

阶段性发展目标如下:(1)2021—2025年开展9000 m超深科学钻探技术攻关,自主研发耐高温260 ℃的测井技术,研发耐温125 ℃、深度到达3000 m的井中长期观测的技术。(2)2026—2030年实施9000~10000 m特深科学钻探工程;拥有13000 m超深科学钻探关键核心技术,自主研发耐高温300 ℃的测井技术,研发耐温175 ℃、深度到达4500 m的井中长期观测技术。(3)2031—2040年实施13000 m特深科学钻探;拥有15000 m特深科学钻探关键核心技术,自主研发耐高温350 ℃的测井技术,研发耐温超过175 ℃、深度超过4500 m的井中长期观测技术。

3.2 优先发展方向

中国大陆科学深钻应该从国家战略需求和世界科技前沿高度出发,以满足国家重大需求和经济发展以及推进中国大陆科学深钻发展目标为导向,抓住发展机遇,攻克中国大陆科学深钻的关键科学问题和挑战。优先发展方向包括:

(1)大陆科学深钻的科学前沿和热点问题。包括深部构造与动力学过程、深部生命的起源与演化、深时极端气候环境与生物事件、深部物质循环、深部能源及战略性矿产资源利用等。

(2)大陆科学深钻超高温超高压环境的实验技术。包括地球物质和动力学过程的理论与实验技术,岩石物理学实验理论与技术,钻井、取心实验理论与技术,测井、井中长期观测实验理论与技术。

(3)大陆科学深钻超高温超高压环境的钻井取心新方法、新技术、新材料、新装备和新工艺,耐高温钻井液;探索智能导钻技术、激光钻井技术和毫米波岩石钻探技术等变革性关键技术[16,73-74]。

(4)大陆科学深钻超高温超高压环境的测井新方法、新技术和新仪器,解决重力测井和元素俘获能谱测井等仪器研发中的卡脖子技术,发展可控源密度和中子等绿色测井技术;研发深井超前探测技术。

(5)深井原位、长期和实时观测新理论和新技术,适用于超高温超高压环境的时间推移测量技术,地壳长期观测站和深地观测网。

(6)岩心、井、地、空等多尺度综合观测新理论和新技术,多源数据融合理论,网络技术、大数据和智能技术的应用。

(7)多学科研究方向之间的交叉融合,既包括地质学、地球物理学和地球化学等地球科学领域内部的交叉融合,还包括地球科学与信息科学、控制科学和材料科学等大类学科间的交叉融合。

4 发展途径建议

围绕中国大陆科学深钻发展目标和优先发展方向,需要从国家层面引导深钻发展的进度和规模,制订和完善发展规划;同时整合资源、集中力量开展技术攻关。为此,笔者从政策、技术与人才保障等方面提出以下发展途径建议:

(1)强化顶层设计,重视大陆科学深钻的建设和发展。大陆科学深钻是一项复杂且规模庞大的综合性工程,需要从国家层面做好中国地球内部探测发展战略整体工作部署,最终成为国际大陆科学深钻的引领者。

(2)加大资金投入,瞄准深地前沿领域,实施重大科技项目。紧紧抓住向地球深部进军这一战略科技问题,争取国家政策支持与财政投入,最终在深部资源、自然灾害和气候变化等重大科学问题上取得突破,服务社会发展。

(3)加快科技布局,在大陆科学深钻变革性技术上取得原创突破。结合油气行业的优势钻探和测井技术,加紧建设大陆科学深钻创新研究基地,部署完备的长期观测站和深地观测网,最终形成具有自主知识产权的大陆科学深钻技术体系。

(4)加强人才储备,开启大陆科学深钻人才集聚新局面。大力培养从事大陆科学深钻的地质和地球物理等学科的科研工作者以及钻井、测井、录井和长期观测等工程技术人才,吸引跨专业人员参与大陆科学深钻相关领域的研究,最终形成一支能力超强、技术过硬的大陆科学深钻队伍。

(5)创新管理模式,整合大陆科学深钻相关学科的优势力量。统筹部署超深钻井、测井、井中长期观测等领域的研究工作,实现对大陆科学深钻技术的协同攻关,做到“产、学、研、用”相结合,推进大陆科学深钻工程的高效实施。

(6)深化国际合作,持续推进与国外先进的科学钻探研究机构全方位联合。积极参与ICDP的研究和交流合作,及时掌握全球大陆科学钻探领域的前沿学科和技术动态,提升大陆科学深钻领域的科学研究、队伍建设和人才培养等各方面的水平。

5 结 语

近50年来,国外大陆科学钻探经历了起步、发展、持续发展等阶段,取得了令世人瞩目的成就。近20年来,中国的大陆科学钻探事业同样发展惊人,成功研制了万米钻机,实施了7018 m超深科学钻探,打破了一系列世界纪录,为开展特深井科学钻探奠定了基础。

当前中国科技发展和国家战略部署为大陆科学深钻提供了前所未有的机遇,大陆科学深钻进入了高质量发展的黄金时期,近5年及未来10年、20年,中国有望实施特深井9000 m、13000 m和15000 m的科学深钻工程,并拥有自主研发的核心技术。

中国大陆科学深钻领域的科学家,应该聚焦“超深”“深时”“深观”领域的关键科学问题,突破超高温超高压环境下钻井、测井和井中长期观测中的“卡脖子”技术,做好顶层设计和科学规划。相信经过未来10年乃至更长时间的努力,中国大陆科学深钻必定会取得创新性和突破性成果。