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    探秘恐龙时代-写在“松科2井”开钻一周年

    在黑龙江省安达市,广袤的黑土地上,高高的钻塔耸人云端。伴随着阵阵轰鸣声,钻杆转动,一米一米向下…… 

    这,是松辽盆地资源与环境科学钻探工程——“松科2井”的施工现场。在这里,“地壳一号”万米钻机将深入地下6400米,探寻恐龙时代的科学奥秘。 

    “松科2井”自2014年4月开钻至今,已有一年时间。一年间,中国地质调查局勘探技术研究所作为“松科2井”的施工承担单位,在各方的支持配合下,搭建起国内钻探科技创新平台,迈开了打开通往白垩纪通道的第一步。 

    揭秘白垩纪 我国最深大陆科钻开钻 

    白垩纪,是距今最近、地质记录也保存得最为完整的温室气候时期。 

    那时,大陆被海洋分开,地球变得温暖、干旱,恐龙统治着陆地,巨大的海生爬行动物统治着浅海。在白垩纪中期,海水和大气温度平均比现今高10 0C,大气二氧化碳含量大约是现今含量的4~ 10倍,海平面比现今高出200~ 300米,现今陆地的1/3均被海水覆盖。 

    白垩纪时期的秘密,在于一系列大气一海洋系统发生的重要事件,多次的气候快速转化、岩浆火山活动,大规模的生物灭绝与复苏,以及出现的大规模的油气富集。可以说,地球气候的重大演变,无机与有机世界的重要起源,都可以在这个时期找到意味深长的线索。 

    要解开白垩纪气候快速变化的谜团,必须对海一陆相沉积记录进行整合研究。国际上,通过针对中生代海相地层的钻探已取得了丰富成果,为研究晚中生代古海洋、古气候作出了巨大贡献。但是,针对陆相沉积的科学钻探仍是空白。 

    松辽盆地是世界上发育时间最长的陆相湖泊盆地,其演化历史完整,而且连续沉积,在其湖相沉积地层中保存了最能反映全球或局部气候变化与环境的高分辨率沉积记录,堪称是开展白垩纪陆相沉积研究的理想对象。 

    上世纪末,地质学家、中国科学院院士王成善研究陆相白垩纪的思想形成,“陆相红层”的研究获得国际地质界认可,并由此提出了“松辽盆地科学钻探计划”。该计划将以“二井四孔、万米连续取芯”钻穿白垩纪时全球最大的陆相沉积地层,不仅建立供全球对照的高分辨率陆相白垩纪地质剖面及白垩纪时期亚洲东部高分辨率气候环境变化记录,还将建成白垩纪温室气候变化的时间隧道,为我国预测未来环境一气候变化、进一步拓展陆相油气勘探领域和资源量提供重要保证。 

    2005年国家重点基础研究发展“973”计划批准“松科1井”(SK-1井)立项实施,大庆油田和中国地质调查局勘探技术研究所分别承担了SK-1井南孔(1910米)和北孔(1 830米)的钻探施工.并于2007年工程竣工。2009年9月,国际大陆科学钻探计划(ICDP)批准“松辽盆地科钻计划”纳入ICDP框架,并获得资助项目。2012年国土资源部、中国地质调查局立项松辽盆地资源与环境科学钻探工程(SK-2井),获得国家地质大调查财政专项资金。

    “松科2井”作为松辽盆地科学钻探计划的主体工程,是我国获得的第三个国际大陆科学钻探计划(ICDP),也是迄今我国和亚洲国家实施的最深的大陆科学钻探井,由中国地质调查局勘探技术研究所负责组织实施。 

    钻向地下6000米 多个工程施工难点要攻克 

    钻向地下6400米的白垩纪地层,获取白垩纪地层岩芯,是“松科2井”的神圣使命。 

    通过“松科2井”的钻探,除了获取松辽盆地白垩纪地层原位、连续的岩芯资料和地球物理参数,还将树立松辽盆地及类似盆地的地球物理勘探的科学“标尺”,建立服务于“建设百年大庆”和基础地质研究的“金柱子”,填补完整、连续的白垩纪陆相沉积记录世界空白。可以说,“松科2井”的使命,对于深化研究白垩纪地质事件和气候、环境变化对人类现存环境的影响具有重要科学意义。为此,中国地质调查局明确,通过“松科2井”的实施,要实现开展松辽盆地深部能源调查、建立松辽盆地深部地层结构剖面、寻求白垩纪气候变化地质证据、研发深部探测技术4个目标。 

    然而,要向地下钻进超6000米的科学钻探深井,在我国尚属首次,要实现连续取芯更是绝非易事。 

    作为我国首例超6000米深的科学钻探工程,“松科2井”的施工难点在于,无底部地层压力数据,施工风险大;岩芯采取率要达到95%以上;取芯段井眼深,提、下钻次数多,裸眼时间长,井壁失稳几率大;“三开”(钻进第三阶段)岩芯直径粗大,岩芯拔取和承托难度大;预计完井井温可到2500C,地温梯度高,对钻进循环和井壁稳定构成严重威胁,目前我国还没有如此高温井况施工的先例。 

    如此多的工程难点,使得“地壳一号”万米钻机、超深孔钻探技术和配套的钻探机具都面临严峻的考验。为此,地调局勘探所将展开一系列深部钻探关键技术研发。 

    大口径同径长钻程提钻取芯技术,将解决粗大岩芯拔断力在卡簧上的分配,卡簧与钻头、卡簧座间的配合,卡簧在自由状态下自身重力与弹性收缩力的平衡,及如何保持卡簧与岩芯的松紧配合,从而在采芯时能施加外力使卡簧下行抱紧岩芯。大口径同径绳索取芯,将解决钻杆在内通道一定的前提下与提钻取芯的互换,提高大面积碎岩钻头钻进效率,及大功率绞车无级调控、自动排绳和相关参数智能检测。 

    为应对高温钻进难题,在实验室内按180℃、240 ℃、260℃级别分别开展钻井液抗温性能研究,核心是应用国、内外优质抗高温泥浆处理剂与特定的基浆材料配伍,在模拟条件下优化配方,维持高温高压井况时的钻井液流变性、降滤失性和对地层的抑制性,及实际应用中钻井液的性能调控和体系转化方式。 

    而在井温超过180℃时,只有全金属结构的涡轮钻具可用于井底驱动,但目前国、内外还鲜见涡轮钻具用于取芯钻进的文献和报道。在没有经验可借鉴的情况下,地调局勘探所将探索超高温井底动力高效钻进技术,构建适应涡轮钻工作的井内环境,探索涡轮钻的一系列井内操作程序,及其与液动锤配套使用的工艺可行性。 

    进入“三开”阶段 顺利钻进至3000米

    按照设计,“松科2井”的钻进分5个阶段进行。“一开”阶段,660毫米大直径开孔,钻进至450米;“二开”阶段,钻进至2840米,局部取芯;“三开”阶段,钻至4500米;“四开”阶段,216毫米直径钻进至5800米;“五开”阶段,转换为152毫米直径取芯钻进至6400米。在钻进的同时,跟进测井和录井工作,并开展测井、录井资料的录取与解释。 

    为使工程缩短周期、节约投资、顺利竣工,地调局勘探所在“松科2井”施工过程中,拟通过大口径同径取芯技术研究与实践,突破国内外科学钻探大口径取芯井段惯所遵循的“小径超前取芯,大径扩孔完钻”程序,实现311毫米口径、216毫米口径井段一径完钻;通过抗250 0C以上超高温的钻井液体系、尾管固井工艺、井底动力取芯钻进工艺的研究与应用,刷新我国完钻井温236 0C的石油钻井记录;同时,通过与以上两项创新目标配套的技术研究,促进我国深井大口径取芯钻进工艺的标准化、系列化。 

    2014年4月13日,“松科2井”正式开钻,10月25日“二开”中间完井,完钻井深2806 2米,340毫米套管下至2803 04米固井。为保证测井质量,“二开”以216毫米口径钻至完钻井深,完成测井后再以445毫米口径扩孔成井。值得一提的是,在“二开”阶段,首次在我国实现了将445毫米口径扩孔技术运用至井深超过2800米;应用井斜控制技术将“二开”中完井斜控制在0 62度;优质泥浆体系确保了“二开”长时间裸眼施工的顺利进行;340毫米套管一次性成功下到预设深度,顺利完成大容量双级双密度固井。 

    在“二开”井段,地调局勘探所应用自主研发的KT-298钻具、KT-194钻具,分别进行了311毫米同径取芯试验和216毫米同径取芯钻进。其中,KT- 298首次在我国科学钻探中获取216毫米直径岩芯,初步证明“三开”311毫米井底动力同径取芯技术方案可行。KT- 194正式取芯钻进135米,128毫米直径的岩芯采取率达到97%,为“四开”连续取芯作业奠定了基础。 

    随着万米钻机的不断钻进,依托“松科2井”开展的重大钻探关键技术预研究也取得初步突破。目前,240 0C超高温水基泥浆体系的室内实验已初步完成;大口径同径取芯钻具、大口径超深孔绳索取芯钻具、孔底涡轮动力取芯钻具研究有序跟进,为工程实施提供了有效支撑。 与此同时,伴随工程和相关研究项目推进,地调局勘探所以中青年技术骨干为主的钻进工艺研发和科学钻探工程技术管理团队已初步建立。按照中国地质调查局的要求,在多方配合下,地调局勘探所正努力将“松科2井”工程打造为重塑地调局整体形象的平台、科技进步的平台、人才培养的平台和国际合作的平台。 

    目前,“松科2井”已钻进3000米,进入“三开”取芯的关键阶段。我们期待着,随着“松科2井”的实施,通过取自白垩纪地层中的岩芯,白垩纪气候变化的谜团终将被揭开。

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