中国白垩纪大陆科学钻探工程:松科一井科学钻探工程的实施与初步进展

获取全球环境与气候变化记录是世界科学钻探发展的必然趋势.白垩纪作为地质历史时期"温室气候"的典型范例时期,提供了温室气候条件下地球气候系统运作和变化的良好档案.但是目前国际上针对白垩纪地层的科学钻探主要限于海相地层,对陆相白垩系的科学钻探尚属空白.在我国松辽盆地北部新近完成的中国白垩纪大陆科学钻探工程——松科1井项目有望在此方面取得重要的突破.该项目经过一年多的努力,钻探工程已经全都结束,总计获取岩心长2485.89 m,收获率达96.46%,是目前为止所获取的国际上第一条最长而且连续的白垩系陆相沉积记录.针对岩心的全面研究工作正在开展并已取得初步成果.相关研究工作进展突出表现在通过厘米级样品的取样与分析,将传统地质学百万年的时间分辨率提高到万年尺度,预计其研究结果可为解决当今的全球变暖问题提供重要的参照.利用松科1井科学钻探工程的原始科学资料和研究成果,对岩心已经和在建的包括岩石地层、古生物、沉积相、古地磁、有机地化、旋回地层、地微生物等十大剖面系列,进行科学钻探成果的集成.初步研究在沉积学和有机地球化学、旋回地层学、松辽古湖泊温度变化、地微生物和古大气中CO2浓度定量重建方面已取得重要进展."松科1井"全部岩心剖切后,38%将馆藏保存,其余将用于现阶段研究,并向全世界科学家开放.后续工程"松科2井"也已经被列入国际大陆钻探计划(ICDP)候选项目.     

松科一井（主井）取心钻进工艺

松科一井的科学目标之一,是通过厘米级样品的取样与分析,建立全球范围内可对比的、高分辩率的陆相白垩系综合地质剖面,将传统地质学百万年的时间分辨率提高到万年尺度。因此,岩心采取率指标对松科一井的地质研究具有极其重要的意义。根据主井不同地层,研发与选用硬质合金、PDC、孕镶金刚石3类12种结构形式的钻头和2种隔液保形单动双管取心钻具,采用转盘单回转与螺杆马达+转盘复合回转钻进工艺,在长井段复杂地层取心钻进163041 m,获原状砂样采集率8207%、岩心采取率9492%的技术指标。详细介绍了取心钻具结构与钻柱组合、取心作业的难点,及相应的工艺措施与技术效果。     

中国陆相白垩纪科学钻探松科一井(北井)钻探工程技术配套

松科一井是中国政府"973计划"项目为获取陆相白垩系地质资料,在中国松辽盆地布置的科学钻探工程,由南井和北井两个子工程组成。北井采用水源钻探设备与地质岩心钻探工艺组合,完成了井深1810m的钻探工作,在要求连续取心的1630m井段中,获取直径Φ96mm的岩心1542m,岩心采取率达95%。介绍了北井在钻探工程技术配套上取得的一系列技术成果。     

松科一井(主井)钻探工程技术配套

设计井深1810 m、完钻井径157 mm、需在松辽湖盆穿透一层含油气构造的松科一井(主井)科学钻探工程,采取自制底架提升平台高度安装井口防喷设施、改造TJS-2000E型水井钻机升降系统提高设备起重能力、研制水力出心装置克服加长加重大口径钻具出心困难、引进石油钻井高速离心除泥机控制泥浆固相含量、根据工程条件无附件焊接套管表层固井等配套技术,成功地完成了国家“973计划”项目“白垩纪地球表层系统重大地质事件与温室气候变化”对工程的规定任务,为高质量、低成本实施大陆环境科学钻探工程探索出了一条可行之路。     

松辽盆地科学钻探工程松科2井东孔测井设计

松辽盆地资源与环境深部钻探工程计划实施两井四孔,其中松科2井东孔是钻探的主体钻孔,设计井深为6 400m,拟穿透白垩纪地层。松科2井东孔的实施对于开展白垩纪沉积环境和气候研究、实现油气勘探新突破、提升深部钻探技术和复杂井况的测井技术水平等具有重要意义。围绕钻探的科学目标和任务,结合松科2井东孔钻井工程设计及井况特点,开展了测井设计。提出松科2井东孔拟采用先进的测井仪器设备采集测井数据,设计的测井方法系列包括裸眼井综合测井和套管井固井质量检查测井2大类。根据钻井开次和钻进计划情况,设计了8次裸眼井综合测井和5次套管井固井质量检查测井。不同钻井开次的裸眼井综合测井项目有所不同;考虑到井深4 500m以下高温测井的挑战性,设计了必测项目和选测项目。总之,松科2井东孔测井设计既力求取全取准各项测井资料,又体现了应对复杂井况的灵活性,有利于松辽盆地资源与环境深部钻探科学目标的顺利实现。     

松辽盆地科学钻探工程松科二井东孔上白垩统地球物理测井科学成果

松辽盆地科学钻探工程是围绕地球深部资源、古环境与古气候等一系列重要地球科学问题而实施的重大科学工程。作为该工程的主体钻孔, 松科二井东孔设计为松辽盆地最深钻孔, 设计深度6 400.0 m, 计划穿透白垩系地层、钻至盆地基底。由于上白垩统井段取心量非常少, 因此地球物理测井的作用尤为重要。该孔正式开钻后, 采用先进的成像测井设备对一开和二开钻井井段(上白垩统井段)先后实施4次裸眼井综合测井和套管井测井作业, 并系统地开展测井综合评价, 取得以下科学成果: (1)原位获取了常规测井、特殊测井和固井质量检查测井资料共20种, 资料丰富、质量优良, 建立了上白垩统连续的岩石物理参数标准剖面; (2)完成了上白垩统地层划分、岩性识别、沉积和构造精细解释; (3)识别出泉头组油气储层、嫩江组和青山口组烃源岩层、嫩江组高放射性异常层, 以及上白垩统地热开发潜力层; (4)探索了青山口组古气候分析的有利测井指标; (5)及时提供准确的井径、钻孔轨迹和固井质量等关键钻探工程信息。研究成果对于松辽盆地地球物理勘探科学“标尺”建立、古环境与古气候研究、钻探工程施工起到至关重要的作用, 为整个钻探工程科学目标的实现奠定良好基础。     

中国东部海区科学钻探工程CSDP-02井钻探效率统计分析

CSDP-02井是中国东部海区科学钻探工程2井,该井采用五开结构,完井井径98 mm,完井井深2843.18 m,历时504 d,创造了海洋科学钻探全取心井深世界纪录。本文介绍了该井的施工过程,对该井的钻进时间、钻探效率和回次进尺长度进行了系统的统计与分析。通过分析,对影响海上深部科学钻探效率的海况、后勤保障等因素进行了简单的阐述,为提高海上深孔钻探施工效率提供了参考依据。     

松辽盆地南部上、下白垩统界线研究：以松辽盆地国际大陆科学钻探松科3井为例

国际上公认的上、下白垩统界线绝对年龄为100.5 Ma,该界线的“金钉子”位于海相地层中,而陆相层序中有关该地层界线的“金钉子”迄今尚无报道。陆相上、下白垩统界线的研究对于了解白垩纪中期温室条件下陆地上所经历的古地理、古环境、古气候的演化过程具有重要价值。我国东北地区的松辽盆地发育完整的白垩纪陆相地层,可能为陆相的上、下白垩统地层界线的研究提供连续的地质记录。本文基于松辽盆地国际大陆科学钻探松辽盆地南部松科3井全取心资料,通过对岩石类型、岩性序列和沉积相研究,于井深1 191.6 m处的泉头组二段上部滨浅湖相沉积序列中发现灰色、灰绿色流纹质岩屑晶屑沉凝灰岩。通过同沉积期岩浆锆石U-Pb测年获得年龄(96.8±2.9) Ma,时代属于塞诺曼中期。结合前人资料得到研究区登娄库组—泉头组沉积速率为90.54～110 m/Ma,由此确定出上、下白垩统界线位于松科3井泉一段中部(井段1 526.6～1 598.6 m)。本文在考虑测年结果误差的情况下,另外计算出松科3井上、下白垩统界线介于泉二段中部至登四段上部(井段1 279.6～1 917.6 m)。其他学者基于松辽盆地北部松科1井和松科2井...     

科钻一井钻探施工技术路线和钻探施工概述

简单介绍了中国大陆科学钻探工程科钻一井的钻探施工技术路线和钻探施工情况,提供了一些原始数据和科钻一井钻探施工完成的技术经济指标。     

我国大陆科学钻探工程实施概况及其取心钻进技术体系

科学钻探是为包括构造运动、气候变迁、火山喷发、地震机理、陨星撞击等基础地学研究领域,提取地球深部信息、建立地下长期观测网络的科学工程。开展科学钻探,不仅将促进我国地学基础理论研究走向国际前沿,实现从地质大国向地质强国的转变,还具有拉动我国钻探工程整体进步,提高其技术、学术水平和国际地位的工程技术意义。在通过科学钻探获取的地下信息中,岩心是直接反映地球演变历史的实物资料,也是最为地质学家所重视的研究资料。我国自2001年启动大陆科学钻探工程以来,素以全过程连续钻取岩心和对岩心的高质量要求著称于世。本文概略介绍了我国已成功实施的4项大陆科学钻探工程,着重介绍了在工程中形成的,具有我国自主知识产权的科学钻探取心钻进技术体系：井底动力取心钻进系统、大口径长回次钻程取心钻进系统、极复杂地层原状取心钻进系统,以及各类岩心的无损出管方法,介绍了各钻进系统在工程应用中取得的主要成果。     

Deep Continental Scientific Drilling Engineering Project in Songliao Basin: progress in Earth Science research

The Songke No.2 well (eastern hole) (referred to as Well SK-2), one of the “two wells and four holes” of the Deep Continental Scientific Drilling Engineering Project in the Songliao Basin, is in Anda City, Heilongjiang Province, and was officially completed on May 26, 2018. The scientific goals of Well SK-2 cover four aspects: paleoclimate research, resource and energy exploration, primary geological research, and development of deep earth exploration techniques. Since the official commencement of drilling in 2014, the Well SK-2 scientific drilling engineering team has organized and implemented drilling for coring, in situ logging, chemical analysis of core elements, and deep structural exploration around the well. Currently, the following preliminary scientific research progress has been made: 4334.81 m in situ core data has been obtained; the centimeter-level high-resolution characterization of the most complete and continuous Cretaceous continental strata ever unearthed has been completed, and the standard profile of continental strata has been initially established; the unconventional natural gas resources and basin-type hot dry rocks in the deep Songliao Basin were found to have good prospects for exploration and development; the climatic evolutionary history of the Cretaceous continental strata was rebuilt for the first time, covering hundreds of thousands to millions of years, and the major events of Cretaceous climate fluctuations have been discovered; all these reveal strong evidence for the subduction and aggregation of paleo-ocean plates, providing a theoretical basis for the re-recognition of the genesis of the Songliao Basin and for deep earth oil and gas exploration. The implementation of the Deep Continental Scientific Drilling Engineering Project in the Songliao Basin is of great significance for exploring the mysteries of the Earth and solving major problems such as those related to the deep energy environment. It is a solid step along the road of “going deep into the Earth”.     

页参1井钻井技术

昌页参1井终孔深度3204.72 m,揭露地层较为复杂,取心段较长。本文从井身结构、钻具组合、钻探设备、钻头和钻进参数、钻井液等方面对钻井施工情况进行了阐述。重点介绍了保证高岩心采取率的方法,以及氯化钾泥浆体系和复合钻进技术在页岩气钻井中的应用。     

松辽盆地白垩系大陆科学钻探“松科2井”选址

松辽盆地大陆科学钻探工程已经进行了十余年(2005—2016),松科1井于2007年完钻,松科2井于2014年开钻,预计2017年底完钻。该工程的目标是通过实施"2井4孔"钻探,打穿松辽盆地白垩系,获取万米连续高分辨率的陆相地质记录,用以研究白垩纪时期的温室气候变化,以期更好地应对全球变暖使人类面临的挑战。据此确定松科2井的选址原则:地层沉积记录连续;以沉积岩为主,尤其是以湖相细碎屑岩为主;厚度尽可能薄;构造简单;地面施工条件好。松科2井选在松辽盆地徐家围子断陷中沙河子组湖相泥岩最为发育的宋站地区。钻探主要目的层为下白垩统断陷层序的营城组、沙河子组和火石岭组。钻遇主要岩性为含火山岩和火山碎屑岩的砂岩、粉砂岩、泥岩、煤层互层序列,以河湖相反映还原环境的暗色岩系为主。期间穿过断陷层顶(T_4)、底(T_5)界面,上下白垩统界面和白垩系/侏罗系(K/J)界面等反映区域构造-成盆作用的重要地质界线,还会取得与白垩纪超静磁带(CNS)和全球大洋缺氧事件(OAE-1)等重要地质事件相对应的连续岩心记录。     

松辽盆地白垩系大陆科学钻探松科2井钻遇地层界面及岩性剖面预测

在松辽盆地白垩纪大陆科学钻探松科2井实施前,以钻井地质设计为基础,结合区域地层特征、地球物理资料和邻井钻探结果,参照油气勘探生产标准和经验,对松科2井钻遇主要界面深度进行预测,建立基本框架,同时预测全井段岩性序列、可能的油气水情况和故障层段,最终建立松科2井综合模拟柱状图。各主要地层界面预测深度为:嫩江组二段顶面(T_06)950m,姚家组顶面(T_1)1 245m,泉头组顶面(T_2)1 680m,登娄库组顶面(T_3)2 530m,营城组顶面(T_4)2 965m,沙河子组顶面(T_4-1)3 320m,火石岭组顶面(T_4-2)5 670m,基底顶面(T_5)6 240 m。岩性剖面的预测主要分为两部分:(1)T_4-1之上参考邻井宋深3井钻遇岩性序列;(2)T_4-1之下则根据地震剖面、其他钻遇相当层位的邻井和区域地层特征综合预测。主要目的层岩性特征如下:营城组上部为粗砂岩、砾岩、砂砾岩,下部为厚层凝灰岩、安山玄武岩、流纹岩夹泥岩,底部为砾岩;沙河子组为泥岩夹煤线、细砂岩、粉砂岩和泥质粉砂岩;火石岭组上部为凝灰岩、泥岩、英安岩和安山岩,下部为泥岩夹细-粉砂岩,含煤;基底为极低级或高级成岩的石炭—二叠系沉积地层。松科2井模拟柱状图是钻探工程施工的主要依据,同时也为其他科学钻探工程模拟柱状图的编制提供借鉴。     

碎屑锆石形态学分类体系及其在物源分析中的应用:以松辽盆地松科一井为例

碎屑锆石的同位素热年代学提供了物源区的精确年龄和大地构造背景, 是目前物源分析中先进的、使用最为广泛的研究方法之一.在同一沉积区内, 碎屑锆石颗粒通常是多来源的, 经历了复杂的从源到汇的物质输送过程.能否揭示沉积物中的锆石颗粒从源区到沉积区的地表动力作用, 是对碎屑锆石同位素年龄及年龄谱系进行合理地质解释的关键.提出碎屑锆石形态学定量化的实验分类方法, 设计出一种适用于多参数分析的多维蛛网密度图, 试图通过对碎屑锆石的来源、锆石晶体的磨圆度、断裂方式、裂隙和表面撞痕等多种形态学参数的定量分析来揭示碎屑锆石由源区到沉积区搬运过程中经历的地表动力特征, 进而丰富和完善碎屑锆石年代学源-汇系统的内容, 为沉积物源分析提供一种新的实验手段.并以松辽盆地松科一井相关的碎屑锆石样品分析为例, 介绍了这种方法的实际应用及其效果.      

鲁页参1井钻井液技术

鲁页参1井钻遇地层复杂,水敏地层造浆严重,二叠系地层坍塌掉块,出现卡钻事故,导致钻井施工进度慢,风险大。针对钻井施工中存在的技术难题,开展了一系列的技术攻关,确定了一开和二开以及取心段的钻井液体系,形成了一整套钻井液技术和工程技术措施。实践表明,该套钻井液体系解决了鲁页参1井钻井中出现的坍塌、掉块等难题,减少了井下故障的发生,提高了钻进速度,建井周期明显缩短,为以后的钻井施工提供了技术支持。     

胶莱盆地白垩纪科学钻探施工技术探讨

结合胶莱盆地白垩纪科学钻探工程钻遇地层的复杂情况,介绍JK1号钻孔使用的钻孔结构、钻具组合、冲洗液选型、钻进技术参数等钻探施工技术措施。针对钻进中遇到的泥岩地层水化分散、钻孔超径和钻头泥包等难点,着重探讨了超前孔裸眼钻进、低固相抑制性冲洗液和钻头选型等解决方案。