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“地壳一号”万米大陆科学钻探钻机报告人：赵研吉林大学建设工程学院2016年07月07日SinoProbe-09-05一、为什么要实施入地计划？二、大陆科学钻探的国内外现状三、万米大陆科学钻探面临的难题？四、“地壳一号”万米钻机研制五、“地壳一号”万米钻机运输六、“地壳一号”万米钻机组装七、松辽盆地科学钻探计划八、我国科学钻探未来发展前景？报告提纲SinoProbe-09-05一、为什么要实施入地计划？地壳一号——通向地球深部的望远镜SinoProbe-09-05地球是人类居住的唯一场所，为人类提供了生命必需的粮食、水，和生活必须能源和矿产资源；同时也常给人类带来诸如火山、地震、海啸等灾难。科学钻探是为地学研究目的而实施的钻探，它通过最先进的现代深部钻探技术手段，获取地下岩石、岩屑、流体，并进行地球物理测井和安放仪器进行长期观测，来获取地球内部的各种地学信息，校正地球物理对深部的探测结果。被誉为人类的“入地望远镜”和了解地球演化的“时间隧道”何谓“科学钻探”？人类四大壮举上天天宫二号，2016年第三季度择机发射地壳一号，松科2井计划钻深6400米一、为什么要实施入地计划？登极雪龙号，圆满完成第32次南极科考入地下海蛟龙号，成功下潜7062米人类四大壮举上天天宫二号，2016年第三季度择机发射地壳一号，松科2井计划钻深6400米与上天、海、登极相比，入地计划及专用装备相对滞后。一、为什么要实施入地计划？登极雪龙号，圆满完成第32次南极科考入地下海蛟龙号，成功下潜7062米入地计划的主要目的是什么？一、为什么要实施入地计划？•运用最先进的深部探测技术与超深钻技术揭露地下物质组成与结构；•开拓深部常规、非常规油气资源战略新区，开辟重要矿产资源“深部第二找矿空间”；•查清现今地壳应力场，提高地质灾害预报预警能力；•提高对地球认知水平，推动地球科学的发展与进步。一、为什么要实施入地计划？SinoProbe-09-051996年2月，由德国、美国、中国三个发起国成立了“国际大陆科学钻探计划”（ICDP），1997年1月，中国正式加入了ICDP，成为该组织的理事国之一。目前，已有20个国家和2个团体加入了该组织。二、大陆科学钻探的国内外现状国际大陆科学钻探的主题SinoProbe-09-05始于20世纪70年代，1996年2月，由德国、美国、中国三个发起国成立了“国际大陆科学钻探计划”（ICDP），1997年1月，中国正式加入了ICDP，成为该组织的理事国之一。目前，已有20个国家和2个团体加入了该组织。1、国际大陆科学钻探计划现状1SinoProbe-09-05科拉超深钻СГ-3井于1970年5月25日开钻，至1975年5月井深达7263m，用了5年时间，完成第一阶段要求。此后，到1986年3月井深达12300m，后6000m用了11年。至1989年将井深更改为12261m，3年内变浅39米，由于技术和经济原因而终孔。前苏联---科拉超深钻（СГ-3井）当今世界最深的钻孔SinoProbe-09-05科拉超深孔所用的钻探装备第一阶段采用的乌拉尔机械-4З，钻进井深0-7263m；第二阶段换为乌拉尔机械-15000钻机，钻进井深为7263-12262m。这两种钻机的技术参数如下表：项目乌拉尔机械-4钻机乌拉尔机械-15000钻机名义钻井深度（铝合金钻杆）/m700015000最大钩载/kN20004000绞车最大输入功率/kN8092646提升系统最大绳系5×66×7钻井钢丝绳直径/mm3238转盘开口直径/mm560760转盘输入功率/kW368368钻井泵型号及台数У8-7M×3台У8-7M×3台+НБ-1250×2台井架有效高度/m53.358动力类型交流电直流电SinoProbe-09-05德国KTB超深钻德国于1985年至1994年间，在德国中部的Windischeschenbach镇实施了举世闻名的“联邦德国大陆深钻计划(KTB)”。该项目是联邦德国的第一个大规模地学研究计划，得到了联邦研究与技术部提供5亿马克的资助。在海西缝合带的结晶地块中先后钻探施工了两个钻孔，即：4000m深的KTB先导孔，和9101m的主孔（原设计孔深14000m）SinoProbe-09-05KTB的钻探装备KTB科学钻探利用UTB-1型钻机完成，钻机设计钻探深度为14000m。钻机主要参数如右表：组件项目数值组件项目数值钻塔总高/净高/m83.175/63动力电机9×740kW二层台高/m37供电方式可控硅整流（ACR）供电大钩载荷/kN5500/8000井架底座钻台高/m11.75转盘开口直径/mm1257净高/m9.5扭矩/kN.m/rpm40/140钻台面积/m×m13×13驱动方式变频式三相电机（AC）最大承转能力/kN12000绞车提升驱动方式4相限直流电机变速固控装置振动筛/台3功率/kW2220除泥器/只2钢绳直径/mm44.55离心机/台4速度/(m/s)20除气器/台2钻杆移摆装置星型操作台泥浆泵（三联泵）高度/m53主泵电机（2×1240kW）立根长度/m钻杆直径/mm40114.3~171.45副泵电机（1×620kW）工作压力/MPa35最大承载力/kN150(3米半径)泥浆工作池服役池容量/m3150备用池/m3300驱动方式变频式三相电机驱动防喷器闸瓦防喷器4个通径/mm476.25环形防喷器1个额定工作压力/MPa70SinoProbe-09-05KTB的现状SinoProbe-09-05KTB工作人员在向代表团成员展示在9089.70米取到的最深岩芯KTB的现状深部探测代表团主要成员与ICDP首席运营官Harms教授在GFZ门前合影SinoProbe-09-05KTB的科普展厅一角（它已成为德国地学教育的最佳科普场所，除展厅外，还有可以供亲手试验的物理、化学实验室）KTB科普厅我国已经实施了4口大陆科学钻探井，包括：江苏东海CCSD-1井、青海湖科学钻探、大庆松科-1井、汶川科钻。2001年8月6日，在江苏东海县毛北村的大别—苏鲁超高压变质带东部，中国第一口大陆科学钻探井正式开钻，至2005年4月18日现场施工任务全部完成，施工工程全部历时1395天，终孔深度5158.2m。2、我国大陆科学钻探计划现状该项目的主要研究目标是研究“大陆板块会聚边界的地慢动力学”及建立“超高压变质岩石形成与折返机制”的模式，揭开了我国深部地质勘探的新篇章。青海湖科钻2004（气候变化与环境）松科1井2007（气候变化与全球环境）汶川科钻2008（地震活动监测）2、我国大陆科学钻探计划现状SinoProbe-09-05郯庐断裂带羊八井准葛尔柴达木盐湖祁连山大巴山•在关键地带部署科学钻探，直接解释深部结构与物质组成，验证深部探测结果。•实施万米科学钻，迈入国际钻探先进行列我国大陆科学钻探工程计划SinoProbe-09-05深部大陆科学钻探工程的需求，引领了钻探装备的发展。ICDP委托德国HerrenknechtGmbH公司研制，该钻机该钻机既可用于大陆科学钻探，也可用于地热勘探、石油天然气勘探及二氧化碳的地下埋存等。钻杆柱由2个独立的顶驱系统驱动，具有很宽的转速范围；配备了备用转盘；实现了“非手工加接钻杆”液压缸行程为22m；提升力为350T。深部全液压取心InnovaRig钻机SinoProbe-09-05三、万米大陆科学钻探面临的难题地壳一号——通向地球深部的望远镜高地温：260度以上的地层温度（柴油的燃点220度）高温泥浆——国际最高300度，一般不超过260度；高温泥浆地表处理系统（固控系统）高温井下动力工具——国际最高250度，一般不超过200度；高温固井材料——国际最高280度，一般不超过260度。三、万米大陆科学钻探面临的难题垂直钻井困难：万米钻柱形如面条，垂直钻井难度极大——SG-3井偏离800多米。常规钢钻杆强度不足；高强合金钻杆耐温性不够——国际上最高200度。三、万米大陆科学钻探面临的难题地层复杂岩石坚硬、复杂，取心率低——SG-3井取心率只有40%；地应力高，套管要求高——德国KTB15mm厚的套管被地层挤扁；硬岩钻进慢，钻头寿命短，提下钻频繁。三、万米大陆科学钻探面临的难题SinoProbe-09-05四、“地壳一号”万米钻机地壳一号——通向地球深部的望远镜1、研制万米钻机目的是什么？满足我国地壳探测工程深部钻探取心的地质需要；满足深部石油天然气钻探和深部地热钻探的需要；在深部钻探液压顶驱钻机整机设计理论、装备制造及配套钻具方面取得突破，打破国外封锁；在数字化、智能化与自动化钻进装备领域后来居上，抢占国际钻探装备的制高点，为我国万米超深井科学钻探提供技术储备；使我国深部大陆科学钻探装备技术研发水平达到国际先进水平，为我国重大地球科学新发现和矿产资源储量快速增加提供技术保障。四、“地壳一号”万米钻机深部大陆科学钻探装备研制系统图深部大陆科学钻探装备地面系统井内系统测量仪器钻塔系统发电机除泥器振动筛牙轮钻头常规取心器钢钻杆、钻铤等事故处理工具特种取心工具液压泵站液压顶驱机构液压升降机构液压拧卸机构监控仪表常温泥浆材料仿生金刚石钻头三合一钻具高转速液压顶驱装置高精度自动送钻装置机械化自动化拧、摆管装置高温泥浆体系铝合金钻杆材料动力系统钻机主机系统泥浆系统取心工具钻杆柱辅助工具外购研发关键技术K型钻塔桅杆高温泥浆材料仿生泥浆泵动力机常温固井材料泥浆强制冷装置高温固井材料铝合金钻杆柱耐高温随钻测量仪井口防喷器主要任务SinoProbe-09-05深部大陆科学钻探装备研制SinoProbe-09-05吉林大学+四川宏华深部大陆科学钻探装备科学钻探平台数字化控制、大功率绞车、变流变频无级调速、五级固控系统，国际先进水平大扭矩全液压顶驱、悬挂式自动排管机（通过验收，国际先进）、全液压自动猫道、智能化一键式铁钻工、高精度自动送钻系统耐高温孔底动力钻具（勘探所）、仿生钻头（吉大）、高强铝合金钻杆（吉大）、耐高温电磁随钻测量系统（地大●武汉）科学钻探井下工具耐高温钻井液（探工所）、耐高温固井材料（长春工程学院）、仿生钻头自动设计软件平台（长春工程学院+吉大）、深井井壁稳定性（地大●北京）名称技术任务分解研发核心技术及亮点SinoProbe-09-05深部大陆科学钻探装备研制核心关键装备技术吉林大学+四川宏华科学钻探工艺方法吉林大学+地质大学（武汉）+地科院勘探技术研究所吉林大学+地质大学（北京）+北京探矿工程研究所+长春工程学院地面地下SinoProbe-09-05改造成熟技术自主研发核心技术集成关键技术自动送钻系统和钻杆自动处理系统，提高钻探平台系统的自动化和智能化水平。改造现有成熟的特深孔石油钻井装备关键部件，提升钻探平台系统的钻深能力。将钻机平台系统与核心关键技术集成，并与绳索取心钻具、孔底动力钻具、铝合金钻杆和仿生钻头等先进的取心钻探技术和工艺相结合，实现我国深部大陆科学钻探装备的集成创新。2、技术路线四、“地壳一号”万米钻机SinoProbe-09-053、“地壳一号”万米钻探装备主体平台系统绞车VFD房固控系统底座泥浆泵司钻房发电机组井架SinoProbe-09-05深部大陆科学钻探装备研制SinoProbe-09-05绞车VFD房固控系统底座泥浆泵司钻房发电机组井架SinoProbe-09-05深部大陆科学钻探装备研制SinoProbe-09-05SinoProbe-09-05深部大陆科学钻探装备研制绞车VFD房固控系统底座泥浆泵司钻房发电机组井架SinoProbe-09-05绞车VFD房固控系统底座泥浆泵司钻房发电机组井架SinoProbe-09-05深部大陆科学钻探装备研制SinoProbe-09-05绞车VFD房固控系统底座泥浆泵司钻房发电机组井架SinoProbe-09-05深部大陆科学钻探装备研制SinoProbe-09-05绞车VFD房固控系统底座泥浆泵司钻房发电机组井架SinoProbe-09-05深部大陆科学钻探装备研制SinoProbe-09-