科学钻探——深化岩石学研究的金钥匙 13页

第40卷第3期中国地质Vo1．40．N0．32013年6月GEoL0GYINCHINAJun．，2013科学钻探深化岩石学研究的金钥匙张晓西1杨经绥2张惠1胡郁乐1苏德辰2(1．中国地质大学(武汉)，湖北武汉430074；2．中国地质科学院地质研究所，北京100037)提要：岩石学的研究对象是岩石，但离开具体的岩石标本是无法进行岩石学研究的．而要开展深入的岩石学研究，仅仅依靠从地表获取的岩石样品是远远不够的．还需要获得来自地球深处的岩石标本．这就只能依靠钻探工程了。科学钻探可以为岩石学研究提供来自地球深部的岩石样品，而开展对这些来自地球深处、携带大量信息的连续岩心进行系统研究，必然会促进岩石学的发展。而岩石学研究成果又能够为钻探施工提供设计依据，同时，深人的岩石学研究对钻探工程提出的要求还能够促进钻探技术的发展。科学的进步离不开技术的支撑．只有充分重视钻探工程才是真正重视地学研究、重视岩石学研究。关键词：科学钻探；岩石学；岩石可钻性；钻探技术中图分类号：P634文献标志码：A文章编号：1000—3657f2013)03—0681—131前言相成的生动而又具体的体现。2科学钻探与岩石学研究的相关性钻探工程是利用工程技术手段在地质体上钻凿向地心方向延伸孔洞的一个工程门类岩石学2．1钻探工程的内涵是研究岩石的成分、结构构造、产状、分布、成因、中国钻井技术是继火药、指南针、印刷术和造演化历史及其与成矿作用之关系等的学科前者纸术之后．中国科学技术史上的第五大发明。正是的工作对象是各类地质体．而地质体又是由不同钻井技术的发明．使得世界工业先进国家竞相大类型的岩石构成的．这些岩石的性质如何．直接影规模地勘探和开发利用石油、天然气成为现实，引响钻探工程的经济技术指标和工程技术目标的实起了一场意义深远的世界能源结构大变革．从而现程度。岩石学的研究对象也是岩石．离开具体的使人类社会进入了以石油、天然气为主要燃料的岩石标本是无法进行岩石学研究的．而要开展深时代．标志着一个崭新的工业时代的来临。入的岩石学研究．仅仅依靠从地表获取的岩石样正如科学的目标在于“认识并揭示客观世界品还是远远不够的．还需要获得来自地球深处的的本质和发展规律”而技术的目标和任务却是对岩石标本．这就只能依靠钻探工程了“客观世界的控制、利用和改造”一样，地质工作的如何根据岩石学研究成果多快好省地完成钻目标是研究地球奥秘进而为国民经济建设和人类探工程．为岩石学研究提供尽可能好的来自地球生存的可持续发展服务．钻探工程则是千方百计深处的岩石学标本进而促进岩石学的发展．就需地利用现代工程技术领域中的最新技术进步来为要在开展科学钻探项目时地质学家与钻探工程师地学研究提供研究对象和各种判据．即为地质工的紧密合作与相互支持．这也是科学与技术相辅作服务收稿日期：2013—04-03；改回日期：2013—04—24基金项目：深部探测SinoProbe一05(201011064)项目资助。作者简介：张晓西，男，1957年生，教授，主要从事钻探新技术、新工艺、新方法的研究与钻探工程专业教学；E-mail：zxxcug@126com。 第4O卷第3期张晓西等：科学钻探——深化岩石学研究的金钥匙683实现．只能通过采取地学热点问题所关注的焦点地程中无论是对钻孔稳定、钻进效率等都有很大影响。区的岩石样品而通过现有技术手段来进行观察、研对岩石的特性了解越充分．钻探技术中相关关究以搜寻相关证据．科学钻探就是在这种背景下应键技术措施的采取才会更有针对性。而运用岩石学运而生的。对不同类型岩石特性的分析结果．结合钻探工程的事实上．经过大洋钻探计划在全球各大洋上进特点．为钻探工程在不同地层条件下科学施工制定行取心钻探，为地质学家们提供了大量来自地球深合理经济技术指标定额标准的一个极其重要的参数处、携带了大量原始信息的岩心样品，用直接证据验就是岩石的可钻性级别证了海底扩张和板块俯冲的模式．也因此证实了板岩石可钻性是表示钻进过程中岩石破碎的难易块构造的预测．从而使全球板块构造学成为目前普程度．岩石可钻性分级对钻探实际生产来说E常重遍公认的理论．也使得板块构造学说成为20世纪的要，它是合理选择钻进方法、钻头类型和结构、钻进重大科学成就之一。显然，尽管大陆漂移和海底扩张规程参数的依据．也是制订钻探生产定额和编制钻的假说早在100多年以前就已经有人提出，但是如探生产计划的依据岩石可钻性是个多变量函数．其果没有大洋科学钻探计划的资料和检验．还是不可首先受岩石性质．特别是岩石力学性质的影响，也受能上升为板块构造学说的技术条件(碎岩方式及其加载条件等)的影响。2．3钻探技术人员应该了解岩石学基本知识既然岩石物性与钻探施工有着密不可分的关钻探的对象是岩石在钻探生产过程中．不论是系．作为钻探工程师．在进行钻探工程施工设计时最钻进、取心、防斜、纠斜，还是保护孔壁、维持冲洗液正希望了解的就是地层岩石的物性参数。而在形形色常循环等，皆与地层有关，即与岩石有关。因此研究岩色的物理性质中我们则有选择性地研究那些直接或石的性质，研究岩石的矿物组成、结构构造、岩石形成间接影响岩石破碎过程的物理性质。如粘结状态、孔条件和成岩后的变化以及外力场的作用．是非常必要隙度、密度、结构和构造等。岩石的力学性质是物理的。目前钻探生产中主要采用机械方式破碎岩石．主性质的延伸，它在外载作用下才表现出来，通常表现要碎岩工具有各种超硬材料如硬质合金、金刚石复合为岩石抵抗变形和破坏的能力，如强度、硬度、弹性、片以及金刚石等制成的不同类型的钻头脆性、塑性和研磨性等。通常最需要了解的岩石物性岩石结构构造的变化、岩石中矿物组成以及颗粒指标是岩石的强度．因为强度是固态物质在外载(静大小、矿物的自形程度、矿物颗粒间的相互关系、矿物或动载)作用下抵抗破坏的性能指标．而钻探的目的结晶顺序等对岩石物性影响极大．而岩石物性是指导就是按照设计需要有效破坏岩石影响岩石强度的钻探施工的重要依据之一岩石学包含的内容非常丰因素基本上可分为自然因素和工艺因素两大类。富．与钻探工程有关且钻探技术人员应该着重了解的在实际钻进中．深部孑L底的岩石在地层重量和相关岩石学知识．应该包括以下主要内容液柱压力的作用下．处于多向应力状态。它的力学性岩石的自然性质，是岩石在生成过程、构造变动质和地表作单轴试验时是很不相同的。为了合理地和风化过程中自然形成的特性设计破碎岩石工具和制定钻进规程．必须研究多向岩石的密度和孔隙度——岩石的密度和孔隙度压缩下的岩石性质三轴应力试验是测定岩石在三取决于岩石的成因类型、物质成分和结构构造特征。向应力状态下的强度和变形的良好手段I1J。同时也与岩石埋藏的深度有关。在一般情况下．岩石如果岩石学的研究成果能够根据地表研究结果密度愈大，强度也愈大；孔隙度愈大，则岩石的强度推断岩石随深度增加而可能发生的各种变化．则钻愈小。探工程师就有可能制定尽可能优化的钻探工艺策岩石的含水性和透水性——岩石的孔隙越大．略：研制最有针对性的碎岩工具、选择合适的钻井液裂隙越多。水对它的影响就越大。在孑L隙度很小的岩体系、优选合理的钻进工艺规程参数、提前制定预防石中。例如岩浆岩，用水浸透后，强度无明显降低。但孔内事故的技术措施以及一旦发生孔内事故而依次在孔隙度很大的岩石中。例如石灰岩。用水浸透后，采用的处理措施等如果岩石学的相关研究成果对则强度明显下降岩石的含水性与透水性在钻探过深部的预测结果足够准确．钻探工程施工的针对性 684中国地质毫无疑问会更加接近优化钻进的目标研发保压取心工具．使所获得的深部岩心尽可能保持原始地层压力状态被采取至地表．并在一种保压3科学钻探如何满足岩石学研究的需状态下提交实验室进行快速分析研究．以尽可能多要和促进岩石学发展?地获取岩石的各项原始参数．尽可能保持岩石的形地球上的岩石是地球历史的忠实记录．而作为成与形成时的地质环境特征钻探工程要尽可能保地质学的一个重要分支．岩石学是认识地球历史不持岩心品质以最大限度地保留岩石在地下深处携带可缺少的内容。通过研究岩石的成分、结构构造、产并保留的微构造特征．为研究大陆动力学以及总结状、分布等以了解有关岩石的成因、形成年龄及其时分析岩浆建造、变质建造和沉积建造的时空分布规空分布规律。可以对解决目前地学界所关注的各种律等提供研究线索。问题作出重大的贡献回到目前为止．ICDP开展的近百项科学钻探项但无论是岩相学还是岩理学．都需要了解岩石目的半数以上的研究目标中均涉及岩石学内容．而的物质组成与物性特征。然而对于同一种岩石。虽然我国已经完成的中国大陆科学钻探工程项目研究大名称相同．物质组成与化学成分完全一致．但随着深陆板块汇聚边界构造．岩石学的相关内容在研究中度的不同。岩石物性会有较大的变化。对于钻探工作的地位更加突出。而研究陨石撞击、火山喷发与火山者来说．研究相同岩石不同埋深条件下的物性变化机制等科学钻探项目的科学目标的实现均需依靠对是为了制定合理的钻进工艺规程参数、设计制作高所采取岩心的岩石学研究效碎岩工具、研发高性能钻井液体系等，目的是为了3．1中国大陆科学钻探工程岩心为变质岩石学研多快好省地钻达目的层究提供研究依据例如．德国北部某油田的主要地层是一种砂岩．举世瞩目的中国大陆科学钻探工程科钻一井为从上到下岩性没有大的变化．但随着深度增加．岩石地质学家们提供了数千米宝贵的岩心，通过对这些的可钻性变差．机械钻速到4500rn深度之后只有来自地下深处的岩心样品的深入研究．结合地球物上部2000m以上孔深的五分之一．后根据地层岩理测井、录井等技术手段，地质学家们建立了数十条石样品所进行的三轴压力实验证明了上覆地层压力剖面而这些岩心也对岩石学和地球动力过程的深对深部地层的压实压密作用导致岩石强度发生巨大人研究起到了极其重要的作用．仅2005年第2期的变化的事实。实验表明，同是砂岩，随深度(围压)增《岩石学报》就集中发表了地质学家们依据从科钻一加．其在受外载下的变形与破坏形态都发生了巨大井中获取的岩心深入研究而形成的近30篇有关论变化．体现在岩石物性参数上就是强度大幅度提高．文正是通过对这些岩心的研究．地质学家们找到了对于钻探工程来说．意味着碎岩难度加大．如不采取大陆地壳物质深循环的证据、发现了新型合金矿物、有效技术措施．钻探效率将大幅度下降。描绘了超高压变质作用的P—T—t轨迹、确定了不同对于地质学家来说．长期以来习惯于从地表露深度地下岩石的应力状态．等等．而这一系列重要成头采样进行岩石学研究。但露头的岩石根在哪里?如果的获得均以科学钻探项目的实施与科钻一井所获果要追根求源。随着深度的增加．从岩石学内涵看岩取的大量岩心为前提和基础。例如，曾庆理等对中国石的变化有哪些?变化的原因何在?变化的意义何大陆科学钻探(CCSD)主孔中318~380m(a)、420在?这是一个很有趣的课题．是岩石学研究无法回避470m(b)和530～600m(c)深度分布的三段高铁钛的根本问题：从表面走向深入。榴辉岩(图2)进行了岩石磁学和岩相学研究，结果毫无疑问．科学钻探项目的实施就是为地学研表明a,b两段样品代表了新鲜或轻度退变质榴辉岩究建造深入地球内部的望远镜．而这个望远镜的服的磁性特征．但就研究的代表性样品的磁性岩石学务领域是广阔的．岩石学研究理所当然应该成为重特征而言．b段样品显示的退变质程度稍高于a段；点之一。c段榴辉岩样品密度最大．主要为新鲜榴辉岩，氧逸为了研究地层深处的岩石．就应该获得尽可能度明显高于a、b两段样品，且存在大量出溶过程形保持地下原始状态的岩石样品．该项工作对钻探工成的以薄层结构为标志特征的赤铁矿一钛铁矿固溶程提出了很高的要求。要采取地下原状样品，就必须体．可能是样品高天然剩磁的主要原因．而磁性变异 第40卷第3期张晓西等：科学钻探——深化岩石学研究的金钥匙693Keboledo—Vieyra，etal，Paleomagnetismofimpactbrecciasfrom【13】ClaudeHerzberg．PetrologyandthermalstructureoftheHawaiiantheChicxulubcraterImplicationsforeject~emplacementandplumefromMaunaKeavolcanoNature，2006，444，doi：hydrothennalprocesses，PhysicsoftheEarthandPlanetaryInteriors，10．1038／nature05254．2011，186：154—171．[14】Se~uyaNakada，JohnEichelberger，LookingIntoaVolcano：[9lLutzHecht，AxelWimnann，Ra】f—ThomasSchmittt，eta1，DrilingUnzen田．Geotimes，2004，490)：14—17．Meteoritics&PlanetaryScience，2004，39(7)：1169—1186．【15】Se~uyaNakada，KozoUto，SumioSakuma，JohnC．Eichelberger【lO]http：／／www．geo．ulnass．edu／lake_e／index．htmlhtq0：／／www．andHiroshiShimizu．ScientificResul~ofConduitDrillinginchegeologie．uni—koeln．de／elgygytgyn．htm1．UnzenScientificDrillingProject(USDP)Ⅱ]．ScientificDrilling，1：【11]http：／／www．gps．caltech．edu／MagLab／．18—22．doi：10．2204／iodp．sd．1．03．2005．[a21苏德辰，杨经绥．国际大陆科学钻探(IcDP)进展田．地质学报，[16】YoshihikoGoto，SetsuyaNakada，MasaruKurokawa，eta1．2010，84(6)：877—882．CharacterandoriginoflithofaciesintheconduitofUnzenSuDechen，YangJingsui．AdvancesofInternationalContinentalvolcano，Japan卟JournalofVolcanologyandGeothermalScientificDrillingProgramActaGeologicaSinica，2010，84(6)：Research，2008，175：45-59．873—885(inChinesewit}lEnglishabstract)．Scientificdrilling-thegoldenkeytoin-depthpetrologicstudyZHANGXiao—xi，YANGJing—sui2，ZHANGHui，HUYu—le，SUDe—chen(1．ChinaUniversityofGeosdences，Wuhan430074，HubeiChina；2InstituteofGeology，ChineseAcademyofGeologicalSciences，Beo"ing100037，China)Abstract：Rockistheresearchobjectofpetrology；nevertheless，ifspecificrocksamplesarenotsuficient．petrologicresearchisimpossible．Inthein—depthstudyofthepetrology，themeredependenceonrocksamplesobtainedfromthesufaceisnotenough．Therocksamplescollectedfromdeepeartharenecessary，andtheacquisitionofsuchsamplescanonlyrelyondrillingengineering．Scientificdrillingcanobtaintherocksamplesfromdeepearth，andresearchescanbecarriedoutonthecoreswhichcarryalotofinformationconcerningthedeepearth，andthiswillsurelypromotethedevelopmentofpetrology．AttheSalTletime，theresearchresultsofpetrologycanprovidethebasisforthedesignofdrillingengineering．Inaddition，thein—depthstudyofthepetrologycanpromotethedevelopmentofthedrilingtechnologyduetoitsspecialrequirementfordrillingcores．Withouttechnicalsupport，theprogressofscienceisimpossible．obypayingfullattentiontodrillingengineeringcanimportancebemaya~achedtogeologicalstudyandtotheresearchonpetrology．Keywords：scientificdrilling；petrology；rockdrillabifity；drillingtechnologyAboutthefirstauthor：ZHANGXiao—xi，male，bornin1957bachelor，professor，mainlyengagesinthestudy，andteachingofdrillingengineering，E—mail：zxxcug@126．corn．