Development of the Chinese Continental Scientific Deep Drilling: Perspectives and Suggestions

doi:10.19657/j.geoscience.1000-8527.2022.101

Abstract

Abstract:

As the most direct and important method to detect the Earth’s deep interior, scientific drilling plays a key role in solving the strategic technological issue of deep Earth exploration. This study briefly reviews the development and current situation of domestic and international continental scientific drilling and deep drilling, and analyzes the characteristics and trends of continental scientific drilling development. We summarized the Chinese Continental Scientific Drilling, its key scientific and technological issues, as well as challenges and opportunities. Accordingly, we proposed the development goals, priorities and approaches of the Chinese Continental Scientific Drilling. Continental scientific deep drilling can provide a unique pathway for investigating global concerns in Earth sciences, such as geodynamic processes, geohazards, mineral and energy resources, and environmental changes. However, its implementation depth is constrained by ultra-high temperature and ultra-high pressure in harsh borehole environments. Modern scientific advances have promoted the development of various technologies in continental scientific drilling, which provide important support for ultra-deep and extra-deep drilling. The Chinese Continental Scientific Drilling should aim for 9,000-15,000 m extra-deep boreholes, focusing on scientific issues in the fields of ultra-deep, deep-time and deep-observation. Priority development directions can include deep Earth tectonics, deep-life, deep-climate, and deep-resources. The priority detection technologies can include those for drilling, logging, and long-term observation in ultra-high temperature-pressure environments. Priority should also be given to the experimental technique development for ultra-deep matter, dynamics processes, and petrophysics. This would promote a breakthrough in the capacity and level of Earth interior detection in China.

Key words: deep exploration, continental scientific drilling, extra-deep borehole, geophysical logging, deve-lopment strategy

CLC Number:

P631
P634

ZOU Changchun, WANG Chengshan, PENG Cheng, WU Caowei, GAO Yuan. Development of the Chinese Continental Scientific Deep Drilling: Perspectives and Suggestions[J]. Geoscience, 2023, 37(01): 1-14.

Figures/Tables 7

References 74

[1]	许志琴, 杨文采, 杨经绥, 等. 纪念中国大陆科学钻探实施15周年、国际大陆科学钻探委员会成立20周年[J]. 地质学报, 2016, 90(9): 2109-2122.
[2]	许志琴. 中国大陆科学钻探工程的科学目标及初步成果[J]. 岩石学报, 2004, 20(1): 1-8.
[3]	许志琴, 李廷栋, 嵇少丞, 等. 大陆动力学的过去、现在和未来——理论与应用[J]. 岩石学报, 2008, 24(7): 1433-1444.
[4]	杨经绥, 许志琴, 汤中立, 等. 大陆科学钻探选址与钻探实验[J]. 地球学报, 2011, 32(增): 84-112.
[5]	董树文, 李廷栋, 陈宣华, 等. 深部探测揭示中国地壳结构、深部过程与成矿作用背景[J]. 地学前缘, 2014, 21(3): 201-225. DOI
[6]	谢和平, 高峰, 鞠杨, 等. 深地科学领域的若干颠覆性技术构想和研究方向[J]. 工程科学与技术, 2017, 49(1): 1-8.
[7]	王达, 张伟, 贾军. 特深科学钻探的关键问题[J]. 科学通报, 2018, 63(26): 2698-2706.
[8]	HARMS U, TOBIN H. Deep Scientific Drilling[M]// GUPTA H. Encyclopedia of Solid Earth Geophysics: Encyclopedia of Earth Sciences Series. Cham: Springer, 2011:1-10.
[9]	牛一雄, 潘和平, 王文先, 等. 中国大陆科学钻探主孔(0-2000m)地球物理测井[J]. 岩石学报, 2004, 20(1): 165-178.
[10]	张金昌, 谢文卫. 科学超深井钻探技术国内外现状[J]. 地质学报, 2010, 84(6): 887-894.
[11]	刘广志. 世界科学深钻最新成果综述[J]. 中国地质, 1992, 19(2): 25-28.
[12]	汪品先. 大洋钻探五十年:回顾与前瞻[J]. 科学通报, 2018, 63(36): 3868-3876.
[13]	邹长春, 肖亮, 牛一雄, 等. 松辽盆地科学钻探工程松科2井东孔测井设计[J]. 地学前缘, 2016, 23(3): 279-287. DOI
[14]	王璞珺, 刘海波, 任延广, 等. 松辽盆地白垩系大陆科学钻探“松科2井”选址[J]. 地学前缘, 2017, 24(1): 216-228.
[15]	朱永宜, 王稳石, 张恒春, 等. 我国大陆科学钻探工程实施概况及其取心钻进技术体系[J]. 地质学报, 2018, 92(10): 1971-1984.
[16]	王志刚, 王稳石, 张立烨, 等. 万米科学超深井钻完井现状与展望[J]. 科技导报, 2022, 40(13): 27-35.
[17]	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EB/ OL. (2021-03-13). http://www.gov.cn/xinwen/2021-03/13/content_5592681.htm.
[18]	GREENBERG D S. Mohole: The project that went awry (II)[J]. Science, 1964, 143: 223-227. PMID
[19]	WISELY H. Closing the Mohole[J]. Nature, 1966, 662: 210.
[20]	SMITH D K, EXON N, BARRUGA F J A S, et al. Ocean drilling: Forty years of international collaboration[J]. EOS, Tran-sactions American Geophysical Union, 2010, 91:393-394.
[21]	KOZLOWSKI E A. Supper Deep Well of Kola Peninsula[M]. Beijing: Geological Publishing House, 1989.
[22]	莫杰. 科拉超深钻的重大成果[J]. 地质与勘探, 1987, 23(5): 27-28.
[23]	HAAK V, JONES A G. Introduction to special section: the KTB deep drill hole[J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 1997, 102(8): 18175-18177.
[24]	EMMERMANN R, LAUTERJUNG J. The German continental deep drilling program KTB: overview and major results[J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 1997, 102(8): 18179-18201.
[25]	ZOBACK M D, HARJES H P. Injection-induced earthquakes and crustal stress at 9 km depth at the KTB deep drilling site, Germany[J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 1997, 102(8): 18477-18491.
[26]	石宏仁. 美国大陆科学钻探计划的地壳深部研究项目[J]. 科技导报, 1988(1): 17-20.
[27]	许志琴, 张良弼. 大陆科学钻探的现状及展望[J]. 地球物理学进展, 1994, 9(4): 55-65.
[28]	WILLIAMS D F, KUZMIN M I, PROKOPENKO A A, et al. The Lake Baikal drilling project in the context of a global lake drilling initiative[J]. Quaternary International, 2001, 80: 3-18.
[29]	STEIN M, BEN-AVRAHAM Z, GOLDSTEIN S, et al. Deep drilling at the Dead Sea[J]. Scientific Drilling, 2011, 11: 46-47. DOI URL
[30]	KRING D A, HORZ F, ZURCHER L, et al. Impact lithologies and their emplacement in the Chicxulub impact crater: Initial results from the Chicxulub Scientific Drilling Project, Yaxcopoil, Mexico[J]. Meteoritics and Planetary Science, 2004, 39(6): 879-897. DOI URL
[31]	BLUM J, IGEL H, ZUMBERGE M. Observations of Rayleigh-wave phase velocity and coseismic deformation using an optical fiber, interferometric vertical strainmeter at the SAFOD borehole, California[J]. Bulletin of the Seismological Society of America, 2010, 100: 1879-1891. DOI URL
[32]	ZOBACK M, HICKMAN S, ELLSWORTH W. Scientific drilling into the San Andreas fault zone[J]. EOS, Transactions American Geophysical Union, 2013, 91(22): 197-199. DOI URL
[33]	FRIOLEIFSSON G Ó, ELDERS W A, ZIERENBERG R A, et al. The Iceland Deep Drilling Project 4.5 km deep well, IDDP-2, in the seawater-recharged Reykjanes geothermal field in SW Iceland has successfully reached its supercritical target[J]. Scientific Drilling, 2017, 23: 1-12. DOI URL
[34]	DALLIMORE S R, COLLETT T S. Summary and implications of the Mallik 2002 gas hydrate production research well program[R]. Ottawa: Geological Survey of Canada, Bulletin, 2005.
[35]	FRIOLEIFFSON G Ó, ELDERS W A, ZIERENBERG R A, et al. The Iceland Deep Drilling Project at Reykjanes: Drilling into the root zone of a black smoker analog[J]. Journal of Volcanology and Geothermal Research, 2020, 391: 106435. DOI URL
[36]	KITAGAWA Y, FUJIMORI K, KOIZUMI N. Temporal change in permeability of the Nojima fault zone by repeated water injection experiments[J]. Tectonophysics, 2007, 443(3/4): 183-192. DOI URL
[37]	张伟. 中国大陆科学钻探筹备工作大事记[J]. 探矿工程, 1992, 19(3): 59-60.
[38]	赵国隆. 中国大陆科学钻探工程发展历程(上)[J]. 探矿工程(岩土钻掘工程), 2002, 29(4): 47-52.
[39]	张良弼, 许志琴, 郭立鹤. 中国大陆科学钻探的准备工作和展望[J]. 中国地质, 1993, 20(12): 27-29.
[40]	中国大陆科学钻探工程简介[J]. 地质论评, 2000, 46(1): 48.
[41]	许志琴, 杨经绥, 张泽明, 等. 中国大陆科学钻探终孔及研究进展[J]. 中国地质, 2005, 32(2): 177-183.
[42]	AN Z, COLMAN S M, ZHOU W, et al. Interplay between the Westerlies and Asian monsoon recorded in Lake Qinghai sediments since 32 ka[J]. Scientific Reports, 2012, 2(8): 619. DOI
[43]	COLMAN S M, YU S Y, AN Z, et al. Late Cenozoic climate changes in China’s western interior: a review of research on Lake Qinghai and comparison with other records[J]. Quaternary Science Reviews, 2007, 26(17/18): 2281-2300. DOI URL
[44]	王成善, 冯志强, 吴河勇, 等. 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[J]. 地质学报, 2008, 82(1): 9-20.
[45]	GAO Y, WANG C, WANG P, et al. Progress on continental scientific drilling project of Cretaceous Songliao Basin (SK-1 and SK-2)[J]. Science Bulletin, 2019, 64(2): 73-75. DOI PMID
[46]	HILLERS G, CAMPILLO M, LIN Y Y, et al. Anatomy of the high frequency ambient seismic wave field at the TCDP borehole[J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 2012, 117: B06301.
[47]	MA K F, TANAKA H, SONG S R, et al. Slip zone and energetics of a large earthquake from the Taiwan Chelungpu-fault Drilling Project[J]. Nature, 2006, 444: 473-476. DOI
[48]	HUBBARD J, SHAW J H. Uplift of the Longmen Shan and Tibetan plateau, and the 2008 Wenchuan (M=7.9) earthquake[J]. Nature, 2009, 458: 194-197. DOI
[49]	李海兵, 许志琴, 马胜利, 等. 汶川地震和九寨沟地震断层作用及动力学过程研究进展——纪念汶川地震十周年[J]. 地球物理学报, 2018, 61(5): 1653-1665.
[50]	邹长春, 刘东明, 聂昕, 等. 利用成像测井资料分析汶川地震断裂带科学钻探3号孔(WFSD-3)裂缝特征[J]. 现代地质, 2012, 26(6): 1146-1153.
[51]	聂江涛. 中国铀矿第一科学深钻[J]. 铀矿地质, 2014, 30(2): 128.
[52]	项彪. 于都—赣县矿集区科学钻探综合地球物理测井研究[D]. 北京: 中国地质大学(北京), 2014.
[53]	高金亮, 孙春青, 张磊, 等. 云南腾冲火山-地热-构造带科学钻孔概况及其科学意义[M]// 中国地球物理学会. 2014年中国地球科学联合学术年会论文集. 北京: 中国地球物理学会, 2014: 3.
[54]	肖昆, 邹长春, 邱礼泉, 等. 漠河冻土区天然气水合物科学钻探MK-2孔地层岩性的测井识别[J]. 天然气工业, 2013, 33(5): 46-50.
[55]	吴才来, 董树文, 王陆太, 等. 铜陵矿集区深部发现126Ma的正长花岗岩: 来自3000m科学钻探的证据[J]. 中国地质, 2016, 43(5): 1495-1513.
[56]	张伟. 我国“十二五”期间的科学钻探活动[J]. 探矿工程(岩土钻掘工程), 2016, 43(4): 18-23.
[57]	侯贺晟, 王成善, 张交东, 等. 松辽盆地大陆深部科学钻探地球科学研究进展[J]. 中国地质, 2018, 45(4): 641-657.
[58]	ZHANG X, ZOU C, ZHAO J, et al. Organic-rich source rock characterization and evaluation of the Cretaceous Qingshankou Formation: results from geophysical logs of the second scientific drilling borehole in the Songliao Basin, NE China[J]. Geosciences Journal, 2019, 23: 119-135. DOI
[59]	邹长春, 张小环, 赵金环, 等. 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[J]. 地球学报, 2018, 39(6): 679-690.
[60]	张淑霞, 邹长春, 彭诚, 等. 松科2井东孔营城组高放射性异常层测井响应特征及成因初探[J]. 地球物理学报, 2018, 61(11): 4712-4728.
[61]	王达, 张伟. “科钻一井”钻探施工技术概览[J]. 中国地质, 2005, 32(2): 184-194.
[62]	我国深部钻探技术取得重大突破[J]. 地质装备, 2018, 19(5): 3-5.
[63]	牛一雄. 中国大陆科学钻探工程变质岩测井新技术的研究与应用[R]. 北京: 中国大陆科学钻探工程中心, 2005.
[64]	张红杰, 潘和平, 骆淼, 等. 中国大陆科学钻探主孔200-2000 m测井磁化率和磁三分量分析[J]. 现代地质, 2005, 19(4): 608-614.
[65]	徐纪人, 赵志新, 曾祥芝, 等. 东海深井地球物理长期观测仪器设置与观测研究[J]. 地震学报, 2016, 38(2): 321-325.
[66]	ZHAO Y S, FENG Z J, XI B P, et al. Limit of crustal drilling depth[J]. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering, 2017, 9(5): 989-992. DOI URL
[67]	世界超深井简介[J]. 中国地质, 2019, 46(3): 672.
[68]	罗志立, 孙玮, 代寒松, 等. 四川盆地基准井勘探历程回顾及地质效果分析[J]. 天然气工业, 2012, 32(4): 9-12.
[69]	金振民. 我国高温高压实验研究进展和展望[J]. 地球物理学报, 1997, 40(增): 70-81.
[70]	杨文采, 于常青. 深层油气地球物理勘探基础研究[J]. 地球物理学进展, 2007, 22(4): 1238-1242.
[71]	孙枢, 王成善. “深时”(Deep Time)研究与沉积学[J]. 沉积学报, 2009, 27(5): 792-810.
[72]	WANG C S, HAZEN R M, CHENG Q M, et al. The Deep-Time Digital Earth Program: data-driven discovery in geosciences[J]. National Science Review, 2021, 8(9): 156-166.
[73]	BELANI A, ORR S. A systematic approach to hostile environments[J]. Journal of Petroleum Technology, 2008, 60(7): 34-39.
[74]	朱日祥, 金之钧, 底青云, 等. 智能导钻技术体系与相关理论研发进展[J]. 地球物理学报, 2023, 66(1): 1-15.

序号	井名	井深(m)	完钻时间	地区	备注
1	Baden1井	9159	1972	美国,俄克拉荷马	世界第一口超深井
2	Rogers1井	9583	1974	美国,俄克拉荷马	当时最深井记录
3	SG-3井	12262	1989	俄罗斯,摩尔曼斯克	至今垂深最深记录
4	KTB主孔	9101	1994	德国,巴伐利亚
5	BD-04A井	12289	2008	卡塔尔,拉斯拉夫	大位移油井
6	Tiber探井	10685	2009	美国,休斯敦
7	Odoptu OP-11井	12345	2011	俄罗斯,库页岛	大位移油井
8	Z-44Chayvo井	12376	2012	俄罗斯,库页岛	大位移油井
9	UZ-688井	15240	2022	阿联酋,阿布扎比	目前世界最长油井
10	女基井	6011	1976	中国,四川广安	中国第一口超深井
11	关基井	7175	1978	中国,四川绵阳	中国第一口7000 m超深井
12	东海一井	5158	2005	中国,江苏东海	中国第一口科学深井
13	英深1井	7258	2005	中国,新疆喀什
14	马深1井	8418	2016	中国,四川巴中	当时亚洲第一超深钻井
15	松科二井	7018	2018	中国,黑龙江安达	亚洲最深科学钻井
16	蓬深6井	9026	2023	中国,四川绵阳	亚洲陆上最深直井

序号	井名	井深(m)	完钻时间	地区	备注
1	Baden1井	9159	1972	美国,俄克拉荷马	世界第一口超深井
2	Rogers1井	9583	1974	美国,俄克拉荷马	当时最深井记录
3	SG-3井	12262	1989	俄罗斯,摩尔曼斯克	至今垂深最深记录
4	KTB主孔	9101	1994	德国,巴伐利亚
5	BD-04A井	12289	2008	卡塔尔,拉斯拉夫	大位移油井
6	Tiber探井	10685	2009	美国,休斯敦
7	Odoptu OP-11井	12345	2011	俄罗斯,库页岛	大位移油井
8	Z-44Chayvo井	12376	2012	俄罗斯,库页岛	大位移油井
9	UZ-688井	15240	2022	阿联酋,阿布扎比	目前世界最长油井
10	女基井	6011	1976	中国,四川广安	中国第一口超深井
11	关基井	7175	1978	中国,四川绵阳	中国第一口7000 m超深井
12	东海一井	5158	2005	中国,江苏东海	中国第一口科学深井
13	英深1井	7258	2005	中国,新疆喀什
14	马深1井	8418	2016	中国,四川巴中	当时亚洲第一超深钻井
15	松科二井	7018	2018	中国,黑龙江安达	亚洲最深科学钻井
16	蓬深6井	9026	2023	中国,四川绵阳	亚洲陆上最深直井

发展阶段	研究领域	研究主题
1996—2019年	气候及生态系统	古气候、深部生命、陨石撞击构造、火山
	可持续的地球资源	深部生命、火山、元素循环、板块边缘
	自然灾害	陨石撞击构造、火山、板块边缘、活动构造
2020—2030年	地质动力学过程	地壳地幔的演变过程、地球水圈-大气圈-生物圈的发展与循环、生命起源与环境演化
	地质灾害	地震、火山爆发、山体滑坡等自然灾害的成因机制、分级评价、防治方法
	地质资源	水资源、低碳能源、碳封存技术、低碳技术所需原材料的浓缩过程
	环境变化	地球过去的温室效应、地下生物圈在碳循环中的作用、古环境变化对人类发展迁移史的驱动作用、太古宙岩石对早期地球大气活动以及地表活动的记录

发展阶段	研究领域	研究主题
1996—2019年	气候及生态系统	古气候、深部生命、陨石撞击构造、火山
	可持续的地球资源	深部生命、火山、元素循环、板块边缘
	自然灾害	陨石撞击构造、火山、板块边缘、活动构造
2020—2030年	地质动力学过程	地壳地幔的演变过程、地球水圈-大气圈-生物圈的发展与循环、生命起源与环境演化
	地质灾害	地震、火山爆发、山体滑坡等自然灾害的成因机制、分级评价、防治方法
	地质资源	水资源、低碳能源、碳封存技术、低碳技术所需原材料的浓缩过程
	环境变化	地球过去的温室效应、地下生物圈在碳循环中的作用、古环境变化对人类发展迁移史的驱动作用、太古宙岩石对早期地球大气活动以及地表活动的记录

项目类别	项目	深度或装备耐温国际指标 (探孔或装备公司)	中国指标	中国技术水平
钻井	钻探深度	12262 m(SG-3井)	7018 m	国际前列
	钻机	15000 m(Uralmash-15000)	10000 m	国际前列
	高温钻头、钻杆	260 ℃(哈里伯顿)	241 ℃	国际前列
	钻井液	260 ℃(哈里伯顿)	241 ℃	国际前列
测井	常规测井	260 ℃(哈里伯顿)	241 ℃	引进
	成像测井	200 ℃(斯伦贝谢)	200 ℃	部分国产
	随钻测井	175 ℃(斯伦贝谢)	175 ℃	引进
长期观测	地震、温度、压力、应变等	150 ℃(SONDI、OYO GEOSPACE)	110 ℃	部分国产