01 德國KTB進出口貿易有限公司(德國KTB先導孔取心鉆進技術)

德國超深鉆計劃（KTB）

德國大陸超深鉆計劃（KTB）經過10年選址和準備，于1987年9月開始打先導孔。在利用先導孔做三維反射地震及VSP之后開始主孔鉆探與測井，1994年鉆到9100m因鉆探事故沒有打到預期的深度（13km左右）。KTB吸取了科拉等超深鉆的教訓，擬定了如圖9.1所示的施工方案，取得了豐富的經驗和成果，也包含了一些失敗的教訓。

圖9.2原蘇聯國土科學深鉆、超深鉆計劃（1965）

其中SG-3為科拉；位于烏拉爾的SG-4和北高加索的SG-7等尚未達到預定深度

圖9.3科拉深鉆SG-3的二張鉆前預測剖面、實際剖面以及預測與實際柱狀圖對比（右）

KTB孔址選在德國南部的海西造山帶上，圖9.5的魏登鎮北20km處，其地震剖面和物性柱狀圖示如圖9.6。從圖中可見，超深鉆的一個地質目標是打到薩克森圖林根地塊（ST）下方的高速和高電阻率的巖楔（EB），它被推斷為碰撞造山時從深部推上來的巖塊，在圖9.7上EB（Erbendorf Body）表示為P波和S波的強反射帶。遺憾的是，由于鉆孔未打到預定深度，這一目標沒有實現。另外，KTB的另一個目標為了解淺層的埃弗構造帶（ZEV）是否外來巖塊；由于在4000m深處取得了巖層葉理陡傾的真實數據，否定了ZEV為外來巖塊的認識。

在選址階段，KTB在該區進行了詳細的深反射地震調查，其測網示如圖9.5,DEKORP長剖面示如圖9.6（上），二維測網的6條線（8501～8506）示如圖9.5，過8502和8503的剖面段示如圖9.6（左下），8502部分示如圖9.7（上）。在打完先導孔之后，又進行了三維地震和S波反射地震測量。在圖9.7上對比了P波和S波反射，可見在P波2.7s及相應深度S波4.5s處有強P波反射，而沒有明顯的S波反射，這個強P波反射被解釋為高孔隙流體過壓層，后為主孔的鉆進所證實。同時，在VSP（垂直地震剖面）調查中，首次分離出分裂的快橫波（q S1）和慢橫波（q S2）,VSP地震記錄見圖9.7下.qP為直達縱波。這些成果極大地豐富了橫波勘探和地震各向異性的理論和應用，使應用地震學前進了一大步。與此同時，KTB測試還發現，地球的磁場隨深度的增加要比偶極子模型快很多（圖9.8）.這一結果說明，粘滯剩磁在地殼深部起更重要的作用。我們知道，總磁化強度為感應磁化與剩余磁化強度之和，而剩磁有穩定和粘滯性兩種類型。穩定剩磁的方向為冷卻成巖時古地磁場方向，而粘滯剩磁為現代地磁場方向，它加在感應磁化上。地磁場的感應磁化磁場符合偶極場的方程，如圖9.8中的斜線所示。KTB實際測量結果在2km以下比偶極場大很多，這是粘滯剩磁在起作用。KTB的這一發現對我們認識地殼鐵磁及反磁性物質分布和磁測資料解釋都產生重大影響。例如，有人據此認為，在地殼深部居里點溫度以上的環境中，巖石仍可具有磁性。另外，KTB已證實了鉆孔揭露的許多高傾角巖性界面沒有對應的反射信號。除了在地球物理方面的重大成果外，KTB在地質和鉆探等方面也取得了豐碩成果。例如，發現了3400km處含大量鹵水的開裂帶，在4000m處取得了7.9×104L的結晶水樣，含鹽度60g/L，并含有大量氣體，并查明了該區地殼流體來源、成分和運動規律。KTB還成功地發展了地球化學測井等技術，可大大降低取心率。目前，KTB已建成長期觀測實驗室，并成為歐洲的一個旅游點。

圖9.4科拉SG-3深鉆流體－地化作用參數圖

從左到右，鉆探巖心柱，變質相，變質流體活動方向，巖石中水及金屬元素含量

圖9.5莫爾達努比（MN）地塊和薩克森圖林根（ST）地質圖

粗線為DEKORP剖面，細線為KTB剖面。A：中歐出露的華力西期基底和Kossmat確定的構造帶；RH—萊茵海西地塊；ST—薩克森圖林根地塊；MN—莫爾達努比地塊。小方框內為超深鉆研究區。B：主要構造單元地震反射剖面，1—變質推覆體；2—下部推覆體；MM—明斯貝爾地塊；ZEV—埃爾本多夫弗恩施特勞斯構造帶；ZTT—特拉陶斯帶；3—ST;4—MN

圖9.6KTB反射地震和物性柱狀圖

DEKORP區域剖面（上），過KTB8502的反射剖面（左下），波速與電阻率（右下）。剖面位置及符號見圖9.5。EB為Erbendorf體，其反射見下圖

德國KTB先導孔取心鉆進技術

聯邦德國大陸深鉆計劃（KTB）是德國第一個大規模地學研究計劃。該計劃的目的是通過施工科學超深井獲取地學信息，“進行關于地殼較深部位的物理、化學狀態和過程的基礎性調查和評價，以了解內陸地殼的結構、成分、動力學和演變”。KTB由德國聯邦研究與技術部提供總計5億馬克的資助，執行時間為1985～1994年。項目的鉆探施工包括兩口鉆孔，即4000m深的KTB先導孔和9101m深的KTB主孔。施工先導孔主要是為了減輕主孔施工在技術和經濟方面的風險。在先導孔的施工過程中，對擬在主孔中使用的鉆探技術、測井技術、測量技術進行試驗，為主孔施工技術方案的精確設計提供依據。

KTB先導孔鉆進的地層為片麻巖和角閃巖，采用連續取心方法施工。KTB先導孔采用“組合式”鉆探技術進行施工，即在石油轉盤鉆機上加裝一套高速回轉的頂驅系統，并采用金剛石繩索取心鉆進工藝方法。科學深孔和超深孔鉆探中，在鉆孔內要進行大量的科學測試和地球物理原位測井，終孔直徑一般都較大，現有的巖心鉆探設備因其回轉扭矩和大鉤負荷、提升能力較低，滿足不了科學鉆探，特別是科學深鉆對鉆機能力的要求。因此，在科學鉆探中，普遍采用石油轉盤鉆機作為鉆進的主要設備。但石油鉆機的轉盤轉速太低，不能滿足金剛石鉆進的高轉速的要求。為了確保金剛石鉆頭能有效地克取巖石，必須在轉盤鉆機上加裝一套高速回轉的頂驅系統。因此，KTB先導孔施工前，對鉆機進行了改裝：

1）加裝了高轉速的RB130、RB135頂部驅動系統（表6.4）；

2）加裝了繩索取心絞車；

3）加裝高壓、小排量泥漿泵；

4）加裝高精度的自動送鉆系統。

表6.4 RB135型頂驅的技術性能參數

KTB先導孔參照了前蘇聯科學鉆探施工常用的“超前孔裸眼鉆進方法”，即在一較大的套管內，懸掛一層活動套管（7in），然后以較小口徑（6in）鉆進。若巖層穩定，可一直鉆至終孔深度。若巖層不穩定，需要下套管護壁，則可回收活動套管，以in口徑擴孔，鉆穿過不穩定層后，再下7in套管。KTB先導孔鉆進技術、經濟指標見表6.5。

表6.5 KTB先導孔鉆進技術、經濟指標

很赞哦!（155）