结晶岩取心技术 中国大陆科学钻探（CSDC）的最新进展

结晶岩地层井段长，且处于钻孔下部，整个系统工程的绝大部分作业时间和资金将消耗在该井段，面临井壁稳定、井斜控制、高温泥浆系统等诸多难题，是科学超深井预研究的重点研究对象。取心钻进需解决的两大主要难题：一是提高坚硬地层机械钻速；二是确保构造应力带破碎岩石的岩心采取率、减少破碎堵心对回次进尺的影响。

2.3.1 菠萝头金刚石取心钻头

我国自主研发的螺杆马达+液动锤驱动井底联合驱动金刚石钻头的取心钻进系统，为科学超深井结晶岩地层取心钻进提供了基本思路。在超深井高温、高压的地层环境，无橡胶件的涡轮马达将成为超深井结晶岩地层主要的驱动工具，特别是在无法使用液动锤时，通过带小减速比减速机、甚至不带减速机的涡轮马达提高钻头转速将成为快速钻进的唯一手段，因此，适应涡轮马达高速回转是超深部结晶岩井段取心钻头必须具备的特征，金刚石钻头几乎是唯一的选择。孕镶金刚石钻头一直是地质岩心钻探主要碎岩工具，近年来，石油天然气钻井也正致力于研究适应难钻进硬地层的孕镶金刚石钻头，预计未来5～10年国内技术水平将得到显著的提升，进而促进超深部结晶岩地层钻井效率的提高。

提高坚硬地层金刚石取心钻进机械钻速的途径有两种：一是实用高速孔底马达提高钻头转速，二是增加钻头单位切屑面积的轴向压力。常规取心钻头［图2.13（a）］唇面为平底或圆弧形，磨削面积大，地层愈硬，所需钻压愈大。对于13000m深的科学超深井，钻柱长、孔斜等因素的影响，孔壁摩阻大，钻头有效钻压难以控制；其次，取心钻具外管壁薄、螺纹副强度相对较低，动力钻具也不允许大钻压钻进。因此，增加钻头单位切屑面积轴向压力的有效方法是，设计切屑具接触面积更小的取心钻头。

图2.13 孕镶金刚石钻头

设计的菠萝头金刚石钻头［图2.13（b）］，其特点是：

1）以金刚石颗粒为微切削刃；

2）基本制造、切屑单位为圆柱型孕镶块；

3）圆柱型孕镶块在钻头唇面均匀、交替排列，相互补空；

4）孕镶块被包裹在金刚石胎体中间，当圆柱型孕镶块磨耗完，胎体金刚石层继续工作。

该钻头在保持金刚石钻头的高强度和均匀的水力分布的前提下，成倍减小了同规格取心钻头的切削面积，可在超深井坚硬结晶岩地层获得很好的机械钻速。同时，也为更有针对性的不同坚硬结晶岩地层取心钻头的设计提供了思路。

2.3.2 构造破碎带取心技术

2.3.2.1 底喷式半隔液钻头

SG-3井、塔深1井等超深部经验表明，在地应力强烈释放的条件下，地层破碎、片化严重；WFSD工程是在地震断裂带上实施的科学钻探孔，其经验也表明，经构造运动的地层极其破碎。可以预见，科学超深井钻遇构造应力带和超深部地应力释放带破碎地层的可能性极大。

在超深井、大直径、硬岩破碎地层取心钻进，破碎岩石小颗粒、碎块易在内、外总成结合部堆积堵心；大直径破碎岩心自稳定性差，且钻具有轴向和径向的振动，随着管内岩心长度的增长，破碎岩心不能抵抗上部岩心的压力失稳，颗粒将挤入岩心与内管间隙，斜茬相互挤压，阻止岩心继续进入内管。当堵心、卡心状态形成后，如继续钻进，岩心相互磨损消耗，钻头加速磨损。

用于超深部破碎、片化地层钻头的结构设计思路：

1）避免钻头内形成钻井液的径向流；

2）降低钻井液在钻具内、外总成下结合部的流速；

3）保护岩心免受钻井液的冲蚀；

4）避免颗粒、碎块在钻具内、外总成结合部堵塞。

图2.14所示福建南平蓝桥公司设计、制造并持有专利的半隔液式电镀孕镶金刚石钻头，由项目组向厂家提出了加强内、外保径延长使用寿命、改变其与卡簧座传统配合方式的建议，最终形成所示半隔液结构。结构具有如下特点：

图2.14 蓝桥公司半隔液电镀孕镶金刚石钻头

1）钻头主水路流畅，底唇面与外工作边润滑、清洗和冷却充分，可以维持较清洁的孔底环境。

2）钻头的隔液护心结构设计颇为巧妙，其利用金刚石电镀技术可以灵活成型的特性，在钻头内工作边形成数条狭长的缝隙，既能较好地在岩心与钻头内工作边间阻止径向分流的形成，又可在其间保持一定做微量循环的钻井液，使通常易损耗的钻头内工作边总能得到应有的冷却和润滑。

3）钻头隔水环与卡簧座隔水环的配合，以及钻头内岩心与隔水环的小环隙配合，形成有效的径向流屏蔽。

2.3.2.2 内管镀层

破碎地层是客观存在的，解决岩心堵（卡），首先应通过设计高强度取心钻具、采用涡轮钻孔底动力钻具、设定合适的钻进参数等手段，来增强取心钻具的稳定性；其次，运用底喷式半隔液钻头及其与卡簧座的配合，破碎岩心可顺利通过内、外总成结合部进入内管，形成完整的岩心柱；内管内表面镀层或使用耐高温玻璃钢内管等方式，可有效降低内管摩擦系数，降低岩心入管阻力；最后，可设计组合内管解决堵（卡）心。

钢内管内表面是凹凸不平的，与岩心之间的摩擦力将随岩心长度增加而增长。完整岩心摩擦力增长较慢，岩心抵抗摩擦力的能力也很强，不易堵（卡）心。破碎岩心自稳定性差，钻进过程中会出现错位斜茬、细小颗粒填充，当下部破碎岩心不能承受上部压力时，这种趋势会加剧，摩擦力剧增，直至岩心强度不足以抵抗摩擦力而停止进尺。

因此，提高内管内表面光洁度，降低其摩擦系数是解决内管堵（卡）的有效方法。可通过内表面镀层或使用摩擦系数更小的材料作为内管（或衬管）。

1）镀镍：由于金属镍具有较高的化学稳定性，在工业上被广泛运用于镀层。镀镍可分为电镀和化学镀镍，由于金属镍具有很强的钝化能力，在表面能迅速生成一层极薄的钝化膜，能抵抗大气、碱和某些酸的腐蚀；镍镀层的硬度比较高，可以提高内管表面的耐磨性，尤其是近几年来发展了复合电镀，可沉积出夹有耐磨微粒的复合镍镀层，其硬度和耐磨性比镀镍层更高；电镀镍结晶极其细小，并且具有优良的抛光性能，可成倍地降低内管内表面摩擦系数。

2）镀铬：铬镀层具有良好的化学稳定性，在碱、硫化物、硝酸和大多数有机酸中均不发生作用；具有很高的硬度，根据镀液成分和工艺条件不同，其硬度可在很大范围400～1200HV内变化。镀铬层有较好的耐热性，在500℃以下加热，其光泽性、硬度均无明显变化。镀铬层的摩擦系数小，特别是干摩擦系数，在所有的金属中是最低的，所以镀铬层具有很好的耐磨性。

2.3.2.3 玻璃钢复合材料内管（或衬管）

玻璃钢学名玻璃纤维增强塑料，俗称FRP（Fiber Reinforced Plastics），即纤维增强复合塑料。根据采用的纤维不同分为玻璃纤维增强复合塑料（GFRP），碳纤维增强复合塑料（CFRP），硼纤维增强复合塑料等。它是以玻璃纤维及其制品作为增强材料，以合成树脂作基体材料的一种复合材料。

FRP强度相当于钢材，相对密度在1.5～2.0之间，只有碳钢的1/4～1/5，可是拉伸强度却接近，甚至超过碳素钢，而比强度可以与高级合金钢相比，某些环氧FRP的拉伸、弯曲和压缩强度均能达到400MPa以上；FRP还是良好的耐腐材料，对大气、水和一般浓度的酸、碱、盐以及多种油类和溶剂都有较好的抵抗能力。一般的FRP不能在高温下长期使用，但可以选择耐高温树脂，使长期工作温度在200～300℃是可能的。

图2.15 各种规格的FRP管

综合FRP的优缺点，作为对井内无安全影响的内管，其强度、刚度完全满足需求，长期高温稳定性正随着技术进步在逐步提高，因此，FRP管（图2.15）可以作为解决超深井堵（卡）心的一种解决方案。可将厚壁FRP管直接代替钢内管，或采用在钢内管内加一层薄FRP管作为衬管组成单动三管钻具。

2.3.2.4 叠式组合内管

在常规取心内管中使用一层或两层衬管结构（图2.16），衬管可采用铝合金等其他材料。如果岩心在内管里堵（卡），衬管会自动地依次错动，使取心作业继续进行，这种叠式组合内管可以解决三次堵（卡）心而不用起钻。衬管用销钉固定在钢内管下边，销钉的强度根据地层性质确定。当岩心在衬管里遇堵（卡）或衬管填满时，增加钻压剪断销钉，释放衬管，使堵（卡）着的岩心和内管里的衬管一起上行。当新岩心形成后进入第二层衬管，遇到第二次堵（卡）心又会剪断销钉，使第二层叠式衬管继续上行。第三次堵（卡）心或填满内管后再提钻。

图2.16 叠式组合内管示意图

关键技术：

1）销钉的强度需根据地层硬度、衬管的摩擦系数通过计算、实验及现场应用设计、改进。

2）钻进时需准确判断是否堵（卡心），这需要工程技术人员有丰富的经验，还需在实际中不断的探索。

3）该结构用于极其难钻进的结晶岩地层，应尽可能地减小衬管厚度，以降低钻头的切削面积。

叠式组合内管结构虽可以解决三次堵（卡）心，但内管内多两层衬管，取心钻头切削具接触面积较普通双管钻具大，且存在难以操作等诸多不确定因素，实际操作难度大。该方案可作为后备方案，当其他方法无法解决堵（卡）心，而回次进尺长度对取心效率的影响远比机械钻速大时，可采用该结构。

2.3.2.5 长半合管

岩心的原状性对科学钻探尤为重要，而要维持原状性，不仅需在钻进、起钻过程中，让岩心原状进入内总成、减小管内振动破坏，地表原状出管也同样重要。对于破碎岩心，传统的出心方式唯有人为的敲击、振动，利用岩心自身重力作用出管。这种方式既费时、劳动强度大，且对岩心人为损伤极大。

半合管是解决破碎地层取心的有效方法，出心时先将半合管从外总成卸出，水平放置，解除卡紧装置（卡箍）、卸除卡簧座，即可将半合管打开，原状岩心即被取出。WFSD工程都全孔破碎，全部采用半合管技术，很好地保证了岩心的原状性，为地学研究提供了珍贵的原位地层信息。

在机械钻速一定的情况下，回次进尺长度是影响钻进日进尺的最重要的生产指标。WFSD工程最初使用1.5～2m长半合管，通过实践项目组直感到在WFSD工程条件下，半合管还存在整根加长的空间。为稳妥起见，决定首先试制3m长整根半合管，然后根据使用情况再确定逐步加长的方案。经与协作单位四川什邡市宏华石油设备制造有限公司技术探讨，对图2.17的半合管组件（仅示出半片），确定出如图2.18的18道工艺流程。

图2.17 半合管组件

图2.18 半合管加工工艺流程

图中最属关键的工艺环节是第10、11、12、15道，经过相应处理的管材，切开后切边的张开度控制在0.3～0.5mm，可靠地保证了半合管的圆度（图2.19）。

图2.19 工作中的线切割床

随着3m半合管应用的巩固，协作单位与项目组通力合作，逐步将半合管长度增加至4m、4.5m、6m、9m。目前，虽然存在卡箍卡紧不牢导致半合管胀开的缺陷，今后可通过设计、加工不断改进、完善。另外，半合管切开后，内表面镀层、抛光较整管更为方便，更有利于减小岩心堵（卡）概率。因此，长半合管是科学超深井破碎地层取心保持岩心原状性的可靠技术手段。

m科学钻孔施工设想技术方案~

张伟
（中国地质勘查技术院，北京　100083）
摘要　介绍了制定中国结晶岩取心科学深孔钻进施工技术方案的总原则和先决条件。以此为基础，提出了建议的钻孔结构套管程序。最后提出了能满足这些原则、条件以及钻孔结构和套管程序要求的5000m取心科学钻孔施工设想技术方案。
关键词　取心深孔　科学钻探　技术方案
1　制定方案的总原则
在结晶岩中施工5000m深的取心科学钻孔，是对钻探技术的有力挑战，需要采用特殊的钻探技术。钻探技术设计的总原则是：在满足地学研究要求和技术可行的前提下，力求最佳的施工经济性。具体地说，应体现以下三个原则：（1）尽量采用现有的钻探技术，进行必要的改进和开发；（2）主要采用国产的设备、器具，少量国内一时无法解决的关键设备、器具考虑从国外引进；（3）结合地质钻探和石油钻探技术的优点，使深孔硬岩中连续取心钻进和钻机负荷能力同时得到解决。
2　制定方案的先决条件
2.1　钻孔深度
中国大陆科学钻探的首钻地点初步选定在大别—苏鲁地区，目的是研究该地区具有世界最大规模的超高压变质带。根据地质研究的要求，钻孔深度在5000m以内，此方案均按5000m考虑。
2.2　钻孔直径
钻孔直径是科学钻探技术设计中一个至关重要的参数，关系到采用的钻探技术方案、测井技术方案、地学信息获取量和钻探计划的费用，因此须慎重研究、综合考虑和权衡后予以确定。若仅考虑降低施工成本，则钻孔直径应尽量小。但施工科学钻孔的目的是获取地学信息，测井是从钻孔中获取信息的重要手段之一，因此钻孔直径应能保证测井的实施。
测井技术现状表明，地质勘探用小直径测井仪一般只能在2000m以内的钻孔中使用。我国施工5000m科学钻孔须借助于石油工业的测井仪。对国内外测井技术调查的结果皆表明，若考虑多种测井方法在同一钻孔中使用，钻孔的终孔直径应不小于6in（152mm）。故本文方案中终孔直径按6in考虑。
2.3　取心钻进比率
按100%考虑。即全孔不间断地取心钻进，以满足地学研究的要求。
2.4　岩层条件
主要为结晶岩，如片麻岩、硬玉石英岩、榴辉岩和少量大理岩。
2.5　取心钻进方法
国内外的经验表明，钻孔直径较小时，在深孔硬岩中进行连续取心钻进，唯有采用金刚石绳索取心方法，才能获得最佳的技术经济效果。故此方案考虑采用该方法施工，并主要使用孕镶金刚石钻头。
3　建议的钻孔结构和套管程序
以 （445mm）牙轮钻头开孔，钻至稳固岩层，下 （340mm）孔口导管，水泥固井，悬挂7in（178mm）活动套管，然后以6in（152mm）金刚石绳索取心系统进行取心钻进。若岩层稳定，可一直钻至终孔深度（参见图1a）。若遇到了不稳定层，可扩孔下套管固井，封住不稳定层。然后继续悬挂7in套管，并以6in口径取心钻进。该方案中考虑了两层套管储备：第一层是以 牙轮（或滚刀）钻头扩孔，下 套管；第二层是以 钻头扩孔，下7in套管。相应的两种终孔情况分别见图1b、c。

图1　5000m科学钻孔的钻孔结构和套管程序

实际上，这里提出的钻孔结构和套管程序设计是参考了原苏联实施科学钻探时采用的“超前孔裸眼钻进”的思路。即在地层条件为未知、钻孔结构和套管程序设计缺乏依据的情况下，不预先确定套管下入的深度，但在口径设计上留有下套管的余地。先以较小直径尽量裸眼往下钻，遇到复杂层后，再扩孔下套管。这样可能以最小的钻孔碎岩体积和最少的套管完成施工。该施工程序经原苏联大量实践证明经济有效。德国施工KTB先导孔也部分采纳了这一思路。
以上建议的方案还有一个特点，即只用一种规格的绳索取心钻进系统。相比之下，若采用两种规格的绳索取心钻进，不但在研究开发和购置钻杆方面耗资大，而且小规格绳索取心钻杆用于5000m深孔的技术难度较大。
4　钻探施工设想技术方案
4.1　钻机方案
在6in钻孔中取心钻进，将采用 绳索取心钻杆柱。5000m 绳索取心钻杆柱的质量是135t，考虑安全系数后，要求钻机的大钩载荷为2400kN。目前世界上能力最强的地质岩心钻机的大钩负荷为1200kN，远不能满足施工5000m科学钻孔的要求。石油钻机具有足够的承载能力，但回转速度太低，不能满足高转速金刚石钻进工艺的要求（施工6in钻孔，要求钻机转速不低于300r/min）。综合考虑对钻机承载能力和转速要求后，建议采用国外已成功使用的地质钻探/石油钻探组合技术方案，即利用石油钻机的承载能力，加装电动或液压顶驱钻进系统，以能进行高转速金刚石取心钻进。这种方案已分别在德国、美国和英国得到了采用，其可靠性和经济性都得到了验证。
4.2　钻杆柱方案
钻杆柱是钻进施工的关键部件，5000m深孔绳索取心更是对钻杆柱有特殊的要求。拟采用 的钢质绳索取心钻杆柱。我国在钻井管材方面与国外差距较大，地质岩心深钻和石油深钻管材都是从国外进口，该方案中的绳索取心钻杆也将考虑从国外引进。
4.3　取心钻进系统方案
建议采用以绳索取心为基础并结合其它一些先进的孔内钻具的组合式取心钻进系统，综合各种系统的优点，以获得更好的钻进技术经济效果。目前我国已成功使用和初步研制成功的组合式取心钻进系统有：①不提钻换钻头系统；②绳索取心液动锤系统（图2）；③螺杆马达不提钻换钻头系统（图3）。这些系统都有很好的应用前景。进一步的研究和改进应提高其对深孔条件的适应性，增强其可靠性和有效性。
4.4　钻头方案
拟主要采用孕镶金刚石钻头来进行取心钻进。国内已有成熟的钻头技术。在深孔硬岩条件下使用，改进研究工作的重点是：在保证钻头寿命足够长的前提下，提高钻头机械钻速；由于在硬岩中使用，须加强钻头的保径。还要考虑一些新型金刚石材料（如大颗粒、高强度、热稳性单晶和“勘探奈特”等）的采用。
4.5　钻井泥浆方案
5000m结晶岩取心钻孔施工对钻井液要求较高，难度在于钻井液须同时满足多项要求，如要求钻井液中固相含量尽量少，甚至无固相；要求组分尽量简单，以避免对地球化学测试分析结果产生负影响；钻井液系统具有优良的流变性能、剪切稀释和润滑减阻性能；要求耐温150℃。我国的钻井液技术已有相当的水平，基本能满足此种施工对钻井液的苛刻要求。进一步研究应解决的主要问题是：①钻井液组分对地球化学测试影响尽量小；②钻井液系统的流阻和摩阻尽量低。

图2　绳索取心液动锤系统


图3　三合一（绳索取心、螺杆钻、不提钻换钻头）钻具结构

4.6　定向钻进技术方案
由于采用绳索取心钻进工艺，一些有效的垂孔钻进措施的实施受到限制，只得采用常规的定向钻进技术，即以稳定器组成的保直或降斜孔内钻具组合为垂孔钻进的基本措施。当出现无法控制的钻孔偏斜后，采用螺杆马达和弯接头（或弯外管）组成的纠斜或造斜系统予以纠正。
5　技术可行性评价
我国在结晶岩中施工5000m取心科学钻孔在技术上是可行的。除了加装在石油钻机上的顶部驱动系统和绳索取心钻杆需要从国外进口外，所有其它设备和器具都可立足于国内解决。鉴于科学深钻施工的特殊性和技术难度，应进行适当的技术研究与开发，改善现有设备和器具的性能。此外，还要对小环隙条件下深孔取心钻进过程和工艺进行研究，掌握其规律，为开发和改进工作以及未来施工的顺利进行奠定好的基础。所有这些以我国现有的钻探技术力量完全可以解决。
参考文献
[1]刘广志.中国大陆科学钻探先导孔的战略与设想.西部探矿工程，1994,2.
[2]E.A.科兹洛夫斯基.科拉超深钻井（下）.北京：地质出版社，1989.
[3]H.Rischmueller et al.Advanced drilling technology for the continental deep drilling program of the Federal Republic of Germany.KTB Reprot 93-2,1993.

刘广志
（地质矿产部科技委高咨中心，北京　100812）
中国大陆科学钻探（CSDC）筹备工作，自进入90年代以来，获得了迅速的进展：
·召开了“中国深部地质研究中存在的关键地质问题”研讨会（1991.3）。
·“中国大陆科学钻探先行项目”开始执行（1991.7）。1994年11月提交有关报告，通过评审，认为中国开展大陆科学钻探条件业已成熟，争取列入“九五”国家重大科学工程项目。
·国务院发布的“国家中长期科技发展纲要”中指出：2000年前要为实施地质科学（超深）钻探工程进行技术准备，2020年前要实施（1992.3）。
·先后召开了第一次（1992.4）、第二次（1993.5）“中国大陆科学钻探研讨会”，讨论中国科学钻探选址，从12个选区归结为4个，最后选择大别—胶南作为首批靶区。
·“中国地质超深钻探（现称科学钻探）国家专业实验室”在中国地质大学（北京）建成，进入设备安装调试（1993.5）开展科研工作。
·中国派代表团参加在德国波茨坦召开的“国际大陆科学钻探会议”（1993.8），并参加ICDP筹备会（1993.9）。此后地质矿产部推荐肖序常院士为中方成员（1994.1）。地质矿产部派肖序常、闵志到美国斯坦福大学参加ICDP会议（1995.12）。
·“中国第一口大陆科学钻孔实施与科学研究”正式申报为“九五”国家重大科学工程项目。国家科委组织高级专家评议、投票，排名第三（1995.2）。财政部同意支付ICDP会费（1995.7）。以“大陆动力学和大陆科学钻探”为题举行了第36次香山科学会议。中国地质界对中国开展大陆科学钻探取得共识（1995.5）。
·再次举办“中国大陆第一口科学钻孔第三次研讨会”（1996.1）。对大别—胶南作出进一步靶区选定；并组织专家进行现场考察。
·（1996.2.26～3.1）在日本东京筑波市科学城参加“第八届通过钻探观察深部地壳学术会议”，即“第八届国际大陆科学钻探学术会议”。地质矿产部派6人代表团参加了大会。会议期间：①参加了学术1、6两组的大会论文宣讲；②参加了ICDP中美德三国谅解备忘录的签字仪式，并参加了该计划对组织管理、未来国际合作的大型讨论会；③刘广志参加了国际岩石圈（ILP）CC-4组主席M.D.佐巴克教授主持的汇报会，互通了各国CC-4组的活动简况，提出了今后活动方向。
·配合中国第一口大陆科学钻探的选址工作，提出了“中国第一口大陆科学钻探取心钻孔钻探工程技术前期研究与开发规划”（1996.3）。
1　中国大陆科学钻探先导孔施工技术方案
1.1　施工条件
（1）钻孔深度不超过5000m。事先由地质部门提出预想钻孔柱状图及有关地球物理资料。
（2）钻孔贯穿的主要岩层为结晶岩，如片麻岩、榴辉岩、硬玉石英岩、大理岩等等。
（3）贯穿的岩层主要物理力学性质，单轴抗破碎强度可能高达100～150MPa，个别高达150～200MPa，在地质钻探岩石可钻性分类中属7～12级硬至坚硬岩层，个别属极硬岩层。岩层研磨性可能成两极分化状态，多数属强、高研磨性；少数属坚硬、致密弱研磨性打滑层。有的含包裹体。
（4）岩心是提取大量地质信息的“信息源”，是研究下地壳、上地幔的实物资料，钻孔直径要有足够大的尺寸，以获取尽可能大直径的岩心。
钻孔又是井中地球物理、地球化学测井的通道，其直径和孔壁稳定性要满足先进的高科技测井仪下井的要求。
1.2　科学钻探先导孔的主要任务和作用
（1）全孔除覆盖层以外，要不间断采取岩心、岩样，液态样（矿化水，结晶水，油等），气态样（H2,O2,CO2,He,CH4,Cl,H2S,SO2等可能出现的气体），进行多种测试分析。
（2）分孔段进行系统的地球物理，地球化学测井。
（3）减少深孔将来在这一井段的取心，测井工作量。
（4）测量出地温剖面，在先导孔周围打一到几个深100～300多米的测温孔，测量地热热传导率，热流密度，以建立地温数学模型，推断先导孔地温剖面，终孔温度，地温变化，对在钻孔深部选择取心工具，测井仪器，各种取样器的结构性能，增强薄弱环节是至关重要的。
（5）在先导孔中试验各种新研制的钻头、钻具、仪器等。
（6）测试地层压力梯度，压裂强度，为孔壁稳定性，造斜倾向等提供参考位置与参数。
（7）检验过去用于沉积岩钻孔中的各种仪器和方法在结晶岩钻孔中是否有效。
（8）锻炼钻探队伍，培养深孔、超深孔钻探人才。
1.3　先导孔钻孔结构设计
在1993年9月在德国举行的“国际大陆科学钻探会议”上，到会代表们几乎一致的认为，根据多年来国际上施工科学钻孔经验，为节省大量投资，更科学的打科学钻孔，必须大力提倡采用已经在南非和加拿大施工了数百口深度在4000～5000m以深的勘探钻孔经验。英国KENTING钻探公司的John Beswick先生介绍，南非拥有钻进能力4000m以上的深钻机150台，钻进能力大于5000m的钻机有20多台，根据南非施钻的经验，用这类深尺地质岩心钻，打2000～6000m的科学钻孔，可以获得多快好省的科学与经济效益。
有的专家提出采用加拿大Heath＆Sherwood钻探公司的HS-150钻机（钻深4570m，最大钻探曾达5424m）和他们设计的专门用于深孔绳索取心用的HNQ,NBQ内外大环隙绳索取心系统，具以下特殊优点：①降低冲洗液压力降，②内管投入外管后，可快速到达孔底外管的定位处（表1、2）。

表1　第一方案先导孔钻孔结构

注：RTB—带扩孔的不提钻换钻头钻具。
如果用第一方案，要设计研制或购置两套HNQ,NBQ钻具。

表2　第二方案先导孔钻孔结构

1.4　施工技术路线
（1）参照外国施工经验与我国国情应考虑：我国是一个发展中国家，财政经济并不宽裕，一切设备、器具、工艺方法应该着意考虑以“自立更生”为主，尽量利用四十几年来，钻探工程积累的成功经验，能予以改进升级的，能自行研制的，则充分发挥自己探矿机械、仪器工厂的潜力（表3）。本着“有所引进，有所不引进”的原则，引进重点国外产品，予以消化、吸收、弥补急缺。
（2）必须采用绳索取心系统，以大幅度降低起下钻时间，有效缩短施工期；提高岩心品质，实现不提钻柱或少提钻柱换钻头，减轻工人劳动强度。施工费用可节约1/3。
（3）发挥我国在小口径孔底动力机并能配合绳索取心系统的技术优势，开发与采用小口径螺杆钻（PDM）、液动锤（Hydro-hammer）驱动的绳索取心钻具，实现钻杆不回转或慢回转钻进，一可以节约动力，二可以减轻钻杆与套管磨耗，三可有效预防钻孔歪斜（图1）。

表3　目前国产耐温近300℃的处理剂


图1　孔底动力机驱动的绳索取心系统

（4）大力采用物理—化学方法稳定孔壁，除钻孔上部孔段下入部分套管外，下部孔段结晶岩中尽可能采用长裸眼钻进（岩层自稳）。一旦遇到复杂层，岩层失稳，应采用小间隙套管方案。
（5）发挥钻井液的多信息载体（油气，矿化水，结晶水，淡水，卤水，岩屑）作用，输送大量地质信息（图2）。

图2　钻井液多信息载体作用

① 指防井涌、井喷、防塌、缩经等。②指运送岩屑，岩粉作用。③指作为深层流体（油气，水等）如H2,O2,CO2,CH4,He,H2S,CO2,SO2以及Na,K,Ca,Mg微粉等在300℃，1000×105Pa状态下，运载到地面
2　中国科学钻探先导孔钻探工程急待开展的科研项目
2.1　地面设备
（1）顶驱动长行程钻机用于绳索取心系统，带桅杆式钻塔。
（2）微机自控绞车。
（3）全自动钻杆排架。
（4）自动拧管机
（5）钻杆疲劳、破裂孔口探伤器。
（6）钻探操作自动化操纵台（含监测、采集、优化、反馈系统）。
（7）防喷器组（全封闭1套，封钻杆2套）。
2.2　深孔钻探基础理论
（1）高温高压下的结晶岩岩石物理力学性质，可钻性分类与破碎机理。
（2）建立高温高压试验设施。
（3）新型重量轻、高强度管材材料。
（4）钻杆断裂力学与监测系统。
（5）钻头磨损规律与机理。
（6）高温高压钻井液理论：①钻井液（无固相）聚合物配方、处理剂、添加剂，抗高温稳定性、固控设备与理论；②高温高压钻井液水力学、流变学、胶体化学理论与实践。
（7）钻井力学。
（8）建立机会井数据库。
2.3　深孔钻探工艺学研究
（1）深孔钻孔结构与管理程序设计。
（2）不同孔深的钻具与钻具稳定。
（3）深孔孔斜防治。
（4）电子计算机辅助钻进（CDC）系统。
（5）取心取样工艺，液态、气态放射性样品采集工艺，放射性自动检测技术。
（6）钻头与钻具选择方案与相应钻井参数的确定。
（7）不同孔段地温检测及其增温梯度规律。
（8）不同孔段岩石破碎规律，岩石物理力学性质测定。
2.4　孔内系统
（1）长寿命金刚石钻头与扩孔器。
（2）开发新型超硬材料切削具与取心钻头。
（3）用孔底动力机（BHM）驱动的绳索取心系统：①用螺杆钻驱动的绳索取心系统；②用液动锤驱动的绳索取心系统；③“三合一”式（绳索＋螺杆钻＋不提钻换钻头）取心系统。
（4）孔壁取心器：①液压或刮样器；②孔底电马达驱动水平取样器。
（5）高温高压气态或液态取样器。
（6）小口径随钻测量（MWD）仪。
（7）小口径垂直钻进（VDS）防斜系统。
（8）高温水泥及其固井技术。
（9）高温稳定、高润滑性、抗腐蚀钻井液及其添加剂。
（10）地层测试器、深部流体流量计等。
（11）高精度深孔岩心定向仪及方法。
（12）含铁铝合金钻杆及其合金钢接头。
2.5　深孔现代化管理
（1）深孔设计、施工、研究资料中系统工程管理（含工程、经济两大范筹）。
（2）设计、施工、研究过程中的数据库。
（3）资料编辑、整理、出版，信息交流。
2.6　信息获取
自觉采取有代表性的样品和获取更多的数据，是科学钻探项目成功的预先要求。采集数据可再分为孔内与地面两部分。孔内部分包含取心、取砂样、测井、钻进与水力测试，孔内地球物理试验（孔底到地面或两个孔之间）。地面部分则包括从孔口和泥浆测试装置取得的固体和液相样品，包含首次与初步地质描述，化学与物理分析。测井项目则是雄心勃勃、费时的。钻导孔时，钻探费用等于测井计划的费用。测井程序要逐个孔段进行，为减少漏采信息的危险。钻探结束之后，还要进行长期测量与试验（图3）。

图3

按照KTB经验野外信息资料整理后直至提出科研报告，均在野外实验室完成，钻孔则建成长期观测站
3　《地质超深钻探（科学钻探）技术》国家专业实验室
3.1　实验室的性质和任务
中国地质大学（北京）所属的《地质超深钻探技术》国家专业实验室，是经国家计划委员会、国家教育委员会于1989年6月批准投资新建的国家级专业实验室，同时亦是地质矿产部开放研究实验室，在学术上是一个相对独立的研究实体。这个实验室是开展本学科及相关学科的基础研究和应用基础性研究工作的重要基地，也是培养本学科高级科技人才的摇篮。
实验室按照“开放、流动、联合”的原则，面向国内外同行业开放，欢迎国内外专家学者在本实验室发布的《课题指南》范围内申请研究课题，经学术委员会评审批准资助后，来实验室开展科学研究。也可自带课题和经费及配套仪器和设备来开放研究实验室进行科研活动。
3.2　实验室的课题研究领域
（1）大陆科学钻探
·中国大陆科学钻探工程的建设与准备工作
·东亚大陆环境科学钻探工程
·高温高压地学模拟实验装置（又称HTHP井筒）（图4）

图4　高温高压地学模拟实验装置

（2）钻探新技术新方法
以岩石力学研究为基础，采用电子计算机等高新技术，研究新的钻探技术装备与方法
·交流变频调速型钻机
·绳索取心与不提钻换钻头技术
·碎岩工具的设计与研究
·高温热熔法钻进新技术
3.3　研究设施与装备
碎岩机理与工具研究部分：主要从事岩石物理机械特性，岩石破碎机理，破碎岩石工具以及井下钻探工具的新技术研究。主要的设备是美国MTS公司的岩石力学试验机和0～8000赫兹连续可调的中频感应烧结设备。
计算机应用技术研究部分：主要从事计算机在钻井工程及其它相关部门中应用技术的研究。主要的设备是计算机控制的钻井实验系统，微机群与其外围设备，以及HP9000系列的计算机工作站。
除上述几项设施外，实验室内还专门建立了一个热熔法钻井实验台。
为了实现国际交流，实验室内还设立了小型学术厅和专家工作室。

岩石圈构造和深部作用

3.4　实验室的管理与组织
《地质超深钻探技术》国家专业实验室由国家教育委员会和地质矿产部双重领导，行政管理属于中国地质大学（北京）。
本实验室实行主任负责制。实验室主任全面负责组织和领导开放研究实验室的科学研究、学术活动、人员聘任、人才培养、资金使用和行政管理等工作。
实验室设学术委员会，是学术评审机构。其主要职责是：确定本实验室的研究方向，制定《课题指南》，审批研究课题，评审科技成果，审议实验室的经费计划和组织重大学术活动。
实验室的固定人员以及客座研究人员均由实验室主任聘任。并实行任期制，工作成绩突出的可连聘。
3.5　实验室的主要研究成果
（1）微机自控钻进实验台。
（2）钻井工艺技术的微机分析系统。
（3）金刚石钻进原理及最优化钻进技术的研究。
（4）地质钻机新型电驱动系统研究。
（5）改善钻柱工作性状及井底载荷有效控制方法研究。
（6）不提钻井底换钻头技术。
（7）热熔法钻孔新技术。
（8）高温钻井液研究。
管理与研究人员

岩石圈构造和深部作用

学术委员会组成

岩石圈构造和深部作用

结晶岩取心技术
答：破碎地层是客观存在的,解决岩心堵(卡),首先应通过设计高强度取心钻具、采用涡轮钻孔底动力钻具、设定合适的钻进参数等手段,来增强取心钻具的稳定性;其次,运用底喷式半隔液钻头及其与卡簧座的配合,破碎岩心可顺利通过内、外总成结合部进入内管,形成完整的岩心柱;内管内表面镀层或使用耐高温玻璃钢内管等方式,可有效...

国内外科学钻探及超深井取心现状
答：由于该井超深,且取心井段在该井侧钻后长斜裸眼中,岩性以白云岩为主,裂缝发育、地层极破碎,取心施工难度非常大,虽取心段短,也遇到一些在超深井取心中的工艺技术难点。该井在超深井段取心总进尺18.70m,平均取心收获率78.8%,取心深度达到8408m,为我国实施科学超深井提供了宝贵的经验。 1.1.3.1 取心技术难点 ...

科拉超深孔取心钻进技术
答：俄罗斯（前苏联）是世界上最早和最大规模地进行科学钻探的国家之一，该国在结晶岩中施工了大量的取心科学深孔和超深孔，如科拉超深孔、乌拉尔超深孔、萨阿特雷超深孔、迪尔劳兹深孔和沃罗季洛夫深孔等。上述钻孔施工中，基本上都是连续取心，并几乎毫无例外地采用了统一的钻探技术体系（钻进工艺方法、钻...

大陆科学钻探概述
答：硬地层钻进(扩孔)效率问题、深孔硬岩大直径全孔取心技术、大倾角硬地层防斜纠斜技术、深孔小间隙孔段水力学设计及钻井液技术、难以预料的复杂情况等。 5.5.2 技术目标 形成一套完整的硬岩深孔(5000m)大直径(终孔直径不小于156mm)金刚石绳索取心钻进技术体系;使独具中国特色的液动锤钻进技术更加完善,进一步巩固...

我国超深钻碎岩工具应用方案
答：取心钻进中取心钻头技术方案（采用点取心方式）见表7.1。表7.1 取心钻进技术方案 取心钻头选型：根据对碎岩工具性能分析，对于沉积岩地层使用复合片取心钻头、人造金刚石孕镶取心钻头、牙轮取心钻头。对于结晶岩地层使用牙轮取心钻头、金刚石孕镶取心钻头。对于沉积岩地层的扩孔钻进，使用牙轮扩孔钻...

钻具结构
答：我国CCSD-1井已研制并成功使用9m取心钻具,这一长度配合自主研发的螺杆钻+液动锤二合一孔底动力驱动金刚石硬岩取心技术,在结晶岩地层成功钻达5180m。为进一步提高5000m以深取心钻进效率,拟使用岩心管对接方式提高回次长度,实现中、长钻程取心钻进,方案如下: 设计图2.5所示可内、外扶正的中间扶正器,连接上、下...

钻进(全面钻进、取心钻进和扩孔钻进)技术方案
答：小直径井段取心钻进,采用金刚石钻头会获得更好的技术经济指标。钻头种类根据地层条件确定,原则上软岩用聚晶金刚石复合片钻头,硬岩用孕镶金刚石钻头。由于13000m钻井的上部井段可能是软岩,也可能是硬岩,因此在取心钻进时采用复合片钻头和孕镶钻头的可能性都存在。而不管是在沉积岩还是在结晶岩中打钻,钻进到下部小...

第3章 超深井钻进对钻头的影响与要求
答：超深井钻进包括在硬岩中进行的取心钻进、全面钻进和扩孔钻进，主要采用金刚石钻头、PDC钻头和牙轮钻头。根据每增加100m孔深温度递增3℃左右的地温梯度，13000m孔深处温度可达390℃的高温，钻井液经历从地表至孔底漫长孔段的运行，已被加热至相应温度，加上钻头在孔底工作生热，钻头经受的温度较高，因此...

钻进技术方案
答：小直径井段取心钻进,采用金刚石钻头会获得更好的技术经济指标。钻头种类根据地层条件确定,原则上软岩用聚晶金刚石复合片钻头,硬岩用孕镶金刚石钻头。由于13000m钻井的上部井段可能是软岩,也可能是硬岩,因此在取心钻进时采用复合片钻头和孕镶钻头的可能性都存在。而不管是在沉积岩还是在结晶岩中打钻,钻进到下部小...

地质钻探技术论文(2)
答：这口井之所以能钻进成功,是因为前苏联人在施工这口井时进行了大量的钻探技术创新,其中3项对钻进施工的成败起决定性作用的重大创新是:超前孔裸眼钻进方法;铝合金钻杆;带减速器的涡轮马达井底驱动。第二个实例是中国大陆科学钻探工程科钻一井。该项目是在坚硬的结晶岩中施工5000m连续取心钻孔。这种施工在我国没有...