国际科学钻探计划 国内外科学钻探及超深井取心现状

经现场浏览与大会论文摘要搜索，向大会注册的涉及钻探工程应用的论文摘要共311篇，其中308篇是以钻探工程为手段的各地学研究计划与能源、矿产、水资源等项目的地质成果介绍，仅3篇是由中国提交的纯钻探技术成果的摘要。

一、国际科学钻探计划概况

已有20多个重大国际钻探项目在国际大陆科学钻探组织（ICDP）框架下组织实施。ICDP聚焦于地球科学与国际社会经济问题中具挑战性的研究课题，如大陆动力学与自然灾害、火山体系与地热体（thermal regimes）、地球历史与气候变化、构造碰撞、非常规能源、深部生物等。其中突出的研究成果有：加利福尼亚圣安第斯、中国台湾车轮铺（Chelungpu）与希腊科林斯湾钻穿活性断层带取心研究地震循环的基本过程；日本Unzen火山、夏威夷、冰岛超临界火山流体活火山过程的研究；的的喀喀湖、马拉维、Bosumtwi、青海湖的古地质气候演化研究；Chicxulub,Bosumtwi和Chesapeake Bay在不同大小的陨石碰撞下陨石坑的形成过程及其对周围环境的影响。ICDP未来几年的研究主题有：气候动力学与全球环境、陨石坑及其形成过程、地下生物、活断层、板块汇聚边缘与碰撞带、自然资源等。钻探技术要面对大陆科学钻探的未来挑战，是完善孔内安全钻进系统、复杂地层无损无污染取心，及深部恶劣环境下长期观测设备的装置。

在2004年至2008年的四年间，国际大洋钻探组织（IODP）完成的考察主要如下：经过55年后在北极罗蒙洛索夫山脊完成温室到冰室的历史记录；在富卡山脊建立了三个观测孔对胡安山侧的海底洋流进行调查；对墨西哥湾深水下的超高压与洋流过程进行调查；通过钻探再次获得科克斯板块洋底基岩资料。

在坚冰海面进行深水钻探的钻探装备，是人类高效开展极地考察活动的必要条件。过去由于缺乏专门的破冰钻探船，很多科考活动进展缓慢甚至无法进行。如ODP第151航次开始在Yermak高地开展钻探，直到55年后的2004年，IODP的ACEX考察才在北纬87°55 ′16″、东经139°21′54″的北冰洋底罗蒙洛索夫山脊顶端重获430米岩心资料，而此次考察动用了两艘重型破冰船在钻探船周围保驾护航。最近，世界上最先进的极地研究设施，“北极光”号研究破冰船（图1）建造成功，其钻深能力，可在水深80～5000米永久性冰面覆盖的极地洋面上，破冰深入水下1000米取样，同时也可用于长期的国际多学科北极钻探考察。该船船体设计新颖，配备卫星航海、方位推进系统与冰处理支持，动力定位系统可在2.5米以上厚度的冰层上运行，定制的高寒深水钻机、全封闭的钻台和预研究工作室允许科技人员在极地条件下全天候工作。

为了更好地适应大陆科学钻探的各项特殊要求，ICDP委托德国波茨坦PFZ(Geo-Forsechungs Zentrum）研制了一台新型的钻机—Innova Rig（图2），与标准的石油钻机相比，该钻机具有如下的技术特点：可进行回转、常规取心、绳索取心与气举等不同工艺方法的钻进；高安全标准、高自动化的模块式钻机设计，综合动力概念，无大绳的液力提升与给进系统，减少了环境污染和噪音强度，场地面各减小、钻探成本下降。该钻机还为测井仪器预设了存储单元，配置了测井电缆导绳器，可以实现快速测井；钻屑样品收集器与基于质谱原理的泥浆气体分析器，使野外研究可在原位进行；钻进信息系统已与ICDP钻进信息系统集成。钻机的技术参数为：发电机容量3×1540千伏安，驱动功率4000千瓦，泥浆泵功率3×1000千瓦，钻进深度5000米，名义大钩载荷3500千牛，转速220转，回转扭矩40～75千牛·米，提升油缸行程22米，绳索取心绞车容量5000米（钢绳直径12.7毫米），钻机总重3700千牛。

图1 “北极光”号研究破冰船

图2 德国Innova Rig钻机

在通过钻探手段直接获取地下能源方面，冰岛深钻计划（IDDP）颇为引人注目。冰岛是一个多火山国家，在火山中心地带，高温地热源已被开发用于蒸汽或水发电，并向地方供热。在这些地区，一口2000～3000米深的钻井，井底温度达到300℃，井口温度可达200℃，单井可生产500～2000千瓦的电力。2002年以来，钻进到4000～5000米深度以调查地热资源的准备就在进行，这一工作的目标，就是确定在淡水温度与压力临界点（374.15℃，22.12兆帕）以上的条件下，提取能量与化学液体在技术与经济上究竟是否可行。2008年8月，第一口深井将在冰岛东北部的Krafla地热田开钻，这口井钻达预定井深时，井底温度将高达400～600℃，蒸汽所产生的电力估计将达到4～5百瓦。IDDP的这一预想若被证实，将导致冰岛和其他地区高温地热资源经济的重大进步。第一口深井的资金已落实，钻探工程计划在4～5个月内完成，2009年进行井中循环测试。

二、中国白垩纪大陆科学钻探松科一井（北井）钻探工程

松科一井是中国国家973计划项目“白垩系地球表层系统重大地质事件与温室气候变化”，为获取供地学研究的白垩纪地层实物资料，在中国东北部松辽盆地布置的环境科学钻探工程。工程由南井和北井（又称主井）组成，井深分别为1810米和1910米，岩心采取率要求90%。其中南井成井后可转化为石油生产井，由大庆油田按石油钻井程序建井；北井仅为采集岩样，由中国地质调查局勘探技术研究所承担，并组织中国地质大学与河南地矿工程公司协作施工。本井全井连续取心钻进的要求，使之不同于普通的石油钻井；钻遇地层为湖盆沉积、完井直径156毫米、需在井口安装井内压力控制系统，使之又不同于地质岩心钻探。故北井施工的装备与工艺均有其自身特点。

1.设备与管材——2000米水源钻探装备

出于井深、井径与井内安全钻进的要求，本井所用钻杆直径不得小于73毫米，而国内岩心钻机若使用这种钻杆，尚达不到钻进近2000米的深度，因此选用了2000米配套的水源钻井设备。与钻进同样井深的石油钻机比较，其优点是重量轻、体积小、功耗低，占地面积小、运行与维护成本低；提引器升降钻杆柱、钻机转盘拧卸扣，操作简便、配套紧凑；缺点是管材强度较低，不似石油钻井可强力给进；钻机转速较低，硬岩钻进时钻速低；钻塔提升高度有限，提下钻辅助时间长。

2.钻井平台高架——满足井控设备安装要求

2000米水源钻机的钻井平台直接坐于地面。为在井口安装防喷器，自设计钢基础构架，将平台高度提升2.1米（图3）。完钻时构架承受200千牛的设备静载、400千牛悬重的钻柱提下钻动载以及7级以上的大风载荷，未出现任何不安全迹象。

图3 钻机底架效果设计

3.取心钻进——岩心钻探工艺

钻具规格与结构：

钻头外径：156毫米

普通双管钻具岩心直径：96毫米

保真钻具（三层管）岩心直径：82毫米

最大岩心容纳长度：9米

保真钻具的衬管为透明度好、刚度好、化学性能稳定的PC有机材料管，其作用是钻进时保护松散样品不受扰动，出心时样品可随管无损抽出。样品易保管，易运输，且可在管内冷冻成型后剖切研究。

（1）流沙层隔液保真取样：井深162～211米地层是无胶结的流砂层，钻进时钻具内腔与流动的钻井液必须完全隔绝，否则进入钻头的砂样会部分或完全冲蚀耗尽。所设计的钻具在砂层中取心钻进近50米，采样率达82%（图4）。

图4 隔液保真钻具的取样效果

（2）黏软—中硬地层嵌块式合金钻头：245～950米井段为长段软泥岩及其与酥松或较致密的泥岩、砂岩互层，如用常规的钻头结构形式，则在软泥岩中易泥包糊钻，在较致密的岩层中钻速低下。还因合金刀具抗崩耐磨性均较差需频繁更换，而钻头刚体价格昂贵，如直接在刚体上更换刀具必致刚体寿命短暂增加成本。图5a所示的大排水、排屑空间的嵌块式结构，不仅杜绝了软泥岩中的糊钻现象，且适应地层的软硬变化。在900余米进尺中，5只钻头刚体入井190回次、纯钻进近700小时后仍可继续使用。钻头所钻遇的岩层如图5b所示。

（3）致密泥岩中螺杆钻复合回转钻进：井深1250米后地层进入黑色致密泥岩，无论是合金钻头还是PDC钻头，钻压加到45千牛、泵量开到950升/分钟，但钻速均只在0.2～0.3米/小时，孕镶金刚石钻头的转盘单回转钻进，钻速也只在0.5米/小时左右。孕镶钻头乃依赖高速磨削碎岩，但因设备和井内原因，作业时转盘最高转速只允许开至90转/分钟。为提高钻头转速提升钻速，启用螺杆马达实现井底驱动，同时低速开动转盘（37转/分钟）消除钻柱与井壁的静摩擦以求钻压均匀传递。这一措施的钻进效果由下表可对比。

图5 嵌块式合金钻头及其钻井效果

当代地球科学发展趋势：第33届国际地质大会热点聚焦

（4）水力出心装置：常规钻具的岩心需从内管中直接取出，对于大口径钻具，传统的出心方法不仅劳动强度大、出心时间长，还因管内堵卡、机械振动以及岩心自由下落等原因，造成塑性与酥性心样变形、脆性岩心伤害，地层的原始信息被人为破坏。本井研制的水力出心装置，出心时只要在钻具上接头连接送浆管，再封住内、外管下端环隙，利用水压将岩心整体推出内管，减去了传统出心方法的各个环节，真正做到了常规钻具的岩心无损出管。装置原理与现场工作情况如图5所示。

（5）泥浆护壁成果：一开地层为松散的流砂层与松软泥岩，泥浆技术不过关，极易引发卡钻、埋钻等井内事故，还可能会因长井段坍塌导致钻井报废。一开至完钻历时53日历天，钻具在流砂层与松软泥岩层中裸眼提、下110回次，不仅从未发生过井内险情，且井径规整、极少沉淤，固井时井内注液量表明井眼超径系数不到1.08。二开井段总长1566米，上部为松软、水敏性泥岩与酥松、脆弱的砂岩、砾岩穿插，850～1500米含多段易掉块地层。二开至完钻裸眼历时193日历天，提下钻具295回次，从未发生水敏地层膨胀缩径与脆性地层掉块导致卡钻事故。

4.综合评述

（1）取心钻进技术指标（见下页表）。

（2）南、北井技术经济对比：北井运用水源钻探设备与岩心钻探工艺，历时8个月，完钻井深1811米，取心进尺1630米，岩心采取率95%；南井使用石油钻井设备与工艺，历时3个月，完钻井深1915米，取心进尺965米，岩心采取率98%。两井客观条件相比，尽管北井取心难度大、钻遇地层复杂、存在50米无胶结流砂层与500余米极致密的泥岩，且施工方进场时对地层性质毫无了解，但从总体上看：两种方法的岩心采取率均满足科研工作要求；石油钻井装备的钻进效率远高于水源钻探装备；石油钻井装备的工程费用为水源钻探装备的3倍以上。因此可得结论：在工程进度满足科研进度的前提下，选用组合钻探技术实施环境科学钻探工程，是有效压缩科研费用的可行之路。

当代地球科学发展趋势：第33届国际地质大会热点聚焦

（朱永宜执笔）

国际: 地球科技项目计划~

(国际地球物理年、国际岩石圈计划、世界气候研究计划、国际极地观测年……)
·国际地球物理年 (International Geophysical Year)
国际地球物理年，是全球科技界大联合大协作的首次壮举，标志着一个新时代———国际化大规模科学考察时代的开端。从1957 年 7 月 1 日至 1958 年 12 月 31 日，在一年半的时间里，由国际科学联合会理事会 (即现在的国际科学理事会，1998 年 4 月改为现名) 发起并组织，来自 76 个国家的 2 万多名科学家在全球范围内陆地和海洋的 1000 多个观测点对各种地球物理现象进行了广泛的观测和研究，收集了大量的资料和数据。
国际地球物理年也是第二次世界大战后，国际社会开展的第一个国际年。通过国际地球物理年活动，人类获得了一些有关高空物理现象和极地关系的资料。国际地球物理年科学活动的成功，使得北极和南极的科学考察活动进入了正规化、现代化和国际化的阶段。
国际地球物理年的科学研究内容十分广泛，涉及 13 个项目:气象学、地磁和地电、极光、气辉和夜光云、电离层、太阳活动、宇宙线与核子辐射、经纬度测定、冰川学、海洋学、重力测定、地震、火箭与人造卫星探测等。国际地球物理年的活动取得了丰硕的成果，为 1979 年开始的全球大气研究计划的第一次全球试验、1980 年开始的国际气候研究计划中的极地试验、北冰洋实施的重大国际合作考察以及 “上地幔计划”等多个项目奠定了良好的基础。历次国际地球物理年对地球进行多方面观测以获得各种数据资料的活动，不仅对于人们日常生产、生活具有直接的意义，从长远看来，这种科研活动也关系到人类社会的前途和命运。
中国在国际地球观测方面也同样作出了积极的努力。1952年，国际地球物理年专门委员会成立后，为了促进国际地球物理年科学的发展，增进各国科学工作者之间的友好交往，中国决定组织国际地球物理年中国委员会，由竺可桢任主席，赵九章、涂长望任副主席。在国际地球物理年期间，中国按计划进行了风、温度、湿度的地面观测，进行了地磁、宇宙线、电离层等参数的观测和记录，进行了极光、海洋和天文的观测，并综合研究了太阳活动时对近地空间环境的影响和规律。一部分科学家针对当时国际科学界关心的人造卫星、星际航行和空间物理等问题进行了学术探讨。总之，中国在国际地球观测方面作出了自己独特的贡献。
联合国地球物理年的设立，为人类全方位、跨国界、跨学科开展对地球的研究开创了良好的先例。
国际地球物理年大大推动了地球科学的发展，促使许多国家的科学家进行南北极的考察和研究。国际地球物理年推动了联合国对外层空间的关注。国际地球物理年专门委员会通过一项正式决议，要求参与国对于在地球物理年利用人造地球卫星的问题给予注意。在国际地球物理年期间，美国和苏联在探索外层空间方面都作出了积极的响应，在研制人造卫星方面取得了实质性进展。1957 年 10 月 4 日，苏联成功地发射了第一颗人造地球卫星，标志着 “空间时代”的来临; 美国则于 1958 年 1 月 31 日发射了人造地球卫星，还于 1958 年 12 月 18 日发射了第一颗通讯卫星。这些都标志着国际地球物理年胜利地实现了预定的目标，体现了科学合作与竞争促进科技进步的精神。随着 1957 年 10 月人造地球卫星一号的升空而迎来了宇宙探索的开端，这一历史性的事件直接引起了联合国大会对外层空间的关注，并促成了联合国和平利用外层空间委员会这一联合国处理为和平目的利用外层空间问题的主要委员会的建立。
·国际岩石圈计划 (International Lithosphere Program)
国际科学联合会理事会 (ICSU) 的下属组织。英文缩写为ICL。20 世纪 70 年代后期，国际大地测量学和地球物理学联合会(IUGG) 和国际地质科学联合会 (IUGS) 协商提出一项国际岩石圈计划。这是一项旨在 80 年代研究阐明地球岩石圈的性质、动力学、成因和演化，特别是以大陆及大陆边缘部分为重点的国际多学科研究计划。该计划的实施也为增加非可再生的矿产资源和能源，以及开拓它们利用的前景，提供科学资料和先进技术。查明、预测和减轻天然和人类活动诱发的地质、地球物理和地球化学灾害，也是此项计划追求的目的 。1980 年此项计划获 ICSU 批准，并于 1981 年成立了 ICL，开始实施计划。后鉴于此项计划的重要性 ，ICSU 决定将 ICL 作为一个常设机构。委员会的领导机构是执行局，委员会下设 10 个工作组和 7 个协调委员会。至1991 年已有 62 个国家和地区参加国际岩石圈计划的工作。
新的岩石圈研究计划已从1990 年开始执行。新计划包括4 个研究主题，即全球变化的地球科学，当代动力学和深部过程，大陆岩石圈以及大洋岩石圈。每个主题又包含若干前沿的科学问题，由工作组负责实施。协调委员会负责解决地区性科学研究的协调和数据交流，大陆深钻等共同性重大的科学问题。委员会的出版物为 《新闻通讯》。
中国是最早的参加国之一，并于1982 年成立了对应 ICL 的中国全国委员会。
·世界气候研究计划 (World Climate Research Program)
世界气候研究计划 (简称 WCRP) 由世界气象组织与国际科学联合会联合主持，以物理气候系统为主要研究对象。此计划在20 世纪 70 年代开始酝酿，80 年代开始执行，是全球变化研究中开展得较早的一个计划。
WCRP 主要研究地球系统中有关气候的物理过程，涉及整个气候系统。其主要部分是大气、海洋、低温层 (冰雪圈) 和陆地以及这些组成部分之间的相互作用和反馈。它主要关心的是时间尺度为数周到数十年的气候变化。
WCRP 的目标有两个方面: 一是气候的可预报程度; 二是人类活动对气候的影响。
WCRP 研究有三个方向: 为期数周的长期天气预报、全球大气年际变率以及为期数年的热带海洋的年际变率、长期变化。包括两大试验: 热带海洋和全球大气试验和世界海洋环流试验，以作为第二和第三研究方向的中心。1993 年 WCRP 科学委员会又在热带海洋和全球大气计划成果的基础上提出了气候变率和可预报性研究计划，旨在对百年尺度的气候变率进行描述、分析、模拟和预测。
·国际极地观测年 (International Polar Observation Year)
国际极地观测年是全球科学家共同策划、联合开展的大规模极地科学考察活动，被誉为国际南北极科学考察的 “奥林匹克”盛会，自 1882 年至今仅组织了 3 次，分别于 1882 年至 1883 年、1932 年至 1933 年和 1957 年至 1958 年举行。在 1957 年至 1958 年国际地球物理年，开展了有史以来最大规模的极地科学研究，直接促成了 《南极条约》的诞生。由于历史原因，我国未参加前 3次国际极地观测年。
·综合大洋钻探计划 (Integrated Ocean Drilling Program，IODP)
综合大洋钻探计划 2003 年至 2013 年，由 20 多个国家参加，中国 1998 年加入。该计划是以 “地球系统科学”思想为指导，打穿大洋壳，揭示地震机理，查明深海海底的深部生物圈和天然气水合物，理解极端气候和快速气候变化的过程，为国际学术界构筑起新世纪地球系统科学研究的平台，同时为深海新资源勘探开发、环境预测和防震减灾等实际目标服务。该计划是在国际深海钻探计划 DSDP (1968 ～1983 年) 和大洋钻探计划 ODP (1985 ～2003 年) 两项工作基础上进行的。
一些能在海冰区和浅海区钻探的钻探平台也将加入 IODP。此外，美国自然科学基金委员会正在考察重新建造一艘类似于 “乔迪斯·决心号”，但功能更完备的新的考察船。IODP 的航次将进入过去 ODP 计划所无法进入的地区，如大陆架及极地海冰覆盖区; 它的钻探深度则由于主管钻探技术的采用而大大提高，深达上千米。IODP 也因此将在古环境、海底资源 (包括气体水合物) 、地震机制、大洋岩石圈、海平面变化以及深部生物圈等领域里发挥重要而独特的作用。
海底以下数千米深部仍然有大量微生物存在，被称为 “深部生物圈”，其总量估计占全球生物量的 1/10 至 1/2 。深部生物圈的研究对于全球的物质循环、环境演变、生命起源与生命本质规律的探索，以及极端生物资源的开发利用均具有重要意义，已经成为当前国际学术界的研究热点和战略前沿。
·国际大陆科学钻探计划 (International Continental Scientific Drilling Program)
1993 年 8 月 30 日至 9 月 1 日，德国地学研究中心 (简称GFZ) 在波斯坦召开了关于科学钻探的国际会议，出席会议的人员共有 250 余人，分别来自 28 个国家。此次会议之后，来自 15个国家的科学家再次相聚在德国 KTB 钻井现场，正式讨论成立国际大陆科学钻探计划 (简称 ICDP) 。1995 年，德国 GFZ 与美国自然科学基金会 (NSF) 签署了合作备忘录，决定成立 ICDP。1995 年经国务院批准，中国加入国际大陆科学钻探计划。1996年 2 月由德国、美国和中国发起成立了 “国际大陆科学钻探计划(ICDP) ”，至今已有近 20 个国家和团体加入该计划。
·2009 国际天文年 (2009 International Year of Astronomy)
为纪念伽利略将望远镜用于天文观测四百周年，国际天文学联合会 (IAU) 提议将 2009 年定为以 “探索我的宇宙 (The Uni-verse，Yours to Discover) ” 为主题的国际天文年。在 2009 年开展纵贯全年，着眼于教育，面向公众，尤其要吸引青少年参与的，国家、区域及全球层面上的各种活动，这将是一次天文学及其对社会、文化贡献的全球性庆典。这项提议得到了联合国教科文组织 (UNESCO) 的支持，并在 2007 年 12 月 20 日由联合国正式宣布 2009 年为国际天文年。
·国际全球环境变化人文因素计划 (International Human Di-mensions of Global Environmental Change Program)
国际全球环境变化人文因素计划 (简称 IHDP) ，是对地球系统进行集成研究的联合体———地球系统科学联盟的 4 大全球环境变化计划之一。全球环境变化的人文因素影响计划是一个跨学科的、非政府的国际科学计划，旨在促进和共同协调研究。IHDP最初由国际社会科学联盟理事会于 1990 年发起，时称 “人文因素计划”。1996 年 2 月，国际科学联盟理事会联同成为项目的共同发起者。
IHDP 结构设置围绕研究、能力建设、网络化 3 大目标进行的，包括科学委员会、核心科学计划、联合科学计划、秘书处、国家委员会 5 大模块。
IHDP 与其他 3 项计划，即国际地圈生物圈计划、世界气候研究计划和生物多样性计划，统称 “地球系统科学联盟”。各计划之间通过可持续性联合计划建立了密切的合作关系。
IHDP 侧重描述、分析和理解，研究全球环境变化背景下，土地利用/土地覆盖变化，全球环境变化的制度因素，人类安全，可持续性生产、消费系统，以及食物和水的问题、全球碳循环等重大问题。
IHDP 计划围绕着 3 个主要 目 标 开 展、实 施———科学 研 究、科研能力建设和国际化的科学网络。IHDP 的研究需要全世界范围内各个学科的科研工作者的共同努力、合作。
人类活动对地球环境的很多方面都产生着巨大的影响。人类的直接活动已经改变了近 50%的陆地表面，这给生物种类、土地结构和气候带来重大的影响。人类直接或间接使用的淡水资源已经超过总量的一半，很多地区的地下水资料也被迅速的耗尽。自从人类进入工业化时代以来，一些重要的温室气体的浓度迅速上升，带来了地球气候潜在的变化。沿海、海岸线的生活环境迅速的改变，世界范围内的渔业生产正在衰竭。
全世界范围内的科学家都在研究这些变化的起因、结果以及可能引起的自然界的响应。显然，也只有依靠全世界的自然科学家 (如生态学家、气候学家、海洋学家等) 和社会科学家 (如经济学家、人类学家、经济学家等) 的共同努力才能更好地理解这一系列的全球环境变化。
全球环境变化人文因素研究主要是研究由人类活动引起的环境变化的起因和结果，以及人类对这些变化的响应。这种研究是跨学科领域的，它需要发达、发展中国家的学者为之共同努力。近几年中，全球环境变化研究已经日益地认识到人类作为地球系统中心的重要性。
国际全球环境变化人文因素计划 (IHDP) 在人类的发展中起着重要的作用。

1.1.1 科拉3井取心技术
前苏联在深部地质研究中十分重视科学深钻的作用，执行了世界上最庞大的科学钻探计划，开钻的6000m以上超深井就有10口左右，其中位于科拉半岛的SG-3井以12262m的深度雄居世界深井之冠。因此，SG-3井是我国实施13000m科学超深井最具参考价值的科学钻探井，其所获得的地层信息和取心方法均值得我们借鉴。
1.1.1.1 钻进碎岩方法
前苏联4000m以上科学钻井的终孔直径一般设计为216mm。该直径进行取心钻进属于大直径取心钻进，采用的主要钻进工具是牙轮钻头。在科拉、乌拉尔和萨阿特累超深井钻进中，都进行过各种金刚石钻头与牙轮钻头使用的对比试验，因为当时金刚石钻头技术水平尚差，结果证明后者为佳。如在乌拉尔超深井中，斯拉乌季契（一种金刚石烧结体）钻头的钻进效率为0.2～0.3m/h、寿命30m；表镶金刚石钻头效果更差；牙轮取心钻头的钻进效率为1～1.5m/h、寿命为7～10m，已满足一般回次长度的要求（8m左右）。
在SG-3井的片麻岩、角闪岩和花岗岩混合岩层中，采用216×60mm牙轮取心钻头的使用效果如下：1217个取心回次的平均钻速为1.8m/h、平均回次进尺为7.6m，但用牙轮钻头取心对岩心采取率有非常不利的影响，虽采用“水力输送岩心取样器”大大减轻了此种影响，全孔岩心采取率也仅为40%。
1.1.1.2 回收岩心方式和取心工具
SG-3井施工尽管几乎是全井取心，也还是通过提钻回收岩心，没有采用绳索取心，原因如下：①牙轮钻头的寿命只有10m左右，采用“水力输送岩心取样器”回次进尺可达8m左右，故采用绳索取心已无意义和必要；②采用绳索取心钻进，岩心易堵塞，回次进尺长度仅能达到3～5m；③“水力输送岩心取样器”的岩心采取率要优于绳索取心。
1.1.1.3 水力输送岩心取样器
在结晶岩的构造应力带，岩石破碎严重。尤其在超深井段，地应力释放导致岩心片化，使岩心变成薄片和碎块，因此，结晶岩超深井的取心是一大技术难题。加上牙轮钻头的取心效果本来就差，故一般的取心钻具用于此种场合时岩心采取率非常低。通过逐步摸索和反复实践，前苏联研制了一种“水力输送岩心取样器”，它可使钻井液在井底实现局部反循环，促进岩心上行，将岩心输送到一个下端封闭的岩心容纳室中，进入此室中的岩心在提钻过程中肯定不会脱落。该取心系统型号为MAT，已成系列，经改进、完善后效果很好，已在其他超深井施工中推广使用。
1.1.2 中国大陆科学钻探工程科钻一井
CCSD-1井是我国实施最深的科学钻探井，也是近期国际大陆科学钻探实施的最深井，是在超高压变质带结晶岩地层中实施的全孔取心钻探井。运用了螺杆马达+液动锤驱动金刚石钻头回转冲击钻进技术，该技术在坚硬结晶岩地层中取得了巨大成功，是我国现代取心钻进技术水平的体现，这为实施13000m科学超深井奠定了技术基础。
1.1.2.1 取心钻头的选择
在硬岩中进行取心钻进，可以选择牙轮取心钻头或金刚石取心钻头。由于牙轮钻头与金刚石钻头在井底的运动特性各异，金刚石钻头钻取的岩心质量较牙轮钻头好很多。
中空牙轮取心钻头在井底回转破碎岩石时，其牙轮既绕钻头轴线公转，又绕牙轮轴线自转。由于钻头中心必须留有空间让岩心通过，其牙轮的锥顶不可能布置在其公转中心，因此，牙轮齿在井底岩石表面产生滚动的同时，还产生滑动。牙轮沿井底旋转滚动时，当牙轮双排齿接触井底岩石时，牙轮的轴心位置最低；而当滚动到单排齿接触井底时，牙轮的轴心便升到最高位置。牙轮在滚动过程中，轴心从最低位置到最高位置，又从最高位置到最低位置，如此反复交替，从而产生纵向振动。因此牙轮在自转、公转、滑动、轴向振动的复合作用下，产生滚动、滑动和冲击振动，冲击、压碎、剪切、切削岩石。由于牙轮在孔底的滑动与振动，使得钻取的岩心表面粗糙，即使在完整的岩层，岩心也很破碎，取心质量较差、采取率低。
金刚石钻头，特别是孕镶金刚石钻头，由于其切削刃粒度小，切入岩石的深度有限，当其在孔底回转时，不会像牙轮钻头那样因切削工具本身的运动而产生振动。而且，钻头在高速旋转时，会产生陀螺效应。因此金刚石钻头在井底转动时，比牙轮钻头要稳定得多，因而所钻取的岩心表面光滑、连续，岩心完整，取心质量好。
综上所述，从岩心采取率和岩心质量考虑，为更好地满足科学钻探井的地学研究，CCSD-1井选择了金刚石钻头取心钻进。
1.1.2.2 岩心打捞方式的选择
岩心打捞方式主要从绳索取心和提钻取心中选择。经过技术经济的理论分析，如钻头寿命能远大于提钻取心回次进尺长度，则绳索取心当属首选。但是，由于德国进口的绳索取心钻杆存在严重质量问题，不得不采用了金刚石钻头提钻取心钻进方式。
1.1.2.3 取心钻进方法的选择
金刚石钻头线速度要求达到2m/s，故Φ157mm钻头的转速需达243r/min。显然，石油钻机的转盘转速不能满足金刚石钻头提钻取心钻进对转速的要求。要提高转速，解决的办法有两种：一是加装高速顶部驱动系统，二是配备高速井底马达。
井底马达驱动方式具有能耗低，对井壁的扰动小的优点，因此，CCSD-1井采取了井底螺杆马达驱动方式。但是，Φ157mm钻孔直径限制了螺杆马达的直径不能太大，因而其输出功率受到限制。加之金刚石钻进要求钻头转速高，要满足转速的要求，螺杆马达的输出扭矩必然受到限制。要确保钻井施工的正常进行，首先必须保证钻头能够正常地回转，这就意味着要牺牲一定的钻压。钻压的减少，必然导致钻速的降低。为此，CCSD-1井在取心钻具组合中加入了一套液动锤，在钻头上施加冲击，使得钻进时所需的钻压大大减少，施加的钻压只要能足以克服井底钻具的反弹即可，破碎岩石主要依靠液动锤产生的冲击力。
CCSD-1井取心钻进总进尺5004.95m，其中使用螺杆马达驱动的冲击回转金刚石钻头取心钻进4042.73m，占取心钻进总进尺的80.770%，平均机械钻速为1.134m/h，平均回次长度6.34m，平均岩心采取率达85.45%。结果表明，螺杆马达+液动锤驱动的冲击回转取心钻进方法，不仅能大大节省能源、减少钻杆磨损，而且钻进效率高，回次进尺长。
1.1.3 塔深1井超深井取心技术
塔深1井完井井深8408m，是中石化重点超深井，目的是为加快塔河油田油气勘探步伐，探索下古生界寒武系大型建隆圈闭的含油气性，实现新领域的导向性突破，从而完成“塔河之下找塔河”的油气勘探目标。为了解目的层物性资料和储层发育情况，该井设计了4段目的层取心。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
除井超深，钻具柔性强等超深井都将面临的难题外，取心井段在该井侧钻后斜裸眼中（井斜6°～25°），斜裸眼段长（6859～8408m），取心段岩性为粉晶和微晶白云岩，裂缝发育，岩性破碎（图1.1）。因此，该井取心技术难点一是破碎岩心造成堵（卡）心，二是钻具在超深、井斜井眼内失稳。在井斜14°～25°，侧钻后裸眼长600～1550m井段，取心钻具稳定性非常差，失稳状态下将造成钻头一侧承受过大钻压，其受过压部分的切削齿就会因超载和冷却不良，过早磨损，甚至过烧，同时也造成钻头的旋转中心偏离几何中心的情况间歇发生，取心钻头未达到良好的工作状态导致采取率降低，第3、4、5回次岩心采取率仅40.7%～71.6%。

图1.1 高角度裂隙发育的岩心

1.1.3.2 取心钻进方案措施
采用了川5-5型取心钻具，取心钻头直径Φ149mm。研究采用了精确的双流道设计和低侵蚀聚晶金刚石钻头，有效地降低钻头底部冲刷岩心的流速，减小了钻井液对破碎岩心的冲蚀。驱动方式采用地表转盘单回转，因此，虽地层可钻性级别不高，机械钻速也仅在1m/h左右，且至最后一回次（井深8408m）时，钻速降至0.74m/h。
1.1.4 其他科学钻探工程
1.1.4.1 德国KTB计划主孔
KTB计划主孔于1990年10月6日至1994年10月12日完成（9101m）施工。钻孔剖面的主要岩石为片麻岩、角闪片麻岩、角闪岩、变质的辉长岩和大理岩等。主孔在4000m以浅不取心，但连续采取了岩屑样品。4000m以深使用牙轮钻头和金刚石钻头仅累计取心83.34m，且8085.1m以深后期因技术问题未取心。深部、超深部取心比例小成为KTB计划的一大遗憾。
1.1.4.2 松科一井（主井）
位于大庆油田的SK-1井，是国家“973”计划项目“白垩系地球表层系统重大地质事件与温室气候变化”的所属工程，是国际大陆科学钻探计划框架下的全球首例陆相白垩系科学钻探工程。其科学目标之一，是通过厘米级样品的取样与分析，建立全球范围内可对比的陆相白垩系综合剖面，将传统地质学的百万年时间分辨率提高到万年尺度，使地质学研究能够为预测未来全球环境变化提供更多的科学依据，因此，高质量地采取需研究地层的岩心实物，对该项目极为重要。
SK-1井（主井）完钻井深1810m，164.77～1729m连续取心，钻遇了松散砂岩、水敏泥岩、疏松砂岩、弱胶结砾岩、致密泥页岩等沉积岩地层。沿用的是CCSD-1井研制的KT140取心钻具。为克服松散地层采取率低，软泥岩地层泥包、抽吸作用，地层频繁穿插变化，致密地层机械钻速低等困难，研发与选用硬质合金、PDC钻头、孕镶金刚石3类多种结构形式的钻头和2种隔液保形单动双管取心钻具，采用转盘单回转与螺杆马达+转盘复合回转钻进工艺，取得了一系列沉积岩地层取心钻进的成果。
1.1.4.3 WFSD工程
汶川地震断裂带科学钻探工程（WFSD）的主要实施目的之一是连续获取岩心，供地学研究地震断裂发震机理。龙门山断裂带历史上经历了多次地震，地层主要是极其破碎，并含有部分极松散无胶结地层、强水敏性断层泥岩地层。因此，如何在极破碎、松散地层中高效、优质地取心钻进是WFSD钻探施工的关键技术。针对WFSD工程复杂地层条件，采用了隔液、半隔液取心钻进结构、半合管无损出心、转盘+螺杆钻复合回转钻进、转盘+螺杆钻+液动锤复合回转冲击钻进等有效的技术手段。
WFSD工程取心钻进所遇的最大难题是，几个子工程均全孔破碎，堵（卡）心严重，这导致工程平均回次进尺短，虽采用了隔液、半隔液的钻进结构，孔底动力驱动稳定取心钻具等措施，平均回次仍难达到3m。岩心的原状性对地震科学钻探和环境科学钻探都极其重要，SK-1井研发了水力出心装置，WFSD工程采用了半合管技术，很好的确保的岩心的原状出管。项目组在半合管加工工艺上不断地突破，将半合管长度从最初的1.5～2m加长至6m。
1.1.5 超深井取心技术难点分析
分析以上国、内外已实施的科学钻探井和石油天然气钻井的超深井取心，实施13000m科学超深井，取心钻进所面临的主要难点是：高强度、刚度、稳定性和单动可靠性高的取心钻具及配套的取心钻头、扩孔器的设计；6000m以浅沉积岩地层的多变性，即存在难取心地层、又存在难钻进地层；6000m以深结晶岩地层主要是如何实现快速、长回次的取心钻进，解决超深部因应力释放导致的破碎、片化地层堵（卡）心。
1.1.5.1 取心钻具设计
超深部取心钻进是在高温、高围压、地应力释放强烈的条件下进行，拟由地表与加冲击器的孔底动力机联合驱动。强度高、刚度、稳定性和单动可靠性好的取心钻具及配套的钻头、扩孔器的结构设计，是安全、高效地满足地学研究要求的岩心采取率与岩心质量的前提。在超深部取心，我国即没有成熟的经验，也无法模拟其恶劣的工况，各种形式的钻具失效均有发生的可能。
高温、高压不仅是钻井液、孔底动力钻具使用的不利因素，也制约着取心钻具单动结构的设计。单动双管（或三管保形）取心钻具是满足科学钻探岩心采取率及原状性高要求的最佳选择，而现有的单动结构多采用了密封轴承结构，在深孔高温、高压的恶劣工况下极易失效。
取心钻具管材的选型决定钻头的环状碎岩面积，这将直接影响取心钻进效率。大壁厚的管材固然能增强钻具的强度、刚度及稳定性，但也牺牲了机械钻速，反之，薄壁钻头取心则安全度降低。石油天然气钻井因取心少，较少考虑提高取心钻进机械钻速；地质岩心钻探以取心钻进为主，多使用薄壁金刚石钻进技术，以尽可能提高机械钻速以达到较好的经济效益。如何兼顾安全性和经济性，是超深井取心钻具设计的难点。
1.1.5.2 沉积岩地层取心技术
科学钻探多在构造带等地学意义重大的区域实施，地表手段难以准确预测将钻穿的地层。从国内、外来已实施的科学钻探工程来看看，都钻遇了多种复杂地层和不同类型的难钻进地层。13000m科学超深井按中、深部以浅井段（≤6000m）为沉积岩地层，超深井段（＞6000m）为结晶岩地层考虑。不同地层都须有相适应的取心钻具、配套的取心钻头及相应的技术方法。
实施科学超深井是一项长期、高耗的系统工程，沉积岩地层钻探是其第一阶段，快速、高质量地完成6000m以浅沉积岩地层钻探任务，可为超深部施工提供良好的井眼条件和自信心，也为系统工程节约大量的时间、经济成本。我国已实施的SK-1井便是在浅层沉积岩地层实施的环境科学钻探工程，石油天然气钻井也几乎都是在沉积岩中完成，从经验来看，在沉积岩地层取心钻进，其难点主要为：
1）软泥岩钻头易泥包、岩心膨胀，机械钻速低、易膨胀堵心；
2）致密泥页岩中合金、PDC切削碎岩难以实现，其极低的研磨性和一定的塑性又致使磨削方式钻头打滑，钻进效率低；
3）塑性软泥岩中卡簧易失效，加上提钻过程中强大的抽吸作用，易出心岩心整体或部分被拉出的情况。
受制于取心钻头结构和保护岩心的要求，取心钻进不能像石油天然气钻井一样采用水力碎岩方式和大钻压钻进，所以，须设计适应深孔沉积岩地层的取心钻具及配套的高效取心钻头。
1.1.5.3 结晶岩地层取心技术
结晶岩地层技术难点主要是两方面：一方面是地层可钻性级别很高；另一方面是超深部应力释放导致的岩石片化、碎化。
我国已在CCSD-1井中成功的探索出了螺杆马达+液动锤孔底动力联合驱动取心钻进系统，但在高温、高压的超深井段，尚无成功经验。在超深井段，螺杆马达和液动锤的橡胶件都易在高温、高压环境中失效，仅能使用无橡胶件的涡轮马达高速回转驱动金刚石取心钻头。所以，在超深部结晶岩地层快速、安全地取心钻进是科学超深井面对的重大挑战。
SG-3井、塔深1井经验表明，在深井的构造应力带，岩石破碎严重，尤其在超深井段，地应力释放导致岩心片化，使岩心变成薄片和碎块。即使在浅层破碎地层取心，堵心仍是目前难以解决的取心技术难题。由此可见，超深部井段结晶岩破碎地层取心是最大的技术难题之一。
1）取心钻头和钻具的旋转和振动，对本就破碎岩心有破坏作用，使其难以成柱状顺利进入钻具内腔；
2）钻进液对破碎岩心的冲蚀，会造成小颗粒的损失、破坏岩心的原状性、降低采取率；
3）破碎岩心承载能力小，随着进入内管岩心长度的增加，入管阻力在内管壁摩擦力和岩心自重的双重阻力下逐渐增大，最终阻止岩心入管，造成采取率下降和回次进尺减少；
4）出心时，岩心受力状态变化，强烈释放的地应力使岩心进一步碎裂，阻碍岩心顺利出管，原状性易被破坏。
以上因素都会降低超深部地层岩心采取率、破坏岩心原状性、降低取心钻进效率。实施13000m超深井取心钻进，回次进尺之于取心钻进效率尤为重要，而深部地层堵心制约着回次进尺，这将随着取心钻进比率的增加，成为影响钻井周期的关键因素。

从“深海钻探计划”到“大洋钻探计划”意义是什么?
答：1966年，美国的斯普里克斯海洋研究所、伍兹霍尔海洋研究所、拉蒙特—多尔蒂地质研究所制订了一个“深海钻探计划”，并凑集款项，建造一艘新的钻探船。通过公开招标，洛杉矶的环球海洋勘探公司承接了任务，仅用280天时间，便建造出一艘性能特别的船。为了纪念首次进行环球科学探险的“挑战者”号船，科学家们把...

中国科学家“入地”多少米获历史性突破?
答：“向地球深部进军”7018米深的松科二井，属于我国实施的松辽盆地白垩系国际大陆科学钻探工程，是国际大陆科学钻探计划（ICDP）实施22年以来最深钻井，也是全球首个钻穿白垩纪陆相地层的科学钻探井。这是中国入地工程的一项标志性成就，将为我国地球深部探测提供关键技术和装备，拓展松辽盆地深部页岩气、...

深海钻探计划的成就
答：深海钻探的原始资料与成果按每个航次一卷汇编成《深海钻探计划初步报告》(Initial Reportsof the Deep Sea Drilling Project),至1985年已出版80余卷。深海钻探取得的大批资料弥补了近代地质学在深海地质方面的空白,验证了海底扩张说和板块构造说的基本论点,提供了中生代(2亿年)以来古海洋学的第一手资料,极大地推动了...

大陆科学钻探
答：1.3.1 国外大陆科学钻探概况 大陆地壳远比洋壳古老，隐藏有更多的地球奥秘，大陆还是人类直接居住、获取主要矿产与其他资源以及遭受地质灾害威胁最大的地方，因此人们迫切希望通过大陆科学钻探来更多和更深入地了解大陆。大陆科学钻探始于20世纪70年代，在1996年2月国际大陆科学钻探计划正式成立之前，许多国家就...

国内外科学钻探及超深井取心现状
答：前苏联在深部地质研究中十分重视科学深钻的作用,执行了世界上最庞大的科学钻探计划,开钻的6000m以上超深井就有10口左右,其中位于科拉半岛的SG-3井以12262m的深度雄居世界深井之冠。因此,SG-3井是我国实施13000m科学超深井最具参考价值的科学钻探井,其所获得的地层信息和取心方法均值得我们借鉴。 1.1.1.1 钻进碎...

为期20年的全球大洋钻探计划(ODP-Ocean Deep-Sea Project)于___年...
答：1985年1月美、英、法等国的“大洋探测计划”（1985年~2003年）。通过该计划，科学家揭示了海洋地壳结构和海底高原的形成，证实了气候演变的周期和地球环境的突变事件，分析了汇聚大陆边缘深部流体的作用，发现了海底深部生物圈和天然气水合物，导致地球科学的一次又一次重大突破。C ...

人类能在地球上钻入多深的地下
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苏联花24年钻12公里,美国曾想钻到地幔,他们发现了什么?
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科学钻探中的元素测井
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