德国钻井怎么做

㈠ 海上石油钻井工具体是做什么的

主要工作

（1）操作钻进设备、仪器、仪表等进行起钻、下钻、钻进、取心、下套管等作业；

（2）操作、维修钻井用柴油机；

（3）采集钻遇地层岩样并进行描述、分类、填写岩样标签；

（4）配制、使用、维护钻井液,观察记录泥浆性能变化及油气显示状况；

（5）操作钻机及防喷设施进行防喷抢险；

（5）记录钻压、钻速、转速、进尺、井深、钻进效率、泵压、泥浆消耗量等参数,填写钻井生产报表等。

(1)德国钻井怎么做扩展阅读

钻井是一项系统工程，是多专业、多工种利用多种设备、工具、材料进行的联合作业。同时它又是多程序紧密衔接，多环节环环相扣的连续作业。施工的全过程都具有相当的复杂性。

每一口井的完成包括钻前工程、钻进工程和完井作业三个阶段。每一项工程阶段又有一系列的施工工序。

其主要工序一般包括：定井位、道路勘测、基础施工、安装井架、搬家、安装设备、一次开钻、二次开钻、钻进、起钻、换钻头、下钻、完井、电测、下套管、固井作业等。

近年来随着勘探开发工作量的持续增加，钻井工作量呈现大幅度上升趋势。仅中石油年钻井数就己突破20000口，进尺突破4000×10000m。工作量的增加确保了中国油气探明储量和产量的持续提高。

㈡ 钻进（全面钻进、取心钻进和扩孔钻进）技术方案

13000m科学超深井的钻进包括全面钻进、取心钻进和扩孔钻进。每一种钻进的技术方案涉及钻进方法、取心钻具（仅对取心钻进）和井底动力钻具。

3.3.1 钻进方法

（1）取心钻进的钻进方法

取心钻进方法的选用，与钻井直径密切相关。在大直径井眼中取心钻进，一般选用牙轮取心钻进方法。在这种条件下，如果采用金刚石取心钻头，机械钻速、回次长度和钻头寿命都很低，钻进成本会相当高。牙轮取心钻头在机械钻速和钻头使用成本方面都要明显优于金刚石取心钻头。因此，前苏联和德国实施科学深钻项目时大井眼取心钻进都采用牙轮钻头。

德国在施工KTB主孔时，也试验过大直径薄壁金刚石取心钻头。尽管钻头设计得很薄，并且采用螺杆马达井底驱动，但钻头的使用效果还是明显不如牙轮取心钻头，其机械钻速、回次长度和钻头寿命都低于取心牙轮钻头。

牙轮取心钻进的缺点是取心效果不好，表现在岩心采取率低和取心品质差。科拉超深钻上万米取心钻进进尺主要采用牙轮钻头，平均岩心采取率为40%。在KTB主孔中，牙轮钻头的平均岩心采取率为40.8%。

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，钻进到下部小直径井段时岩层必定是硬岩，因此13000m钻井的下部井段取心钻进主要考虑采用孕镶金刚石取心钻头。

我国在实施“中国大陆科学钻探工程”项目时，对硬岩取心钻进方法进行了系统的试验和研究。总共试验了6种取心钻进方法，基本包括了目前世界上主要的硬岩取心钻进方法。试验结果表明，螺杆马达-液动锤-金刚石取心钻进方法（图3.3）是最佳的硬岩取心钻进方法。

与其他硬岩取心钻进方法相比，该方法有以下优点：

——螺杆马达驱动，钻杆柱不回转，可减轻功耗和钻具磨损，有利于改善钻杆柱工作状态和保护井壁，减少事故；

——液动锤冲击载荷碎岩，可提高钻速50%～100%，提高回次进尺长度1～2倍；

——高转速（200r/min左右），有利于硬岩高效钻进；

——低钻压，有利于防斜和降斜。

这种取心钻进方法应用的井深，主要取决于井底工具的耐温能力。据估计，可用到6000～7000m的深度。因此，可考虑将该方法作为13000m科学超深井上部大直径井段施工钻小直径超前孔时的主要取心钻进方法。

对于13000m科学超深井下部小直径井段的取心钻进，将主要考虑采用涡轮马达驱动的孕镶金刚石取心钻进系统。

总结以上的分析结果，可根据表3.5选择科学超深井的取心钻进方法。

表3.5 取心钻进方法的选择

图3.3 CCSD科钻一井取心钻进钻具组合

（2）全面钻进的钻进方法

根据地层条件来确定使用钻头的种类。软岩钻进采用螺杆马达驱动的金刚石聚晶复合片钻头，硬岩采用高速涡轮钻具配合孕镶金刚石钻头。研究与试验结果表明，涡轮钻具的转速可达每分钟几百至上千转，与孕镶金刚石钻头配合，可大大提高硬岩钻进的机械钻速，比牙轮钻进至少提高50%，高的达100%，甚至更多。

（3）扩孔钻进的钻进方法

扩孔钻进分两种情况，一种是领眼式扩孔，另一种是套管下扩孔。

领眼式扩孔是在小直径超前孔施工后进行，采用领眼式扩孔钻头（图3.4）。这种钻头的领眼部分插入已钻成的小井眼中，起导向作用，靠后部的切削具扩大井眼。根据地层条件，可采用复合片或者牙轮作切削具。

图3.4 领眼式扩孔牙轮钻头

图3.5 套管下扩孔钻进

套管下扩孔是在套管内下入采用双心扩孔钻具（图3.5），在套管的下方扩出比套管直径还大的孔眼。

3.3.2 取心钻具

科学超深井取心钻具应用在高温、高压及地应力强烈释放的地层条件下，由井底动力冲击回转驱动，应具备以下条件：

1）有足够的强度、刚度、稳定性，以确保恶劣工况下的安全性；

2）可靠的单动性能在超深井高温、高压、高密度钻井液环境中不失效，保障岩心采取率和原状性；

3）合理的钻头内、外径与内、外管间隙配合，以实现同等钻孔直径下，钻头切削面积最小化。

选用图3.6所示KT型单动双管钻具结构为13000m科学超深井提钻取心的基本型式钻具。

图3.6 KT型单动双管钻具结构

钻具的内管考虑采用耐温、耐腐蚀、强度高、内壁光洁等优点的不锈钢、铝合金、喷瓷、玻璃钢等材料，以使岩心进入内管的摩擦阻力减小，有利于提高回次进尺和岩心采取率。

对于地层破碎程度较强的地层，将采取一些特殊的取心工具，如半合管取心钻具、三层管钻具、叠式组合内管钻具等一些特殊钻具，以提高破碎地层的岩心采取率。

为了改善破碎地层的取心效果，还应在取心钻头上采取一定的技术措施。半隔液式电镀孕镶金刚石取心钻头就是一种适合于破碎地层的钻头，该钻头的特点是：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。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。钻头隔水环与卡簧座隔水环的配合，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。

3.3.3 侧壁取样技术

在超深井取心钻探中往往发生岩心失落甚至取不到岩心的情况，这时就要借助侧壁取样技术进行补取岩心。

现有多种侧壁取样方法，包括压入式侧壁取样方法、射孔式侧壁取样方法、造斜钻进式侧壁取样方法、连续切割式侧壁取样方法、旋转式侧壁取样方法等。其中的造斜钻进式侧壁取样方法、连续切割式侧壁取样方法和旋转式侧壁取样方法相对较适合应用于科学超深井钻探的补取岩心。对于深度超万米的科学超深井，主要要解决这些方法的高温高压耐受能力。

3.3.4 井底动力钻具

对于超万米超深井钻进，采用井底动力驱动是必然的选择，开展井下动力钻具研究对于万米超深井的施工具有十分重要的意义。

当前采用的井下动力钻具主要有螺杆钻具、涡轮钻具和液动锤三种，其中螺杆钻具和涡轮钻具属于提供回转动力的钻具，液动锤是利用冲击能量进行破岩钻进的钻具。根据目前的技术水准，螺杆钻具和液动锤的耐温能力约为150℃；涡轮钻具是全金属部件，是目前能适应高温井施工唯一的动力钻具，其耐温能力可达300℃。

超深井中使用井下动力钻具首先应该保证所在工况条件下的适应性和安全性，应该考虑如何保证在高温高压下密封可靠、操作简单、使用安全和较长的使用寿命等要求。深井超深井钻井工具的技术开发应从钻井工艺与钻井参数研究、工具结构设计、材料选择、钻具的匹配等方面开展工作。

三种井底动力钻具的研究和改进重点如下：

（1）螺杆钻具的改进措施

1）预轮廓定子螺杆钻具。预轮廓定子螺杆钻具的输出扭矩比常规螺杆钻具增大约1倍。同时，螺杆钻具的效率也得到了提高。预轮廓螺杆钻具有利于减少迟滞热的聚集，防止局部升温。

2）耐高温定子橡胶。将螺杆马达衬里材料换成丁基橡胶并将螺杆马达的转子制作成中空的形式，可以解决6000m左右的螺杆钻具钻井问题。采用氟橡胶可以进一步提高螺杆钻具的应用井深，但对于13000m的孔深仍有一定差距。

3）陶瓷轴承。陶瓷轴承具有耐高温、耐寒、耐磨、耐腐蚀、抗磁电绝缘、无油自润滑、高转速等特性，所以将其应用于螺杆钻具会大幅提高传动轴性能及使用寿命。

4）铝合金转子。选择合适的铝合金材料作为马达转子（表面采用镀铬处理），可以有效减轻转子重量，减轻对定子塑料及万向轴的压力，同时提高转子的耐腐蚀性能，从而提高螺杆钻具马达及万向轴的使用寿命。

（2）液动潜孔锤钻具的改进措施

1）适用超深孔液动潜孔锤类型及钻进参数的确定；

2）提高运动密封副工作寿命的措施；

3）固定式密封耐高温的研究；

4）提高液动锤冲击能量的研究；

5）液动锤万米深孔对背压适应可行性探索；

6）与螺杆钻、涡轮钻组合后的泵量适应性。

（3）涡轮钻具的改进措施

涡轮钻具是全金属部件，是目前能适应高温井施工唯一的动力钻具，从工作特性方面考虑，螺杆钻具属于容积式钻具，比较适合于钻井作业，因此，建议涡轮钻具只是在较深的井段，或者高温井段使用，可在8000～10000m以深选用涡轮钻具。应重点注意下述各方面：

1）叶型设计与优化技术；

2）减速器设计技术；

3）长寿命高可靠轴承技术；

4）涡轮钻配套钻井工艺技术研究。

3.3.5 13000m科学超深井钻进技术方案

（1）采用“超前孔裸眼钻进方法”时的钻进技术方案

采用“超前孔裸眼钻进方法”时的钻进技术方案见表3.6，其要点如下：

1）7500m以上，采用“超前孔裸眼钻进方法”（小直径取心钻进，扩孔下套管的施工方案），超前孔直径216mm，活动套管直径245mm，活动套管下入的最大井深约为5000m。

2）超前孔取心钻进主要采用孕镶金刚石钻头。为提高机械钻速和回次长度，尽量采用液动锤。

3）超前孔钻进时，取心钻进和全面钻进间隔进行。取心钻进和全面钻进全部采用井底驱动。可能的情况下，尽量采用高转速的涡轮马达驱动，以提高机械钻速。

4）超前孔全面钻进时，采用垂孔钻进系统，一方面可将钻井的上部7000～8000m钻得铅直，为钻达最终目标打好基础；另一方面可实现高钻压钻进，有利于提高机械钻速，节省施工时间和成本。

5）7500～9000m井段，已是活动套管不可下入的深度，考虑采用一次取心钻进（或全面钻进）成井。由于直径太大，采用螺杆马达驱动金刚石钻头取心钻进效果较差。因此，该井段计划采用涡轮马达驱动孕镶金刚石钻头取心钻进。

6）无论是取心钻进，还是全面钻进，全部采用井底驱动。上部采用螺杆马达，下部采用涡轮马达。

7）7500m以上井段，采用主动防斜的井斜控制方案（自动垂孔钻进系统）；7500m以下，采用被动防斜的井斜控制方案，即采用钟摆钻具防斜，施工中测得井斜超标后，采用常规纠斜工具纠斜。

表3.6 13000m超深井钻进和井斜控制技术方案（“超前孔裸眼钻进方法”）

（2）采用“等井径钻进方法”时的钻进和井斜控制技术方案

采用“等井径钻进方法”时的钻进和井斜控制技术方案见表3.7。

表3.7 13000m超深井钻进和井斜控制技术方案（“等井径钻进方法”）

㈢ 井身结构、套管程序与钻进施工程序方案

3.2.1 制定井身结构、套管程序方案的基本原则

井身结构和套管程序，是钻探技术设计中必须首先确定的技术环节，它对钻探技术设计的其他环节，如钻探设备方案设计、取心或扩孔钻进用钻头方案设计、孔内钻具系统方案设计等，都有至关重要的影响作用。此外，对钻探施工的经济性也有重要的影响作用。

确定钻井的井身结构和套管程序，应遵循以下基本原则：

1）套管程序留有余地，以满足钻遇复杂地层时增加套管层次的需求。套管层次多对施工安全更加有利，并且钻达目标的把握性更大。但是套管层次多，将带来施工成本的上升和施工难度加大。因此，须综合考虑施工安全性、钻达目标的把握性和施工成本等因素后予以确定。参照已实施的类似钻井项目的经验，该井除导管之外，考虑7层套管，留1级储备，即最多可有8层套管。

2）套管与井壁之间有足够的间隙，以保证下套管、固井施工的顺利进行。同时，还要考虑下一级钻头能够顺利地在本级套管内通过。在同时满足这两个条件的基础上，应该将套管之间的间隔尽量设计得小一些，也即在有限的空间范围内使套管层数尽量多一些，这样可减小钻井直径，提高钻进效率和降低钻进成本。

3）采用标准尺寸套管，尽量采用普通的连接方式，但特殊条件下，考虑采用小接箍套管或无接箍套管，以减小钻井直径。

4）尽可能采用尾管固井，以节省钻井成本。

3.2.2 13000m科学超深井的套管程序和钻进施工程序

目前13000m科学超深井钻进的地点和地层情况全为未知，按钻井设计要求，不能够进行钻井的井身结构和套管程序设计。但如果不进行井身结构和套管程序设计，后续的其他设计将受此影响，对13000m科学超深井钻探施工可行性的评价便无法开展。因此，在此设计中，参考类似项目的经验，对13000m科学超深井的套管层次、套管规格和套管下入深度，提出建议方案。

本设计对13000m超深井考虑两种套管程序和钻进施工程序，即“超前孔裸眼钻进方法”和“等井径钻进方法”。

（1）采用“超前孔裸眼钻进方法”时的套管程序和钻进施工程序

上部采用“超前孔裸眼钻进方法”施工。该方法是科学深钻施工中常用的方法，在前苏联科拉超深井、德国KTB先导孔、中国大陆科学钻探科钻一井、汶川地震科学钻探项目的钻井中都得到过应用。该方法的优点是，适合在地层条件未知的情况下使用，有利于解决大直径井段的取心问题、垂孔钻进问题和测井问题。该方法的基本原理如下：全井以一种较小的直径取心钻进，施工效率高、成本低，容易实现。小直径取心钻进时，上部的大环空间隙会给钻探施工带来多种不利：泥浆上返流速太低，岩粉携带和排除效果差；钻杆柱受力恶劣，容易发生断钻杆事故；孔底钻具工作不平稳，导致钻头寿命低、取心效果差。为了解决这些问题，取心钻进前，先下一层与取心钻头直径接近的可回收套管（活动套管），遇到复杂情况必须下套管护孔时，将活动套管拔出，扩孔钻进穿过不稳定层，并下套管和固井，然后继续往下钻。根据套管直径和钻孔深度情况决定，下部钻进时是否再下活动套管。采用该方法施工有以下好处：

1）解决大直径井段的取心问题。13000m科学超深井上部钻孔直径在400～800mm之间。在这么大直径的钻井中取心钻进，从理论上说是可行的，但是技术难度大、钻进成本很高，并且对于不同的口径需要不同的取心钻具，钻具研制的成本也很高。而采用该方法施工，只采用一种钻具，而且是小直径（216mm）钻具程序，施工成本低、可靠性高。

2）解决上部井段的垂孔钻进问题。为了实现钻达13000m的目标，钻井的上部7000～8000m必须保持铅直。根据德国KTB主孔的施工经验，采用自动垂直孔钻进系统可实现此目标。在本超深井的小直径的超前孔钻进阶段，可实施自动垂直孔钻进方案。其优点与取心钻进的类似，即只采用一种小直径自动垂钻系统，使用成本很低、可靠性很高。

3）采用先钻小直径超前孔、再扩孔的施工方法。有利于上部井段采用非标准的钻头尺寸，最终可在相同套管层次的条件下使井眼直径变小，钻井效率提高，钻井成本降低。

4）全部采用标准尺寸套管。上部扩孔井段采用非标准钻头尺寸，以便能在有限的空间内尽可能多下套管，可减小钻进直径和套管直径，降低钻井成本。

5）从245mm套管开始，套管柱设计成尾管，以节省钻井成本。尾管固井工艺使用的限制是，要保证足够的环空上返泥浆流速，以保证好的携带岩屑效果和钻进施工正常进行。

为此，13000m超深井“超前孔裸眼钻进方法”井身结构和套管程序设计方案见表3.1、表3.2、图3.1。

表3.1 13000m超深井井身结构和套管程序-1（“超前孔裸眼钻进方法”）

表3.2 13000m超深井井身结构和套管程序-2（“超前孔裸眼钻进方法”）

图3.1 13000m超深井套管程序图（“超前孔裸眼钻进方法”）

（2）采用“等井径钻进方法”时的套管程序和钻进施工程序

等井径钻井技术是石油天然气领域的一个重大突破。该技术利用可膨胀管的技术特性，用可膨胀管代替套管，在井眼内下入多级同一尺寸的膨胀管并固井。采用该技术形成的井身结构与传统井身结构相比，具有如下显着的优点：

1）有助于地面设备的标准化。在深井钻井作业中，大量的时间花费在钻台上，如更换底部钻具组合、从钻台上甩钻杆和吊钻杆、防喷器组的尺寸受所设计的入井套管柱的限制等。采用等井径钻井技术可以将不同尺寸的地面设备标准化，可以使用一种尺寸的钻柱和钻头，缩小防喷器组的尺寸，从而大大降低一口井的钻井、完井费用。

2）有利于环保并减少总建井投资成本。因为不需要下入多层大尺寸套管，用小型钻机钻井即可，因而等井径系统能明显地降低环境影响，同时减少对材料的消耗。据报道，采用等井径钻井技术平均每口井可节省44%的钻井液用量，降低42%的套管质量，节约42%的固井水泥，节省59%的岩屑处理费用。

3）有利于钻井作业安全。常规作业中，在设备处理过程中经常会造成人身伤害，等井径钻井技术虽不能取消这些作业，但可明显减小处理设备的尺寸，获得更安全的工作环境。

为此，13000m超深井“等井径钻进方法”井身结构和套管程序设计方案见表3.3、表3.4、图3.2。

表3.3 13000m超深井井身结构和套管程序-3（“等井径钻进方法”）

表3.4 13000m超深井井身结构和套管程序-4（“等井径钻进方法”）

图3.2 13000m超深井套管程序图（“等井径钻进方法”）

㈣ 目前全世界最深的钻孔是多少是由哪个国家完成，耗时多久

全世界最深的钻井前苏联科拉超深钻井，据说转了12,000多，到了后来就不转了，当然与他们国内的政治环境变化与这个钻井到后来所发生的一些奇怪的事件都有关系总之就是到最后这个钻井停了。

这个钻井越到底下是直径越小的，从表面来看它就像是一个深盆锯口像是地球表面的一个窗孔，看下去是漆黑一片，所以在当时科技不是特别发达的情况下，用摄像机放到11,000多米的身下的时候，就觉得这底下有一些不该存在的东西，其实是受到了地磁场的影响，影响了电子设备的日常工作，所以才发出那些类似于电波鬼哭狼嚎一样的奇怪的东西。

㈤ 国际科学钻探计划

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）

㈥ 钻井队怎么打井的，怎么钻那么深，用下水泥管子到里边吗那个打井的机器要多少钱呢

打井分很多种，深机井，地热井，空调井，降水井，价格相差百倍，有的需要水泥管，有的需要PVC管，总之用处不一样，价格和构造也不一样，打井机从几万元到上E的都有，不一样，希望回答满意。

㈦ 国内外科学钻探及超深井取心现状

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。

㈧ 钻井工人主要做什么

钻井工人主要做如下工作内容：

1、井场钻具应以内螺纹端面为准排放整齐，地面和层间垫滚杠，两端悬空不得超过2m。堆放最多不超过三层，管架两端防滚落，下面不得放置其它异物。

2、下井钻具做到内、外螺纹清洁完好，水眼畅通干净，本体符合标准。

3、场地上钻具做到顺序不乱。

4、吊单根上钻台时，应先将钻杆撬到大门坡道上，上紧提升护丝，戴好外螺纹护丝，人员站到安全位置后再与钻台联系起吊。

5、钻进时清理振动筛前钻屑，观察钻井液循环情况，防止跑漏钻井液，发现井口返出钻井液异常及时汇报。

6、检查振动筛运转及各部件固定情况，不允许用铁锨在筛布上铲砂子和清水冲洗筛布。

7、在接替外钳工工作时严格按照外钳工岗位操作规程进行操作。

8、其它特殊工序按照工序操作规程执行。

㈨ 钻探方法研究

目前，国内外主要采用的先进钻探方法有金刚石绳索取心钻探、液动锤冲击回转钻探、气动锤反循环钻探和泡沫钻探等。

（一）金刚石绳索取心钻探

在世界各国地质找矿钻探施工中，应用最广泛、综合地质效果最佳的钻探技术主要 是金刚石绳索取心钻探技术。绳索取心钻探技术（Wire-line Coring Drill，简称WL）20世 纪40年代最早诞生于石油钻井业，后来经美国Longyear Co.改进和开发，被应用于固体矿 产岩心钻探施工中，此后在世界范围内大量推广应用，至今已有近70年的推广应用历史。WL钻探技术的诞生和成功应用实现了不提钻取心，大大提高了钻探效率，因而被称为地 质岩心钻探技术的一次革命^{［24，25］}。

国外一直重视和不断开发、完善金刚石WL钻探技术。主要是在钻杆选材、加工精度、热处理及几何尺寸等方面开展研究，使钻杆强度、韧性和连接螺纹的可靠性有了进一步提 高，同时对金刚石钻头进行深入研究，提高了钻头寿命和钻进效率。

我国自20世纪70年代中期开始研究并推广应用金刚石WL钻进技术，在地质找矿中发 挥了重要作用，截至1990年，完成钻探工作量达1505万m，钻进速度和台月效率大幅度提 高，取得了显着的经济与社会效益，在全国探矿领域几乎普及了该项技术，并由此获得了 国家科技进步奖一等奖^［17］。但自1992年以后的十余年间，由于矿产勘探工作量锐减及钻探 施工单位向建筑基础领域的转产，金刚石WL钻探技术的应用也明显减少，导致了该项技 术的发展非常缓慢，甚至停滞不前，与国外先进国家的差距进一步拉大，WL钻探用钻杆 的使用寿命、可靠性、钻进效率和钻进孔深等多项指标差距明显，利用WL钻探技术完成 的岩心钻探工作量仍不足全部固体矿产岩心钻探工作量的1/3^［3］。近年来，随着新一轮地质 找矿热潮的兴起，该项技术又重新得到恢复和发展，应用广度和深度进一步拓展，以山 东、河北等为代表的省地勘局将该项技术进一步普及和提高，在“攻深找盲”和提高效率 等方面发挥了突出作用，钻孔深度、钻探效率等多项指标被不断突破，技术水平有了较大 提高。

（二）液动锤冲击回转钻探

国外一直重视液动冲击回转钻进技术的发展。潜孔式液动冲击器（又称液动潜孔锤，以下简称液动锤）最早起源于欧洲。1887年在英国曾授予德国沃·布什曼以新钻井方法的 专利，技术核心就是利用泵供给的液能驱动液动冲击器对回转着的钻头进行连续冲击，从 而实现冲击回转钻进。从20世纪50年代开始，在美国、加拿大和前苏联都研制出几种具有 实用意义的液动冲击器。在地质矿产钻探方面，研究最有成效的是前苏联，1900～1905年 开展对液动冲击回转钻进技术的研究，1970年开始逐步在生产实践中得到应用。匈牙利在 20世纪60年代研制了φ48～160mm的5种双作用液动冲击器，将液动冲击钻具组装在一专 用拖车上，并配套有相应的泵、除砂器、取心工具、钻头和事故处理工具等，搬运灵活方 便，在施工矿区或工地为多台钻机服务。日本对液动冲击器的研究起步于20世纪70年代，比较成功的是利根公司研制的WH-120N型双作用式液动冲击器，其最大特点是采用气液 作为工作介质^［14］。

近年来国外在液动锤的研究领域所做的工作相对较少，主要有美国泛美石油公司开发 的双作用液动锤，澳大利亚SDS公司的FH系列液动锤，德国克劳斯塔尔大学的复合式（阀 为正作用、冲锤双作用）液动锤（准备用于德国KTB计划，但未被采用），工作流体均要 求用清水（过滤在100μm）驱动。由于冲洗液不能有效护壁，所以使用深度受到限制，最深的应用记录只有590m。

我国从1958年年底开始进行研究，到20世纪80年代末，我国的液动锤研究进入鼎盛时期，地质、冶金等部门分别研制出多种型式和规格的液动锤用于小口径取心钻探，其类 型涵盖了正作用、双作用和反作用、复合式液动锤，全部型号达到30种以上，累计钻探进 尺超过了百万米，取得了良好的技术、经济效果，粗略统计可提高钻进效率30％～50％以 上，同时还可明显提高钻孔质量和岩心采取率、延长回次进尺、降低材料消耗。这个阶段 我国的液动锤研究和应用水平已经居世界先进水平，是继前苏联以后在小口径矿产勘探领 域广泛应用液动锤钻进技术的国家^{［14，26］}。

进入20世纪90年代，由于我国的地质勘探工作量大幅下降，小口径液动锤的研究投入几乎中断，这些成果并没有得到很好的应用和提高，对该项技术的研究应用转向主要对 水文水井、油田和工程施工用大口径液动锤的研究。直到1997年，中国地质调查局勘探技 术研究所研制了一种新型的YZX系列液动锤（图1-3），其静密封的可靠性和耐高温性以 及对深孔背压适应性都有了改善和提高。特别是在中国大陆科学钻探工程中，他们研制 的YZX 127液动锤连续钻进了近500个回次，在较为复杂的泥浆环境中创造了单井总进尺 3485.71m、最大应用深度达 5118.2m的世界纪录。另外，勘探技术研究所还为大陆科学钻 探工程研制了KS-1 57绳索取心液动锤、SYZX273液动锤和螺杆马达/液动锤/WL-三合一钻 具，均取得成功，在提高钻进效率，防止岩心堵塞，延长回次进尺，减轻孔斜等方面都发 挥了重要作用^{［14，27］}。

图1-3 新型YZX系列液动锤

该技术在科钻一井的成功应用，推动了我国钻探技术水平的进步。同时大陆科学钻探 工程也为推动液动锤钻进技术的巨大发展起到了非常重要的促进作用，使我国的深孔液动 锤钻进技术达到了国际领先水平，得到众多国外同行的高度评价。德国、澳大利亚、美国 等公司先后从我国引进该技术进行试验研究。然而，到此为止，国外液动锤取心钻进最大 孔深为2000m，由前苏联创造（无细节资料报道），液动锤全面钻进最大孔深是由澳大利 亚SDS公司与PDVSA公司合作，在PIC26井的4333.03～4353.15m井段对12/4 in液动锤进行 了试验。总的来看，用于深井条件下的液动锤还处于研究试验阶段，都未能够达到大规模 应用的程度。在国内，对深孔条件下液动锤工作性能的理论分析研究也待进一步深入。特 别是在固体矿产小口径钻探普通生产条件下，由于泥浆固控系统还停留在传统的岩粉自然 沉淀的水平，钻进过程中泥浆固相含量较高，导致液动锤内部零件频繁卡死，工作寿命大 幅度降低，从而导致提钻频繁。在推广过程中，液动锤钻进的优点虽为大家所认识和接 受，但是实际应用还较少^{［14，28］}。

（三）气动锤反循环钻探

在很多国家，气动潜孔锤（以下简称气动锤）反循环（Reverse Circulation，简称RC） 钻探技术也得到较大发展。该项技术主要有两种类型，一种是由普通气动锤＋交叉通道 接头＋双臂钻杆实现，即RC或中心取样（Center Sample Recovery，简称CSR）钻探技术；另一种是由带RC取心（样）钻头的贯通式气动锤＋双臂钻杆来实现，即贯通式RC钻探技 术。由于气动锤RC钻探技术改变了传统的碎岩和取心方式，其钻探施工效率可提高3～1 0 倍、成本降低1/2～2/3，因此，气动锤RC钻探技术被钻探界称为继WL钻探技术之后的又 一次革命^{［16，29］}。早在20世纪80年代中期，美国、加拿大、澳大利亚等国家就研究发展并 在勘探阶段较广泛地推广应用该项技术。美国1989年研制的一种无阀贯通式气动锤—— SAMPLEX-500型被MAJOR钻探公司配在CSR钻机上使用^［30］。目前仅美国西部地区就有 150多台气动锤RC钻探设备用于各种地质矿产钻探，其中包括砂金和岩金矿床勘探。据报 道，澳大利亚采用气动锤RC钻探技术完成地质钻探工作量的比例已超过总工作量的80％，美国接近80％，东南亚接近60％，非洲达到30％。有些矿区几乎完全采用气动锤RC连续取 样钻探方法，或者按照采用气动锤RC连续取样钻探与采用WL钻探工作量20：1的比例布 置。澳大利亚气动锤RC钻探最大孔深已超过700m^［16］。

我国自20世纪80年代开始对该技术进行研究。勘探技术研究所等单位对普通浅孔锤 RC或CSR钻探技术进行了研究，1987年引进加拿大钻机进行CSR钻探试验，还相继开发 了专用设备、不同规格的双壁钻杆以及辅助器具等，并在个别矿区进行应用。原长春地质 学院对贯通式潜孔锤RC钻探技术进行研究，并相继研发了GQ系列贯通式潜孔锤和相应的 RC取心（样）钻头等，特别对RC取心（样）钻头的RC机理和引射器原理及内部流场等 方面做了大量研究工作，并取得了多项研究成果。但是，由于国内地质界对以岩屑代替传 统柱状岩心来评价矿产资源还不认可，目前还无相应规范可依，在地质钻探设计时还不能 采用该技术，因此，该项技术一直未得到推广应用。只有当矿区地层特别复杂无法成孔取 心时才进行试验应用，如河南栾川县三道庄钼矿、河南嵩县金矿、新疆白干湖钨锡矿等复 杂地层地质勘探中均采用了贯通式气动锤RC钻探技术。另外，由国外矿业公司出资勘探 的部分矿区，如澳大利亚瑞翔公司在黑龙江嫩江争光岩金矿勘探中，要求采用RC钻探技 术，采用后取得了较显着的技术效果和经济效益，钻探施工效率提高3～10倍，成本降低 1/2～2/3^［29］。

（四）泡沫钻探

泡沫用于钻探工程始于20世纪50年代中期。当时美国为在干旱缺水、且稳定性较差的 地层中钻井，首先在内华达州使用了泡沫钻井液。因泡沫钻进时上返速度仅为空气钻进上 返速度的1/10～1/20，有效地保证了孔壁稳定。此后美国又进一步开展了适用于盐水、油 层、永冻层钻进的泡沫流体的研究，扩大了泡沫钻进的应用范围，取得了很好的经济效 益，成为低压油田开发的一种有效手段。

前苏联在20世纪60年代初开始进行泡沫钻进的实验研究。到70年代，开始利用泡沫进 行小口径金刚石岩心钻进，并且在泡沫流变学、泡沫钻进过程中的温度、压力等方面进行 了深入的理论研究。在十多年的初步研究中，证明在8～10级岩层中，与使用常规冲洗液 相比，钻进机械钻速提高了30％，回次进尺提高了22.5％，钻进效率提高了25％，金刚石 消耗降低了28％，功率消耗降低了23％，综合经济效益提高了34％。到1984年，前苏联采 用泡沫钻进技术的钻探工作量近10×10⁴m，各种泡沫剂供应也在60～70t^{［31，32］}

在美国、加拿大、德国、英国等国家，泡沫钻进技术也得到了快速的发展，并被列为 今后新技术开发的方向。美国在20世纪80年代初期已基本完成泡沫钻进的各种研究工作。Sandia Nation公司1980年研制推出了100多种阳离子、阴离子、复合型及非离子型的泡沫 剂，以适应各种复杂地层条件下的泡沫钻进的需要；泡沫钻进设备已达到系列化；钻进工 艺水平达到了计算机控制化的水平。

我国对该项技术的研究起步较晚，20世纪80年代中期，首先在石油系统利用泡沫进行 洗井、钻井工作，研制了F873、TAS等泡沫剂。此后，地矿、煤炭系统也进行了这方面的 研究工作，先后研制出了KZF123、CD-1、CDT-812、CDT-813、DF-1、ADF-1等类型的泡 沫剂，同时还开展了泡沫钻进工艺的技术研究，经过对不同环境条件及机具的试验研究，总结了一套比较成熟的泡沫工艺和钻进规程，推动了泡沫钻进技术的发展。但由于正值地 质钻探工作量锐减，而此技术在初期投资、能耗和后期泡沫剂回收方面的费用都比普通钻 进技术高，导致其推广应用处于停滞状态。直到90年代中后期，长春科技大学又在原地质 矿产部立项，进行了水泵泡沫增压装置的研究，取得了泡沫增压泵的容积效率达到90％的 效果。2000年，为配合西部大开发，在上述研究的基础上专门研制了大型的水泵再增压泡 沫灌注系统，经在宁夏西海固地区的实际施工试验，取得了水泵的增压能力达到5MPa令 人可喜的效果^{［31，32］}。此外，还在吉林省科委立项进行专门的泡沫潜孔锤的研究，已取得了 突破性进展，但目前用于生产还需要进一步试验研究和完善。

㈩ 科学钻探中的测井应用

科学钻探的目的主要是通过钻孔获取岩心、岩屑、岩层中的流体(气体和液体)、实施地球物理测井和在钻孔中安放仪器进行长期观测，以获取地下岩层中的各种地学信息，进行地学研究。它可以分为大洋科学钻探、大陆科学钻探、极地钻探。

最早实施的深海钻探计划DSDP(1968～1983年)和大洋钻探计划ODP(1985～2003年)，30余年来在全球各大洋钻井近3000口，取心近30×10⁴m，验证了板块构造理论，创立了古海洋学揭示了洋壳结构和海底高原的形成，证实了气候演变的轨道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。当ODP计划于2003年10月结束时，规模更大的综合大洋钻探计划IODP(2003～2013年)开始实施。

大洋钻探计划的成功，使人们的眼光转向了大陆。与海洋相比，大陆地壳要复杂得多。大陆岩石圈的形成、结构与演化历史都比大洋要复杂得多。要想揭开大陆动力学过程的规律性，只有通过大陆上系统的科学钻探来取得地球深部的岩心和数据，验证现有科学假说的真伪及不足。自20世纪70年代开始，先后有苏联、美、英、法、德等14个国家开展大陆科学钻探。

欧洲10个国家(德国、比利时、丹麦、法国、意大利、挪威、荷兰、英国、瑞典和瑞士)于1991年合作开展的欧洲南极冰芯钻探项目(EPICA)，拉开了极地钻探的序幕。

1996年由德、美、中三国发起的国际大陆科学钻探组织成立，中国开始进入大陆科学钻探领域。“中国大陆科学钻探工程”项目于1997年6月获国家科技领导小组批准，1999年9月27日获国家计委批准;于2001年8月4日开钻，2005年4月18日完钻(终孔深度5158m)，并在该孔建立了科学钻探长期观测基地。目前，仍在实施的中国大陆科学钻探项目有青海湖国际环境钻探项目(ICDP项目)、汶川地震断裂带科学钻探WFSD项目、白垩纪松辽盆地大陆科学钻探项目(973项目)。

地球是一个复杂系统，地球科学的发展已经越来越要求将大气圈、岩石圈、生物圈、水圈与深部地球和空间作为一个整体研究，需要地球科学各学科的交叉渗透。过去几十年，科学技术的发展为地球科学的交叉和融合创造了条件，地球科学的各分支学科系统科学地结合起来。

在科学钻探领域也不例外，在同一地质环境下地震、测井、岩心测量等获得的不同比例尺资料是描述地下地质情况极好的相互补充。地震剖面是区域描述的基础，测井比例尺中等且能给出钻孔周围区域连续的信息，岩样测量则给出详细的物理性质和年代。岩样在取心过程中经常受到各种扰动，测井可获得更大的岩石体积的一组连续信息;岩心深度和方向需根据测井资料确定，缺失岩心的井段岩性和地质构造可通过岩心和测井剖面对比恢复。相对地震测量，测井具有高得多的垂直分辨率和很小的横向分辨率，两者结合研究地下地质构造比任一种单一方法好得多。据1997年的统计，近25年的DSDP计划中仅有14%的钻孔实施测井，而1985年开始的ODP项目中实施测井的钻孔已占56%。近十几年来在德国、日本、美国、俄罗斯和乌克兰等国的大陆科学钻探中，测井发挥了重要的作用。

10.5.1大洋科学钻探中的测井

在综合大洋钻探计划(IODP)中，深度超过400m的井都必须进行地球物理测井。如果同一区域的相同层段已经测过井，可以不再测井;否则，必须经过测井部门负责人的认可。另外，每一次航行规划都会指定一名测井科学家负责与该航次的首席科学家及测井服务部门联系。

斯仑贝谢测井公司是国际大洋钻探计划(IODP)的合作伙伴，主要采用该公司的常规测井仪器和特种测井仪器，有时也采用其他几个测井公司的仪器。航次期间，部分测井资料(成像测井数据量太大，不便传输)被传送到岸上进行处理，然后再返回到船上。航次结束后一个月，可从测井服务部门得到全部可用的测井资料。Splicer和Sagan是现用的两个岩心与测井资料对比的软件包，Splicer主要用于岩心集成，Sagan主要用于测井－岩心对比解释。

在大洋钻探计划中，测井资料主要用于以下几方面的研究:

1)经济地质学;

2)地球化学;

3)地热学;

4)水文地质学;

5)古气候学;

6)岩石学。

10.5.2大陆科学钻探中的测井

科学钻探工程的目的不仅仅是打一口钻井，而是要取得来自于地球深部的直接证据以认识地球，验证已有的理论与假说。在钻探至地球深部后，辅以地球物理测井测量地下岩层的电、声、核、力学性质，以便评价地质构造、研究地壳热结构、研究地下流体及其运动机制、阐明地壳的结构及其演化、确定地壳应力场等。将钻探与地球物理测井相结合，便构成了伸入地球内部的“望远镜”，这便是大陆科学钻探的全面含义。可以说，测井在大陆科学钻探中具有举足轻重的作用。下面介绍几个代表性的大陆科学钻探项目。

10.5.2.1德国的大陆科学钻探计划(KTB)

德国的大陆深钻井(KTB)于1987年9月开钻，于1994年10月终孔，深度为9101m。KTB通过直接探测、原位测量，研究深部岩石的地球物理异常性质，调查与评价深部大陆地壳的物理与化学条件，以了解大陆地壳的结构、成分、动力学，演化及正在进行的过程与古过程。在该项目的实施过程中，在其先导孔的钻探中共使用了65种不同类型、不同方法的测井仪器，共测井398次;在主孔的钻探中，使用了50种不同类型、不同方法的测井仪器，共测井266次。KTB的地球物理测井，采用了当时世界上最先进的测井方法和技术，获得了大量的深部现场原位数据，为地球科学研究提供了丰富的、极为可靠的资料，图10.5.1为德国大陆深钻井7800～8600m测井实例。

图10.5.1 德国大陆深钻井7800～8600m测井实例

KTB计划的成功，与测井发挥的重要作用密不可分，该计划取得了以下成果:①研究地层热事件;②地质构造识别与定向;③地应力场测量;④岩性剖面重建。

10.5.2.2 科拉半岛的SG－3号大陆科学钻探计划

地球上的最深井———苏联科拉半岛的SG－3号深钻的钻探研究中，测井也发挥了重要的作用。在钻探的第一阶段(0～7000m)，曾采用较多的测井方法研究钻孔，其目的不仅是解决地质问题，而且要对各种测井方法所获得的信息进行比较，为钻探的第二阶段(井深>7000m)测井方法的优化组合创造条件。根据有关文字资料的不完全统计，该孔的测井方法组合达25种以上，测井方法包括声波、自然伽马、中子伽马、中子－中子、井中三分量磁测，以及井径、井斜、磁定位(套管接箍)、井液采集等方法。测量深度达7000m时使用了测井24种方法，达11500m时还有15种。图10.5.2为SG－3号深钻测井实例。

该科学深钻计划取得了以下成果:①建立了该钻孔反映的地壳上部构造的地球物理与岩石物理剖面模型;②根据所揭示的岩石物理性质垂直分带，对地壳构造获得了新的认识;③确定地球内部的温度规律;④研究了该钻孔揭露地层的应力状态。另外，该超深井面向超高压、超高温的测井环境，推动了测井技术的进步与发展。

图10.5.2 SG－3号深钻测井实例

10.5.2.3 中国大陆科学钻探计划———科钻一井

在中国的第一口大陆科学钻探工程钻孔的钻探工作中，实施了8次综合测井，采集到全井段的综合测井信息;实施了73次工程测井。主要的测井方法有:双侧向、微球聚焦、自然电位、自然伽马、自然伽马能谱、岩性密度、补偿中子、多极阵列声波、超声成像和微电阻扫描成像、井径、井温、井液电阻率、井斜、分区水泥胶结、套管接箍。

科钻一井的钻探工作中取得的主要测井成果如下:①变质岩测井响应特征分析和岩性识别;②岩心定向归位;③成像测井地质应用;④测井综合剖面;⑤变质岩测井解释的频谱分析方法;⑥中国大陆科学钻探测井信息系统;⑦主孔井眼三维可视化系统;⑧测井地震联合解释;⑨井中地球物理场分析。

无论是在大洋科学钻探领域，还是在大陆科学钻探领域，测井都发挥着不可或缺的作用，而且随着测井技术与方法的完善与进步，这一作用将越来越大。