环境科学钻探工程，是通过数千米的连续取心钻进，获取多层位的连续原位岩心，通过厘米级的岩心分析反演古气候和古环境的演变过程，要求极高的岩心采取率；在地壳活动频繁的地震断裂带实施的地震科学钻探工程，所钻地层经过无数次的地壳运动后极度破碎，科学家必须通过原状岩心获取精准、可信的地质信息，寻找地震发生的机理。“深部复杂地层取心钻具研制”项目，是为解决我国无胶结、破碎、松软等复杂地层岩心采取率低的问题、提高深部取心钻进效率而设立的技术方法类科研项目，科研成果可应用于矿产资源钻探、油气勘探、科学钻探等钻探工程领域，为更准确的实施矿产、油气资源寻找与评价及，开展基础地学研究提供高新技术支撑。项目由中国地质调查局立项，隶属 国土资源“地质矿产调查评价”专项，主要完成人为中国地质科学院勘探技术研究所朱永宜、王稳石、张恒春、张志明。
项目组经过长期大量的技术调研、室内研究和野外工程实践，积累了丰富的取心钻探技术经验，为项目取得丰硕成果打下了坚实的基础。针对不同类型的复杂地层，通过理论分析计算、计算机辅助设计、室内台架模拟测试及野外试验，设计研制了多种取心钻具及配套器具，如KT型系列取心钻具、钳块式锥形防泥包取心钻头、迷宫式取心钻进结构、隔液取心钻进结构、普适性卡簧结构、水压无损出心方法、超长半合管钻具等，成果在国家973计划项目下属的白垩纪科学钻探工程松科1井（SK-1井）主井工程、国家科技支撑专项“汶川地震断裂带科学钻探”（WFSD）等科学钻探井中实验并推广应用，为确保国家重大科学钻探工程岩心采取质量和加快工程实施进度作出了积极有效的贡献。成果已起动的“松辽盆地资源与环境深部钻探”松科2井（SK-2）工程中将继续创新性地推广应用，为这项完井深度达6400m的大陆科学钻探工程获取高质量的岩心资料提供技术支持。
一、研究内容
1．迷宫式隔液钻具研制
毫无胶结的松散地层取心一直是世界性的难题。项目组通过精确的计算设计和台架实验，研制出了可以完全避免钻井液冲蚀岩心的迷宫式隔液取心钻进结构。成果在松科1井取得了极佳的效果，无胶结砂岩层获得了82%以上的岩心采取率。项目评价时，专家组一致认为该成果已达世界先进水平。图 1所示岩心为井身进入粘软泥岩，泥、沙界面被原样取出，透明PC管内界面清晰可见。
2．钳块式锥形防泥包钻头研制
环境科学钻探工程多在沉积岩地层实施，常钻遇酥软泥岩、泥页岩。该类地层遇水快速水化成粘性很高的软泥，常规取心钻头切削刃在钻进很短的时间后就会被水化的软泥糊住（钻探工程通常称为泥包），钻进效率和回次进尺长度均成倍下降。项目组运用水力学原理、计算机辅助设计和反复的实验，研制出了高效的钳块式防泥包钻头，一举解决了酥软地层钻头泥包的难题。
3．多变地层普适型卡簧研究
应用传统的卡簧设计理念，在软硬不均、破碎程度不同、胶结性差异多变的地层中钻进，需根据地层的变化更换合适的卡簧，否则岩心质量和岩心采取率均会受到很大影响。但在工程实施中，技术人员只能根据上回次的岩性来选择卡簧，因此在多变地层中丢心的情况频繁发生，造成无法弥补的地层信息缺失。项目组研发的“大公差、大壁厚、大缺口、大行程”多变地层普适型卡簧极好地解决了这一难题，在SK-1井和WFSD工程的复杂地层取心中都发挥了极大的作用，岩心采取率达90%以上。
4．矩形槽底排式隔液钻头研制
酥松、破碎地层是地震科学钻探和地质岩心钻探最为常见的复杂地层，目前常用的双层管取心钻具和钻头结构，钻井液通过内、外管环隙达到钻头底部内台阶与卡簧座结合部时，对刚进入钻头内腔的酥松破碎岩心产生较强的径向冲蚀，使不同岩性的岩心产生不同程度的损耗，情况严重时岩心全部被冲蚀。项目所研发的矩形槽底排式隔液钻头彻底扭转了这种局面，该成果在WFSD工程罕见的极破碎地层中，获得了整体90%以上的岩心采取率。图3为常规钻头钻进4个回次连续丢心后，矩形槽底排式隔液钻头开始入井采取的岩心。
5．超长半合管钻具及其钻进工艺研究
半合管钻具是避免破碎岩心在出心时被人为损坏的有效手段。常规半合管钻具一般为1.5m，钻进时因回次进尺短而综合钻探效率较低，深孔钻进时尤为突出。项目组通过数月的努力，改进加工工艺，分步提高半合管长度，最终研制出9m超长半合管。在配套的钻探工艺上，实验不同的配套取心钻进工艺方法，最终采用螺杆钻＋液动锤井底动力冲击回转的驱动方式取得成功，摸索出了一整套超长半合管钻具取心钻探的工艺方法。图 4所示为成果在WFSD-4孔实验时单回次进尺9m的钻具及岩心照片。
6．水压出心技术研究
传统的出心方法是将钻具吊起人工敲击内管或外管，岩心在震击力作用下自由落出管外，不仅破坏了岩心的原位特征，在大口径钻具出心时还存在较大的安全隐患。破碎地层中使用半合管钻具得以解决，针对沉积岩地层，项目组则研制了水压出心装置，利用水推力即可将岩心整柱原状取出。
7．配套钻进工艺研究
新型的器具需匹配先进的钻探工艺，传统的取心钻进工艺也已难满足更深、更大口径复杂地层钻孔的需求。项目组全体成员在项目的实施过程中长期驻守工地，结合以上基础器具的成果，以提高岩心采取率、保持岩心原状性、提高钻探效率为目标，优化钻头切削结构，实验了螺杆钻、液动锤等井底动力组合驱动长取心钻具的新型工艺，掌握在深孔复杂条件下的钻进参数控制方法，进行不同地层条件下与钻探工艺相适应的泥浆体系的研究，最终形成了一整套深孔复杂地层取心钻进技术体系，大幅度提高了我国复杂地层取心技术水平。
二、成果应用
项目的应用研究依托我国两大高难度的科学钻探项目——松科一井和汶川地震科学钻探工程，两大工程不仅深度大、取心口径大，所钻遇的地层复杂程度在国内亦属罕见。
松科1井主井取心井段164～1792m，依次钻遇了毫无胶结砂岩层、强水敏性酥软泥岩层、软泥岩与硬质砂岩频繁穿插的多变地层、致密泥页岩层，总岩心采取率达到94.5%，其中无胶结砂层采取率达82%。全工程在项目组的主持下，运用项目的研究成果创造了采用水源钻井设备结合地质岩心钻探复杂地层取心技术完成1800m深度、156mm大口径科学钻探工程记录，创造了沉积岩地层长达7个月裸眼钻探记录，不仅高质量地完成了环境科学钻探队岩心采取近乎苛刻的指标要求，且以仅常规钻进方法1/3的成本完成了该工程。
2008年5.12汶川大地震后，为查明地震发震机理、开展地震监测和预报研究，同年，我国政府将“汶川地震科学钻探“（WFSD工程）列入国家科技发展支撑专项并迅速起动。龙门山断裂带在历史上无数次的地壳运动后地层破碎程度超乎预料，其取心难度在我国钻探史上绝无仅有，为此，项目组受邀参与工程管理及取心钻探技术服务。WFSD工程运用项目的研究成果，不仅岩心采取率超过科学研究的要求指标，且在项目的实施过程中，通过半合管钻具的不断突破及钻头、钻具结构的优化一步步提高钻进效率，为科钻工程的质量、成本控制作出了巨大的贡献。最终，汶川地震科学钻探项目WFSD-2、WFSD-3、WFSD-4三个大口径钻孔共计取心进尺3100多米，岩心采取率达90%以上。
三、社会效应及应用前景
随着国民经济的持续高速发展，对矿产、能源的依赖程度达到空前的高度，今后的勘探开发将朝着尚少涉及的难度更大的大深度、复杂地层进行。目前，通过大深度的科学钻探工程获取深部各类岩心，是了解地球内部信息可靠、直观的技术手段。
项目多种复杂地层取心器具及工艺研究成果在国家重大科研工程项目中发挥了重要的作用，整套研究成果将持续为我国基础地质研究、矿产资源勘探、油气勘探等提供技术支撑。
