國內外科學鉆探及超深井取心現狀
1.1.1 科拉3井取心技術
前蘇聯在深部地質研究中十分重視科學深鉆的作用，執行了世界上最龐大的科學鉆探計劃，開鉆的6000m以上超深井就有10口左右，其中位於科拉半島的SG-3井以12262m的深度雄居世界深井之冠。因此，SG-3井是我國實施13000m科學超深井最具參考價值的科學鉆探井，其所獲得的地層信息和取心方法均值得我們借鑒。
1.1.1.1 鉆進碎巖方法
前蘇聯4000m以上科學鉆井的終孔直徑壹般設計為216mm。該直徑進行取心鉆進屬於大直徑取心鉆進，采用的主要鉆進工具是牙輪鉆頭。在科拉、烏拉爾和薩阿特累超深井鉆進中，都進行過各種金剛石鉆頭與牙輪鉆頭使用的對比試驗，因為當時金剛石鉆頭技術水平尚差，結果證明後者為佳。如在烏拉爾超深井中，斯拉烏季契（壹種金剛石燒結體）鉆頭的鉆進效率為0.2～0.3m/h、壽命30m；表鑲金剛石鉆頭效果更差；牙輪取心鉆頭的鉆進效率為1～1.5m/h、壽命為7～10m，已滿足壹般回次長度的要求（8m左右）。
在SG-3井的片麻巖、角閃巖和花崗巖混合巖層中，采用216×60mm牙輪取心鉆頭的使用效果如下：1217個取心回次的平均鉆速為1.8m/h、平均回次進尺為7.6m，但用牙輪鉆頭取心對巖心采取率有非常不利的影響，雖采用“水力輸送巖心取樣器”大大減輕了此種影響，全孔巖心采取率也僅為40%。
1.1.1.2 回收巖心方式和取心工具
SG-3井施工盡管幾乎是全井取心，也還是通過提鉆回收巖心，沒有采用繩索取心，原因如下：①牙輪鉆頭的壽命只有10m左右，采用“水力輸送巖心取樣器”回次進尺可達8m左右，故采用繩索取心已無意義和必要；②采用繩索取心鉆進，巖心易堵塞，回次進尺長度僅能達到3～5m；③“水力輸送巖心取樣器”的巖心采取率要優於繩索取心。
1.1.1.3 水力輸送巖心取樣器
在結晶巖的構造應力帶，巖石破碎嚴重。尤其在超深井段，地應力釋放導致巖心片化，使巖心變成薄片和碎塊，因此，結晶巖超深井的取心是壹大技術難題。加上牙輪鉆頭的取心效果本來就差，故壹般的取心鉆具用於此種場合時巖心采取率非常低。通過逐步摸索和反復實踐，前蘇聯研制了壹種“水力輸送巖心取樣器”，它可使鉆井液在井底實現局部反循環，促進巖心上行，將巖心輸送到壹個下端封閉的巖心容納室中，進入此室中的巖心在提鉆過程中肯定不會脫落。該取心系統型號為MAT，已成系列，經改進、完善後效果很好，已在其他超深井施工中推廣使用。
1.1.2 中國大陸科學鉆探工程科鉆壹井
CCSD-1井是我國實施最深的科學鉆探井，也是近期國際大陸科學鉆探實施的最深井，是在超高壓變質帶結晶巖地層中實施的全孔取心鉆探井。運用了螺桿馬達+液動錘驅動金剛石鉆頭回轉沖擊鉆進技術，該技術在堅硬結晶巖地層中取得了巨大成功，是我國現代取心鉆進技術水平的體現，這為實施13000m科學超深井奠定了技術基礎。
1.1.2.1 取心鉆頭的選擇
在硬巖中進行取心鉆進，可以選擇牙輪取心鉆頭或金剛石取心鉆頭。由於牙輪鉆頭與金剛石鉆頭在井底的運動特性各異，金剛石鉆頭鉆取的巖心質量較牙輪鉆頭好很多。
中空牙輪取心鉆頭在井底回轉破碎巖石時，其牙輪既繞鉆頭軸線公轉，又繞牙輪軸線自轉。由於鉆頭中心必須留有空間讓巖心通過，其牙輪的錐頂不可能布置在其公轉中心，因此，牙輪齒在井底巖石表面產生滾動的同時，還產生滑動。牙輪沿井底旋轉滾動時，當牙輪雙排齒接觸井底巖石時，牙輪的軸心位置最低；而當滾動到單排齒接觸井底時，牙輪的軸心便升到最高位置。牙輪在滾動過程中，軸心從最低位置到最高位置，又從最高位置到最低位置，如此反復交替，從而產生縱向振動。因此牙輪在自轉、公轉、滑動、軸向振動的復合作用下，產生滾動、滑動和沖擊振動，沖擊、壓碎、剪切、切削巖石。由於牙輪在孔底的滑動與振動，使得鉆取的巖心表面粗糙，即使在完整的巖層，巖心也很破碎，取心質量較差、采取率低。
金剛石鉆頭，特別是孕鑲金剛石鉆頭，由於其切削刃粒度小，切入巖石的深度有限，當其在孔底回轉時，不會像牙輪鉆頭那樣因切削工具本身的運動而產生振動。而且，鉆頭在高速旋轉時，會產生陀螺效應。因此金剛石鉆頭在井底轉動時，比牙輪鉆頭要穩定得多，因而所鉆取的巖心表面光滑、連續，巖心完整，取心質量好。
綜上所述，從巖心采取率和巖心質量考慮，為更好地滿足科學鉆探井的地學研究，CCSD-1井選擇了金剛石鉆頭取心鉆進。
1.1.2.2 巖心打撈方式的選擇
巖心打撈方式主要從繩索取心和提鉆取心中選擇。經過技術經濟的理論分析，如鉆頭壽命能遠大於提鉆取心回次進尺長度，則繩索取心當屬首選。但是，由於德國進口的繩索取心鉆桿存在嚴重質量問題，不得不采用了金剛石鉆頭提鉆取心鉆進方式。
1.1.2.3 取心鉆進方法的選擇
金剛石鉆頭線速度要求達到2m/s，故Φ157mm鉆頭的轉速需達243r/min。顯然，石油鉆機的轉盤轉速不能滿足金剛石鉆頭提鉆取心鉆進對轉速的要求。要提高轉速，解決的辦法有兩種：壹是加裝高速頂部驅動系統，二是配備高速井底馬達。
井底馬達驅動方式具有能耗低，對井壁的擾動小的優點，因此，CCSD-1井采取了井底螺桿馬達驅動方式。但是，Φ157mm鉆孔直徑限制了螺桿馬達的直徑不能太大，因而其輸出功率受到限制。加之金剛石鉆進要求鉆頭轉速高，要滿足轉速的要求，螺桿馬達的輸出扭矩必然受到限制。要確保鉆井施工的正常進行，首先必須保證鉆頭能夠正常地回轉，這就意味著要犧牲壹定的鉆壓。鉆壓的減少，必然導致鉆速的降低。為此，CCSD-1井在取心鉆具組合中加入了壹套液動錘，在鉆頭上施加沖擊，使得鉆進時所需的鉆壓大大減少，施加的鉆壓只要能足以克服井底鉆具的反彈即可，破碎巖石主要依靠液動錘產生的沖擊力。
CCSD-1井取心鉆進總進尺5004.95m，其中使用螺桿馬達驅動的沖擊回轉金剛石鉆頭取心鉆進4042.73m，占取心鉆進總進尺的80.770%，平均機械鉆速為1.134m/h，平均回次長度6.34m，平均巖心采取率達85.45%。結果表明，螺桿馬達+液動錘驅動的沖擊回轉取心鉆進方法，不僅能大大節省能源、減少鉆桿磨損，而且鉆進效率高，回次進尺長。
1.1.3 塔深1井超深井取心技術
塔深1井完井井深8408m，是中石化重點超深井，目的是為加快塔河油田油氣勘探步伐，探索下古生界寒武系大型建隆圈閉的含油氣性，實現新領域的導向性突破，從而完成“塔河之下找塔河”的油氣勘探目標。為了解目的層物性資料和儲層發育情況，該井設計了4段目的層取心。由於該井超深，且取心井段在該井側鉆後長斜裸眼中，巖性以白雲巖為主，裂縫發育、地層極破碎，取心施工難度非常大，雖取心段短，也遇到壹些在超深井取心中的工藝技術難點。該井在超深井段取心總進尺18.70m，平均取心收獲率78.8%，取心深度達到8408m，為我國實施科學超深井提供了寶貴的經驗。
1.1.3.1 取心技術難點
除井超深，鉆具柔性強等超深井都將面臨的難題外，取心井段在該井側鉆後斜裸眼中（井斜6°～25°），斜裸眼段長（6859～8408m），取心段巖性為粉晶和微晶白雲巖，裂縫發育，巖性破碎（圖1.1）。因此，該井取心技術難點壹是破碎巖心造成堵（卡）心，二是鉆具在超深、井斜井眼內失穩。在井斜14°～25°，側鉆後裸眼長600～1550m井段，取心鉆具穩定性非常差，失穩狀態下將造成鉆頭壹側承受過大鉆壓，其受過壓部分的切削齒就會因超載和冷卻不良，過早磨損，甚至過燒，同時也造成鉆頭的旋轉中心偏離幾何中心的情況間歇發生，取心鉆頭未達到良好的工作狀態導致采取率降低，第3、4、5回次巖心采取率僅40.7%～71.6%。
圖1.1 高角度裂隙發育的巖心
1.1.3.2 取心鉆進方案措施
采用了川5-5型取心鉆具，取心鉆頭直徑Φ149mm。研究采用了精確的雙流道設計和低侵蝕聚晶金剛石鉆頭，有效地降低鉆頭底部沖刷巖心的流速，減小了鉆井液對破碎巖心的沖蝕。驅動方式采用地表轉盤單回轉，因此，雖地層可鉆性級別不高，機械鉆速也僅在1m/h左右，且至最後壹回次（井深8408m）時，鉆速降至0.74m/h。
1.1.4 其他科學鉆探工程
1.1.4.1 德國KTB計劃主孔
KTB計劃主孔於1990年10月6日至1994年10月12日完成（9101m）施工。鉆孔剖面的主要巖石為片麻巖、角閃片麻巖、角閃巖、變質的輝長巖和大理巖等。主孔在4000m以淺不取心，但連續采取了巖屑樣品。4000m以深使用牙輪鉆頭和金剛石鉆頭僅累計取心83.34m，且8085.1m以深後期因技術問題未取心。深部、超深部取心比例小成為KTB計劃的壹大遺憾。
1.1.4.2 松科壹井（主井）
位於大慶油田的SK-1井，是國家“973”計劃項目“白堊系地球表層系統重大地質事件與溫室氣候變化”的所屬工程，是國際大陸科學鉆探計劃框架下的全球首例陸相白堊系科學鉆探工程。其科學目標之壹，是通過厘米級樣品的取樣與分析，建立全球範圍內可對比的陸相白堊系綜合剖面，將傳統地質學的百萬年時間分辨率提高到萬年尺度，使地質學研究能夠為預測未來全球環境變化提供更多的科學依據，因此，高質量地采取需研究地層的巖心實物，對該項目極為重要。
SK-1井（主井）完鉆井深1810m，164.77～1729m連續取心，鉆遇了松散砂巖、水敏泥巖、疏松砂巖、弱膠結礫巖、致密泥頁巖等沈積巖地層。沿用的是CCSD-1井研制的KT140取心鉆具。為克服松散地層采取率低，軟泥巖地層泥包、抽吸作用，地層頻繁穿插變化，致密地層機械鉆速低等困難，研發與選用硬質合金、PDC鉆頭、孕鑲金剛石3類多種結構形式的鉆頭和2種隔液保形單動雙管取心鉆具，采用轉盤單回轉與螺桿馬達+轉盤復合回轉鉆進工藝，取得了壹系列沈積巖地層取心鉆進的成果。
1.1.4.3 WFSD工程
汶川地震斷裂帶科學鉆探工程（WFSD）的主要實施目的之壹是連續獲取巖心，供地學研究地震斷裂發震機理。龍門山斷裂帶歷史上經歷了多次地震，地層主要是極其破碎，並含有部分極松散無膠結地層、強水敏性斷層泥巖地層。因此，如何在極破碎、松散地層中高效、優質地取心鉆進是WFSD鉆探施工的關鍵技術。針對WFSD工程復雜地層條件，采用了隔液、半隔液取心鉆進結構、半合管無損出心、轉盤+螺桿鉆復合回轉鉆進、轉盤+螺桿鉆+液動錘復合回轉沖擊鉆進等有效的技術手段。
WFSD工程取心鉆進所遇的最大難題是，幾個子工程均全孔破碎，堵（卡）心嚴重，這導致工程平均回次進尺短，雖采用了隔液、半隔液的鉆進結構，孔底動力驅動穩定取心鉆具等措施，平均回次仍難達到3m。巖心的原狀性對地震科學鉆探和環境科學鉆探都極其重要，SK-1井研發了水力出心裝置，WFSD工程采用了半合管技術，很好的確保的巖心的原狀出管。項目組在半合管加工工藝上不斷地突破，將半合管長度從最初的1.5～2m加長至6m。
1.1.5 超深井取心技術難點分析
分析以上國、內外已實施的科學鉆探井和石油天然氣鉆井的超深井取心，實施13000m科學超深井，取心鉆進所面臨的主要難點是：高強度、剛度、穩定性和單動可靠性高的取心鉆具及配套的取心鉆頭、擴孔器的設計；6000m以淺沈積巖地層的多變性，即存在難取心地層、又存在難鉆進地層；6000m以深結晶巖地層主要是如何實現快速、長回次的取心鉆進，解決超深部因應力釋放導致的破碎、片化地層堵（卡）心。
1.1.5.1 取心鉆具設計
超深部取心鉆進是在高溫、高圍壓、地應力釋放強烈的條件下進行，擬由地表與加沖擊器的孔底動力機聯合驅動。強度高、剛度、穩定性和單動可靠性好的取心鉆具及配套的鉆頭、擴孔器的結構設計，是安全、高效地滿足地學研究要求的巖心采取率與巖心質量的前提。在超深部取心，我國即沒有成熟的經驗，也無法模擬其惡劣的工況，各種形式的鉆具失效均有發生的可能。
高溫、高壓不僅是鉆井液、孔底動力鉆具使用的不利因素，也制約著取心鉆具單動結構的設計。單動雙管（或三管保形）取心鉆具是滿足科學鉆探巖心采取率及原狀性高要求的最佳選擇，而現有的單動結構多采用了密封軸承結構，在深孔高溫、高壓的惡劣工況下極易失效。
取心鉆具管材的選型決定鉆頭的環狀碎巖面積，這將直接影響取心鉆進效率。大壁厚的管材固然能增強鉆具的強度、剛度及穩定性，但也犧牲了機械鉆速，反之，薄壁鉆頭取心則安全度降低。石油天然氣鉆井因取心少，較少考慮提高取心鉆進機械鉆速；地質巖心鉆探以取心鉆進為主，多使用薄壁金剛石鉆進技術，以盡可能提高機械鉆速以達到較好的經濟效益。如何兼顧安全性和經濟性，是超深井取心鉆具設計的難點。
1.1.5.2 沈積巖地層取心技術
科學鉆探多在構造帶等地學意義重大的區域實施，地表手段難以準確預測將鉆穿的地層。從國內、外來已實施的科學鉆探工程來看看，都鉆遇了多種復雜地層和不同類型的難鉆進地層。13000m科學超深井按中、深部以淺井段（≤6000m）為沈積巖地層，超深井段（＞6000m）為結晶巖地層考慮。不同地層都須有相適應的取心鉆具、配套的取心鉆頭及相應的技術方法。
實施科學超深井是壹項長期、高耗的系統工程，沈積巖地層鉆探是其第壹階段，快速、高質量地完成6000m以淺沈積巖地層鉆探任務，可為超深部施工提供良好的井眼條件和自信心，也為系統工程節約大量的時間、經濟成本。我國已實施的SK-1井便是在淺層沈積巖地層實施的環境科學鉆探工程，石油天然氣鉆井也幾乎都是在沈積巖中完成，從經驗來看，在沈積巖地層取心鉆進，其難點主要為：
1）軟泥巖鉆頭易泥包、巖心膨脹，機械鉆速低、易膨脹堵心；
2）致密泥頁巖中合金、PDC切削碎巖難以實現，其極低的研磨性和壹定的塑性又致使磨削方式鉆頭打滑，鉆進效率低；
3）塑性軟泥巖中卡簧易失效，加上提鉆過程中強大的抽吸作用，易出心巖心整體或部分被拉出的情況。
受制於取心鉆頭結構和保護巖心的要求，取心鉆進不能像石油天然氣鉆井壹樣采用水力碎巖方式和大鉆壓鉆進，所以，須設計適應深孔沈積巖地層的取心鉆具及配套的高效取心鉆頭。
1.1.5.3 結晶巖地層取心技術
結晶巖地層技術難點主要是兩方面：壹方面是地層可鉆性級別很高；另壹方面是超深部應力釋放導致的巖石片化、碎化。
我國已在CCSD-1井中成功的探索出了螺桿馬達+液動錘孔底動力聯合驅動取心鉆進系統，但在高溫、高壓的超深井段，尚無成功經驗。在超深井段，螺桿馬達和液動錘的橡膠件都易在高溫、高壓環境中失效，僅能使用無橡膠件的渦輪馬達高速回轉驅動金剛石取心鉆頭。所以，在超深部結晶巖地層快速、安全地取心鉆進是科學超深井面對的重大挑戰。
SG-3井、塔深1井經驗表明，在深井的構造應力帶，巖石破碎嚴重，尤其在超深井段，地應力釋放導致巖心片化，使巖心變成薄片和碎塊。即使在淺層破碎地層取心，堵心仍是目前難以解決的取心技術難題。由此可見，超深部井段結晶巖破碎地層取心是最大的技術難題之壹。
1）取心鉆頭和鉆具的旋轉和振動，對本就破碎巖心有破壞作用，使其難以成柱狀順利進入鉆具內腔；
2）鉆進液對破碎巖心的沖蝕，會造成小顆粒的損失、破壞巖心的原狀性、降低采取率；
3）破碎巖心承載能力小，隨著進入內管巖心長度的增加，入管阻力在內管壁摩擦力和巖心自重的雙重阻力下逐漸增大，最終阻止巖心入管，造成采取率下降和回次進尺減少；
4）出心時，巖心受力狀態變化，強烈釋放的地應力使巖心進壹步碎裂，阻礙巖心順利出管，原狀性易被破壞。
以上因素都會降低超深部地層巖心采取率、破壞巖心原狀性、降低取心鉆進效率。實施13000m超深井取心鉆進，回次進尺之於取心鉆進效率尤為重要，而深部地層堵心制約著回次進尺，這將隨著取心鉆進比率的增加，成為影響鉆井周期的關鍵因素。