環(huán)境科學鉆探工程，是通過數(shù)千米的連續(xù)取心鉆進，獲取多層位的連續(xù)原位巖心，通過厘米級的巖心分析反演古氣候和古環(huán)境的演變過程，要求極高的巖心采取率；在地殼活動頻繁的地震斷裂帶實施的地震科學鉆探工程，所鉆地層經(jīng)過無數(shù)次的地殼運動后極度破碎，科學家必須通過原狀巖心獲取精準、可信的地質(zhì)信息，尋找地震發(fā)生的機理。“深部復雜地層取心鉆具研制”項目，是為解決我國無膠結(jié)、破碎、松軟等復雜地層巖心采取率低的問題、提高深部取心鉆進效率而設(shè)立的技術(shù)方法類科研項目，科研成果可應用于礦產(chǎn)資源鉆探、油氣勘探、科學鉆探等鉆探工程領(lǐng)域，為更準確的實施礦產(chǎn)、油氣資源尋找與評價及，開展基礎(chǔ)地學研究提供高新技術(shù)支撐。項目由中國地質(zhì)調(diào)查局立項，隸屬 國土資源“地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查評價”專項，主要完成人為中國地質(zhì)科學院勘探技術(shù)研究所朱永宜、王穩(wěn)石、張恒春、張志明。

項目組經(jīng)過長期大量的技術(shù)調(diào)研、室內(nèi)研究和野外工程實踐，積累了豐富的取心鉆探技術(shù)經(jīng)驗，為項目取得豐碩成果打下了堅實的基礎(chǔ)。針對不同類型的復雜地層，通過理論分析計算、計算機輔助設(shè)計、室內(nèi)臺架模擬測試及野外試驗，設(shè)計研制了多種取心鉆具及配套器具，如KT型系列取心鉆具、鉗塊式錐形防泥包取心鉆頭、迷宮式取心鉆進結(jié)構(gòu)、隔液取心鉆進結(jié)構(gòu)、普適性卡簧結(jié)構(gòu)、水壓無損出心方法、超長半合管鉆具等，成果在國家973計劃項目下屬的白堊紀科學鉆探工程松科1井（SK-1井）主井工程、國家科技支撐專項“汶川地震斷裂帶科學鉆探”（WFSD）等科學鉆探井中實驗并推廣應用，為確保國家重大科學鉆探工程巖心采取質(zhì)量和加快工程實施進度作出了積極有效的貢獻。成果已起動的“松遼盆地資源與環(huán)境深部鉆探”松科2井（SK-2）工程中將繼續(xù)創(chuàng)新性地推廣應用，為這項完井深度達6400m的大陸科學鉆探工程獲取高質(zhì)量的巖心資料提供技術(shù)支持。

一、研究內(nèi)容

1．迷宮式隔液鉆具研制

毫無膠結(jié)的松散地層取心一直是世界性的難題。項目組通過精確的計算設(shè)計和臺架實驗，研制出了可以完全避免鉆井液沖蝕巖心的迷宮式隔液取心鉆進結(jié)構(gòu)。成果在松科1井取得了極佳的效果，無膠結(jié)砂巖層獲得了82%以上的巖心采取率。項目評價時，專家組一致認為該成果已達世界先進水平。圖 1所示巖心為井身進入粘軟泥巖，泥、沙界面被原樣取出，透明PC管內(nèi)界面清晰可見。

2．鉗塊式錐形防泥包鉆頭研制

環(huán)境科學鉆探工程多在沉積巖地層實施，常鉆遇酥軟泥巖、泥頁巖。該類地層遇水快速水化成粘性很高的軟泥，常規(guī)取心鉆頭切削刃在鉆進很短的時間后就會被水化的軟泥糊住（鉆探工程通常稱為泥包），鉆進效率和回次進尺長度均成倍下降。項目組運用水力學原理、計算機輔助設(shè)計和反復的實驗，研制出了高效的鉗塊式防泥包鉆頭，一舉解決了酥軟地層鉆頭泥包的難題。

3．多變地層普適型卡簧研究

應用傳統(tǒng)的卡簧設(shè)計理念，在軟硬不均、破碎程度不同、膠結(jié)性差異多變的地層中鉆進，需根據(jù)地層的變化更換合適的卡簧，否則巖心質(zhì)量和巖心采取率均會受到很大影響。但在工程實施中，技術(shù)人員只能根據(jù)上回次的巖性來選擇卡簧，因此在多變地層中丟心的情況頻繁發(fā)生，造成無法彌補的地層信息缺失。項目組研發(fā)的“大公差、大壁厚、大缺口、大行程”多變地層普適型卡簧極好地解決了這一難題，在SK-1井和WFSD工程的復雜地層取心中都發(fā)揮了極大的作用，巖心采取率達90%以上。

4．矩形槽底排式隔液鉆頭研制

酥松、破碎地層是地震科學鉆探和地質(zhì)巖心鉆探最為常見的復雜地層，目前常用的雙層管取心鉆具和鉆頭結(jié)構(gòu)，鉆井液通過內(nèi)、外管環(huán)隙達到鉆頭底部內(nèi)臺階與卡簧座結(jié)合部時，對剛進入鉆頭內(nèi)腔的酥松破碎巖心產(chǎn)生較強的徑向沖蝕，使不同巖性的巖心產(chǎn)生不同程度的損耗，情況嚴重時巖心全部被沖蝕。項目所研發(fā)的矩形槽底排式隔液鉆頭徹底扭轉(zhuǎn)了這種局面，該成果在WFSD工程罕見的極破碎地層中，獲得了整體90%以上的巖心采取率。圖3為常規(guī)鉆頭鉆進4個回次連續(xù)丟心后，矩形槽底排式隔液鉆頭開始入井采取的巖心。

5．超長半合管鉆具及其鉆進工藝研究

半合管鉆具是避免破碎巖心在出心時被人為損壞的有效手段。常規(guī)半合管鉆具一般為1.5m，鉆進時因回次進尺短而綜合鉆探效率較低，深孔鉆進時尤為突出。項目組通過數(shù)月的努力，改進加工工藝，分步提高半合管長度，最終研制出9m超長半合管。在配套的鉆探工藝上，實驗不同的配套取心鉆進工藝方法，最終采用螺桿鉆＋液動錘井底動力沖擊回轉(zhuǎn)的驅(qū)動方式取得成功，摸索出了一整套超長半合管鉆具取心鉆探的工藝方法。圖 4所示為成果在WFSD-4孔實驗時單回次進尺9m的鉆具及巖心照片。