環境科學鉆探工程，是通過數千米的連續取心鉆進，獲取多層位的連續原位巖心，通過厘米級的巖心分析反演古氣候和古環境的演變過程，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，所鉆地層經過無數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、可信的地質信息，尋找地震發生的機理。“深部復雜地層取心鉆具研制”項目，是為解決我國無膠結、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立的技術方法類科研項目，科研成果可應用于礦產資源鉆探、油氣勘探、科學鉆探等鉆探工程領域，為更準確的實施礦產、油氣資源尋找與評價及，開展基礎地學研究提供高新技術支撐。項目由中國地質調查局立項，隸屬 國土資源“地質礦產調查評價”專項，主要完成人為中國地質科學院勘探技術研究所朱永宜、王穩石、張恒春、張志明。

項目組經過長期大量的技術調研、室內研究和野外工程實踐，積累了豐富的取心鉆探技術經驗，為項目取得豐碩成果打下了堅實的基礎。針對不同類型的復雜地層，通過理論分析計算、計算機輔助設計、室內臺架模擬測試及野外試驗，設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、迷宮式取心鉆進結構、隔液取心鉆進結構、普適性卡簧結構、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“松遼盆地資源與環境深部鉆探”松科2井（SK-2）工程中將繼續創新性地推廣應用，為這項完井深度達6400m的大陸科學鉆探工程獲取高質量的巖心資料提供技術支持。

一、研究內容

1．迷宮式隔液鉆具研制

毫無膠結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構。成果在松科1井取得了極佳的效果，無膠結砂巖層獲得了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管內界面清晰可見。

2．鉗塊式錐形防泥包鉆頭研制

環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

應用傳統的卡簧設計理念，在軟硬不均、破碎程度不同、膠結性差異多變的地層中鉆進，需根據地層的變化更換合適的卡簧，否則巖心質量和巖心采取率均會受到很大影響。但在工程實施中，技術人員只能根據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生，造成無法彌補的地層信息缺失。項目組研發的“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構，鉆井液通過內、外管環隙達到鉆頭底部內臺階與卡簧座結合部時，對剛進入鉆頭內腔的酥松破碎巖心產生較強的徑向沖蝕，使不同巖性的巖心產生不同程度的損耗，情況嚴重時巖心全部被沖蝕。項目所研發的矩形槽底排式隔液鉆頭徹底扭轉了這種局面，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為常規鉆頭鉆進4個回次連續丟心后，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的驅動方式取得成功，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。