探寻地球深部秘密的“手”

谈到深部科学钻探取芯技术，就不能不提与此项技术体系息息相关的两项重大科学工程。

2001年以来，中国地质调查局组织实施了国家发改委重大科学工程“大别-苏鲁超高压变质带科学钻探”和国土资源部地质调查评价专项项目“松辽盆地资源与环境科学钻探”两项具有全球地学意义的深部科学钻探项目，项目的首要工程目标是获取高质量的深部地层岩芯资料。

国家发改委重大科学工程“大别-苏鲁超高压变质带科学钻探”又称“科钻1井”。项目地处全球最大超高压变质带上的江苏省东海县，由中国大陆科学钻探工程中心于2001年6月至2005年3月，承担实施，施钻井深5158米。该中心是以中国地质调查局直属单位为主组建的。

这是我国首例，也是我国在ICDP框架下的首例大陆科学钻探工程。

项目的基本科学目的，是研究巨量物质深部俯冲与折返机制；核心的技术突破，是研发出一套螺杆钻和液动锤井底联合驱动的大口径硬岩取芯钻探技术体系。

研发与应用以井底动力复合驱动为核心的硬岩取芯钻进技术体系，是科钻1井高效完钻的基本技术保障。

该井进行了7种组合形式的钻进试验，惟硬岩取芯钻进技术体系打破了金刚石纯回转钻进在坚硬脆性地层中效率低、回次钻程短的瓶颈，体现了井内事故少、钻进能耗低、钻探管材耗损小的技术经济效果，形成了具有我国自主知识产权的创新成果，成为科钻1井及我国后续科学钻探工程的常规技术手段。

最终，工程成果分别获国家科学技术二等奖1项，国土资源部科学技术一等奖2项、二等奖1项。

国土资源部地质调查评价专项项目“松辽盆地资源与环境科学钻探”项目，又称“松科2井”，由中国地质科学院勘探技术研究所承担实施，中国地质调查局直属单位和国内多所院校参与。

2014年4月起，在地处松嫩平原的黑龙江省安达市，项目施钻井深6400米，穿透松辽盆地白垩纪地层，预计2017年竣工。

此项目是我国第三例ICDP框架下的、迄今为止亚洲地区最深的大陆科学钻探工程。项目的目的是建立全球首条厘定的陆相白垩纪综合地质剖面。

“松科2井”应用创新研发的大口径同径取芯技术与钻具三筒联装长回次钻程钻进技术及较科学钻探沿袭的工程施工路线，使三开井段省略了活动套管起、下程序，取消了2套钻杆、2套井口工具和2套泥浆体系的配置，节约了1676米扩孔工作量，并回避了扩孔作业风险，多回次创造单回次进尺超30米的世界纪录。

两项成果的综合应用，为松科2井三开段压缩施工周期至少4个月，节约钻探成本超千万元。两项成果在即将开钻的4500米至5800米四开井段延伸应用，将继续产生可观的时间效益和经济效益。据了解，截至2016年1月，工程已在2863米~4524米井段内，实现了“φ311毫米口径同径取芯”和“单回次长钻程钻进”两项重大技术突破，岩芯直径达到214毫米，回次进尺突破30米，平均岩芯采取率98%以上。

今年1月15~16日，中国地质调查局、中国地质科学院2015年度科技成果汇报交流暨地质科技十大进展评选会在北京如期举行。就在这次评选中，由中国地质调查局勘探技术研究所选送的“大口径同径长钻程超千米连续取芯和单回次进尺钻探世界纪录”入选本年度“地质科技十大进展”。这个纪录是由中国地质科学院勘探技术研究所所长张金昌和研究员王稳石带领的“松科二井”团队创造的。

从严格意义上说，两个工程应该是深部科学钻探取芯技术研发的母体。

如今，已经成型的“深部科学钻探取芯技术体系”成果主要包括三部分。

其一，复合井底动力驱动的硬岩取芯钻探技术体系。

以螺杆钻和液动锤在井底提供周向回转和轴向震动的复合动力，驱动金刚石钻头以冲击回转方式破碎坚硬地层获取岩芯，是我国首创的深部大口径取芯钻探技术方法。

项目攻克了与金刚石高速回转碎岩要求相匹配的螺杆钻参数和结构选择，在深井高背压环境下提高了液动锤工作的可靠性，适用于强研磨性坚硬地层，采用高效、长寿、耐冲击的金刚石取芯钻头以及适应高速冲击回转工况的薄壁取芯钻具，与低粘、低切、低密度、低失水、高润滑性的“四低一高”钻井液体系等5大关键技术相组合，在坚硬的脆性地层中，平均机械钻速1.13米，平均回次进尺超过6米，岩芯直径95毫米，平均岩芯采取率86%（地质要求80%）。

其二，大口径同径、长回次钻程取芯技术。

KT-298取芯钻具，攻克了大口径厚壁金刚石取芯钻头水力结构和碎岩方式。卡具对粗大岩芯拔断力、承托力合理分配。钻具三筒联装单回次长钻程钻进，及钻进中加接单根、岩芯解卡，以及超长钻具出、入井等5项关键技术及其组合，一举突破大口径取芯井段“小径取芯、大径扩孔”的完钻程序和单筒短回次钻进的技术套路。这在国际范围内首次成功实现了φ311毫米口径井段“同径取芯、一径完钻”技术路线。三筒联装的钻具单回次钻程突破30米，平均岩芯采取率98%以上，岩芯直径达214毫米，相同进尺提交的岩芯总量为地质要求的5倍。

其三，粗大岩芯原状出筒技术。

常规的人工振击岩芯出筒方法极易对岩芯的原状性造成人为破坏，不适于科学钻探对岩芯的高质量要求。对于大口径同径取芯和单回次长钻程钻进，由于岩芯与筒壁间存在极大的摩擦力，常规方法根本无法出取岩芯。中国地质调查局勘探技术研究所研发的机械辅助岩芯出筒方法，利用液压机械产生的静推力（对φ311毫米口径段同径取出的岩芯，推力通常需50千牛以上）将岩芯完整顶出岩芯筒，理想地保证了出管岩芯的原状结构。

深部科学钻探技术成果的研发及其应用，对高质量地获取地学研究基础资料，深化我国地质基础理论研究，推出国际水平的学术成果提供了关键的技术支持。

成果对以获取深部地质资料为目的的各类科学钻探具有较普遍的技术意义，对我国矿产与能源勘探的技术进步起到重要的引领作用，对提升我国钻探工程的国际学术和技术地位起到了重要的推动作用，不仅保证了我国已开展的深部科学钻探工程优质、高效、安全顺利完成，而且已逐步向我国油页岩、页岩气、干热岩等资源勘探领域推广应用。

该项技术成果在国际钻探界产生了强烈影响。科钻1井当选为2002年公众关注的中国十大科技事件、2005年中国十大科技进展新闻；松科2井当选2015年中国地质调查局十大地质科技进展，《探矿工程》杂志2015年度十大钻探新闻，ICDP网站首页中心位置以《深部钻探记录》予以要闻报道。研发过程所形成的钻具规格，尽管是针对依托项目具体的技术要求和工作环境而定的，但基于钻具的基本工作原理，可以设计出多种形式，具有更广泛功能的钻具规格和组合形式，以适应不同地质环境和工程技术要求。

在成果创新与应用过程中，研发团队培养的青年骨干队伍，将成为我国深部、超深部科学钻探的基本储备力量。