科钻一井工程的成功，是我国钻探技术发展的里程碑。

 

历时３年多、耗资近２亿元完成的中国大陆科学钻探工程日前通过国家验收，留下了一个没有地面干扰的、直径157毫米、深5158米的深井，成为亚洲第一个地球物理综合性长期观测实验基地。尽管如何进行更深入的科学研究，充分发挥其潜在价值，是一个还没有完结的科学问题，但从大陆钻探的技术角度来说，这个被称为科钻一井的工程已经圆满地画上了句号。

 

对工程所取得的技术进步，科钻一井工程总指挥、中国大陆钻探工程中心主任王达教授总结说：“尽管这不是世界上最早、最深的井，然而从硬岩取心的角度说，科钻一井达到了世界先进的技术水平，取心率之高是世界上极为罕见的。”

 

为科学目标啃一块硬骨头

 

大陆钻探技术是目前获取地球深部实物资料的唯一技术手段，是研究地壳构造和演化最重要的技术方法，受到各国科学家的广泛关注。在这项技术发展起来之前，人类对于地球深部不能观察、触摸，对地层下面究竟是什么，大多只能推测，因而同样的材料可以导引出不同的结论。

 

从1963年世界上第一个大陆钻探井开凿以来，人类探视地球内部的历史已有40多年，最深的一口井位于俄罗斯的科拉半岛，井深12262米。科学钻探因科学目标的差异，所要钻探的地层环境也千差万别。地层环境的差异，对钻探工程提出了不同的技术要求，其难度也各不相同。

 

科钻一井的主要科学目标是重塑超高压变质带的形成与折返机制，揭示板块边部的深部物质组成及成矿与流体作用，因此要把钻探地址选在造山带。在这种地层打钻，所要应对的是硬度很高的结晶岩，可钻性多数为8～9级，少数岩石的可钻性达到10～11级。

 

与一般地质钻探相比，科学钻探本身就因目标多而难度大，科钻一号面临的难题不仅是地层坚硬，还要在这样的地层环境上全孔取心。在硬地层对5000多米深井全孔取心，这不仅在我国没有先例，在世界上也属于高难度钻井工程。俄罗斯钻探的1.2万多米深井，由于取心难度极大，工程持续了20多年，成本难以计算。而德国钻探的9000多米深井，为了减少成本、缩短时间，其取心比率只有3%。

 

岩石坚硬，钻头消耗大；全孔取心、取样，要求高；地层易斜，难以保直；井身结构复杂，大直径硬岩扩孔钻进难度高、套管下入难度大；井深，下部地层状况未知；施工周期长，风险因素大，施工费用高……面对这些难题，科钻一井无论是从国内还是国外，都很难找到可以借鉴的成熟先例。

 

地下是一个风险未知领域

 

上天入地是人类的梦想，而天上地下的种种未知因素，却为人类的追梦之旅平添了许多风险。应对未知因素是大陆钻探工程在确定方案时首先要考虑到的。科钻一井工程借鉴了德国KTB曾经使用的一种双孔方案。

 

所谓双孔方案，是指在正式钻探前，先打出一个先导孔，这个先导孔直径较大，可以通过它来摸清地层状况，再进行主孔施工。德国KTB 9000多米的钻井，仅先导孔就钻进4000多米深。王达说，这种方法尽管安全，但成本太高。于是，工程指挥部借鉴了这个方案的成功之处，并考虑到它的不足，创造了一个“灵活”的双孔方案。由于对钻探所在地江苏东海县地下1000米内的情况早先就有一定的认识。于是，工程指挥部决定先打一个2000米的先导孔，再根据钻孔质量、地层情况决定是否另外开孔。最终由于有预先的计划，这个先导孔的质量很好，主孔施工就在它的基础上继续进行，方案的灵活性为工程大幅度地节约了时间和成本。

 

在硬地层上打深井，不可能打得笔直，因此施工中要根据情况需要，纠正井身的倾斜度。王达说：“在硬地层中怎么纠斜，是这类深井的另一个关键技术问题。”

 

离设计的科钻一井距离仅300米处，有一个中国大陆科学钻探工程2号预先导孔，其深度为1028米，直径为75毫米。从该孔的施工情况看，井身倾斜非常严重，80米处井斜为4.4度，在纠斜两次后，继续钻至700米处井斜达到18度。施工过程中共发生35次断钻杆和脱扣事故。

 

在施工过程中，科钻一井创造了一套硬岩纠斜的技术方法。其最为成功、也是最为惊险的一次纠斜实践，是在工程进行到3665米时。在这一井段，遇上了王达称之为“大肚子”的地层结构，这里的地层严重破碎，井身直径从157毫米，一下子增至近500毫米。套管扶正器钢板和扩孔钻头导向头落在井内，无法继续施工。王达说，这种故障已经属于事故范围了，由于井段地层严重破碎，事故处理变得更加困难。于是，指挥部被迫采用了侧钻绕障的手段，不仅解决了事故问题，还将井斜角由8.47度降到0.41度。

 

在纠斜工程中，科钻一井所尝试的纠斜钻进和侧钻绕障技术方案，都是在我国没有先例的技术背景下进行的探索与实践，为我国今后类似的钻探工程留下了成功的示范案例。

 

工欲善其事，必先利其器

 

“工欲善其事，必先利其器。”我国第一次钻探这么深的井，又是这么硬的地层，“没有现成的设备可用”，王达说。从深度上说，以往用于石油钻探的石油钻机以牙轮钻头全面钻进为主，可以满足深度的要求，但它所采用的低速回转、大钻压的工艺却因压力不稳，不利于取心，不能满足科学钻探的要求。

 

矿山地质钻探技术采用高速回转、小钻压工艺，却又不能应用于2000米以上深度，此外它的立轴给进行程短、油缸倒杆频繁，增加了辅助工作时间，还很容易造成孔底岩心堵塞。

 

根据结晶岩科学深孔钻探的特殊要求，科钻一井将石油转盘钻机设备与地质勘探取心钻进工艺结合在一起，形成一种适用于硬岩深孔大直径科学钻探要求的组合式钻探技术，从钻探深度、地层硬度和岩心取心率上都成功地满足了工程的要求。

 

在科钻一井中采用的一套20多米长的三合一设备，更是国际首创。这套三合一设备包括顶端的螺杆马达、中间的液动锤、下面的取心筒和钻头。因为结晶岩的质地硬而脆，单纯用切割的方式钻进的效果并不理想，把液动锤加在金刚钻上，可以在切削的同时使用冲击的力量，在硬而脆的结晶岩上作业，不仅提高了效率，也减少了岩心堵塞。

 

在科钻一井施工中使用的液动锤是我国自行研制成功的，取得了一次下井连续工作时间17.66小时、累计进尺26.3米的好成绩，并在使用井深和单井进尺方面创下了世界纪录。

 

金刚石钻头是硬岩深井钻进的又一个技术关键环节，它是钻进和获取岩心最基本和首要的条件，钻进速度和钻头寿命与工程成本密切相关。

 

根据科钻一井所遇到的岩石类型，我国研制出了3种金刚石取心钻头。在科钻一井施工进程中，使用了这3类取心钻头163个，钻头平均使用寿命近25米，最长使用寿命超过75米，平均机械钻速每小时1米多。与美国卡洪山口和德国KTB两个国外最具代表性的科学钻探孔所使用的钻头相比，我国这套具有自主知识产权的金刚石钻头的制造与应用技术达到了国际先进水平，在国内处于领先地位。

 

科钻一井的钻井液技术也是一大创新技术手段。科钻一井采用的钻进方法主要有取心钻进、扩孔钻进和全面钻进，不同的钻进方法需要采用不同性能的钻井液，以保证钻进工艺的实施。全面钻进和扩孔钻进要求泥浆的携带性能好，能及时排除钻进形成的较大颗粒岩屑，以提高钻进效率；取心钻进要求钻井液性能不仅有利于携带岩屑，停止循环时要能够悬浮岩屑，同时还要满足作为井底动力系统驱动介质的要求。

 

从现场钻井液制备和管理的角度考虑，要求制备简单、性能调整容易和管理方便；从节约成本、减少排放的角度出发，现场最好采用单一的钻井液体系，钻进工艺变化时，不需要更换钻井液体系，仅通过简单的性能调整就能够满足钻进工艺变化的要求。科钻一井采用了专门研究和设计的LBM-SD钻井液体系，较好地实现了多方面的要求，保证了各种钻进方法的顺利实施。

 

在坚硬的结晶岩中钻进5000余米，进行全孔连续取心，不仅在我国没有先例，在世界上也属于高难度钻井工程。我国的钻探技术人员在重重困难面前解决了大量技术难题，实现了全孔平均岩心取心率85.7％，最长岩心达4.25米。科钻一井工程的成功，是我国钻探技术发展的里程碑，提升了我国钻探技术在国际上的地位。