3.3.1鉆孔方法
(1)取心鉆進的鉆進方法
取心鉆進方法的選擇與鉆孔直徑密切相關。在大直徑鉆孔取心鉆進中，壹般采用牙輪取心鉆進方法。在這種條件下，如果使用金剛石取心鉆頭，機械鉆速、返回長度和鉆頭壽命都很低，鉆井成本會相當高。在機械鉆速和鉆頭使用成本方面，牙輪鉆頭明顯優於金剛石鉆頭。因此，前蘇聯和德國在實施科學深鉆項目時，在大孔取心鉆探中使用了牙輪鉆頭。
在德國KTB主孔施工中，也對大直徑薄壁金剛石取心鉆頭進行了試驗。雖然鉆頭設計得很薄，采用螺桿馬達驅動，但鉆頭的使用效果明顯不如牙輪鉆頭，其機械鉆速、回長、鉆頭壽命都低於牙輪鉆頭。
圓錐取心鉆井的缺點是取心效果差，表現在巖心收獲率低，取心質量差。牙輪鉆頭主要用於科拉超深鉆井萬米取心鉆進進尺，平均巖心收獲率40%。KTB主井牙輪鉆頭平均取心收獲率為40.8%。
在小直徑井段使用金剛石鉆頭取心鉆進，將獲得較好的技術經濟指標。鉆頭的類型根據地層條件而定。原則上，聚晶金剛石復合鉆頭用於軟巖，孕鑲金剛石鉆頭用於硬巖。由於13000m鉆井上部井段可能是軟巖，也可能是硬巖，因此在取心鉆井中使用復合鉆頭和孕鑲鉆頭是可能的。無論是在沈積巖還是結晶巖中鉆進，鉆進下部小直徑井段時，巖層都必須是堅硬巖石，因此13000m鉆井下部井段取心鉆進主要考慮孕鑲金剛石取心鉆頭。
在中國大陸科學鉆探工程的實施過程中，對硬巖取心鉆探方法進行了系統的試驗和研究。試驗了六種取心鉆進方法，包括目前世界上主要的硬巖取心鉆進方法。試驗結果表明，螺桿馬達-液壓錘-金剛石取心鉆進方法(圖3.3)是最好的硬巖取心鉆進方法。
與其他硬巖取心鉆探方法相比，該方法具有以下優點:
-由螺旋電機驅動，鉆柱不旋轉，可降低功耗和鉆具磨損，改善鉆柱工作狀態，保護井壁，減少事故；
-液壓錘能在沖擊載荷下破碎巖石，可提高機械鉆速50% ~ 100%，進尺長度增加1 ~ 2倍；
——高轉速(約200轉/分鐘)有利於在硬巖中高效鉆進；
——低WOB有利於防偏和下降。
這種取心鉆井方法的應用深度主要取決於井底工具的耐溫性。預計深度可達6000 ~ 7000米。因此，該方法可考慮作為13000m科學超深井上部大直徑井段鉆小直徑導向孔的主要取心鉆井方法。
對於13000m科學超深井下部小直徑井段的取心鉆井，將主要考慮渦輪馬達驅動的孕鑲金剛石取心鉆井系統。
綜合以上分析結果，可根據表3.5選擇科學的超深井取心鉆井方法。
表3.5取芯鉆探方法的選擇
圖3.3分公司鉆1井取心鉆井鉆具組合
(2)整體鉆孔的鉆孔方法
根據地層條件，確定使用的鉆頭類型。軟巖鉆進采用螺桿馬達驅動的金剛石聚晶復合片鉆頭，硬巖采用孕鑲金剛石鉆頭的高速渦輪鉆具。研究和試驗結果表明，渦輪鉆具的轉速可達每分鐘數百至數千轉，配合孕鑲金剛石鉆頭可大幅度提高硬巖鉆進的機械鉆速，比牙輪鉆進至少提高50%，高達100%甚至更多。
(3)擴孔鉆的鉆孔方法
擴孔鉆井有兩種，壹種是導向擴孔，另壹種是套管擴孔。
小直徑導向孔施工後進行導向擴孔，采用導向擴孔鉆頭(圖3.4)。這種鉆頭的先導部分插入鉆出的小孔中起導向作用，由後面的切削刀具將孔擴大。根據地層條件，可使用復合切屑或齒旋轉切削工具。
圖3.4導向擴孔牙輪鉆頭
圖3.5套管擴孔鉆井
套管擴孔是在套管內下雙芯擴孔鉆具(圖3.5)，在套管下擴大壹個大於套管直徑的孔。
巖心鉆探工具
在高溫、高壓、地應力釋放強烈的地層條件下，由井底動力沖擊旋轉驅動的科學超深井取心鉆具，應滿足以下條件:
1)具有足夠的強度、剛度和穩定性，保證惡劣工況下的安全性；
2)可靠的單動性能，在超深井高溫、高壓、高密度鉆井液環境下不會失效，保證巖心收獲率和原始狀態；
3)鉆頭內外徑與內外管之間的合理間隙配合，使相同鉆孔直徑下鉆頭切削面積最小。
13000m科學超深井鉆井取心選用圖3.6所示的KT單動雙管鉆具結構作為基本型鉆具。
圖3.6 KT單動雙管鉆具結構
鉆具內管考慮采用不銹鋼、鋁合金、噴瓷、玻璃鋼等耐溫、耐腐蝕、強度高、內壁光滑的材料，減少巖心進入內管的摩擦阻力，有利於提高進尺和巖心收獲率。
將采用壹些特殊的取心工具，如半閉管取心工具、三管鉆具和疊加組合內管鉆具，以提高裂縫性地層的巖心收獲率。
為了提高破碎地層的取心效果，應在取心鉆頭上采取壹些技術措施。半分液電鍍孕鑲金剛石取心鉆頭是壹種適用於破碎地層的鉆頭。這種鉆頭的特點是:鉆頭主水道暢通，底唇面和外工作刃得到充分潤滑、清洗和冷卻，能保持清潔的孔底環境。在鉆頭的工作刃上形成幾個狹長的間隙，既能防止巖心與鉆頭工作刃之間形成徑向分流，又能保持壹定量的鉆井液在其間循環，使通常容易磨損的鉆頭工作刃始終得到適當的冷卻和潤滑。通過鉆頭防水環和卡環的配合，以及鉆頭內巖心和防水環之間的小環形間隙，形成有效的徑向流動屏蔽。
3.3.3井壁取樣技術
在超深井取心鉆井中，巖心經常丟失甚至漏失，需要利用井壁取樣技術補充巖心。
井壁取樣方法有很多種，包括擠壓井壁取樣法、射孔井壁取樣法、斜鉆井壁取樣法、連續切割井壁取樣法、旋轉井壁取樣法等。其中，斜鉆井壁取樣法、連續切削井壁取樣法和旋轉井壁取樣法相對適用於科學的超深井鉆井補充巖心。對於深度超過10000米的科學超深井，主要是要解決這些方法的耐高溫高壓問題。
3.3.4井底動力鉆具
使用井底動力驅動鉆探萬米以上超深井是必然選擇，開展井下動力鉆具研究對萬米以上超深井建設具有重要意義。
目前井下動力鉆具有三種:螺桿鉆具、渦輪鉆具和液壓錘，其中螺桿鉆具和渦輪鉆具屬於提供旋轉動力的鉆具，液壓錘是利用沖擊能破碎巖石的鉆具。按目前的技術水平，螺桿鉆具和液壓錘的耐溫性約為150℃；渦輪鉆具為全金屬部件，是目前唯壹能適應高溫井施工的動力鉆具，耐溫可達300℃。
超深井井下動力鉆具的使用首先要保證工況下的適應性和安全性，要考慮如何在高溫高壓下保證密封可靠、操作簡單、使用安全、使用壽命長。深井、超深井鉆具的技術開發應從鉆井工藝和鉆井參數研究、工具結構設計、材料選擇和鉆具匹配等方面進行。
三種井底動力鉆具的研究和改進要點如下:
(1)螺桿鉆具的改進措施
1)預成型定子螺桿鉆具。預齒形定子螺桿鉆具的輸出扭矩比常規螺桿鉆具高約1倍。同時，螺桿鉆具的效率也得到了提高。預成型螺桿鉆具有利於減少滯後熱的積累，防止局部溫升。
2)耐高溫定子橡膠。用丁基橡膠代替螺桿馬達的內襯材料，將螺桿馬達的轉子做成空心形式，可以解決6000m m左右螺桿鉆具的鉆進問題，使用氟橡膠可以進壹步提高螺桿鉆具的應用深度，但對於13000m m的孔深還有壹定的差距。
3)陶瓷軸承。陶瓷軸承具有耐高溫、耐寒、耐磨、耐腐蝕、耐磁電絕緣、無油自潤滑、高速等特點，將其應用於螺桿鉆具將大大提高傳動軸的性能和使用壽命。
4)鋁合金轉子。選擇合適的鋁合金材料作為電機轉子(表面鍍鉻)，可以有效減輕轉子的重量，降低定子塑料和萬向軸的壓力，提高轉子的耐腐蝕性能，從而提高螺桿鉆具電機和萬向軸的使用壽命。
(2)液壓DTH錘鉆具的改進措施
1)適用於確定超深孔液壓DTH錘的類型和鉆進參數；
2)提高動密封副工作壽命的措施；
3)固定密封耐高溫性能的研究；
4)提高液壓錘沖擊能量的研究；
5)探索液壓錘萬米深孔適應背壓的可行性；
6)與螺桿鉆具和渦輪鉆具組合後的泵送能力適應性。
(3)渦輪鉆具的改進措施。
渦輪鉆具是全金屬部件，是目前唯壹能適應高溫井施工的動力鉆具。從工作特點來看，螺桿鉆具是壹種正排量鉆具，更適合於鉆井作業。因此，建議渦輪鉆具僅用於深部井段或高溫井段，深度可選擇在8000 ~ 10000m..應註意以下幾個方面:
1)葉型設計及優化技術；
2)減速器的設計技術；
3)長壽命高可靠性軸承技術；
4)渦輪鉆具配套鉆井技術研究。
3.3.5超深井13000米科學鉆井技術方案。
(1)采用“裸眼超前鉆孔法”時的鉆孔技術方案
采用“裸眼超前鉆孔法”時的鉆孔技術方案見表3.6，其要點如下:
1)7500m以上，采用“帶導向孔的裸眼鉆井法”(小直徑取心鉆井、擴孔、下套管施工方案)，導向孔直徑216mm，活動套管直徑245mm，下活動套管最大深度約5000m。
2)預孕金剛石鉆頭主要用於高級鉆孔取芯鉆探。為了提高機械鉆速和返回長度，盡可能使用液壓錘。
3)超前鉆孔時，應間隔進行取芯鉆孔和綜合鉆孔。巖心鉆探和全方位鉆探均采用井底驅動。如果可能的話，盡量使用高速渦輪電機來驅動，這樣可以提高機械鉆速。
4)全鉆超前鉆孔時，采用垂直鉆孔系統，壹方面鉆孔上部可垂直鉆進7000~8000m，為達到最終目標打下良好基礎；另壹方面，可以實現高WOB鉆井，有利於提高機械鉆速，節約施工時間和成本。
5)7500 ~ 9000m井段為活動套管下不了的深度，考慮采用壹次性取心鉆井(或全方位鉆井)完井。由於直徑過大，螺桿馬達驅動的金剛石鉆頭取心鉆進效果較差。因此，該井段擬采用渦輪馬達驅動孕鑲金剛石鉆頭進行取心鉆進。
6)取心鉆井和全方位鉆井都是由井底驅動的。上部采用螺桿馬達，下部采用渦輪馬達。
7)對於7)7500米以上的井段，采用主動防斜方案(自動垂直鉆孔系統)；7500m以下采用被動防斜方案，即使用鐘擺鉆具防斜。施工中偏差超標後，采用常規糾偏工具進行糾偏。
表3.6 13000米超深鉆井及井斜控制技術方案(“裸眼超前鉆孔法”)
(2)采用“等徑鉆井法”時的鉆井和井斜控制技術方案。
采用“等井徑鉆井法”時的鉆井和井斜控制技術方案見表3.7。
表3.7 13000米超深鉆井及防斜技術方案(“等徑鉆井法”)