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联邦德国大陆深钻计划（KTB）是德国第一个大规模地学研究计划。该计划的目的是通过施工科学超深井获取地学信息，“进行关于地壳较深部位的物理、化学状态和过程的基础性调查和评价，以了解内陆地壳的结构、成分、动力学和演变”。KTB由德国联邦研究与技术部提供总计5亿马克的资助，执行时间为1985～1994年。项目的钻探施工包括两口钻孔，即4000m深的KTB先导孔和9101m深的KTB主孔。施工先导孔主要是为了减轻主孔施工在技术和经济方面的风险。在先导孔的施工过程中，对拟在主孔中使用的钻探技术、测井技术、测量技术进行试验，为主孔施工技术方案的精确设计提供依据。

KTB先导孔钻进的地层为片麻岩和角闪岩，采用连续取心方法施工。KTB先导孔采用“组合式”钻探技术进行施工，即在石油转盘钻机上加装一套高速回转的顶驱系统，并采用金刚石绳索取心钻进工艺方法。科学深孔和超深孔钻探中，在钻孔内要进行大量的科学测试和地球物理原位测井，终孔直径一般都较大，现有的岩心钻探设备因其回转扭矩和大钩负荷、提升能力较低，满足不了科学钻探，特别是科学深钻对钻机能力的要求。因此，在科学钻探中，普遍采用石油转盘钻机作为钻进的主要设备。但石油钻机的转盘转速太低，不能满足金刚石钻进的高转速的要求。为了确保金刚石钻头能有效地克取岩石，必须在转盘钻机上加装一套高速回转的顶驱系统。因此，KTB先导孔施工前，对钻机进行了改装：

1）加装了高转速的RB130、RB135顶部驱动系统（表64）；

2）加装了绳索取心绞车；

3）加装高压、小排量泥浆泵；

4）加装高精度的自动送钻系统。

表64 RB135型顶驱的技术性能参数

KTB先导孔参照了前苏联科学钻探施工常用的“超前孔裸眼钻进方法”，即在一较大的套管内，悬挂一层活动套管（7in），然后以较小口径（6in）钻进。若岩层稳定，可一直钻至终孔深度。若岩层不稳定，需要下套管护壁，则可回收活动套管，以in口径扩孔，钻穿过不稳定层后，再下7in套管。KTB先导孔钻进技术、经济指标见表65。

表65 KTB先导孔钻进技术、经济指标

如果13000超深井要全井连续取心，施工的时间和费用将是十分巨大的，实现的可能性非常小。因此，本设计按该井进行点取心考虑，全面钻进和取心钻进间隔进行。上部井段在进行全面钻进时采用自动垂孔钻进系统，以保证井眼铅直，为钻达设计目标奠定好的基础。

231 取心钻进技术

2311 大直径取心钻进技术

取心钻进方法的选用，与钻井直径密切相关。在大直径井眼中取心钻进，一般选用牙轮钻头取心钻进方法。在这种条件下，如果采用金刚石取心钻头，机械钻速、回次长度和钻头寿命都很低，钻进成本会相当高。牙轮取心钻头在机械钻速和钻头使用成本方面都要明显优于金刚石取心钻头。因此，前苏联和德国实施科学深钻项目时大井眼取心钻进都采用牙轮钻头（图25，图26）。

图25 KTB主孔采用的取心牙轮钻头

图26 科拉超深井采用的取心牙轮钻头

德国在施工KTB主孔时，也试验过大直径薄壁金刚石取心钻头（图27），取出的岩心见图28。尽管钻头设计得很薄，并且采用螺杆马达井底驱动，但钻头的使用效果还是明显不如牙轮取心钻头，其机械钻速、回次长度和钻头寿命都低于取心牙轮钻头（表29）。

图27 KTB主孔大直径（31115×2347mm）薄壁金刚石取心钻头

图28 31115×2347mm钻头与152×94mm钻头获得的岩心直径对比

牙轮钻头取心钻进的缺点是取心效果不好，表现在岩心采取率低和取心质量差。科拉超深钻上万米取心钻进进尺主要采用牙轮钻头，平均岩心采取率为40%（表28）。在KTB主孔中，牙轮钻头的平均岩心采取率为408%（表29）。

表28 科拉超深井的取心钻进技术、经济指标

表29 KTB主孔中不同取心钻进方法应用结果比较

2312 小直径取心钻进技术

小直径井段取心钻进，采用金刚石钻头会获得更好的技术经济指标。钻头种类根据地层条件确定，原则上软岩用聚晶金刚石复合片钻头，硬岩用孕镶金刚石钻头。由于13000m钻井的上部井段可能是软岩，也可能是硬岩，因此在取心钻进时采用复合片钻头和孕镶钻头的可能性都存在。而不管是在沉积岩还是在结晶岩中打钻，钻进到下部小直径井段时岩层必定是硬岩，因此13000m钻井的下部井段取心钻进主要考虑采用孕镶金刚石取心钻头。

我国在实施“中国大陆科学钻探工程”项目时，对硬岩取心钻进方法进行了系统的试验和研究。总共试验了6种取心钻进方法，基本包括了目前世界上主要的硬岩取心钻进方法。试验结果（表210）表明，螺杆马达-液动锤-金刚石取心钻进方法（图29）是最佳的硬岩取心钻进方法。

表210 CCSD科钻一井取心钻进数据

与其他硬岩取心钻进方法相比，该方法有以下优点：

——螺杆马达驱动，钻杆柱不回转，可减轻功耗和钻具磨损，有利于改善钻杆柱工作状态和保护井壁，减少事故；

——液动锤冲击载荷碎岩，可提高钻速50%～100%，提高回次进尺长度1～2倍；

——高转速（200r/min左右），有利于硬岩高效钻进；

——低钻压，有利于防斜和降斜。

这种取心钻进方法应用的井深，主要取决于井底工具的耐温能力。据估计，可用到6000～7000m的深度。因此，可考虑将该方法作为13000m科学超深井上部大直径井段施工钻小直径超前孔时的主要取心钻进方法。

对于13000m科学超深井下部小直径井段的取心钻进，将主要考虑采用涡轮马达驱动的孕镶金刚石取心钻进系统。

图29 CCSD科钻一井取心钻进钻具组合

232 全面钻进技术

根据地层条件来确定使用钻头的种类。软岩钻进采用螺杆马达驱动的金刚石聚晶复合片钻头，硬岩采用高速涡轮钻具配合孕镶金刚石钻头。研究与试验结果表明，涡轮钻具的转速可达每分钟几百至上千转，与孕镶金刚石钻头配合，可大大提高硬岩钻进的机械钻速，比牙轮钻进至少提高50%，高的达100%，甚至更多。

233 扩孔钻进技术

扩孔钻进分两种情况，一种是领眼式扩孔，另一种是套管下扩孔。

领眼式扩孔是在小直径超前孔施工后进行，采用领眼式扩孔钻头（图210）。这种钻头的领眼部分插入已钻成的小井眼中，起导向作用，靠后部的切削具扩大井眼。根据地层条件，可采用复合片或者牙轮作切削具。

套管下扩孔是在套管内下入采用可张敛的扩孔钻具（图211），在套管的下方扩出比套管直径还大的孔眼

图210 领眼式扩孔牙轮钻头

图211 套管下扩孔钻进

234 井斜控制技术

在任何一个钻进项目中，井斜是不可避免的。随着钻井深度加大，井斜一般也会加大。井斜加大后，会给钻井施工带来很多困难，诸如：

——因为摩擦而导致过高的摩阻及扭矩；

——在下入和提出测量仪器时遇阻；

——下套管困难；

——套管及钻具、特别是稳定器及钻头出现严重的磨损。

5158m深的中国大陆科学钻探工程科钻一井（CCSD-1）的下部是片麻岩，施工时井斜严重，曾先后在2975m与3400m处侧钻纠斜并取得了一定效果，可是在完钻时该井的最大井斜角还是达到了约28°。

前苏联的科拉SG-3超深井在井深10500m时，钻井的水平偏移已经达到了840m。科拉超深井总共进行了30次定向钻进作业才使井深达到了12000m，在纠斜方面花费了极高的代价。

把超深井上部钻得铅直，是达到13000m科学超深井井深目标的重要先决条件。如果在施工此超深井时井斜角太大，一方面纠斜要耗费大量的时间和经费，另一方面钻井的纠斜处会产生“狗腿”，导致钻进施工中钻具断裂以及摩擦阻力和扭矩加大。

对此问题，最好的解决方案是采用自动垂孔钻进系统。该系统在钻进过程中可随时通过井斜角测量确定实际钻井轨迹与设计轨迹的偏差，并自动采取纠斜措施予以纠正。

德国在实施“联邦德国大陆深钻计划”时，制定了一套行之有效的垂孔钻进战略。他们在7485m的井深范围内，采用了不同的自动垂孔钻进系统，实现了真正意义的垂直孔钻进，整个钻井在7000m以内井斜角基本维持在1°以内。但由于温度的限制，从7485m开始不得不停止使用自动垂钻系统。而在停止使用自动垂钻系统以后，钻井的井斜角快速加大，在井深9069m处达到11°（图212）。

图212 德国KTB主孔的钻井轨迹剖面

使用垂钻系统不仅能实现保直钻进，获得优良的钻井轨迹，还有助于提高机械钻速。在常规的钻进施工中，往往采用低钻压的方法来控制井斜，其结果使机械钻速受到负面影响。而采用垂钻系统后，可实现高钻压钻进，获得的机械钻速明显高于常规钻进。表211 显示了在龙深一井中采用自动垂钻系统控制井斜与一些常规的井斜控制方法是时的机械钻速对比结果。

表211 龙深一井中普通钻井与垂直钻井效果对比

自动垂孔钻进是目前最好的井斜控制方法。该方法已经相当成熟，目前在全球范围内得到了广泛的应用，我国也研发成功了相关器具。13000m科学超深井的井斜控制计划分成两个阶段：第一个阶段是主动式井斜控制阶段，将采用自动垂直孔钻进系统来控制井斜；第二个阶段是被动式井斜控制阶段，将采用一些常规的防斜和纠斜措施来控制井斜。至于在多大的井深实现两个阶段的转换，主要取决于井内温度的情况，因为主动式井斜控制钻具内有电子器件，其耐温能力有限。

采用垂孔钻进器具施工，无法取心，因此该系统只能在全面钻进井段使用。

235 钻进和井斜控制技术方案

2351 采用“超前孔裸眼钻进方法”时的钻进和井斜控制技术方案

采用“超前孔裸眼钻进方法”时的钻进和井斜控制技术方案（表212）

表212 13000m超深井钻进和井斜控制技术方案（超前孔裸眼钻进方法）

1）7500m以上，采用超前孔裸眼钻进方法（小直径取心钻进，扩孔下套管的施工方案），超前孔直径216mm，活动套管直径245mm，活动套管下入的最大井深约为5000m。

2）超前孔取心钻进主要采用孕镶金刚石钻头。为提高机械钻速和回次长度，尽量采用液动锤。

3）超前孔钻进时，取心钻进和全面钻进间隔进行。取心钻进和全面钻进全部采用井底驱动。可能的情况下，尽量采用高转速的涡轮马达驱动，以提高机械钻速。

4）超前孔全面钻进时，采用垂孔钻进系统，一方面可将钻井的上部7000～8000m钻得铅直，为钻达最终目标打好基础；另一方面可实现高钻压钻进，有利于提高机械钻速，节省施工时间和成本。

5）7500～9000m井段，已是活动套管不可下入的深度，考虑采用一次取心钻进（或全面钻进）成井。由于直径太大，采用螺杆马达驱动金刚石钻头取心钻进效果较差。因此，该井段计划采用涡轮马达驱动孕镶金刚石钻头取心钻进。

6）无论是取心钻进，还是全面钻进，全部采用井底驱动。上部采用螺杆马达，下部采用涡轮马达。

7）7500m以上井段，采用主动防斜的井斜控制方案（自动垂孔钻进系统）；7500m以下，采用被动防斜的井斜控制方案，即采用钟摆钻具防斜，施工中测得井斜超标后，采用常规纠斜工具纠斜。

2352 采用等井径钻进方法时的钻进和井斜控制技术方案

采用“等井径钻进方法”时的钻进和井斜控制技术方案（表213）

表213 13000m超深井钻进和井斜控制技术方案（等井径钻进方法）