钻井方法研究
(1)金刚石绳索取心钻进
在世界各地的地质勘探钻探施工中，应用最广泛、综合地质效果最好的钻探技术主要是金刚石绳索取心钻探技术。绳索取心钻井技术(WL)最早诞生于20世纪40年代的石油钻井行业，后由美国朗伊尔公司改进和发展，并应用于固体矿产的岩心钻探施工。此后在世界范围内广泛使用，至今已有近70年的历史。WL钻井技术的诞生和成功应用，实现了无钻取心，大大提高了钻井效率，被称为地质岩心钻井技术的一次革命[24，25]。
国外一直重视并不断发展和完善金刚石WL钻井技术。重点研究了钻杆的选材、加工精度、热处理和几何尺寸，进一步提高了钻杆的强度和韧性以及连接螺纹的可靠性。同时对金刚石钻头进行了深入的研究，提高了钻头的寿命和钻进效率。
自20世纪70年代中期以来，中国开始研究和推广应用金刚石WL钻探技术，在地质找矿中发挥了重要作用。截至1990年底，钻井工作量达到1505 m，钻井速度和台月效率大幅提高，取得了显著的经济效益和社会效益。这项技术在全国探矿领域几乎普及，并因此获得了国家科技进步一等奖[65438然而，在1992以来的十年间，由于矿产勘探工作量的急剧减少和钻探施工单位向建筑基础领域的转型，金刚石WL钻探技术的应用也明显减少，导致这项技术的发展非常缓慢，甚至停滞不前，与国外先进国家的差距进一步拉大。WL钻井钻杆的使用寿命、可靠性、钻井效率、钻孔深度都有明显差距，WL钻井技术完成的岩心钻探工作量还不及全部。近年来，随着新一轮地质找矿浪潮的兴起，这项技术又得到了恢复和发展，应用广度和深度进一步扩大。以山东、河北为代表的省地勘局进一步推广和完善了这项技术，对“挖深找盲”和提高效率起到了突出的作用。钻孔深度、钻孔效率等多项指标不断突破，技术水平大幅提升。
(2)液压锤冲击回转钻进
国外历来重视发展液压冲击回转钻井技术。潜孔液压冲击器(又称液压潜孔锤，以下简称液压锤)起源于欧洲。1887年，德国人沃尔特·布什曼在英国获得了一项新的钻井方法的专利。该技术的核心是利用泵供给的液体能量驱动液压冲击器不断冲击旋转的钻头，从而实现冲击旋转钻井。自20世纪50年代以来，美国、加拿大和前苏联研制了几种实用的液压冲击器。在地质矿产钻探方面，研究最有效的是前苏联。1900 ~ 1905开展了液压冲击回转钻进技术研究，1970开始逐步应用于生产实践。20世纪60年代，匈牙利研制了5种φ 48 ~ 160mm的双作用液压冲击器。液压冲击钻具装配在专用拖车上，并配有相应的泵、除砂器、取芯工具、钻头和事故处理工具，携带灵活方便，可为建筑矿山或建筑工地的多台钻机服务。日本对液压冲击器的研究始于20世纪70年代，李根公司开发的WH-120N双作用液压冲击器获得成功。它最大的特点是以气体和液体为工质[14]。
近年来，国外在液压锤领域的研究工作相对较少，主要有泛美石油公司开发的双作用液压锤，澳大利亚SDS公司开发的FH系列液压锤，德国Kloster大学制造的复合式液压锤(带正压阀和双作用冲击锤)(拟用于德国KTB项目，但未采用)，均为清水驱动(100μm过滤)。由于冲洗液不能有效保护墙体，使用深度有限，最深应用记录只有590m·m。
我国从1958年底开始研究，到80年代末，我国对液压锤的研究达到顶峰。地质和冶金部门为小口径取心钻探开发了各种类型和规格的液压锤，包括正作用、双作用、反作用和复合液压锤。全部型号达到30余种，累计进尺超过百万米，实现了良好的技术。粗略统计可提高钻井效率30% ~ 50%，同时可明显提高钻井质量和岩心收获率，延长进尺，降低材料消耗。现阶段，我国液压锤的研究和应用水平已达到世界先进水平，是继前苏联[14，26]之后在小口径矿产勘查领域广泛应用液压锤钻探技术的国家。
20世纪90年代，由于我国地质勘探工作量锐减，小口径液压锤的研究投入几乎中断，这些成果没有得到很好的应用和完善。这项技术的研究和应用转向了水文水井、油田和工程建设用大口径液压锤的研究。直到1997年，中国地质调查局勘查技术研究所研制出新型YZX系列液压锤(图1-3)，其静密封可靠性、耐高温性和对深孔背压的适应性得到了改善和提高。特别是在中国大陆的科学钻探项目中，他们研制的YZX 127液压锤连续钻进近500次，创造了复杂泥浆环境下单井总进尺3485.71m，最大应用深度5118.2m的世界纪录。此外，勘探技术研究院还为大陆科学钻探和勘探工程研制了KS-1 57绳索取心液压锤、SYZX273液压锤和螺杆马达/液压锤/WL-三合一钻具，均获得成功，为提高钻井效率、防止岩心堵塞、延长返出进尺、减少井斜发挥了重要作用[14
图1-3新型YZX系列液压锤
该项技术在科钻1井的成功应用，推动了我国钻井技术的进步。同时，大陆科学钻探工程也对液压锤钻探技术的大发展起到了非常重要的推动作用，使我国的深孔液压锤钻探技术达到了国际领先水平，受到了国外许多同行的高度评价。德国、澳大利亚、美国等公司都从中国引进了这项技术进行实验研究。但迄今为止，国外液压锤取心钻井最大孔深为2000m，是前苏联创造的(无详细资料报道)。澳大利亚SDS公司与PDVSA公司合作，在PIC26井4333.03 ~ 4353.15 m井段测试了液压锤全面钻进的最大孔深。总的来说，深井用液压锤还处于研究和试验阶段，还没有达到大规模应用的水平。国内对深孔条件下液压锤工作性能的理论分析和研究有待进一步深化。特别是在固体矿产小直径钻井的普通生产条件下，泥浆固相控制系统还停留在传统的岩石粉末自然沉淀的水平，钻井过程中泥浆固相含量高，导致液压锤内部零件频繁卡死，工作寿命大大降低，从而导致频繁钻井。在推广过程中，虽然液压锤钻进的优点被大家认可和接受，但实际应用还是比较少[14，28]。
(3)动力锤反循环钻进
在许多国家，气动DTH锤(以下简称动力锤)反循环钻进技术也得到了很大发展。该技术主要有两种，一种是通过普通动力锤+跨通道接头+双臂钻杆实现，即RC或中心取样回收(CSR)钻井技术；另一种是通过带RC取心钻头和双臂钻杆的穿心式动力锤实现的，即穿心式RC钻井技术。由于动力锤RC钻进技术改变了传统的破岩取心方式，其钻进施工效率可提高3 ~ 10倍，成本可降低1/2 ~ 2/3。因此，动力锤RC钻井技术被钻井界称为继WL钻井技术之后的又一次革命[16，29]。早在80年代中期，美国、加拿大、澳大利亚等国家就在探索阶段研究、开发并广泛应用了这一技术。Samplex-500是美国于1989年研制的无阀通孔动力锤，被各大钻井公司用于CSR钻机上[30]。目前，仅在美国西部就有超过65，438+050的动力锤RC钻探设备用于各种地质和矿物勘探，包括砂金和岩金矿床勘探。据悉，动力锤RC钻探技术完成的地质钻探工作比例在澳大利亚已超过80%，在美国接近80%，在东南亚接近60%，在非洲接近30%。有些矿区几乎全部采用电锤RC连续取样钻进方法，或按电锤RC连续取样钻进与WL钻进工作量之比为20: 1布置。电锤RC钻孔最大孔深已超过700 m [16]。
中国自20世纪80年代以来一直在研究这项技术。勘探技术研究院等单位研究了常见的短孔锤RC或CSR钻井技术。1987引进加拿大钻机进行CSR钻探试验，相继研制出专用设备、不同规格的双壁钻杆和辅助装置，并在个别矿区得到应用。原长春地质研究所研究了穿心DTH锤RC钻井技术，先后研制出GQ系列穿心DTH锤及相应的RC取心钻头等。特别是对RC取心钻头的RC机理、喷射器原理和内部流场做了大量的研究工作，取得了许多研究成果。但由于国内地质界尚未认可用岩屑代替传统柱状岩心进行矿产资源评价，目前没有相应的标准可循，地质钻探设计也无法采用该技术，因此该技术未得到推广应用。只有当矿区地层特别复杂，无法钻孔取芯时，才进行试验性应用。如在河南栾川县三道庄钼矿、河南嵩县金矿、新疆白干湖钨锡矿等复杂地层的地质勘探中，就采用了穿心电锤RC钻进技术。此外，国外矿业公司出资的一些矿区，如澳大利亚瑞祥公司，在黑龙江嫩江的正光岩金矿勘探中，要求采用RC钻探技术。采用后取得了显著的技术经济效益，钻井施工效率提高了3 ~ 10倍，成本降低了1/2 ~ 2/3 [29]。
(4)泡沫钻井
钻井工程中使用的泡沫始于20世纪50年代中期。当时，为了在干旱缺水、稳定性差的地层中钻井，内华达州首先使用了泡沫钻井液。由于泡沫钻进的向上速度仅为空气钻进的1/10 ~ 1/20，有效保证了孔壁的稳定性。此后，美国进一步开展了适用于盐水、油层和永冻层钻井的泡沫流体研究，扩大了泡沫钻井的应用范围，取得了良好的经济效益，成为低压油田开发的有效手段。
前苏联于20世纪60年代初开始泡沫钻井的实验研究。20世纪70年代，小直径金刚石取心钻井从泡沫开始，对泡沫钻井过程中的泡沫流变性、温度和压力进行了深入的理论研究。经过十多年的前期研究，证明与常规冲洗液相比，钻机机械钻速提高30%，钻井次数进尺提高22.5%，钻井效率提高25%，金刚石消耗降低28%，电耗降低23%，综合经济效益提高34%。到1984，前苏联泡沫钻井技术钻井工作量近10×104m，各种起泡剂供应量也有60 ~ 70t [31，32]。
在美国、加拿大、德国、英国等国家，泡沫钻井技术也得到迅速发展，并被列为未来新技术发展的方向。80年代初，美国基本完成了泡沫钻井的各项研究工作。1980年，桑迪亚国家公司开发了100多种阳离子、阴离子、复合、非离子起泡剂，以满足各种复杂地层条件下泡沫钻井的需要。泡沫钻井设备已达到系列化；钻井技术已经达到了计算机控制的水平。
我国对该技术的研究起步较晚。20世纪80年代中期，泡沫首次用于石油系统的洗井和钻井，并开发出F873和TAS等起泡剂。此后，地质、煤炭系统也开展了这方面的研究工作，先后研制出KZF123、CD-1、CDT-812、CDT-813、DF-1、ADF-1。但由于地质钻井工作量的急剧减少，该技术的初期投资、能耗和泡沫回收成本均高于普通钻井技术，导致其推广应用处于停滞状态。直到90年代中后期，长春理工大学在原地矿部立项，研究水泵泡沫增压装置，取得了泡沫增压泵容积效率达到90%的效果。2000年，为配合西部大开发，在上述研究的基础上，专门研制了大型水泵加压泡沫灌注系统。经过宁夏西海固地区的实际施工测试，水泵的抽水能力达到了5MPa，可喜可贺[31，32]。另外，吉林省科委已经启动了泡沫DTH锤的专项研究，并取得了突破性进展，但目前还需要进一步的实验研究和改进才能用于生产。