1.1.1 科拉3井取心技术
前苏联在深部地质研究中十分重视科学深钻的作用，执行了世界上最庞大的科学钻探计划，开钻的6000m以上超深井就有10口左右，其中位于科拉半岛的SG-3井以12262m的深度雄居世界深井之冠。因此，SG-3井是我国实施13000m科学超深井最具参考价值的科学钻探井，其所获得的地层信息和取心方法均值得我们借鉴。
1.1.1.1 钻进碎岩方法
前苏联4000m以上科学钻井的终孔直径一般设计为216mm。该直径进行取心钻进属于大直径取心钻进，采用的主要钻进工具是牙轮钻头。在科拉、乌拉尔和萨阿特累超深井钻进中，都进行过各种金刚石钻头与牙轮钻头使用的对比试验，因为当时金刚石钻头技术水平尚差，结果证明后者为佳。如在乌拉尔超深井中，斯拉乌季契（一种金刚石烧结体）钻头的钻进效率为0.2～0.3m/h、寿命30m；表镶金刚石钻头效果更差；牙轮取心钻头的钻进效率为1～1.5m/h、寿命为7～10m，已满足一般回次长度的要求（8m左右）。
在SG-3井的片麻岩、角闪岩和花岗岩混合岩层中，采用216×60mm牙轮取心钻头的使用效果如下：1217个取心回次的平均钻速为1.8m/h、平均回次进尺为7.6m，但用牙轮钻头取心对岩心采取率有非常不利的影响，虽采用“水力输送岩心取样器”大大减轻了此种影响，全孔岩心采取率也仅为40%。
1.1.1.2 回收岩心方式和取心工具
SG-3井施工尽管几乎是全井取心，也还是通过提钻回收岩心，没有采用绳索取心，原因如下：①牙轮钻头的寿命只有10m左右，采用“水力输送岩心取样器”回次进尺可达8m左右，故采用绳索取心已无意义和必要；②采用绳索取心钻进，岩心易堵塞，回次进尺长度仅能达到3～5m；③“水力输送岩心取样器”的岩心采取率要优于绳索取心。
1.1.1.3 水力输送岩心取样器
在结晶岩的构造应力带，岩石破碎严重。尤其在超深井段，地应力释放导致岩心片化，使岩心变成薄片和碎块，因此，结晶岩超深井的取心是一大技术难题。加上牙轮钻头的取心效果本来就差，故一般的取心钻具用于此种场合时岩心采取率非常低。通过逐步摸索和反复实践，前苏联研制了一种“水力输送岩心取样器”，它可使钻井液在井底实现局部反循环，促进岩心上行，将岩心输送到一个下端封闭的岩心容纳室中，进入此室中的岩心在提钻过程中肯定不会脱落。该取心系统型号为MAT，已成系列，经改进、完善后效果很好，已在其他超深井施工中推广使用。
1.1.2 中国大陆科学钻探工程科钻一井
CCSD-1井是我国实施最深的科学钻探井，也是近期国际大陆科学钻探实施的最深井，是在超高压变质带结晶岩地层中实施的全孔取心钻探井。运用了螺杆马达+液动锤驱动金刚石钻头回转冲击钻进技术，该技术在坚硬结晶岩地层中取得了巨大成功，是我国现代取心钻进技术水平的体现，这为实施13000m科学超深井奠定了技术基础。
1.1.2.1 取心钻头的选择
在硬岩中进行取心钻进，可以选择牙轮取心钻头或金刚石取心钻头。由于牙轮钻头与金刚石钻头在井底的运动特性各异，金刚石钻头钻取的岩心质量较牙轮钻头好很多。
中空牙轮取心钻头在井底回转破碎岩石时，其牙轮既绕钻头轴线公转，又绕牙轮轴线自转。由于钻头中心必须留有空间让岩心通过，其牙轮的锥顶不可能布置在其公转中心，因此，牙轮齿在井底岩石表面产生滚动的同时，还产生滑动。牙轮沿井底旋转滚动时，当牙轮双排齿接触井底岩石时，牙轮的轴心位置最低；而当滚动到单排齿接触井底时，牙轮的轴心便升到最高位置。牙轮在滚动过程中，轴心从最低位置到最高位置，又从最高位置到最低位置，如此反复交替，从而产生纵向振动。因此牙轮在自转、公转、滑动、轴向振动的复合作用下，产生滚动、滑动和冲击振动，冲击、压碎、剪切、切削岩石。由于牙轮在孔底的滑动与振动，使得钻取的岩心表面粗糙，即使在完整的岩层，岩心也很破碎，取心质量较差、采取率低。
金刚石钻头，特别是孕镶金刚石钻头，由于其切削刃粒度小，切入岩石的深度有限，当其在孔底回转时，不会像牙轮钻头那样因切削工具本身的运动而产生振动。而且，钻头在高速旋转时，会产生陀螺效应。因此金刚石钻头在井底转动时，比牙轮钻头要稳定得多，因而所钻取的岩心表面光滑、连续，岩心完整，取心质量好。
综上所述，从岩心采取率和岩心质量考虑，为更好地满足科学钻探井的地学研究，CCSD-1井选择了金刚石钻头取心钻进。
1.1.2.2 岩心打捞方式的选择
岩心打捞方式主要从绳索取心和提钻取心中选择。经过技术经济的理论分析，如钻头寿命能远大于提钻取心回次进尺长度，则绳索取心当属首选。但是，由于德国进口的绳索取心钻杆存在严重质量问题，不得不采用了金刚石钻头提钻取心钻进方式。
1.1.2.3 取心钻进方法的选择
金刚石钻头线速度要求达到2m/s，故Φ157mm钻头的转速需达243r/min。显然，石油钻机的转盘转速不能满足金刚石钻头提钻取心钻进对转速的要求。要提高转速，解决的办法有两种：一是加装高速顶部驱动系统，二是配备高速井底马达。
井底马达驱动方式具有能耗低，对井壁的扰动小的优点，因此，CCSD-1井采取了井底螺杆马达驱动方式。但是，Φ157mm钻孔直径限制了螺杆马达的直径不能太大，因而其输出功率受到限制。加之金刚石钻进要求钻头转速高，要满足转速的要求，螺杆马达的输出扭矩必然受到限制。要确保钻井施工的正常进行，首先必须保证钻头能够正常地回转，这就意味着要牺牲一定的钻压。钻压的减少，必然导致钻速的降低。为此，CCSD-1井在取心钻具组合中加入了一套液动锤，在钻头上施加冲击，使得钻进时所需的钻压大大减少，施加的钻压只要能足以克服井底钻具的反弹即可，破碎岩石主要依靠液动锤产生的冲击力。
CCSD-1井取心钻进总进尺5004.95m，其中使用螺杆马达驱动的冲击回转金刚石钻头取心钻进4042.73m，占取心钻进总进尺的80.770%，平均机械钻速为1.134m/h，平均回次长度6.34m，平均岩心采取率达85.45%。结果表明，螺杆马达+液动锤驱动的冲击回转取心钻进方法，不仅能大大节省能源、减少钻杆磨损，而且钻进效率高，回次进尺长。
1.1.3 塔深1井超深井取心技术
塔深1井完井井深8408m，是中石化重点超深井，目的是为加快塔河油田油气勘探步伐，探索下古生界寒武系大型建隆圈闭的含油气性，实现新领域的导向性突破，从而完成“塔河之下找塔河”的油气勘探目标。为了解目的层物性资料和储层发育情况，该井设计了4段目的层取心。由于该井超深，且取心井段在该井侧钻后长斜裸眼中，岩性以白云岩为主，裂缝发育、地层极破碎，取心施工难度非常大，虽取心段短，也遇到一些在超深井取心中的工艺技术难点。该井在超深井段取心总进尺18.70m，平均取心收获率78.8%，取心深度达到8408m，为我国实施科学超深井提供了宝贵的经验。
1.1.3.1 取心技术难点
除井超深，钻具柔性强等超深井都将面临的难题外，取心井段在该井侧钻后斜裸眼中（井斜6°～25°），斜裸眼段长（6859～8408m），取心段岩性为粉晶和微晶白云岩，裂缝发育，岩性破碎（图1.1）。因此，该井取心技术难点一是破碎岩心造成堵（卡）心，二是钻具在超深、井斜井眼内失稳。在井斜14°～25°，侧钻后裸眼长600～1550m井段，取心钻具稳定性非常差，失稳状态下将造成钻头一侧承受过大钻压，其受过压部分的切削齿就会因超载和冷却不良，过早磨损，甚至过烧，同时也造成钻头的旋转中心偏离几何中心的情况间歇发生，取心钻头未达到良好的工作状态导致采取率降低，第3、4、5回次岩心采取率仅40.7%～71.6%。
图1.1 高角度裂隙发育的岩心
1.1.3.2 取心钻进方案措施
采用了川5-5型取心钻具，取心钻头直径Φ149mm。研究采用了精确的双流道设计和低侵蚀聚晶金刚石钻头，有效地降低钻头底部冲刷岩心的流速，减小了钻井液对破碎岩心的冲蚀。驱动方式采用地表转盘单回转，因此，虽地层可钻性级别不高，机械钻速也仅在1m/h左右，且至最后一回次（井深8408m）时，钻速降至0.74m/h。
1.1.4 其他科学钻探工程
1.1.4.1 德国KTB计划主孔
KTB计划主孔于1990年10月6日至1994年10月12日完成（9101m）施工。钻孔剖面的主要岩石为片麻岩、角闪片麻岩、角闪岩、变质的辉长岩和大理岩等。主孔在4000m以浅不取心，但连续采取了岩屑样品。4000m以深使用牙轮钻头和金刚石钻头仅累计取心83.34m，且8085.1m以深后期因技术问题未取心。深部、超深部取心比例小成为KTB计划的一大遗憾。
1.1.4.2 松科一井（主井）
位于大庆油田的SK-1井，是国家“973”计划项目“白垩系地球表层系统重大地质事件与温室气候变化”的所属工程，是国际大陆科学钻探计划框架下的全球首例陆相白垩系科学钻探工程。其科学目标之一，是通过厘米级样品的取样与分析，建立全球范围内可对比的陆相白垩系综合剖面，将传统地质学的百万年时间分辨率提高到万年尺度，使地质学研究能够为预测未来全球环境变化提供更多的科学依据，因此，高质量地采取需研究地层的岩心实物，对该项目极为重要。
SK-1井（主井）完钻井深1810m，164.77～1729m连续取心，钻遇了松散砂岩、水敏泥岩、疏松砂岩、弱胶结砾岩、致密泥页岩等沉积岩地层。沿用的是CCSD-1井研制的KT140取心钻具。为克服松散地层采取率低，软泥岩地层泥包、抽吸作用，地层频繁穿插变化，致密地层机械钻速低等困难，研发与选用硬质合金、PDC钻头、孕镶金刚石3类多种结构形式的钻头和2种隔液保形单动双管取心钻具，采用转盘单回转与螺杆马达+转盘复合回转钻进工艺，取得了一系列沉积岩地层取心钻进的成果。
1.1.4.3 WFSD工程
汶川地震断裂带科学钻探工程（WFSD）的主要实施目的之一是连续获取岩心，供地学研究地震断裂发震机理。龙门山断裂带历史上经历了多次地震，地层主要是极其破碎，并含有部分极松散无胶结地层、强水敏性断层泥岩地层。因此，如何在极破碎、松散地层中高效、优质地取心钻进是WFSD钻探施工的关键技术。针对WFSD工程复杂地层条件，采用了隔液、半隔液取心钻进结构、半合管无损出心、转盘+螺杆钻复合回转钻进、转盘+螺杆钻+液动锤复合回转冲击钻进等有效的技术手段。
WFSD工程取心钻进所遇的最大难题是，几个子工程均全孔破碎，堵（卡）心严重，这导致工程平均回次进尺短，虽采用了隔液、半隔液的钻进结构，孔底动力驱动稳定取心钻具等措施，平均回次仍难达到3m。岩心的原状性对地震科学钻探和环境科学钻探都极其重要，SK-1井研发了水力出心装置，WFSD工程采用了半合管技术，很好的确保的岩心的原状出管。项目组在半合管加工工艺上不断地突破，将半合管长度从最初的1.5～2m加长至6m。
1.1.5 超深井取心技术难点分析
分析以上国、内外已实施的科学钻探井和石油天然气钻井的超深井取心，实施13000m科学超深井，取心钻进所面临的主要难点是：高强度、刚度、稳定性和单动可靠性高的取心钻具及配套的取心钻头、扩孔器的设计；6000m以浅沉积岩地层的多变性，即存在难取心地层、又存在难钻进地层；6000m以深结晶岩地层主要是如何实现快速、长回次的取心钻进，解决超深部因应力释放导致的破碎、片化地层堵（卡）心。
1.1.5.1 取心钻具设计
超深部取心钻进是在高温、高围压、地应力释放强烈的条件下进行，拟由地表与加冲击器的孔底动力机联合驱动。强度高、刚度、稳定性和单动可靠性好的取心钻具及配套的钻头、扩孔器的结构设计，是安全、高效地满足地学研究要求的岩心采取率与岩心质量的前提。在超深部取心，我国即没有成熟的经验，也无法模拟其恶劣的工况，各种形式的钻具失效均有发生的可能。
高温、高压不仅是钻井液、孔底动力钻具使用的不利因素，也制约着取心钻具单动结构的设计。单动双管（或三管保形）取心钻具是满足科学钻探岩心采取率及原状性高要求的最佳选择，而现有的单动结构多采用了密封轴承结构，在深孔高温、高压的恶劣工况下极易失效。
取心钻具管材的选型决定钻头的环状碎岩面积，这将直接影响取心钻进效率。大壁厚的管材固然能增强钻具的强度、刚度及稳定性，但也牺牲了机械钻速，反之，薄壁钻头取心则安全度降低。石油天然气钻井因取心少，较少考虑提高取心钻进机械钻速；地质岩心钻探以取心钻进为主，多使用薄壁金刚石钻进技术，以尽可能提高机械钻速以达到较好的经济效益。如何兼顾安全性和经济性，是超深井取心钻具设计的难点。
1.1.5.2 沉积岩地层取心技术
科学钻探多在构造带等地学意义重大的区域实施，地表手段难以准确预测将钻穿的地层。从国内、外来已实施的科学钻探工程来看看，都钻遇了多种复杂地层和不同类型的难钻进地层。13000m科学超深井按中、深部以浅井段（≤6000m）为沉积岩地层，超深井段（＞6000m）为结晶岩地层考虑。不同地层都须有相适应的取心钻具、配套的取心钻头及相应的技术方法。
实施科学超深井是一项长期、高耗的系统工程，沉积岩地层钻探是其第一阶段，快速、高质量地完成6000m以浅沉积岩地层钻探任务，可为超深部施工提供良好的井眼条件和自信心，也为系统工程节约大量的时间、经济成本。我国已实施的SK-1井便是在浅层沉积岩地层实施的环境科学钻探工程，石油天然气钻井也几乎都是在沉积岩中完成，从经验来看，在沉积岩地层取心钻进，其难点主要为：
1）软泥岩钻头易泥包、岩心膨胀，机械钻速低、易膨胀堵心；
2）致密泥页岩中合金、PDC切削碎岩难以实现，其极低的研磨性和一定的塑性又致使磨削方式钻头打滑，钻进效率低；
3）塑性软泥岩中卡簧易失效，加上提钻过程中强大的抽吸作用，易出心岩心整体或部分被拉出的情况。
受制于取心钻头结构和保护岩心的要求，取心钻进不能像石油天然气钻井一样采用水力碎岩方式和大钻压钻进，所以，须设计适应深孔沉积岩地层的取心钻具及配套的高效取心钻头。
1.1.5.3 结晶岩地层取心技术
结晶岩地层技术难点主要是两方面：一方面是地层可钻性级别很高；另一方面是超深部应力释放导致的岩石片化、碎化。
我国已在CCSD-1井中成功的探索出了螺杆马达+液动锤孔底动力联合驱动取心钻进系统，但在高温、高压的超深井段，尚无成功经验。在超深井段，螺杆马达和液动锤的橡胶件都易在高温、高压环境中失效，仅能使用无橡胶件的涡轮马达高速回转驱动金刚石取心钻头。所以，在超深部结晶岩地层快速、安全地取心钻进是科学超深井面对的重大挑战。
SG-3井、塔深1井经验表明，在深井的构造应力带，岩石破碎严重，尤其在超深井段，地应力释放导致岩心片化，使岩心变成薄片和碎块。即使在浅层破碎地层取心，堵心仍是目前难以解决的取心技术难题。由此可见，超深部井段结晶岩破碎地层取心是最大的技术难题之一。
1）取心钻头和钻具的旋转和振动，对本就破碎岩心有破坏作用，使其难以成柱状顺利进入钻具内腔；
2）钻进液对破碎岩心的冲蚀，会造成小颗粒的损失、破坏岩心的原状性、降低采取率；
3）破碎岩心承载能力小，随着进入内管岩心长度的增加，入管阻力在内管壁摩擦力和岩心自重的双重阻力下逐渐增大，最终阻止岩心入管，造成采取率下降和回次进尺减少；
4）出心时，岩心受力状态变化，强烈释放的地应力使岩心进一步碎裂，阻碍岩心顺利出管，原状性易被破坏。
以上因素都会降低超深部地层岩心采取率、破坏岩心原状性、降低取心钻进效率。实施13000m超深井取心钻进，回次进尺之于取心钻进效率尤为重要，而深部地层堵心制约着回次进尺，这将随着取心钻进比率的增加，成为影响钻井周期的关键因素。