中国大陆科学钻探工程(CCSD)是国家批准实施的重大科技工程，同时也是国际大陆科学钻探计划(ICDP)的一项工程。工程选址在世界上规模最大的超高压变质带上，为世界所瞩目。为了达到工程的科学目标，要求连续在坚硬的结晶岩中取心钻进5000m。这在世界上也属罕见。因此，能否高效、低成本地连续取心钻进5000m坚硬的超高压变质岩，是中国大陆科学钻探工程成败的关键。 研究开发一种适应于硬岩深孔的科学钻探取心钻进新方法，满足中国大陆科学钻探的急需，确保在预算的经费范围内，按照地质设计要求，取全取准岩心样品，为实现中国大陆科学钻探工程的科学目标和工程技术保驾护航，对中国大陆科学钻探工程的顺利实施，具有重大的现实意义。研究开发的取心钻进方法在石油钻井、地质勘探、矿山开发中的推广应用，能促进我国整个钻探行业的技术进步，对促进我国的经济发展，具有深远的历史意义。同时，运用波动理论、振动理论对研究开发的取心钻进方法进行理论方面的研究，可以丰富钻探工程学科的理论基础，带动钻探工程学科的基础理论研究。 取心钻进技术按其应用领域，主要可分为石油取心钻进技术、地质勘探取心钻进技术、科学钻探取心钻进技术三大类。 石油钻井领域，在取心钻进方面的研究主要注重于钻头和用于不同地层(主要是松软地层)、满足不同取心要求的取心筒的结构等工具方面的研究，对取心钻进方法研究较少。 地质勘探领域，在研究取心钻头、取心工具的同时，对取心钻进方法进行了大量的研究，相继研究开发了水力反循环连续取心方法、空气反循环连续取心方法等新型的取心钻进方法。但这些方法目前都还处于研究摸索阶段，且所钻进的孔深受到限制，不适合硬岩深孔钻进。 科学钻探领域，大洋钻探计划开发的各种取心工具，其针对性很强，只适合用于洋底取心，不适应大陆科学钻探硬岩深孔取心钻进。大陆科学钻探中，普遍采用的取心钻进方法主要有两种。一种以前苏联实施的科拉超深钻项目使用的牙轮钻头提钻取心方法为代表，其主要优点是牙轮取心钻头钻进时高，如在科拉超深孔的片麻岩、角闪岩和花岗岩层中，牙轮取心钻头的平均钻进时效高达1.8m／h。但是这种取心方法钻取的岩心表面粗糙、凸凹不平，取心质量差；而且岩心采取率低，如科拉超深孔的平均岩心采取率仅为40％左右。严格意义上说，此种取心钻进方法不能很好地满足科学钻探对岩心的要求。另一种以德国KTB先导孔使用的大直径金刚石绳索取心为代表，这种取心钻进方法由于无需提钻取心，辅助作业时间大大减少，其综合效率较高。并且由于采用金刚石取心钻头钻进，钻取的岩心表面光滑，取心质量高，岩心采取率也高。 科学钻探要求对所取岩心进行数码照相与扫描，然后将数码照片与扫描图象与通过微电阻扫描测井或声波扫描测井获得的孔壁图象进行比对，从而将岩心进行归位，获得地层产状、节理、片理、面理等构造因素的空间走向与方位。以利进一步的地学研究。因此对岩心的表面质量要求较高。牙轮取心钻头由于其本身在孔底的运动特性，钻取的岩心表面粗糙不平，不利于上述各构造要素的提取；而金刚石取心钻头钻取的岩心，表面光滑平整，在其表面能清晰地读取各构造要素，因而是科学深钻取心钻进比较理想的取心工具。 绳索取心由于其显著的优越性，最适合于科学深钻。但由于其钻杆的连接强度要求高，加工生产困难，因而钻杆成本很高。当钻头制造水平有限、钻头寿命较低时，或者岩心解堵技术较高，可进行长回次取心钻进时，提钻取心也可作为科学钻探钻进方法的一种选择。 地质勘探取心钻进技术体系与石油取心钻进技术体系相比，能耗少、钻速高，能更好地满足科学深钻取心钻进的要求。 大洋科学钻探中使用的各种取心钻具，由于其服务领域与大陆科学钻探不同，不适合用于大陆科学钻探。但是孔底动力驱动钻头进行取心钻进的技术，可以在进行大陆科学钻探取心钻具设计时予以参考。 文章借用定向钻进中的摩阻计算方法，应用“柔性钻柱”模型，对回转钻柱所需功率(能量)计算公式进行推导，得出了与钻孔轨迹(顶角、方位)相关的、回转钻柱所需功率的计算公式。利用推导的公式，并以中国大陆科学钻探工程科钻一井为例，对孔底驱动和地表驱动分别钻进5000m钻孔时所消耗的能量之差进行了计算，计算结果表明，孔底马达驱动能大幅度的节省能源。 文章对提钻取心和绳索取心两种方法的钻进总时间和钻进总费用的计算公式进行了推导。在此基础上提出了临界孔深的概念，认为综合考虑钻进时间和钻进成本，提钻取心与绳索取心间有一临界点。当钻孔深度小于临界孔深时，采用提钻取心方法比较经济实用；当钻孔深度大于临界孔深时，采用绳索取心的优越性凸显。临界深度不是一固定值，它与两种取心方法所使用的钻头的寿命、能达到的回次钻进长度、设备成本和钻柱成本等有关。钻头寿命越高，临界孔深越小；回次长度越长，临界孔深越大。绳索取心设备与钻柱成本越高，临界孔深越大。因此，增加钻进的回次长度，可以增加提钻取心钻进方法的适应孔深。 在上述研究分析的基础上对科钻一井的取心钻进方法进行了详尽的研究与设计。认为科钻一井的最佳取心钻进方法为绳索取心方法。但是，由于受各种条件的限制，只能采用提钻取心钻进方法。从节约能源与减少钻柱磨损的角度出发，认为采用孔底动力来驱动钻头比较经济。对比孔底涡轮马达与孔底螺杆马达的性能特点和输出特性后，认为孔底螺杆马达能较好地满足钻进工况的要求。螺杆马达受钻孔直径和泥浆泵额定压力的限制，直径不能太大，级数也不能太多，因而输出扭矩和输出功率有限。为了确保其在孔底能正常运转，不得不降低钻压。为了弥补钻压不足带来的钻速下降，同时也为了降低岩心堵塞几率、增大回次进尺长度，在孔底钻具组合中加入了液动锤，以实现冲击回转钻进。最终设计出了螺杆马达驱动的冲击回转金刚石取心钻进方法，并为该方法在科钻一井中的应用设计了孔底钻具组合。 螺杆马达驱动的冲击回转金刚石取心钻进方法，在科钻一井中得到了成功的应用，共钻进4042.73米。平均机械钻速1.134m／h，平均回次长度6.34m，平均岩心采取率85.45％。其钻进效果明显比科钻一井中曾经试用过的其它八种钻进方法好。实践证明，螺杆马达驱动的冲击回转金刚石钻进方法不仅能节省能源、减少钻杆磨损，而且能大大提高机械钻速、大大增加回次长度，不失为科学钻探施工的一种经济实用的钻进方法。 从振动的基本理论入手，以复变函数和傅里叶级数为数学工具，建立了螺杆马达驱动的冲击回转钻进的振动模型、谐和激励模型、液动锤冲击力的数学表达式、振动方程以及振动基波和谐波方程。认为螺杆马达驱动的冲击回转钻进孔底钻具组合的振动为1自由度线性阻尼系统在周期扰力作用下的定常强迫振动。建立了液动锤产生的冲击力的函数表达式和螺杆马达驱动的冲击回转钻进孔底钻具组合在液动锤的冲击作用下的定常强迫振动的振动方程。 对液动锤产生的应力波(即冲击波)在孔底钻具组合中的传播规律、变化过程以及对孔底岩石所作的功等方面进行了研究。通过对应力波在孔底钻具组合上的传播过程分析、能量传播效率分析，得出了冲锤长度、直径、冲击速度和材料的弹性模量以及岩石的硬度系数都是影响能量传递效率的重要因素、也是关系到从岩心外管反射的应力波是否能对岩石做功的重要因素的结论。增加冲锤的长度，减少冲锤的直径，都有利于增大应力波经反射后形成的第二次入射波对岩石做功，因而可以提供能量利用率，增加破岩效率。 文章最后以断裂力学方法对冲击回转钻进方法的机理进行了初步的理论探讨。在地下岩体中，天然地存在有许多微观裂纹与节理，冲击使近钻头的岩石发生裂纹断裂、破碎，形成破碎小坑；使远离钻头的岩石中的微观裂纹扩展、连通、甚至断裂。在离钻头更远区域，使岩石产生新的微观裂纹。回转使冲击产生的破碎小坑沿圆周方向扩大，并使钻头上的金刚石颗粒换位。