摘要
在战略性矿产资源勘探取样过程中，传统的垂直孔面临着单孔投资高、获取地质信息有限等难题，无法满足高效增储勘探的需求。为此，基于绳索取心和定向钻井技术，设计了一种定向钻进连续取心钻具，能够高效精准的获取地下三维空间的地质岩心。针对该技术在硬岩中钻进效率低、钻具易折断、岩心难以连续获取等技术难点，采用仿真模拟的方法分别研究了钻压、转速、造斜率对定向取心钻进的影响。仿真分析结果表明，钻压、转速与钻进速度、造斜率和弯接头应力成正比，当钻压>30 kN、转速>230 r/min时即可满足6°/30 m的造斜需求。综合考虑钻具使用寿命，优选钻压为25~30 kN，转速为230~300 r/min。随着造斜率增大，岩心与岩心管之间的接触应力也随之变大，但最终的接触应力会保持在稳定范围内。当造斜率为9°/30 m时，最大的接触应力为514.7 MPa，均小于岩心管材质的屈服强度。上述仿真模拟为定向钻进连续取心钻具的钻进参数与造斜能力协调优化提供理论支撑。
随着新一代智能技术、高端装备及新能源技术的快速发展，我国对战略性矿产资源的需求仍将持续保持在高位状
定向钻进连续取心技术作为一种高效精准的取样技术，不仅能够以“一孔多枝”、“分支井”等方式大幅降低地面布孔数
本文基于绳索取心技术和定向钻井技术，提出了一种新型定向钻进连续取心钻具结构和工艺。针对定向孔在硬岩中钻进效率低、钻具受力复杂易折断、岩心难以连续获取等难
定向钻进连续取心钻具（见
图1 定向钻进连续取心钻具结构原理示意
Fig.1 The structural principle of directional continuous coring tool
1—绳索打捞机构；2—弹卡定位机构；3—推靠导向机构；4—随钻测量存储探管；5—可提捞式小口径大扭矩螺杆马达；6—偏心轴承组件；7—轻质高强取心管；8—传扭管；9—外管；10—岩心定向机构；11—定向取心钻头
实施定向取心钻进的目的之一是获取地下矿层的岩心，掌握更多的地质矿产信息。基于当前成熟的绳索取心工艺，制定了定向钻进连续取心工艺。定向钻进过程中根据随钻测量仪器的测量结果及钻孔设计轨迹来调整实际钻进轨迹，具体的取心工艺流程主要包括（见
图2 定向钻进绳索取心工艺流程
Fig.2 The processes of wire‑line directional coring
（1）内管总成投放。在定向钻进过程中，钻孔轨迹可能存在垂直段、倾斜段和水平段，内管总成自由落体投放很可能无法到位。因此需要通过泥浆泵将其泵送到孔底指定位置。当内管总成到位后，钻井液会流经螺杆马达，驱动螺杆马达回转，通过花键将回转扭矩传递到传扭管，进而带动取心钻头回转。其中的偏心轴承组件将传扭管和外管的运动隔离，只有取心钻头回转，减小螺杆马达的工作扭矩。当螺杆马达到位后，泥浆泵泵压会有一定程度的增加，用于判断内管总成是否到位。
（2）钻进取心。当内管总成投放到位后，开始取心钻进。在钻进过程中会根据设计的钻孔轨迹来调整钻孔的方位角和倾斜角。此时就要求取心钻具的内外管总成轴线能够与钻孔轴线保持一致，不仅要确保岩心能够顺利进入取心管内，还能有效减少钻具的折断、磨损及岩心脱落等事故的发生。
（3）内管总成回收。当回次进尺达到取心管长度时，即可进行内管总成的回收打捞。通过打捞器抓取取心钻具，随着打捞器的上提，取心钻具弹卡回收，实现解卡，将整套取心钻具打捞到孔口。拆卸钻具，取出岩心管内的岩心。重新组装钻具，重复以上流程继续进行取心钻进。
基于三点定圆法，计算定向钻具的几何造斜率，需要建立坐标系，并确定圆
图3 定向钻进连续取心钻具造斜模型示意
Fig.3 The deviation model of directional continuous coring tool
根据模型中的坐标参数，得到的造斜曲率计算公式见
| （1） |
式中：k——造斜曲率；L1——钻具单弯点到PDC钻头的距离，m；L2——单弯点到上推靠块的距离，m；γ——结构弯角，（°）。
定向钻进过程中PDC钻头是实现定向造斜钻进的重要部件之一，既受到地层的约束，也受到钻杆传递下来的钻压和螺杆马达扭矩的影响，受力情况较复杂，如
图4 定向钻进PDC钻头受力示
Fig.4 The force diagram of PDC bit for directional drilling
在z轴方向上受力平衡方程；
| （2） |
在x轴方向上受力平衡方程：
| （3） |
在y轴方向上受力平衡方程：
| （4） |
扭矩平衡方程为：
| （5） |
式中：M——钻头受到钻杆回转的扭矩；Nh——切削齿在水平方向的反力；f1、f2——井壁对钻头两侧的摩擦力；R——钻头半径；——切削齿距离中心距离。
由于单弯螺杆马达的作用，为钻头施加了扭矩M1，因此扭矩平衡方程：
| （6） |
式中：——切削齿在垂直方向反力；——切削齿垂向距离。
定向钻进连续取心钻具在钻进过程中受力十分复杂，为了研究钻进效率和岩心与钻具之间的相互作用关系，将绳索打捞机构、弹卡定位机构、随钻测量存储探管、螺杆马达等对分析结果影响较小的部件进行简化，构建了定向钻进连续取心钻进模型，如
图5 定向钻进连续取心模型示意
Fig.5 The schematic model of directional continuous coring
| 参 数 名 称 | 取 值 |
|---|---|
| 取心钻头外径/mm | 135.5 |
| 取心钻头内径/mm | 50 |
| 中空单弯接头角度/(°) | 0~3 |
| 外管总成最小内径/mm | 85 |
| 内管总成最大外径/mm | 90 |
| 取心管内径/mm | 56 |
通过Solidworks软件建立了定向取心钻具与地层的三维模型，利用Abaqus软件对钻进效率和岩心与钻具的相互作用关系开展仿真分析。建模过程中由于钻头形状不规则，拓扑结构复杂，很难划分为六面体网格，又由于钻头要与岩层发生相互作用，因此采用C3D10M二次修正四面体单元，对钻头施加刚体约束，由于其各个节点自由度不参与平衡方程的计算，因此采用四面体网格进行计算。实钻岩层选择为泥质砂岩，为了提高计算精度和缩短计算时间，井壁网格尺寸设置相对较大，可有效减少网格数量，实钻岩层网格划分较细，网格尺寸设置为2 mm，可有效模拟钻进过程，所有网格划分完毕后，总网格数达到442714个。
在定向取心钻进过程中，钻进效率主要涉及到两个方面：（1）钻进速度，决定了能否快速钻达目标地层；（2）造斜能力，这个指标是体现定向钻进质量的一个重要指标，决定了能否按照设计轨迹完成钻孔任务。因此，为了研究定向取心钻进过程中的钻进效率及造斜工艺参数，通过Abaqus软件运用有限元分析法对钻进过程进行动力学仿真模拟，以探讨不同钻压、转速对定向钻进效率影响规律，提出定向取心钻进与造斜能力的协调优化工艺参数。
钻压作为重要的钻进参数之一，对钻进速度和钻具的造斜能力有着至关重要的影响。因此，通过设置不同的钻压来仿真模拟定向取心钻进效率的变化情况。依次在定向钻进连续取心钻具上端面施加了15、20、25、30、35 kN五组不同钻压，中空单弯短节角度设置为1.0°，转速为200 r/min。通常情况下钻具与井壁的滑动摩擦系数为0.1~0.5，根据钻具表面的粗糙度和井壁的完整性，模型中设置钻具与井壁滑动摩擦系数为0.2。
从
图6 钻压对钻进速度、弯接头应力和造斜率的影响
Fig.6 The effect of WOB on drilling speed, stresses on bent joint and deviation rate
图7 不同钻压下钻进岩层应力分布云图
Fig.7 Cloud maps of stress distribution in drilled rock under different WOB
转速是影响钻进效率的又一关键因素，定向钻进PDC钻头的回转主要通过螺杆马达来提供。选用螺杆马达所需钻井液流量为200~500 L/min，压降1.2~7.0 MPa，最大转速413 r/min，最大扭矩为690 N•m。因此在仿真模拟过程中，根据选定的螺杆马达产生的转速，设置100、200、300和400 r/min四组转速，钻压优化后设置为30 kN，钻具与井壁的滑动摩擦系数为0.2。
图8 转速对钻进速度、弯接头应力和造斜率的影响
Fig.8 The effect of rotational speed on drilling speed, stresses on bent joint and deviation rate
图9 不同转速下钻进岩层应力分布云图
Fig.9 Cloud maps of stress distribution in drilled rock under different rotational speeds
造斜率是衡量定向钻进的一个重要指标，同时也对岩心的获取有着重要影响。为此分别设置3、6、9°/30 m三种造斜率来研究岩心与岩心管相互作用的接触应力，进而讨论对定向岩心的影响。模型设置钻进速度为2 m/h。造斜强度主要是通过调整单弯短节的弯角来实现，取心部件不变，并且取心筒在穿过单弯短节后有柔性扶正环进行扶正，确保取心筒和单弯短节的轴线保持一致，保证既能造斜又能获取岩心。
从
图10 不同造斜率条件下岩心与岩心管接触应力
Fig.10 Contact stress between core and core tube under different deviation rate
（1）基于对战略性矿产资源增储勘探新技术的需求，提出了一种定向钻进连续取心钻具结构及工艺，通过绳索取心的方式能够在定向造斜过程中连续获取岩心，助力实现地下三维空间岩心的精准获取。
（2）仿真结果表明，随着钻压、转速的增大，定向钻进连续取心钻具的造斜能力、钻进速度和弯接头应力都在增加。在满足≮6 °/30 m的造斜能力情况下，优选钻压为25~30 kN，转速为230~300 r/min。
造斜率和岩心与岩心管之间的的接触应力成正比关系，但最大接触应力会稳定在一定范围内。适当控制钻进速度和造斜率有利于提高定向取心质量。
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