摘要:深部钻探技术是解决深地探测科技问题的必要手段之一。本文主要介绍了“十三五”国家重点研发计划 “5000米智能地质钻探技术装备研发及应用示范” 项目方案，项目从构建大深度绳索取心钻孔口径系列、钻具级配、装备配置等入手，开展了钻进智能控制、钻机关键技术与装备、高性能绳索取心钻杆、小口径高效系列钻具、环保冲洗液体系与废浆处理技术、钻探技术装备集成与示范等研究，拟突破智能控制、自动化、轻量化与模块化等关键技术，形成以绳索取心工艺为主体的特深孔地质岩心钻探装备与技术体系，为我国深部探测计划提供技术与装备支撑。

摘要:持续开展大深度智能地质钻探关键技术与装备的研发是当前钻井技术发展的主要方向，同时也是实现深地开拓必要的科技手段之一。本文简要回顾了钻探技术与装备发展概况，介绍了智能化自动化钻井技术与智能化自动化钻井工具。并结合现阶段我国5000米智能化自动化钻探技术与装备的研究进展，重点介绍了项目研究目标、研究内容和预期成果，提出了我国现阶段智能化自动化钻探技术与装备发展目标,以期为探索地球深部奥秘、勘探深部资源提供技术装备支撑。

摘要:随着钻孔深度的不断增加，对绳索取心钻具的使用性能提出了更高要求。在分析了国内外绳索取心钻具研发现状、结构设计特点及特深孔应用情况的基础上，整理了特深孔钻进绳索取心钻具使用存在的技术问题，定位机构打捞可靠性、到位报信提示可靠性、堵心报信机构工作稳定性、单动机构使用寿命均有待提高，并相应地分析了原因，为5000 m特深孔绳索取心钻具优化设计打好基础。

摘要:螺杆钻具作为一种容积式动力钻具，具有良好的输出硬特性，是当前应用最广泛的井下动力钻具之一。螺杆钻具的耐温性是其研究的热点所在，可扩大其应用范围和延长工作寿命，在深部高温钻探领域，具有良好的发展前景。本文在阐明螺杆钻具的基本原理和特性基础上，调研分析了常规螺杆钻具的发展现状，重点调研分析了美国全金属螺杆钻具的研发现状与国内全金属螺杆钻具的发展，提出了全金属螺杆钻具的关键技术，为国内开展这项前沿钻具技术的研发提供参考。

摘要:本文基于国家战略背景下的资源、能源钻探装备现实需求，针对大深度地质钻探和油气地热钻井的不同工艺特点,围绕“多工艺适用兼容、井口自动化适配”两个目标，在传承和集成现有顶驱优势特点的基础上，提出一种可适用金刚石取心钻探和油气地热钻井两种钻进工艺的双动力交流变频电传动顶驱系统方案。通过与其他典型顶驱系统在总体结构、控制系统和涉及井口作业自动化适配的关键部件的详细对比，本方案可充分发挥多功能、高效率、自动化的优势，在技术先进性、工艺适配性和产业经济性方面取得了良好的平衡。

摘要:为应对深地探测工程对特深孔地质钻探装备提出的新要求，“十三五”国家重点研发计划立项开展5000 m地质岩心钻机的研发。作为钻机核心部件的主绞车，需要满足自动化、智能化钻探需求。在调研了主绞车的研究发展现状基础上，借鉴石油钻机绞车的结构，确定了本主绞车运行参数及方案，并对关键零部件进行了设计与选型，完成了主绞车的设计。经过验算，主绞车运行参数能满足特深孔岩心钻探工艺的要求，并可以在地热、浅层油气探采等领域进行应用拓展。

摘要:在深孔地质岩心钻探中，绳索取心钻进技术对于提高钻探质量和生产效率有极大的优势。在绳索取心钻进中，绳索取心绞车是地质钻探装备中的主要设备，近半个世纪以来，随着绳索取心技术的发展、成熟和广泛应用，取心绞车系统更加安全可靠。本文通过分析国内外现有绳索取心绞车的优缺点，提出了5000 m绳索取心绞车设计方案，设计绞车为分体式结构，由交流变频柜和绞车主体两大部分组成。计算了5000 m绳索取心绞车设计的关键技术参数，绞车总功率为60 kW，配套12 mm钢丝绳，最大可提供50 kN的提升力，光毂提升速度最快可达60 m/min。针对绳索取心绞车提升过程中滚筒钢丝绳常见的垒绳、压绳、咬绳等问题，设计了双折线绳槽。

摘要:泥浆泵是地质钻探施工中的重要设备之一，本文简述了目前深孔岩心钻探配套用泥浆泵的现状，以及钻探中流量、压力、孔深等主要参数之间的关系。重点介绍了5000 m智能地质钻探配套用泥浆泵的方案。通过对方案进行对比，说明了最终方案确定的理由，同时列出了泥浆泵的主要技术参数及其具有的性能特点，以及为满足课题的要求对关键技术存在的难点、采用的新技术及措施进行了展望，为深孔智能钻探平台配套用泥浆泵的顺利研制提供了依据。

摘要:地质特深孔绳索取心钻杆结构区别于API石油钻杆，其机械性能计算不可直接引用API石油钻杆的相关理论公式。针对这一理论依据与计算方法缺失，本文对地质特深孔双台肩钻杆接头进行了受力分析，开展了钻杆接头拉伸载荷与扭转载荷计算理论研究，构建了绳索取心钻杆机械性能计算的理论方法。同时，通过有限元分析和台架试验，确定了H-5000规格双台肩绳索取心钻杆的机械性能，验证了计算方法的准确性，并提出了钻杆结构改进建议与下一步研究方向，为高性能薄壁绳索取心钻杆“服役”于5000 m地质岩心钻探工程提供了技术支撑。

摘要:铝合金钻杆的使用性能是制约深部钻探技术发展的“瓶颈”。本文综合考虑孔内工况因素和钻杆性能因素，以钻柱组合设计为基础准则，从特深孔钻探工程技术需求出发，开展了高强耐温铝合金钻杆材质选择和评价的试验研究。试验结果表明：2219铝合金固溶时效制度分别为535 ℃/1 h、165 ℃/20 h，2618铝合金固溶时效制度分别为530 ℃/1 h、200 ℃/20 h；2219铝合金在高温长时间暴露后的室温力学性能优于2618铝合金，在高温瞬时条件下的力学性能劣于2618铝合金；2219铝合金中含有Zr，该元素在热暴露过程中起到减缓溶质扩散速率的作用，这对提高热暴露后的剩余强度是有利的。

摘要:为改善深部钻具关键易损构件的耐磨性能，采用超音速火焰喷涂(HVOF)技术在35CrMo钢基体上制备了WC-10Co4Cr涂层，利用扫描电子显微镜(SEM)、X射线能谱仪(EDS)、X射线衍射仪(XRD)、显微硬度仪、维氏硬度计和摩擦磨损试验机测试分析了涂层的微观结构、力学性能和摩擦磨损行为。结果表明：利用HVOF技术制备的WC-10Co4Cr涂层具有致密的微观结构和优异的力学性能，其孔隙率为1.3±0.1%，显微硬度为1392±45 HV0.3，断裂韧性为7.11±0.10 MPa·m1/2；与35CrMo钢基体相比，涂层具有更加优异的耐磨损性能，并且随着滑动速度的增加，WC-10Co4Cr涂层的摩擦系数下降、磨损率增大；WC-10Co4Cr涂层的磨损失效机制主要包括磨粒磨损、粘着磨损和疲劳磨损。

摘要:小口径涡轮钻具减速器是小井眼深井钻探钻具的重要部件，具有体积小、承载大的特点。采用非对称齿轮代替传统齿轮是提高减速器承载能力的有效手段。非对称齿轮两侧的齿根圆角半径和压力角是区别于对称齿轮的关键参数，通过改变齿轮的齿形结构进而影响了齿轮的齿根弯曲强度。为了进一步研究齿根圆角半径和工作侧压力角对齿根弯曲应力的影响规律，以φ127 mm涡轮钻具减速器中太阳轮为研究对象，建立非对称齿轮的受力模型，基于平截面法得到非对称齿轮齿根弯曲应力的理论计算公式，并通过有限元法对对称齿轮和非对称齿轮进行对比分析，仿真结果表明：增大齿根圆角半径能增大齿轮齿根过渡曲线的曲率半径，从而改善齿根处的应力集中；工作侧压力角的增大能有效降低齿根弯曲应力，但压力角超过一定值时，齿根弯曲应力逐渐趋于稳定。理论分析和仿真结果基本吻合，研究结果可以为优化减速器非对称齿轮的主要参数提供依据和参考。

摘要:在实施科学钻探过程中，保证超深孔上部井眼的基本垂直，是使超深孔能够顺利钻达目标层的前提条件。许多钻探工程，均是因孔斜无法控制而被迫提前终孔，从而不能钻进到预期目标深度。自动垂直钻井工具的出现打破了传统防斜、纠斜方法的屏障，使井斜控制技术得到飞速发展。当前垂直钻井工具的执行机构直径较大，所需排量高，响应速度慢，且只能结合稳定平台进行整机性能测试。因此，本文介绍了一种采用钻井液压差作为动力来源的新型小直径推力执行机构，并对其性能测试系统进行设计。通过该系统单独对新型执行机构的内部压力、推靠力、泄流量及响应速度进行测试。试验结果表明，新型执行机构结构小巧简单，工作效率高，所需排量小，响应速度快。测试系统能够在垂钻工具整体样机测试前对新型执行机构进行可行性验证。

摘要:全金属容积式动力钻具是当前深部钻探研究的热点之一，其在井下工作受到金属摩擦、高速冲蚀、高温腐蚀、拉伸、扭转、振动等复杂工况影响，对制造材料提出了较高的要求。本文首先调研了当前井下机具马达部件定转子的常见选材成分、力学特性和加工性能；随后介绍了超深井对全金属动力钻具马达部件的要求并分析了现存难点；初步优选了定子、转子制造材料，并考虑转子部件上采用新型铜基-铁基材料复合结构；调研分析了其加工处理技术发展现状；提出了加工建议。为全金属动力钻具马达部件的设计和寿命研究提供了参考依据。

摘要:针对深井钻进中，钻头受高温环境影响，钻头胎体性能显著下降的技术难题，研究了空心球种类、空心球目数、空心球添加量等对热压烧结金刚石钻头胎体常温及高温力学性能的影响。结果表明：在胎体基体内添加空心球，宜添加3540目数的钇稳定的氧化锆空心球；当钇稳定的氧化锆空心球的添加量为10%时，胎体的综合性能达到最佳，冲击韧性和抗弯强度也达到最大值，分别为3 J/cm2和903.75 MPa。添加适量空心球的胎体复合材料，由于球形孔隙结构的存在，使得胎体表面粗糙度得到增强，提高了金刚石钻头的胎体出刃性能、高温下的力学性能。

摘要:钻进过程状态监测旨在实时描述钻进工况，判断运行性能优劣程度进行非优追溯，及时指导司钻人员调整作业操作,保证钻进过程安全、高效、稳定开展。钻进工况是钻进系统运行状态的反映，因此开展面向状态监测技术的钻进工况识别研究具有重要的理论和应用价值。本文针对钻进工况识别问题，基于状态监测数据，建立基于支持向量机的钻进工况识别模型，对钻进工况进行识别。综合工况识别结果，对钻进效率进行评估，并对影响钻进效率的因素进行讨论，寻找提升钻进效率的手段。最后，采用钻进现场实钻数据进行仿真实验,验证所提方法的可行性和有效性。

摘要:近年来，地质钻探在钻探装备和技术领域取得了长足发展，但在钻进过程事故预警方面的研究仍较欠缺。为保证钻进过程安全高效，降低事故造成的损失，本文提出了一种钻进过程井漏、井涌事故预警方法。首先，通过事故特性分析，选取表征事故特性的钻进参数。其次，考虑事故发生时钻进参数变化的不确定性，基于贝叶斯网络建立井漏、井涌事故预警模型。再者，为从含噪声的实际钻进数据中有效提取钻进参数的变化趋势，综合利用归一化、滑动平均和最小二乘线性拟合方法进行节点状态判断。最后，利用实际钻进数据对井漏、井涌事故预警模型的有效性进行验证，并对不同趋势判断界限和滑动窗口对报警性能的影响进行探讨。实验结果表明，该预警模型可对井漏、井涌事故进行有效预警，并且合适的趋势判断界限和滑动窗口可降低报警延迟，减少误报和漏报现象。

摘要:深部地层地质条件复杂，随钻探向纵深发展，钻遇弱面地层导致井孔围岩失稳将严重影响工程进程。本文总结分析具有弱面地层岩石物理力学特性，探讨强度各向异性孔壁围岩稳定模型的适用性；考虑流体向弱面渗透存在渗透各向异性和传热各向异性，发展了具有弱面地层井孔围岩稳定理论。研究发现，某些强度各向异性模型在特定情况下可能失去其适用性；在深部高温环境下忽略弱面地层渗透和热传的各向异性特征可能会导致井孔围岩压力、破坏区域以及坍塌压力产生较大误差。

摘要:针对国家深部地质资源绿色勘查需求，以及地质特深孔复杂地层小环空条件下护壁难、冲洗液排放污染等难题，采用高温交联保护技术，研制了一套耐温150 ℃环保冲洗液体系。研究表明，该冲洗液经过150 ℃高温滚动后仍具有良好的流变性、降滤失性及页岩抑制性能，并具备较易降解（BOD5/CODCr值为21.5%）和经济性好的特点，在绿色勘查和环保要求严格的地质钻探中具有广阔的应用前景。

摘要:废弃冲洗液无害化处理是落实绿色勘查理念的一项重要工作。通过室内测试分析与现场调研，对地质钻探不同领域的钻孔废弃冲洗液进行污染特性研究，了解其基本性质以及对环境的影响方式。结合湘桃地2井废弃冲洗液开展脱稳技术室内研究，对破胶剂及絮凝剂进行了优选，并获得了脱稳处理的基础配方。实验结果表明，经过处理后废弃冲洗液能实现快速脱稳絮凝，COD、悬浮物、色度等污染指标大幅下降，为下一步深度处理实现无害化排放创造了有利条件。

摘要:针对地质钻探小井眼条件下失返性漏失堵漏技术难题，开展了适用于地质钻探堵漏要求的聚合物交联凝胶研究。采用单因素优选法，优选了交联凝胶体系用各种处理剂，并以环保型植物胶GJ为成胶剂，加入交联控制剂N1及交联剂1号等组分，研制了一种延迟交联凝胶。该凝胶在广西某铀矿勘查ZK6-37-1孔堵漏成功应用，解决了2个孔段失返性漏失问题。研究结果表明，该凝胶具有交联时间可控(交联时间10～75 min)以及较高的凝胶强度（承压≥6 MPa），在解决失返性漏失方面具有广阔的应用前景。