摘要
针对深海硬岩取心钻进过程中钻进效率低、取心率低、扰动大、事故率高等问题，本文以深海硬岩为研究对象，通过有限元数值分析软件，探究深海硬岩在回转、冲击复合工况下的破碎机理。研究结果表明：旋转冲击的破岩方式可有效的提高深海硬岩钻进效率；钻进取心过程中可优选15~25 kN钻压，凸台高度可优选4~6 mm，此时钻进速度较快、获取岩心质量较高、能量利用率高；在震击部件强度允许的条件下，冲击频率越接近最优频率，钻进效率越高。
科学钻探对解决人类社会发展所面临的资源、灾害和环境三大问题都有十分重要的意义，同时也是一项能带动相关工程技术发展的重大科学工程。开展科学钻探，不仅将促进我国地学基础理论研究走向国际前沿，还具有拉动我国钻探工程整体进步，提高其技术、学术水平和国际地位的技术意
在地球的构造组成中有一个重要的界面——莫霍面。莫霍面是地球内部最接近地球表面的全球性分界面，获取莫霍面的岩心对研究地壳结构、地壳均衡状态与天然地震活动等均有重要的意义。随着人类对莫霍面探索的发展，开启了划时代的深海钻探计划，50年来，慢慢发展成国际大洋发现计划（IODP），该计划成为地球科学领域迄今规模最大、影响最深的国际大科学计
随着大洋钻探计划的发
本文基于井下动力螺杆取心钻具，提出增加震击的方式进行提速，该钻具在钻进过程中给钻头提供一个周期性的轴向冲击力，形成复合冲击破岩的钻进模式，同时螺杆钻具采用中空式的结构，可在内部投入绳索取心钻具，实现快速高效地获取海洋深部硬岩岩心，并依据研究结果，制定了震击型中空螺杆取心钻具的设计方案及施工参数，为我国即将投入运营的国产大洋钻探船提供技术储备。
震击型中空螺杆取心钻具的结构如
图1 震击型中空螺杆取心钻具
Fig.1 Shock hollow screw coring tool
震击型中空螺杆取心钻具在钻进过程中提供轴向周期性冲击，针对花岗岩、玄武岩等岩石具有较强的破坏作
震击机构的结构及原理如
图2 震击机构结构及原理
Fig.2 Structure and principle of shock mechanism
复合冲击钻进钻头破碎岩石的过程具有轴向冲击和旋转切削两种特性。井底岩石在轴向冲击力作用下可形成破碎坑，岩石破碎过程中受力的状态发生了变化，需对螺杆钻具冲击机构及其产生的冲击力进行分析，并通过有限元计算软件分析钻进效率，指导震击机构的设计。
震击型中空取心螺杆中震击部件有3个关键参数：震击冲击力，震击过程中产生的扭矩损失，冲击频率。针对这3个关键参数进行力学行为分析。
震击机构中具有凸轮结构，钻具在运行过程中定子外壳会发生小位移的抬升，假设抬升过程钻杆柱上升获得的势能在震击过程中能全部转换成动能，并在冲击过程中转化为冲击力。
钻进过程中存在钻柱中性点，在中性点以上钻杆柱受拉伸，在中性点以下受压
图3 震击机构不同状态下简化受力
Fig.3 Schematic diagram showing the force under different states of the shock mechanism
当上部定子突然失去静套支撑时突然下落，近似的认为钻柱进行自由落体运动，依据万有引力定律以及牛顿第二定律，钻柱在冲击前的速度为：
| （1） |
| （2） |
根据动量守恒定律可得：
| （3） |
| （4） |
受力状态如
假设接触面之间的摩擦系数为μ，震级机构台阶直径为R，当上部钻具连接的静套处于抬升阶段时，产生的扭矩损失为：
| （5） |
当上部钻具移动到凸台的水平处，上部钻具连接的静套水平运动，此时产生的扭矩损失为：
| （6） |
如
图4 冲击碎岩示意
Fig.4 Schematic diagram of impact rock damage
根据图中PDC单个切削齿与岩石相互作用模型中各点的几何关系，假设最外侧切削齿每一次冲击完成后可影响区域的尺寸，根据合理冲击频率分析，切削齿线速度和冲击频率之间的关系为：
| （7） |
切削齿线速度与钻具回转转速之间的关系为：
| （8） |
| （9） |
对复合冲击破碎岩石效率采用有限元软件进行分析，模型分为两部分，上部为PDC取心钻头，依据常用钻头参数拟采用四刀翼取心钻头，PDC复合片直径13.44 mm，为减少模型计算量，建模过程中去除与切削地层无关的刀翼模型，仅保留PDC切削齿，并忽略破碎岩石过程中切削齿的损伤，PDC切削齿采用刚体模型，且给定其密度为7.08×1
钻进过程中钻压对于瞬时产生冲击力的大小具有十分重要的影响，当钻压大时，瞬时冲击力较大，对岩石破碎影响波及范围较大，后续钻头破碎岩石所需的能量较少，可以高效的破碎岩石。
不同钻压震击破碎岩石的纵向波及范围界面如
图5 震击破碎岩石的纵向波及范围结果
Fig.5 Longitudinal ripple extent interface result plot of shock fractured rock
花岗岩为硬脆性岩石，破碎过程中发生脆性损伤破坏，在横向上发生大面积破坏，当凸台高度一定时，横向破坏波及面积局部放大图如
图6 横向破坏波及面积局部放大图
Fig.6 Local magnification of the area affected
by the lateral damage
震击破碎岩石横向及纵向波及情况如
图7 不同钻压震击碎岩的影响
Fig.7 Effects of different drill pressures on crushed rock
当钻压设置为15 kN，转速设置为60 r/min，分析计算结果如
图8 不同震击凸台高度对碎岩的影响
Fig.8 Influence of different boss heights on crushed rock
震击频率对岩石破碎效果具有一定的提升作用，在理论计算过程中得出最优震击频率为7 Hz，考虑到震击机构的可靠性及耐久性，选取0~5 Hz进行分析，如
图9 不同频率碎岩的影响
Fig.9 Effects of different frequencies on crushed rock
该钻具最终方案制定震击部件台阶高度5 mm，震击凸台数设置为3个，并完成样机试制。如
图10 震击螺杆陆地可行性试验
Fig.10 Land feasibility test of shock screw
（1）钻进取心过程中，震击型中空螺杆取心钻具破碎岩石的轴向波及范围随着钻压增大而增大，但轴向波及范围在增长到一定程度时增速减缓，钻进取心过程中为获取质量较好的岩心并提高钻进效率，需根据实际情况优选15~25 kN的钻压，以提高能量利用率。
（2）碎岩效率随着凸台高度增加而增加，但较高的凸台高度会损失一定的扭矩，同时较高的凸台高度会造成获取岩心质量的下降，本研究中认为凸台高度为4~6 mm区间，可满足震击提速需求的同时获得较好质量的岩心。
（3）碎岩效率随着震击频率的增加而增加，但震击频率的增加对震击机构寿命存在一定的影响，优化设计过程中在满足使用可靠性的基础上可适当提高震击频率，增加钻进取心效率。
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