极地冰盖和冰下地质环境一直是人类尚未完全开发的知识库,目前很多国家正在研发能够钻进深冰下基岩取心钻探装备,钻穿冰盖以及冰-岩交界面,直接获取冰下基岩样品,对掌握该地区地貌形成和演变,了解冰层-基岩界面的环境、研究冰盖形成机制、冰川动力学及气候变化具有重要意义。在钻取冰下基岩层之前,会遇到冰-岩交界面地层,在冰岩交界处存在厚度可达数十米的含有岩石颗粒的基底冰、基底融水和冰碛物。钻进冰岩夹层时,由于地层的硬度和研磨性远高于冰层,常规钢齿钻头不再适用。需采用硬质合金钻进或金刚石钻进。但这就对钻探机具及钻压和转速等关键钻进参数有了更高的要求,无论采用哪一种方式,破碎冰岩夹层所需的扭矩和能量都远大于冰层钻进所需的扭矩和能量,因此对孔底马达和反扭系统也相应提出了更高的要求。另一方面,普通孕镶金刚石钻头在钻进冰层时,所需钻压太高,且冰层相对较软无法磨损胎体,金刚石颗粒无法出露,表镶金刚石钻头在钻进冰层时也会出现干磨不钻的现象,不适用于冰岩夹层钻进。本文研究了冰岩夹层钻进过程中钻进扭矩、钻进速度与钻压、回转速度、切削具的性能参数、岩石与冰的物理力学性质等参数之间的关系,并建立了数学模型,明确了冰岩夹层钻进以跳跃式脆性剪切为主。从数学模型中可知,钻进速度、扭矩以及功率消耗与冰的物理力学参数(内摩擦角、抗压极限强度、抗剪强度等参数)、岩石的物理力学参数(内摩擦角、抗压极限强度、抗剪强度等参数)、切削具的参数(前角、后角等)、切削具与样品的摩擦系数等参数有关,为极地冰岩夹层钻进研究提供理论支持。本文对现有铠装电缆电动机械取心钻进技术在钻进极地冰岩夹层过程中,所需要的钻井液流量进行了理论分析,并得出结论:极地冰岩夹层钻进中,若钻具的钻头外径为136mm,内径为104mm,岩心管内径为117mm,泵量应不低于45L/min。此外,本文还对IBED钻具孔底反循环系统进行了仿真分析,结果显示,IBED能实现钻井液孔底局部反循环,冰屑与岩屑均能进入冰屑室。本文涉及的研究过程中,设计了多功能钻头测试试验台,能实现冰层钻进、冰岩夹层钻进、基岩钻进的钻头测试,在此试验平台上,制作了岩石含量分别为10%、30%的冰岩夹层样品(岩石成分为花岗岩),选取外径约为60mm的硬质合金钻头、圆形PDC钻头、方形PDC钻头对冰岩夹层样品进行了钻进测试。测试结果表明:①硬质合金钻头和PDCII钻头均能有效钻进冰岩夹层,硬质合金钻头在钻进冰岩夹层时,瞬时钻进速度会出现波浪式跳动,PDC钻头的钻进效率比硬质合金钻头钻进效率高很多。当钻压为1000N,转速为100rpm时,钻进岩石含量为30%样品,圆形PDC钻头的钻进速度约为5mm/s,即18m/h,消耗功率为0.25kW;硬质合金钻头的钻进速度约为2mm/s,即7.2m/h,功率消耗为0.18kW。②对比试验结果与理论模型,分析结果表明,无论是钻压还是钻头回转速度对钻进速度以及功率消耗的影响,理论分析的曲线与实验测得的曲线都有相同的变化趋势。对PDC钻头的钻进速度以及硬质合金钻头的功率消耗计算与实测数据非常接近。以PDC钻头为例,当转速从50rpm增大到200rpm时,计算钻进速度从2.8mm/s增大到11.3mm/s,实测值从4.12mm/s增大到8.82mm/s;当钻压从500N增大到1250N时,计算钻进速度从2.8mm/s增大到7.1mm/s,实测值从1.6mm/s增大到8.82mm/s。自2011年以来,我国在南极开启了属于自己的深冰心钻探项目,目前吉林大学也在研发用于南极冰下基岩钻探的无钻杆式铠装电缆电动机械取心钻具,并命名为IBED(Ice and Bedrock Electromechanical Drill)。本文结合初步试验研究,设计了用于IBED钻具的冰岩夹层PDC钻头并对其进行了测试。初步得出结论为:采用该钻头,IBED钻具能有效钻进冰岩夹层,使用卡刀式取心装置,配合提钻前的回转钻具动作可以作为冰岩夹层钻进的有效取心方式,为极地冰岩夹层及冰下基岩取心钻具的设计提供了重要参考。PDC钻头应用于极地冰岩夹层钻进是一种非常高效的钻头类型且有很高的开发应用前景。本文的研究对于丰富极地钻探科学理论,开发新型极地钻采设备具有重要的理论意义和工程应用价值。