上天、入地、下海、登极，被称为人类征服自然的四大梦想。从本世纪初，人类对太空、海洋和极地的了解已达到了一定的高度，但对于人类赖以生存的地球却知之甚少，在入地的探索中更是举步维艰。获取地球深部的信息最直接、最有效的就是科学钻探。深部大陆科学钻探被称为伸入地球内部的望远镜，是人类探索地球奥秘、探寻地下资源、保护环境、减轻灾害的重要举措。苏联在超深钻中发现了极端条件下的生物、深部油气和矿化显示，突破了传统油气成藏理论，拓展了人类索取资源的空间，加深了对生命演化的认识。由于深部大陆科学钻探工程涉及地学、力学、机械、仪电、材料、物理、化学甚至仿生学等多个学科和领域。可以说，深部大陆科学钻探的技术水平代表了一个国家的科技水平和经济实力。到目前为止，世界上只有少数国家实施过科学钻探计划，并取得了巨大成就。科学钻探根据钻探的地理位置不同，分为大陆科学钻探、大洋科学钻探和极地科学钻探，本课题的研究范围属于大陆科学钻探。为满足深部大陆科学钻探金刚石钻进工艺的需要，需对作用于钻头的压力进行精确控制。钻压过小，钻头不能压碎岩石，钻进速度将变慢甚至不进尺；钻压过大，加速钻头的磨损，缩短钻头使用寿命。科学钻探取心过程中，传统的送钻方式是手动送钻。手动送钻时，容易造成钻杆系统下放的不连续，从而造成钻头上的压力不均匀。尤其在地层条件复杂时，钻压波动大，经常导致憋泵等钻探事故的发生。此外，由于操作人员技术水平的差异或者失误等，也会导致钻压波动过大。自动送钻技术应运而生。即，钻机在正常钻进过程中，不依靠司钻人员调节钻进参数，而是按钻进工艺要求，通过控制系统自动调节钻压，实现钻具自动给进。恒钻压自动送钻系统作为钻探过程中的钻压控制系统，主要负责钻探过程中钻压的自动控制，而不需要手动控制。地层均匀时，自动送钻系统保证钻头得到平稳的钻压，以减少钻头在钻进过程中的不正常跳动。本文依托深部大陆科学钻探装备研制与实验项目，针对国内外自动送钻技术的研究现状，分别对盘刹自动送钻和小电机自动送钻进行试验研究和仿真分析，对比分析钻压控制效果。主要得到以下结论：（1）摩擦力可以转化成梁与刚性面的接触碰撞。针对深部大陆科学钻探的技术要求，综合分析钻压、转速和泵量对机械钻速、钻头使用寿命、回次进尺、岩心采取率和钻孔垂直度的影响。根据地层条件和钻探要求估算最优钻压的取值范围。对作用于岩石上的压力传递过程进行分析，重点分析摩擦力，将摩擦力的计算转换成梁与刚性面的接触碰撞问题。（2）推导出恒钻压自动送钻系统竖直方向的力学方程，并确定自动送钻结构方案。在原有恒钻压控制原理的基础上，分析钻杆系统竖直方向的受力情况。总结钻具自重、冲洗液浮力、举升力和摩擦力的计算方法，推导出恒钻压自动送钻系统竖直方向的力学方程。通过实地调研及理论研究，结合项目要求，确定两种结构方案：小电机自动送钻装置和盘刹自动送钻装置。（3）基于AMESim法对小电机自动送钻系统进行了动态仿真分析，结果表明钻压波动范围可达±3kN。钻头施加在岩石上的压力，既有静载（钻杆自重）又有动载（冲洗液浮力和孔内摩擦等），情况非常复杂。本文采用一个悬挂在滑轮组下方的重物表示静载，而动载则用可以修改的周期性或随机性变化的载荷函数进行近似模拟。借助软件AMESim进行恒压钻进仿真计算，结果表明钻压波动范围可达±3kN。（4）通过模拟试验测试盘刹自动送钻系统的钻压波动范围,结果表明钻压波动范围可达±5kN。为了验证盘刹自动送钻的控制效果，在四川进行试验研究。根据卵砾石地层条件，设计试验台的控制方案和检测方案。试验中采用PID控制算法。完成检测仪器的安装，进行调试，调试成功后，进行两组现场试验，实测钻进过程中钻压的变化。一组试验中，给定钻压为140kN，通过实验发现，孔底实测的钻压在130kN上下波动，钻压波动范围大于5kN且小于10kN，偶尔时刻的钻压为100kN、160kN，已大大超出设计（钻压波动范围不超过±5kN）对钻压的控制要求。另一组试验给定钻压为90kN，测得的给定钻压曲线与钻压曲线重合处较多，钻压的波动范围为±5kN，符合钻压波动要求。