绳索取心钻进技术是在20世纪70年代引进至我国的一种在地质钻探中非常有效的勘探方法,开发研究与应用至今,已广泛应用于水文地质、石油地质钻探、固体矿产地质等钻探行业。相比其他取心钻进技术,绳索取心技术具有钻进效率高、岩心采取率高、钻头寿命长、钻探成本低以及劳动强度小等优点。绳索取心钻具在自然造斜力很小的地层中钻进有着较高的钻进效率,但是由于大部分地层的地层倾角较大、软硬互层或地层破碎较严重等原因,如果在钻进时不采取相应的应对措施,钻孔容易发生弯曲,严重时造成孔斜事故。随着我国对矿产资源的需求日益扩大,大量的钻探工程中的孔斜问题使得绳索取心防斜技术研究迫在眉睫。针对孔斜问题,目前国内采取了一些防斜措施。少数的科学钻探采用自主研发的先进的螺杆钻+液动锤+绳索取心“三合一”钻进技术或螺杆钻+液动锤“二合一”钻进技术,虽然防斜效果较好,但是由于其成本较高,短时间难以在国内大面积推广应用。大部分的地质钻探采取了在下部钻具组合中加入一组或多组扶正器来对钻具进行导正作用的方法,但是对于扶正器尺寸、安放位置以及数量对钻头处的侧向力的影响规律上没有做出深入的研究,缺乏系统性和科学性。此外,还有采用通过改变材质比如增加钻杆强度来增加刚度或改变钻头结构等方法以达到防斜的目的,但是钻进过程中的防斜效果不明显。为了解决严重孔斜问题,本论文创新性的将油气井工程分析管柱力学的纵横弯曲理论应用于绳索取心钻进防斜技术研究。该技术采用在绳索取心下部钻具上接入若干组满眼扶正器,建立纵横弯曲连续梁力学模型,并根据纵横弯曲法的迭加原理分析下部钻具组合的受力与变形,最终得到绳索取心满眼防斜钻具的数学模型,即三弯矩方程组。通过对不同数量扶正器的钻具组合的数学模型分析,并根据防斜钻具设计原则选择合适的绳索取心防斜钻具组合。相比目前的钻孔弯曲防治技术,绳索取心满眼防斜技术具有成本低、易于推广应用、系统性强、防斜效果好等特点。论文的主要目的是研究适合绳索取心钻具的满眼防斜技术以及绳索取心满眼钻具组合设计原则,以期有效解决我国探矿工程中绳索取心钻进中的孔斜问题,并推动较完善的绳索取心钻进被动防斜系统的建立,在提高经济效益和广泛的推广应用中均有十分重要的价值。本论文共分为六章,各章的主要研究内容如下:第一章绪论。简单阐述了我国矿产资源的供不应求的状态以及钻探对于矿产资源勘探的重要性以及钻孔弯曲防治的重要性,并阐明了绳索取心钻进防斜技术研究的迫切性。归纳和总结了国内外井斜控制研究现状、钻井工程防斜技术并指出国内目前的一些绳索取心防斜技术的不足之处。最后概述了本文的主要研究内容以及技术路线。第二章钻孔弯曲及基于纵横弯曲理论的绳索取心钻具孔斜机理研究。分析了导致钻孔弯曲的主要因素,推导了适合绳索取心钻具的迭加原理并建立了绳索取心下部钻具组合的力学模型。结合绳索取心钻具在孔内工作的实际情况,建立了纵横弯曲理论应用于绳索取心钻进的小挠度变形假设,并对一些参数进行了简化处理,建立不同数量扶正器的下部钻具组合的三弯矩方程组。最后根据无扶正器钻具和单扶正器钻具组合的侧向力随结构参数及钻进参数的影响及变化规律,定性定量分析研究了常规绳索取心钻具容易发生孔斜的原因。第三章满眼防斜钻具组合。根据建立的双扶正器、三扶正器、四扶正器和五扶正器钻具组合的三弯矩方程组以及相应的钻头侧向力公式,通过变化钻压、孔斜角、扶正器的相对位置等参数,研究钻头侧向力的变化规律。第四章绳索取心满眼防斜钻具组合设计。将钻孔弯曲防治过程细分为稳斜和防斜,并根据稳斜和防斜的不同侧重点确定其相应的钻具组合(稳斜钻具组合和防斜钻具组合)设计原则。结合绳索取心钻具的结构特点以及不同数量扶正器钻具组合的力学特性,研究并设计出稳斜和防斜性能较好的钻具组合形式及组合参数。第五章现场应用试验。为了验证将纵横弯曲理论在绳索取心钻进防斜技术中的科学性及可靠性,将所设计的稳斜钻具组合和防斜钻具组合投入现场进行钻进试验,通过对试验结果的分析,研究探讨了稳斜钻具组合和防斜钻具组合实际应用效果,提出了对基于纵横弯曲理论的绳索取心满眼钻进防斜钻具组合技术的改进与完善。第六章结论和建议。总结了全文的主要创新、论文主要研究成果和认识,并指出了论文存在的不足并对今后的研究工作提出了一些建议。针对解决严重的孔斜问题,本论文的主要创新点体现在:(1)将纵横弯曲理论运用于常规绳索取心钻进中的钻孔弯曲分析以及绳索取心满眼防斜钻具组合研究,结合实际常规绳索取心钻具特点,研究得出了绳索取心下部钻具的等效横截面轴惯性矩I和弹性模量E等参数的等效处理方法及模型,使得该理论能适用于绳索取心钻具。(2)运用纵横弯曲理论对绳索取心满眼防斜钻具的研究,得到了不同绳索取心钻具组合的力学特性以及相应钻头处的侧向力的影响规律,进而分析研究绳索取心稳斜、防斜钻具组合的结构参数以及其侧向力随钻进压力、孔斜角等的变化规律。通过理论研究和试验结果分析,全文有如下研究成果:(1)依据绳索取心钻具的结构特点和纵横弯曲理论假设以及其迭加原理推导了适用于绳索取心钻进的数学模型(三弯矩方程组)以及其钻头处的侧向力公式。合理简化了绳索取心钻具力学模型中各跨的轴向载荷,推出了等效横截面轴惯性矩I以及抗弯刚度EI。(2)总结了单扶正器和无扶正器绳索取心钻具组合的钻头侧向力的变化规律,并以此分析了常规绳索取心钻进孔斜的力学机制。单扶正器钻具组合的力学特性为扶正器越接近钻头,钻头处的增斜力越大,因此常规绳索取心钻具在易斜地层容易发生钻孔弯曲。无扶正器钻具组合在一定的钻压及孔斜角时钻头侧向力是固定不变的钟摆力,在自然造斜力较弱的地层和小钻压下有一定的稳斜效果。(3)通过分析双扶正器钻具组合钻头处侧向力的变化规律,得出了其在防斜方面的结论。钻压和孔斜角一定时,钻具第一跨距离和第二跨距离较小(如L1=20cm,L2=100cm)的钻具组合产生的降斜力较大;钻具结构一定且孔斜角较小时(如α=5°),钻压对钻头侧向力的影响较小,而当钻压不超过钻具极限载荷时,孔斜角的增大会使钻头降斜力增大。双扶正器钻具组合在钻头处可产生较大的降斜力,比如当L1=20cm,L2=100cm时Pα=-398N,但是双扶正器钻具组合的钻进稳定性较差。(4)总结了三扶正器钻具组合钻头处降斜力变化规律。钻进参数和孔斜角一定时,钻头处降斜力较大的钻具组合为:第二跨距离较小(如L2=100cm)而第三跨距离较小(如L3=100cm)或较大(如L3=800cm);孔斜角较小时(如α≤30°)第一跨距离取较小(如L1=20cm),而孔斜角较大时需增大第一跨距离(如L1=100cm)。另外,在上述取得较大降斜力的钻具结构基础上,增大钻压会缓慢减小其降斜力。三扶正器钻具组合具有较大的降斜力,而且其钻进稳定性较好。(5)根据对四扶正器绳索取心钻具组合的力学特性分析,总结了钻头处降斜力的规律。钻压和孔斜角一定且钻具第一跨距离较小、第二跨距离较小、第三跨距离较小、第四跨距离不大时(如L1=20cm,L2=100cm,L3=100cm,L4=400cm)钻具组合可取的较大的降斜力;在取得较大降斜力的钻具结构基础上,增大钻压会缓慢减小其降斜力。四扶正器钻具组合具有较好的稳定性,但是其所能产生的最大降斜力较小。(6)分析研究了五扶正器绳索取心钻具组合的钻头侧向力随其主要影响因素的变化规律,总结了五扶正器钻具组合钻头处产生最优降斜力的规律。当钻压和孔斜角一定时,钻头处产生较大降斜力的组合为:第一跨距离较小(如L1=20cm),第二跨距离较小(如L2=100cm),第三跨距离较大(如L3=800cm),第四跨距离适中(如L4=400cm),第五跨距离较大(如L5=600cm)。在上述取得较大降斜力的钻具结构基础上,增大钻压会增大其降斜力。五扶正器钻具组合在钻进稳定性方面优于三扶正器和四扶正器钻具组合,而在产生降斜力方面也优于四扶正器钻具组合。(7)根据稳斜和防斜钻具设计原则以及双扶正器、三扶正器、四扶正器和五扶正器钻具组合的力学特点,研究设计了稳斜钻具组合和防斜钻具组合。稳斜钻具组合为钻进稳定性最好的五扶正器钻具组合,其钻具组合参数为第一跨距离L1=14cm,第二跨距离L2=300cm,第三跨距离L3=600cm,第四跨距离L4=600cm,第五跨距离L5=400cm;防斜钻具组合为降斜力较大并且钻进稳定较好的三扶正器钻具组合,其钻具组合参数为第一跨距离心=14cm,第二跨距离L2=300cm,第三跨距离L3=800cm。(8)将绳索取心稳斜钻具组合和防斜钻具组合分别投入安徽某矿区和江西某矿区进行钻进试验,试验结果验证了纵横弯曲理论指导于绳索取心钻进的可行性。运用纵横弯曲理论在安徽某矿区进行稳斜钻进试验,试验中采取了钻具组合1#和钻具组合2#两种稳斜钻具组合,试验结果表明了两种钻具组合稳斜效果均优于常规绳索取心钻具,其中组合1#具有更好的稳斜效果。而在江西某矿区进行的防斜钻进试验采用了三扶正器钻具组合,试验期间钻孔的顶角由3°降到了 2°,最大顶角降斜率达到了 0.99°/100m,防斜钻进效果较好。理论与试验研究表明,组合有满眼扶正器的绳索取心钻进既能保持原有绳索取心钻进高质量快速取心的特点,同时,又能达到较好的钻进防斜效果,弥补了现有绳索取心钻进存在的不足,丰富了绳索取心钻进防斜技术方法,所采用的纵横弯曲理论对绳索取心钻进技术的应用具有指导意义。论文研究存在以下不足:(1)由于研究钻头侧向力所取数据量过于庞大,本文仅为理论计算分析,没有钻头侧向力变化的内在力学机制分析。(2)在侧向力计算过程中,钻具组合里含岩心管和钻杆的一跨采用对轴惯性矩和线重量进行加权的方法,而纵横弯曲法采取的变截面算法计算复杂,在本文中没有推导和讨论。(3)本文中理论分析研究没有考虑地层力的影响,也没有研究地层力的影响因素和变化规律。针对以上不足之处,今后需要进一步展开以下研究工作:(1)研究钻压、孔斜角和扶正器位置等主要影响因素与钻头侧向力之间的内在联系;(2)进一步研究绳索取心钻具的变截面纵横弯曲梁模型,并建立相应的数学模型;(3)研究在地层力作用下钻头处的合力随钻压、孔斜角和扶正器等主要影响因素的变化规律。