近年来，随着我国经济的快速发展与国力的提升，国家不断加大在交通方面的投入，尤其是在作为交通主动脉的铁路建设方面。建设铁路，首先进行设计，然后才能施工，铁路设计以勘察所得的地质资料为依据，施工过程中也很大程度上灵活的根据地质条件选择施工方案，甚至根据地质情况变更设计。铁路勘察往往要布置深孔来进一步查明地层岩性、地应力分布规律以及水文等情况来指导设计施工。在深孔钻进的过程中，由于地层的复杂性，施工工艺的约束，钻具的优劣限制，经常发生一系列事故，例如钻杆柱折断、钻杆柱从接箍处滑脱、钻头打滑、使用寿命短、崩刃、孔壁坍塌、钻井液流失等。事故发生后，会引发重大的经济损失，延误工期。在铁路工程勘察和地质钻探施工过程中，钻杆、钻头、钻井液占据及其重要的地位，对它们进行充分的研究，是一件迫切而有意义的事情，有助于加快施工进度、缩短工期、降低施工成本、节约资源，最终产生巨大的经济和社会效益。　　 本论文主要从钻杆、钻头、钻井液三个方面展开了论述。在第一章，介绍了三者的国内外研究现状及存在的问题，描述了本论文的主要研究内容及拟解决的关键问题，后三章分别对钻杆、钻头、钻井液进行了详细阐述。　　 1、第二章：钻杆方面钻杆是钻探机械的重要组成部分，由钻杆组成的钻杆柱用来传递扭矩和钻压，它是输送冲洗液和取出岩心（绳索取心时）的通道，也是更换钻头、处理事故所必不可缺少的，同时也是最容易损坏的部分。基于钻杆现今的具体实况与存在的实际问题，本论文运用有限元分析软件，开展了有限元分析在钻杆柱中的应用研究。主要包括以下3个方面的分析：　　 (1)钻杆柱静力学分析在此部分，首先对钻杆受力进行理论分析，讨论了钻杆分别受拉应力和压应力、扭转、弯曲、复合应力时的理论计算公式。接着，运用有限元分析软件ANSYS，对钻杆接箍处、螺纹接触处、立根进行了受力分析。分析结果表明，钻杆体的高应力区都集中于钻杆接头螺纹部分，具体位置在螺纹的起始和终端区域；接头螺纹的高应力区都集中于螺纹位置，具体在螺纹牙型的齿顶和齿根区域；在受拉压情况下，φ50钴杆柱接头与接箍接合的根部受到集中应力作用；集中应力使钻杆柱接头危险断面积不断变小，使接头受应力加剧，在特定工作环境下易失效。　　 (2)钻杆柱振动分析包括扭转振动分析、纵向振动分析和横向振动分析。对分析结果进行整理后发现，对同一根钻杆，随阶数提高，钻杆柱扭振的频率不断提高；对同一阶频率，随杆长的增加，固有扭振频率呈减小的趋势；对比不同钻具组合时的临界转速与钻机工作的转速，可以减少共振的发生：钻杆柱的各阶固有频率会随着钻杆壁厚尺寸的增大而有所升高，但幅度比较小；随着钻杆柱中钻铤长度的增加，钻杆柱的低阶固有频率开始会有所下降，但很快高阶固有频率就有所上升；钻杆柱的各阶固有频率随着钻杆柱长度的增加而显著减小；振动能量能够沿着钻柱传播，当钻柱发生横向共振时振动能量就不能沿着钻柱传播，而会陷落在中和点处；钻柱发生横向振动的根数与井深有关，钻井越深，发生横向振动的根数越多，也有可能在不同井深处发生相同频率的横向振动；钻柱的横向振动频率也随钻柱长度的增加而减小；与纵向振动固有频率相比，横向振动固有频率明显变小，也就是说振幅明显变大，由给出的振型图清晰可见，横向振动时钻柱出现“蛇行”的运动方式。　　 (3)钻杆螺纹的优化分析钻杆接头螺纹副优化是个很重要的问题，对尺寸的优化主要体现在：对螺纹牙高h的调整、对螺纹间距L的调整。分析时，根据XY-44钻机选取一定的钻压和扭矩，各选取了三组锥度和牙高，一共得出6个模型。分析数据表明：牙高对螺纹强度的影响显著。随着牙高的增加，螺纹内最大应力明显增加；螺纹锥度变化对螺纹的强度直接影响很小，并且随着锥度减小应力有下降的趋势。最后，对钻杆柱非正常失效的影响因素进行了分析。包括岩层、钻井液、钻具结构及施工因素四个方面。　　 2、第三章：钻头方面本章主要讨论第四系覆盖层卵砾石层与非均质层钻进用钻头的设计与制作问题。卵砾石地层钻进一直是钻探界的难题之一，在该地层中，卵砾石往往其硬度大，研磨性强，粒径和成份差异，属于复杂地层钻进的范围，在地浸砂岩铀矿钻探、工程勘察钻进、基础础工程施工中都广泛遇到此类地层。实践表明，合金钻头、PDC钻头或普通金刚石钻头钻进该地层，钻头磨损特别快，回次进尺短，上下钻频繁，不利于钻孔稳定，寿命低，钻进成本高。根据卵砾石层对钻头性能的要求，本章设计了三种类型的钻头。　　 (1)设计了球齿、弹齿等作为主要钻齿的硬质合金钻头本着“挤压套取为主、切削破碎为辅；提高钻头抗崩能力、延长钻头工作时间”的设计思想，选用抗冲击能力好的球齿硬质合金、弹齿硬质合金与八角硬质合金，采用组合的镶焊方式，制作了QTQ型与STS型两种类型的钻头。野外试验数据表明，与普通合金钻头相比，该种混镶式合金钻头在钻进卵砾石层时，寿命提高了7倍以上，每米钻头成本降低了75％，有着较好的钻进性能和较高的使用寿命。　　 (2)设计制作了孕镶针状硬质合金-金刚石复合式钻头设计钻头，首先要明确钻头的设计思想，了解它的工作原理。在设计孕镶针状硬质合金-金刚石复合式钻头时，采用了工业上常用的纤维加固脆性材料的方法，如在混凝土中加钢筋、玻璃钢中加纤维。在钻头胎体中有序排列针状合金（有时也可增加入人造金刚石聚晶）可提高钻头胎体的抗冲击韧性、耐磨性。它综合了普通孕镶金刚石钻头与自磨式硬质合金钻头的特点，胎体具有较高的耐磨性、抗冲击韧性。针状合金除了增韧外，还起硬支点的作用，在钻进中保持胎体与岩石的接触面不变，正常磨损，始终维持克取岩石的能力。设计了钻头的胎体配方。钻头的胎体性能主要取决于胎体配方。确定胎体粘结材料的含量变化区间为：WC(0％～10％)，Ni(17％～27％)，Fe(23％～48％)，90-Cu(30％～52％)，Ti(1％～3％)，Mn(1％～5％)。共选择了六组配方进行试验。金刚石选用粒度为50/60和70/80，型号为MBD系列，其变化幅度在50％-125％。针状合金选用株洲硬质合金厂生产的YG8硬质合金，型号为Q1416;粉末经球磨机至少粉碎六个小时以上。　　 试验用试样分为三种：无金刚石又无针状合金，含金刚石75％有一根针状合金，还有无金刚石但有四根针状合金。经试验确定优选的配方做它的无金刚石但分别有一、二、三、四根针的情况做试块。每种组合做四块，有一块备用。试块烧结完成后，对其进行力学性能测试，包括抗弯强度试验，抗剪强度试验，硬度测试，冲击韧性测试，耐磨性检查，还对其进行了金相组织观察和SEM断口形貌观察，SEM断口形貌观察结果表明，胎体与针状合金的结合力大部分为机械包裹，它们的原子结合力不是很强。根据试验结果，优选了胎体配方，确定每个8×8的截面三根针。　　 胎体配方确定后，按照钻头的钢体和模具设计理论设计了两种钻头，确定钻头的烧结工艺参数为：烧结压力：12-18Mpa，烧结温度：850-1000℃，保温时间：2-5min，升温速度：100-200℃/min。分别依托兰州项目与核工业项目进行了野外试验。根据野外试验结果，得出以下结论：在设计金刚石-针状合金复合式钻头时，胎体推荐采用三、四号配方，硬质合金的面积比采用15％～17％，合每平方厘米5-8根；金刚石的浓度60-100％;采用如下结构：钻头的底出刃0.5-1.5mm，外出刃5-10mm，内出刃2-4 mm，水口面积占底唇面积的40-60％；设计孕镶金刚石-针状合金复合式钻头时，钻头的底唇面积应小于10平方厘米，即设计钻头单位面积上的钻压不超过50公斤（钻机的加压能力定为500公斤）。与普通硬质合金钻头相比，具有以下特点：抗崩刃、耐磨，钻进效率较高；纯钻效率高，回次时间长，减少了大量辅助时间，降低了劳动强度；钻头利用率高，有效地降低了钻探成本；结构简单，易于加工普及和推广；适合于钻进第四纪覆盖层中卵砾石地层和Ⅵ级以上的研磨性基岩；　　 (3)设计了适用于非均质岩层的PDC钻头PDC钻头是用人造聚晶金刚石切削齿镶焊于钻头胎体（或镶嵌于钻头钢体）上而成的一种新型切削型钻头。在中硬以下均质岩层中钻进可以获得高效长寿的显著效益，但在硬岩层和非均质岩层中有局限性。将复合片钻头的应用拓宽到硬岩层和非均质岩层，是众多研究者和厂商关注的热点问题之一。在PDC钻头的制造中，复合片的钎焊是制作PDC钻头的关键技术。本论文中，采用高频感应-火焰钎焊法钎焊PDC钻头，选用4种不同的银基焊料制作三组试块，用自制夹具对试块进行钎焊缝抗剪强度试验与焊接面表面形态观察，确定了银基焊料及焊接工艺。基于PDC钻头的设计理论，对钻头的结构进行了设计，依照制作工艺制作了适用于非均质岩层的PDC钻头。在哈尔滨宾县地区、辽宁黑水地区、陕西彬县地区进行了生产试验。得出以下试验结论：采用高频感应预加热与手工火焰焊接相结合的焊接工艺，设备投资少、易于操作，工件焊接质量可靠，生产效力高，节省人力；研制的复合片钻头在非均质岩层钻进效果良好，打破了复合片钻头一般只用于均质岩层钻进的约束，拓宽了复合片钻头在岩心钻探中的应用范围。降低了生产成本，能够带来很好的经济效益。　　 3、第四章：钻井液方面本章讨论了在铁路工程地质钻探过程中钻井液的基本功能，即：携带和悬浮岩屑，稳定井壁和平衡地层压力，冷却和润滑钻头、钻具。同时，分析了钻井液对钻杆的腐蚀和磨蚀作用机理，探讨了钻井液的粘度和固相含量对钻杆柱磨损程度的影响。总结了铁路钻探中常见的地层及与其相适用的典型钻井液。对于易水化、缩径地层，选用基浆为高阳土3％-4％加纯碱6％（粘土重量），分别加入CMC0.1％，聚丙烯睛钙(CPAN)0.15％，磺化沥青(SAS)，腐植酸钾(KHm)等处理剂的配方。针对卵砾石地层，选择膨润土和水为主要原料，同时加入少量纯碱，部分水解聚丙烯酰胺(PHP)，水解聚丙烯腈(HPAN)等添加剂，配制钻井液。在解决漏失地层的问题时，通常采用高水解度聚丙烯酰胺提高钻井液粘度、防止钻井液漏失和用来堵漏，配钻井液、控制失水量和提粘堵漏用60％～70％的水解品；若达到絮凝效果则使用20～40％的水解品。遇到涌水地层，选用重晶石粉作加重剂制备加重钻井液。　　 总的来说，本文通过有限元分析和大量室内外试验，探讨了铁路工程地质钻探中钻杆的受力问题，确定了卵砾石地层和非均质地层钻头的制造工艺和类型，成功地研制了与不同地层相适应的钻井液，实现了铁路工程地质钻探的快速钻进，达到了预期研究目标。最后，对后续研究工作提出了几点建议。