松散软弱破碎地层(简称松软破碎地层)等复杂地层取心和孔壁稳定一直是困扰地质钻探工程界的技术难题。本文以汶川地震断裂带科学钻探工程(WFSD)为例,针对地震断裂带的松软破碎地层取心困难,如岩心采取率低,回次进尺短,堵心严重和孔壁不稳定造成孔内事故频发等,采用ANSYS CFX仿真软件对取心钻头孔底流场进行数值模拟,根据速度场、压力场在取心钻头上的分布、大小,参照地层和岩心采取率情况,优化钻头的水力结构,如不隔水、半隔水和阶梯式全隔水钻头;同时调整钻进参数——泵量大小,泵量过大,孔底流场强,取心率低,易冲刷孔壁,泵量过小,孔底流场弱,上返流速低,携岩能力差,易卡钻和烧钻等。通过优化取心钻头的水力结构和钻进参数,取心效果明显改善,达到了预期效果。本论文分三大部分。第一部分为取心钻头流体动力学理论部分,主要为取心钻头孔底流场数值模拟提供理论依据;第二部分建立了取心钻头流体控制方程及数学模型,进行了三类取心钻头(不隔水、半隔水和阶梯式全隔水)孔底流场数值模拟和初步应用;第三部分针对孔底流场分析影响因素,对PDC阶梯式全隔水钻头的阶梯高度进行优化研究,并介绍了取心钻头在汶川地震断裂带科学钻探工程中的应用情况。钻头水力学研究已进入数值模拟的新时代,为优化钻头结构设计提供了极大的方便。但目前在取心钻头结构设计数值模拟研究方面仍存在以下不足,一是以牛顿流体——水为介质,一般不考虑钻井液的粘切;二是忽略钻头回转对流场影响,常假定钻头处于静止状态;三是认为孔底水平光滑;四是对孔底流场的研究大多处在定性阶段等。本文针对取心钻头孔底流场分析存在的问题,采用ANSYS CFX软件对取心钻头孔底流场分析,以非牛顿流体——钻井液为介质,采用幂律模式μ=Κγ~n模型;考虑钻头旋转对孔底流场影响,对几何模型分区为旋转流动域和非旋转域,动静交界面为距离钻进平面约70mm的位置,尽量靠近存在旋转效应的几何面;钻进孔底认为不光滑,钻头吃入岩石一定深度等。考虑流场内的流动具有一定的旋流效应,计算时采用改进的RNG k-ε湍流模型。本论文取心钻头孔底流场数值模拟成功克服了目前流场模拟的不足,非常直观和定量的分析钻头在孔底的速度场和压力场分布、方向和大小等,基本反映孔底流场的真实情况。论文分别建立了不隔水、半隔水和阶梯式全隔水三类取心钻头数学模型,进行孔底流场数值模拟和对比分析。根据数值模拟结果,生产制造出多种不同水力结构的取心钻头,在汶川地震断裂带科学钻探工程中进行大量现场试验,得出:不隔水钻头取心率低,不适合汶川地震科钻需求;对于相对松散破碎、局部软硬不均的地层,采用半隔水取心钻头能满足岩心采取率要求;对于松软破碎的炭质板岩、断层泥及断层角砾岩等地层,采用PDC阶梯式全隔水取心钻头,取心效果良好。阶梯式全隔水取心钻头水口大小一定时,水口阶梯高度和水力参数是影响钻头孔底流场的主要因素,它对松软破碎地层岩心采取率具有重要作用。论文对阶梯式全隔水取心钻头水口的不同阶梯高度进行孔底流场数值模拟,然后针对同一水口阶梯高度和不同泵量进行组合数值模拟,将仿真数据通过Origin回归分析、曲线法及Matlab作图法进行数据分析,总结归纳孔底流场回归方程式和图形图像,研究一种适合松软破碎地层取心钻进的最佳钻头水力结构——阶梯高度和钻进参数——泵量。汶川科钻实践证明,φ150mm直径的PDC阶梯式全隔水取心钻头以10-20mm水口阶梯高度为最佳。对现场工程技术人员来说,可以根据取心钻头孔底流场的回归方程式、图形图像非常方便与直观的优选所需要的钻头水口阶梯高度和泵量大小。当阶梯高度一定时,可以调整泵量大小适应地层变化情况。综上所述,本文通过取心钻头的孔底流场仿真和优化研究,建立取心钻头孔底流场数值模拟的三维数学模型,设置边界条件和水力参数等,模拟钻头孔底的实际工况进行定量的流场分析与对比,计算过程采用固化流程,简单易学,为模型修改以及多工况计算提供简单快捷的处理方式,为广大科技工作者对取心钻头水力结构的优化设计提供理论依据;对现场工作者来说,根据取心钻头孔底流场的回归方程式、图形图像以及地层情况等非常直观快速的优选取心钻头,提高功效,节省了成本等。因此,该文的研究对松软破碎等复杂地层取心钻头的优化设计和选择提供一定的借鉴和参考,具有较好的社会和经济价值。