随着钻探技术的发展,无论是岩心钻探、科学钻探、还是工程勘查皆对岩心采取率及岩心质量提出了更高的要求,因此,现在的取心质量包括岩心采取率和岩心的原状结构程度。本文合松科1井对极松散地层与强塑性松软地层进行了隔液保真取样钻具及防泥包钻头的优化设计,并研究了复杂地层防塌水基泥浆体系。本文分析了在极为复杂地层中钻进岩心采取率极低的原因,得出在极松散地层钻进,钻具内腔的液压力需恒大于或等于内、外腔连通处的液压力;在强塑性松软地层中钻进,依靠布齿形式、排屑空间与水路结构的合理设计与钻进参数的控制防止钻头泥包;为此,开辟了复杂地层取心钻具优化设计的新思路。从取心钻具与水力学特性相互作用的逻辑关系入手,进行取心钻具的结构强度分析,确定了取心钻具结构空间的设计依据;然后结合水力学进行了CFD模拟;泄流槽和钻头内的挡水环是该套钻具的核心技术,能够满足保心效果;仿真分析与模拟试验表明,参数吻合性好;通过对防泥包钻头的CFD模型的分析,得出孔底流场分布均匀、效果良好,具有一定的科学性。优化了螺纹锥度、牙高、螺距、基面距等参数,螺纹强度受钻杆局部内径变化影响显著,内径减小,螺纹整体强度提高;螺纹锥度变化对钻杆强度的影响较大,当锥度达到1:25附近时,螺纹强度最大;螺纹强度随牙高变化极其复杂。随着螺距的增大,钻杆管体螺纹处结构内部应力分布愈不均衡,从而使螺纹的应力集中现象更加显著;螺纹强度随基面距的变化影响不大。结合计算流体力学的基本知识及经验,完成了隔液保真钻具和防泥包钻头的设计和模拟,掌握了其孔底流场分布规律,通过大量的实验测试:结果显示与模拟结果相符。隔液保真钻具的优化结果:仿真分析与CFD模拟试验表明,参数吻合性好,但泄流槽的深度对井底流域的压力场和速度场影响较为明显。50mm槽深井底流速场变化要大,对井底扰动明显,压力梯度较为明显,而70mm深泄流槽的孔底流动相对平缓,可以预测保心效果好,但估计会影响钻速。防泥包钻头优化结果:钻头切削刃前斜面的倾角对孔底流场的分布影响很大,但对孔底压力损失影响不大。钻头在孔底总的压降,30°斜面最高,更容易取心与排屑,25°斜面次之,35°斜面最小。以优化设计的结构参数为依据,分别针对松科一井、内蒙查干温都尔矿区、汶川科学钻井使用的取心钻具进行了优化设计,制造出隔液保真钻具、防泥包钻具;结合工程实际优选泥浆配方,设计了全新测试实验系统,开发了新型简易仪器,测试与观测泥浆的性能,研制松科一井防塌水基钻探泥浆体系。实践证明:两种钻具明显提高了复杂地层中钻进岩心采取率的提高,满足了地质的要求;防塌水基钻探泥浆在松科一井中应用成功,起到了很好的护壁效果;验证了理论设计与优化方案的可行性。