现有的陆域绳索取心钻具直接应用于海底钻机上存在着单动效果不佳容易造成悬挂环与座环之间的磨损、投放内管总成过程中和拔断岩心过程中悬挂环嵌死在座环的风险从而造成内管总成打捞成功率不高、岩心质量较低以及地层适应性不强三个方面的问题。针对上述问题,本项目通过钻具单动机构结构优化、悬挂机构仿真分析、钻头切削齿结构优化分析以及现场试验这几个方面着手,设计加工出一套海底钻机用高可靠性勘探需求的绳索取心钻具并通过仿真分析软件分析了绳索取心钻具中的关键零部件的可靠性。现场海试实验表明,该绳索取心钻具单动机构运转灵活、悬挂机构正常,岩心采取率在85%以上,岩心受到的扰动较小。本项目所做的主要工作和得出的主要结论如下:(1)阐述了海洋用绳索取心钻具的设计思路,根据该思路设计了海底钻机用绳索取心钻具的内外管总成。针对上提时弹卡板容易偏斜保证收卡的可靠性改进了弹卡机构。去除了常规钻具的到位报信和岩心遇堵装置,使得钻具总长缩短,有利于降低海底钻机的整体高度,使铠装电缆的承重要求控制在安全范围内。重新设计了单动机构并阐述了其工作原理。改进了悬挂机构避免内管下落过程中以及拔取岩心时悬挂环嵌死在座环中。同时详细阐述了绳索取心钻具的各个机构的工作原理和特点。最后,介绍了各个零部件的尺寸。(2)对海底钻机用绳索取心钻具的关键零部件——悬挂环与座环之间的受力情况进行了仿真分析。首先利用ABAQUS仿真软件建立了相关的有限元模型,其次分析了悬挂机构在极端工况下的承受冲击时的最大速度和拔断岩心过程的最大作用力。最后对悬挂机构在受到冲击过程以及拔断岩心的过程进行了数值模拟。数值结果表明改进后的悬挂机构能够降低在受到冲击过程以及拔断岩心的过程由于悬挂环和座环塑性变形相互咬合失效所造成的内管总成无法顺利打捞的风险。(3)对孕镶金刚石钻头进行相关的参数设计并建立流体模型,同时采用Fluent仿真软件分析该钻头的隔水效果。定量的隔水效果分析表明采用设计有主副水眼的锥型齿底喷钻头在钻进过程中能够有效避免85%的冲洗液对岩心的直接冲刷,减少样品扰动程度,提高取心质量。对主、副水眼的作用进行了区分,其中从主水眼中流出的冲洗液主要起携带岩粉快速上返的作用,从副水眼中流出的冲洗液主要起提高切削齿冷却性能的作用。同时仿真结果表明冲洗液沿孔壁上返的过程中动能先上升后下降,其速度能够稳定在0.7～1.8m/s之间,满足岩心钻探规范对冲洗液上返速度的要求。(4)加工了一套Φ96海底钻机用绳索取心钻具,在中国某海域的矿产资源勘探项目中使用自主研制的“海牛号”海底多用途钻进系统进行钻探作业。现场试验表明经过经过结构优化的钻头能够同时满足海底钻机使用工况和海洋工程地质勘探对样品取心质量的要求。