深海科学钻探中外钻头先行钻井技术提升破岩效率的机理与优化研究

针对深海钻探中岩层强度高、可钻性差导致的破岩效率低下问题，本研究提出外钻头先行钻井（OBLD）技术，通过数值模拟和实验验证揭示了环形台阶应力释放促进裂纹扩展的机理。研究发现当领先距离k=3 mm时，钻井效率提升13.23%，机械比能（MSE）降低13.65%，为超深地层钻探提供了创新解决方案。

　　

深海科学钻探是探索地球演化、气候历史和资源分布的关键手段，但随着钻探深度增加，岩层强度升高和可钻性下降导致传统磨削式破岩效率骤减。中国"梦蛟"号钻探船肩负万米级深海钻探使命，亟需突破硬岩高效破碎技术瓶颈。外钻头先行钻井（Outer Bit Leading Drilling, OBLD）通过大小钻头嵌套形成环形台阶结构，理论上可提前释放水平应力，但其破岩机理尚不明确。

中国某研究团队在《Ocean Engineering》发表研究，采用?28-50 mm双孕镶金刚石钻头，结合三维钻孔模型和二维裂纹扩展模拟，系统分析不同领先距离（k值）下的破岩特性。关键技术包括：有限元数值模拟（分析SDEG损伤参数）、自主搭建钻井平台实验验证、机械比能（Mechanical Specific Energy, MSE）量化评估等。

【Bottomhole stress relief mechanisms】
研究建立弹性地层应力模型，证明OBLD形成的环形台阶可分解水平应力σ_H和σ_h，当k=3 mm时最大主应力降低38.7%，为裂纹扩展创造有利条件。

【Structure and principle of dual drill bits】
内外钻头采用反向旋转设计，工作层含金刚石颗粒浓度70%-80%，通过独立压力调节实现k值精确控制（0-5 mm）。

【Rock fragmentation at the bottomhole】
SDEG损伤模拟显示，k=3 mm时环形台阶区域裂纹密度增加2.1倍，产生>1 mm大颗粒岩屑比例达64.3%，实验测得钻速提升13.23%。

【Discussion】
与传统单钻头磨削机制不同，OBLD通过应力释放实现体积破碎，避免轴向压力导致的"压实效应"。当k>3 mm时，内外钻头协同作用减弱导致效率下降。

结论表明，OBLD技术通过优化应力场分布显著提升破岩效率，k=3 mm为最佳参数组合。该研究不仅为深海硬岩钻探提供新思路，其应力调控理念还可拓展至地热开发等领域。研究获国家科技重大专项（2024ZD1000808）等基金支持，相关技术已应用于"梦蛟"号钻探系统。