目前，地質鉆探技術壹方面是其應用領域不斷擴展，如地熱鉆探、海洋鉆探及海底取樣、深海采礦等；另壹方面是其工作難度持續增加，尤其對於科學超深井的實施，包括先導孔繩索取心鉆探工藝應用，由於井深深度的增加，相應配套設備及器具須及時跟進。根據對國內外有關硬巖取心鉆進的經驗及相關研究來看，為了能使科學超深井鉆進作業順利進行，先導孔的設計工作具有重要的意義。在此項工作中，繩索取心鉆柱研究更顯其重要性，其既要使鉆頭保持足夠的鉆壓，又不能是鉆柱出現彎曲變形。因此，鉆桿的各種機械性能就構成了重要的設計準則，尤其是抗拉強度。
4.2.1 繩索取心鉆桿管材選用
對於鉆柱的選材來講，傳統的材料力學設計觀點只考慮材料的屈服強度σs，或極限強度σb，而σs、σb數值越大，則該種材料越能承受更大的載荷。但對於科學超深井鉆探工程來講，不僅要考慮σs、σb這些性能指標，同時還需考慮其他性能參數，應綜合強度、韌度等多方面因素對管材進行綜合評價。如果單方面考慮選用高強度材料，但其韌度值較低，則有可能產生低應力脆性破壞。因此，當材料強度提高後需密切考慮其韌度的變化，綜合強度與韌度等因素去考慮選材的方法稱之為“強韌比”選材法。
4.2.1.1 模糊數學法
（1）確定評判對象集
根據不同材質管材的功能和預計的行為及工作環境，詳細規定管材的性能要求，並將其分為硬要求和軟要求，以硬要求為準進行篩選，可得到壹組初步淘汰後的備選材料，以被選材料中每種材料為元素，建立評判對象集X。
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（2）確立因素集
為了選定最優材料，必須根據設計要求對備選材料進行評判，即令這些性能要求為選材的評判標準，從而建立評判因素集U。
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（3）單因素評判
評判因素集U確定後，對各因素Uj建立評判計算公式，求出rij，rij表示對象Xi對Uj的評判結果，且0≤rij≤1。
其評判公式可取：（xjmax為因素集Uj的最大值）。故建立單因素評價矩陣R。
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（4）權數確定
考慮到各評判因素對評判結果影響大小不壹，需對各評判因素賦予相應的權數。賦權數的方法有數學方法和專家估測法。如對評價因素U=［U1U2…Un］，現有m個專家就U中因素做出權數判定，結果如表4.8所示。根據表4.5產生的權重分配矩陣T。
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（5）綜合評判
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表4.8 權數判定
4.2.1.2 管材機械性能試驗
試驗材料選用國內繩索取心鉆桿（桿體、接頭、內外巖心管等）用冷拔無縫鋼管，最常用的有45MnMoB、30CrMnSiA、XJY850（42CrMo）、XJY950（37CrMnMoA）四種材質。本專題以先導孔繩索取心鉆探工藝應用為例，對四種管材進行了相關的室內試驗研究。
（1）剖樣抗拉試驗
試驗采用箱式電爐，對不同材質管材進行熱處理後（熱處理條件以產品出廠標準為準），按標準規定的幾何尺寸切割剖樣，在將剖樣置於WA-1000C型電液伺服萬能試驗機上進行抗拉試驗，試驗後讀取其屈服強度、抗拉強度以及測量斷後伸長率，試驗嚴格遵循國家標準GB/T 208—2002進行。
（2）表面硬度測量
對不同材質管材進行熱處理後，將每種試樣進行兩組16個點的表面硬度測量，求其平均值，得出表面硬度值。
（3）拉-拉疲勞試驗
常溫常壓下，選用高頻疲勞試驗機，並選取四種材質管材，按標準規定的幾何尺寸切割剖樣後置於試驗機上進行拉-拉疲勞試驗。
相關試驗結果見表4.9及表4.10。
表4.9 四種管材疲勞壽命比對試驗
表4.10 四種材質管材機械性能表
4.2.1.3 模糊數學綜合評判計算
對於科學超深井鉆柱材料需對其進行綜合研究，除機械性能外還應考慮經濟因素，而運用模糊數學的方法則能較全面地對管材進行綜合評述，以進行最後的選用。鉆柱材料評判可以具體按以下方法進行：
1）設評判對象為若幹型號鋼種：
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2）設因素集：
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3）找評判矩陣：
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因i，j已知可逐壹找出rij的值，即建立各因素的uj的隸屬函數，以uj（uj）表示uj的隸屬函數。選擇隸屬函數要根據因素集中各因素的特征進行。根據以上分析，確定的備選材料對象、性能及其單因素評判結果見表4.11。
表4.11 材料性能及單因素評判結果
4）找出評判函數，列出評判結果：
由此建立單因素評判矩陣；
並依據專家估測法得出各因素的權數，由此再得到相應的權重分配矩陣T=［0.50 0.05 0.10 0.10 0.25］；
則評語B=R·TT=［0.765 0.984 0.803 0.766］T。由B可知，37CrMnMoA合金鋼管材為首選材料。
4.2.2 螺紋副參數優化
對於先導孔繩索取心鉆進工藝來講，其鉆桿螺紋副優化是壹項亟待解決的問題。相關文獻表明，有限元仿真可在壹定程度上代替室內試驗模擬螺紋副滑脫過程。本小節以非線性有限元理論為基礎，運用大型通用有限元軟件對不同扣型不同參數下深孔超深孔繩索取心鉆桿螺紋副在拉伸及拉扭條件下的抗拉脫能力進行了分析計算，獲得了螺紋副在兩種工況條件下的拉脫力大小及螺紋副周圍的應力和變形分布特征。
4.2.2.1 有限元模型
目前，深孔超深孔繩索取心鉆桿螺紋副結構主要有3種類型，即對稱梯形扣、不對稱梯形扣、負角度梯形扣，見圖4.1。
圖4.1 三種螺紋副結構示意圖
（1）幾何模型
本節按自行設計直連式Ф89×5mm薄壁繩索取心鉆桿，接頭螺紋副錐度為1∶16、1∶22、1∶30，牙高為1mm，螺距為8mm的3種不同扣型：15°～15°對稱梯形扣，3°～45°不對稱梯形扣，-5°～45°負角度梯形扣。接頭螺紋公、母扣的三維實體模型，如圖4.2所示。
圖4.2 接頭螺紋實體模型
（2）材料參數
繩索取心鉆桿接頭螺紋副有限元分析合金鋼材料參數，見表4.12。
表4.12 鉆桿接頭合金鋼材料參數
（3）網格選擇及劃分
繩索取心鉆桿接頭螺紋副采用六面體網格劃分，由於分析是壹個非線性（幾何非線性、接觸和材料非線性、彈塑性）過程，因此，分析單元選擇C3D8R類型，即線性減縮積分單元。公接頭管體網格平均三向尺寸為2.6mm、2.0mm、1.4mm，螺紋網格平均三向尺寸為1.0mm、0.5mm、0.6mm，見圖4.3；母接頭管體網格平均三向尺寸為2.8mm、1.8mm、1.1mm，螺紋網格平均三向尺寸為1.0mm、0.5mm、0.7mm，見圖4.4。模型總單元數為42288。
圖4.3 公接頭螺紋有限元網格劃分
圖4.4 母接頭螺紋有限元網格劃分
4.2.2.2 計算方法
（1）非線性有限元
非線性方程通常采用如下形式表示：
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式中：{a}為單元節點位移列向量；［K（{a}）］為與單元節點位移{a}相關的系數矩陣；{f}為等效節點載荷列向量。
其中，非線性方程的主要解法有：直接叠代法、Newton-Raphson法、修正的Newton-Raphson法及增量法等。
（2）屈服準則
當材料中壹點的應力分量滿足壹定關系時，此點將進入塑性變形階段，開始發生不可恢復的塑性變形。本專題中將采用V.Mises屈服準則，屈服條件為：
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其中：σso為材料的初始屈服應力；sij=σij-σmδij為偏斜應力張量分量；（σ11+σ22+σ33）為平均正應力；
δij為Kronecker（克羅內克）符號，即：
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且，有以下關系存在：
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其中：σ-為等效應力；J2為第二應力不變量。
4.2.2.3 邊界條件及計算結果
在拉伸條件下，母接頭螺紋端固定，公接頭螺紋端沿桿體軸向準靜態加載位移20mm，見圖4.5；在拉扭條件下，母接頭螺紋端固定，首先在公接頭螺紋端緩慢加載2000N·m的常幅扭矩，然後在公接頭螺紋端沿桿體軸向準靜態加載位移10mm，見圖4.6。
圖4.5 拉伸條件下鉆桿接頭螺紋有限元分析模型
從圖4.7中我們可以看出，螺紋副錐度相同時，負角度梯形扣的抗拉脫能力最強，不對稱梯形扣次之。與對稱梯形扣相比，負角度梯形扣的抗拉脫力提升範圍在10.3%～13.6%之間，這是由於負角度梯形扣相對於對稱梯形扣來講，承載面的法線與螺紋軸線之間的夾角變小，在軸向拉開位移相同的情況下，公螺紋和母螺紋都將會產生較大的橫向位移，而橫向位移的增大，導致螺紋管體根部的彎矩變大，此時由於充分發揮了螺紋自身的抗彎能力從而有效提升了螺紋的拉脫力水平及抵抗變形的能力。這也證實了Board Long-year（2009）和練章華（2008）等的分析結果。
圖4.6 拉扭條件下鉆桿接頭螺紋有限元分析模型
在同壹扣型條件下，錐度由1∶16變為1∶22，再由1∶22變為1∶30時，即螺紋副錐角逐漸減小，螺紋副的抗拉脫力呈現出先降後升的變化趨勢。這是因為，當錐度由1∶16變為1∶22時，由於螺紋副錐角變小，其危險斷面面積減小，故螺紋副的抗拉脫能力有所下降；當錐度由1∶22變為1∶30時，盡管螺紋副錐角變小，但由於此時螺紋副承載面的法線與螺紋軸線之間的夾角變小，螺紋自身的抗彎能力及抵抗變形的能力超過了危險斷面面積減小給螺紋拉脫力帶來的負面影響，從而使得其抗拉脫能力又有所增加。這也與馮清文（1995）對繩索取心鉆桿螺紋錐度與強度關系及應力進行的室內試驗結果是壹致的。
圖4.7 不同工況下拉脫力曲線
隨著負角度的不斷增大，負角度梯形扣螺紋的防脫能力有所增加，但趨勢逐漸放緩，見圖4.8。當角度達到-9°時，如繼續增大負角度對於提升螺紋的抗拉脫能力已經沒有更大的意義，因為在此情形下，螺紋副已不能拉脫，這個名義上的“拉脫力”反映的本質是其“失效拉斷力”。同時，從圖4.7、圖4.8中還可以看出，與拉伸相比，拉扭條件下螺紋副受力較為復雜，其抗拉脫能力略有降低，這是因為在有常扭矩條件下，螺紋副在拉脫過程中有壹個旋緊的趨勢，螺紋兩端起始部位接觸條件變化較為明顯，變形較為劇烈，並伴有局部的失效與破壞。
圖4.8 不同角度梯形扣螺紋拉脫力曲線
綜上所述，可以得出如下結論：
1）螺紋副錐度相同時，負角度梯形扣的抗拉脫能力最強，不對稱梯形扣的抗拉脫能力次之；
2）在同壹扣型條件下，錐角變小時，螺紋副拉脫力呈現出先降後升的變化趨勢；
3）隨著負角度的不斷增大，負角度梯形扣螺紋的防脫能力有所增加。當角度達到-9°時，如繼續增大負角度對於提升螺紋的抗拉脫能力已經沒有更大的意義；
4）與拉伸相比，拉扭條件下螺紋副受力較為復雜，其的抗拉脫能力略有降低。