湯鳳林，趙榮欣，周 欣，段隆臣，Чихоткин В.Ф.

（1.上海市建筑科學(xué)研究院有限公司，上海 200032；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；3.湖北省地震局，湖北 武漢 430064）

1 概述

鉆探工程中，特別是在復(fù)雜地質(zhì)條件下的深部分支孔定向鉆進(jìn)中，為了提高鉆探效率、保證鉆孔質(zhì)量、提高技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，需要及時(shí)掌握孔底實(shí)時(shí)位置（孔深）、頂角、方位角，以及造斜器具在孔底的安裝角度等，為此需要使用遙測(cè)系統(tǒng)［1-20］。遙測(cè)系統(tǒng)一般包括有：最大限度接近孔底的一組傳感器，動(dòng)力供給裝置，從孔底到地面信息的獲得、傳送和接收系統(tǒng)，處理所得信息以便解決檢測(cè)、控制鉆進(jìn)過(guò)程的計(jì)算機(jī)所需的信息系統(tǒng)等。

為了從孔底向地面?zhèn)魉托畔?，需要不同的?lián)系通道。聯(lián)系通道有多種，有聲波聯(lián)系通道、水力聯(lián)系通道、電磁（無(wú)桿）聯(lián)系通道、有桿聯(lián)系通道、組合聯(lián)系通道等。但是目前使用較多的是水力聯(lián)系通道和電磁聯(lián)系通道以及二者的組合［1-2］。

水力聯(lián)系通道中，利用的是活閥運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的鉆井液壓力脈沖。水力脈沖傳感器裝在鉆桿柱內(nèi)部。水力脈沖壓力與時(shí)間的關(guān)系P=f（t），見(jiàn)圖1?；铋y壓向鉆桿柱內(nèi)正向沖洗液，產(chǎn)生壓力正脈沖，用代碼1 表示，表示壓力提高（見(jiàn)圖1a），如果鉆井液定期通過(guò)活閥進(jìn)入鉆桿外空間，則產(chǎn)生負(fù)脈沖，用代碼0表示，表示壓力降低（見(jiàn)圖1b）［7-9］。

圖1 水力脈沖壓力與時(shí)間的關(guān)系P=f(t)通道信號(hào)代碼Fig.1 Hydraulic pulse pressure as a function of time P=f(t)and code of communication signal

也可使用依靠改變壓力脈沖相位傳送信息的回轉(zhuǎn)型脈沖發(fā)生器（見(jiàn)圖2）。壓力脈沖是靠具有一定轉(zhuǎn)速的葉片回轉(zhuǎn)得到的，相位轉(zhuǎn)換是利用葉片2 向左或向右回轉(zhuǎn)得到的。葉片向某個(gè)方面轉(zhuǎn)動(dòng)，導(dǎo)致脈沖相位產(chǎn)生一定位移，即向1 或0 移動(dòng)。

圖2 回轉(zhuǎn)型脈沖發(fā)生器Fig.2 Rotary type pulse generator

遙測(cè)系統(tǒng)電磁聯(lián)系通道原理如圖3 所示。信號(hào)從位于孔底遙測(cè)系統(tǒng)中的鉆桿柱下方無(wú)磁分隔管的信號(hào)源出來(lái)。電磁波通過(guò)巖石把信號(hào)傳送給接地天線，被信號(hào)處理系統(tǒng)吸收，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。

圖3 遙測(cè)系統(tǒng)電磁聯(lián)系通道工作原理Fig.3 Working principle of the electro?magnetic link route in the remote measurement system

2 鉆進(jìn)用信息-工藝-自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)

俄羅斯“領(lǐng)航員”遙測(cè)系統(tǒng)科研所的科研人員把信息、工藝、自動(dòng)導(dǎo)航結(jié)合起來(lái)，開(kāi)發(fā)出了鉆進(jìn)用信息-工藝-自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)，見(jiàn)圖 4［7-9］。

圖4 鉆進(jìn)用信息-工藝-自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)示意Fig.4 Automatic information?procedure?navigation system for drilling

鉆進(jìn)自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)包括位于鉆桿柱中的孔底動(dòng)力機(jī)、孔底遙測(cè)系統(tǒng)、動(dòng)力源、水泵及其驅(qū)動(dòng)裝置。泵與接收容器連接，容器中置有沖洗液水平傳感器。在水泵的泵送線上，置有壓力傳感器、流量傳感器、密度傳感器和檢測(cè)有無(wú)氣體包裹物存在的傳感器。在泵送線上還裝有控制閥。天線上接有接收裝置，其出口端與計(jì)算機(jī)的入口端連接。計(jì)算機(jī)的第2 個(gè)入口端接有轉(zhuǎn)換組件。

絞車(chē)包括絞車(chē)傳動(dòng)裝置。絞車(chē)上置有鉆桿柱長(zhǎng)度傳感器。大鉤指重表裝在鋼絲繩索上。鉆桿柱通過(guò)轉(zhuǎn)盤(pán)，轉(zhuǎn)盤(pán)包括有造斜裝置定向用的轉(zhuǎn)盤(pán)驅(qū)動(dòng)裝置。

在鉆桿柱的上部，置有防噴器及其驅(qū)動(dòng)裝置。在鉆桿柱外部空間中，置有氣體分析器、軸載傳感器、扭矩傳感器和水力渦輪傳感器。傳動(dòng)組件和測(cè)斜部件置于孔底遙測(cè)系統(tǒng)的殼體內(nèi)。計(jì)算機(jī)出口端接有監(jiān)視器、打印機(jī)，通過(guò)連接件接有司鉆操縱臺(tái)和調(diào)解解調(diào)器（通常稱(chēng)之為“貓”）。調(diào)解解調(diào)器沿著電話線通過(guò)調(diào)解解調(diào)器與遠(yuǎn)方計(jì)算機(jī)連接。計(jì)算機(jī)的出口與控制部件連接?？刂撇考c水泵的傳動(dòng)裝置、絞車(chē)傳動(dòng)裝置、轉(zhuǎn)盤(pán)傳動(dòng)裝置、防噴器傳動(dòng)裝置和控制閥連接。在動(dòng)力源的上方，也可裝置脈沖發(fā)生器獲得組件，以便按水力聯(lián)系通道傳送信息。

計(jì)算機(jī)裝有信息、工藝的程序軟件，包括操作系統(tǒng)程序、信息處理程序、制定技術(shù)解決問(wèn)題措施程序和控制程序。

轉(zhuǎn)換組件包括模擬-數(shù)字處理器（按傳感器的數(shù)量分別為АЦП50—АЦП58）、控制器、本組件的“貓”和動(dòng)力供給部件。

本自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)的工作原理如下。

鉆進(jìn)時(shí)，水泵沿著泵送線路向渦輪鉆具供給沖洗液，驅(qū)動(dòng)渦輪鉆具工作。從測(cè)斜部件來(lái)的測(cè)斜參數(shù)和從軸載傳感器、扭矩傳感器和水力渦輪轉(zhuǎn)數(shù)傳感器來(lái)的孔底參數(shù)，通過(guò)傳動(dòng)組件，以電磁波形式傳給天線、接收裝置進(jìn)入計(jì)算機(jī)。從地上工藝傳感器來(lái)的信號(hào)，傳給轉(zhuǎn)換組件的入口和計(jì)算機(jī)的入口，進(jìn)行轉(zhuǎn)換、處理，同時(shí)傳給監(jiān)視器和司鉆操縱臺(tái)，必要時(shí)傳給打印機(jī)。在監(jiān)視器屏幕上，可把信息快速、高質(zhì)量、清楚地傳給物探人員，部分信息以數(shù)字-模擬方式傳到司鉆操縱臺(tái)上，而且可以利用置于附近的光極管，以模擬方式提供測(cè)斜資料。

轉(zhuǎn)換組件把從所有地上傳感器來(lái)的資料，轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可以使用的信號(hào)。裝置在孔底遙測(cè)系統(tǒng)殼體內(nèi)的傳感器，通過(guò)傳動(dòng)組件把信息傳送給地表天線、接收裝置，繼而傳給計(jì)算機(jī)。

利用處理從工藝傳感器傳來(lái)信息用的軟件，可以處理從傳感器來(lái)的全部信息，首先向監(jiān)視器屏幕提供數(shù)字形式，然后提供表格、圖件、曲線等形式的形象化資料，計(jì)算并給出通過(guò)數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換測(cè)得的參數(shù)，例如鉆孔偏離設(shè)計(jì)軌道得到的資料。利用技術(shù)措施制定軟件，對(duì)信息進(jìn)行比較復(fù)雜的邏輯轉(zhuǎn)換和數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換?？刂栖浖?duì)該系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)直接給出控制信號(hào)，以便提出與鉆進(jìn)過(guò)程控制方面有關(guān)的建議。執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括水泵傳動(dòng)裝置、絞車(chē)傳動(dòng)裝置、轉(zhuǎn)盤(pán)傳動(dòng)裝置和防噴器傳動(dòng)裝置。發(fā)生事故情況下，也可發(fā)出（聲和光）警告信號(hào)。本組件也可以保證通過(guò)對(duì)水泵傳動(dòng)裝置、絞車(chē)傳動(dòng)裝置、轉(zhuǎn)盤(pán)傳動(dòng)裝置和防噴器傳動(dòng)裝置施加作用而使鉆進(jìn)過(guò)程完全自動(dòng)化。而且，控制施加的每一個(gè)作用，都可以是單獨(dú)實(shí)現(xiàn)的，也可以是任何組合形式實(shí)現(xiàn)的。

使沖洗液產(chǎn)生水力脈沖的脈沖發(fā)生器，可以保證把有關(guān)孔斜參數(shù)和孔底工藝參數(shù)的信息沿著水力聯(lián)系通道傳送。同時(shí)，可以使用2 個(gè)聯(lián)系通道之一的水力聯(lián)系通道或電磁聯(lián)系通道來(lái)復(fù)制得到的信息，以提高系統(tǒng)的可靠性。

本系統(tǒng)還可以保證把信息傳送到遠(yuǎn)方的計(jì)算機(jī)，以便實(shí)現(xiàn)不僅可以對(duì)一個(gè)井場(chǎng)進(jìn)行控制，還可以對(duì)周?chē)畧?chǎng)乃至整個(gè)油田進(jìn)行控制。

自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)包括的遙測(cè)系統(tǒng)，用于確定鉆柱下部裝置的空間定位和確定鉆進(jìn)過(guò)程優(yōu)化需要的孔底參數(shù)。遙測(cè)系統(tǒng)中的孔內(nèi)儀器，可以保證對(duì)孔底造斜器進(jìn)行定向，也可以向地面連續(xù)傳送和指示無(wú)磁異常地質(zhì)介質(zhì)中渦輪鉆進(jìn)過(guò)程中的鉆孔方位角、頂角的信息。

自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)中的遙測(cè)系統(tǒng)工作過(guò)程：沖洗液帶動(dòng)流通式發(fā)電機(jī)渦輪，產(chǎn)生供給孔內(nèi)儀器電子部件的電能。來(lái)自傳感器的信息被轉(zhuǎn)換成代碼系列，根據(jù)鉆進(jìn)條件和有關(guān)相應(yīng)的組件，按照電磁聯(lián)系通道或水力聯(lián)系通道進(jìn)行傳送。在地表上，電磁信號(hào)被距鉆場(chǎng)30～50 m 的天線接收，水力脈沖信號(hào)被安裝在水泵泵送線上的傳感器轉(zhuǎn)換器接收。在接收裝置中，接收到的信號(hào)被譯碼，進(jìn)入計(jì)算機(jī)處理。

在遙測(cè)系統(tǒng)中的孔內(nèi)部分中，有微型組件結(jié)構(gòu)。遙測(cè)系統(tǒng)的功能取決于其所包含微型組件的組成，微型組件又取決于工藝需要。

遙測(cè)系統(tǒng)主要性能參數(shù)如下［7-9］：

測(cè) 量 范 圍 及 精 度 ：頂 角 0°～180°（±0.1°～0.15°），方位角0°～360（°±1°～2°），造斜器安裝角0°～360（°±1°～2°）。

孔內(nèi)儀器安裝尺寸：直徑≯172 mm，長(zhǎng)度3000 mm。.

孔內(nèi)儀器供電發(fā)電機(jī)性能：頻率2000±500 Hz，電壓18～70 V。

地表儀器供電源性能（交流）：頻率50 Hz，電壓220～240 V。

工作參數(shù)：孔底工作溫度＜125 ℃，沖洗液流量7～60 L/s，最大靜壓100 MPa，發(fā)電機(jī)壽命≮200 h，沖洗液含砂量＜3%，抗振穩(wěn)定性＜12 g，抗沖擊強(qiáng)度＜1000 g。

使用帶有電磁聯(lián)系通道和水力聯(lián)系通道的孔底遙測(cè)系統(tǒng)，可以測(cè)量鉆進(jìn)過(guò)程中的導(dǎo)航參數(shù)和地球物理參數(shù)，包括鉆井液不能循環(huán)時(shí)的參數(shù)，在鉆具提升時(shí)記錄有關(guān)信息。

孔底遙測(cè)系統(tǒng)測(cè)量的參數(shù)有：頂角，方位角，造斜器相對(duì)終點(diǎn)平面的位置，電阻率測(cè)井KC（使用電磁聯(lián)系通道孔底遙測(cè)系統(tǒng)時(shí)），自然極化測(cè)井ПС（使用電磁聯(lián)系通道孔底遙測(cè)系統(tǒng)時(shí)），振動(dòng)測(cè)井ВК，發(fā)電機(jī)回轉(zhuǎn)頻率，孔底溫度，輻射功率等。

帶有電磁聯(lián)系通道的孔底遙測(cè)系統(tǒng)，安裝在孔底動(dòng)力機(jī)的上方，由孔底部分（電子儀器，動(dòng)力機(jī)，接長(zhǎng)管，電分離管）和地面儀表（司鉆操縱臺(tái)，天線，接收裝置）組成。

帶有水力聯(lián)系通道的孔底遙測(cè)系統(tǒng)，包括有孔底部分（孔內(nèi)儀器，動(dòng)力機(jī)，接長(zhǎng)管，動(dòng)力外殼，脈沖發(fā)生器）和地面儀表（管匯壓力傳感器，接收裝置）。地表天線或管匯壓力傳感器接收的信號(hào)，進(jìn)入接收裝置，在此進(jìn)行放大、濾波和解碼。然后，信息進(jìn)入操作員計(jì)算機(jī)，以用戶方便的任何形式，例如以記錄參數(shù)的磁帶和圖像的形式儲(chǔ)存起來(lái)。

孔底遙測(cè)系統(tǒng)是用奧氏體級(jí)無(wú)磁鋼和Д16Т 合金制造的。按照孔底遙測(cè)系統(tǒng)通過(guò)條件，鉆孔彎曲極限強(qiáng)度為1°/m。

在鉆進(jìn)過(guò)程中，孔內(nèi)儀器（見(jiàn)圖5）可以測(cè)量導(dǎo)航參數(shù)和地球物理參數(shù)，把含有所得信息解碼的電性參數(shù)，傳給周?chē)鷰r石。

圖5 孔底遙測(cè)系統(tǒng)孔內(nèi)部分Fig.5 Downhole components of the downhole remote measurement system

使用水力聯(lián)系通道的孔底遙測(cè)系統(tǒng)時(shí)，孔內(nèi)儀器可以測(cè)量并利用脈沖發(fā)生器形成壓力脈沖，壓力脈沖沿著鉆桿內(nèi)沖洗液傳播，被管匯壓力傳感器接收。

利用遙測(cè)系統(tǒng)軟件可以對(duì)信息進(jìn)行交換、編輯，把測(cè)得資料與孔深聯(lián)系起來(lái)，在監(jiān)測(cè)器上以數(shù)字和曲線形式實(shí)現(xiàn)信息的可視化（見(jiàn)圖6）［7-9］。

圖6 孔底遙測(cè)系統(tǒng)司鉆操縱臺(tái)顯示器Fig.6 Display of the downhole remote measurement system at the driller console

孔底遙測(cè)系統(tǒng)孔內(nèi)儀表的供電發(fā)動(dòng)機(jī)，屬于帶有電磁聯(lián)系通道和水力聯(lián)系通道的孔底遙測(cè)系統(tǒng)的組成部分，用來(lái)向孔內(nèi)儀表供電。這種發(fā)電機(jī)的技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表 1［7-9］。

表1 孔內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)Table 1 Technical parameters of the generator in the borehole

孔內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)不僅可以用作“薩馬爾水平線”科學(xué)生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)的水力聯(lián)系通道遙測(cè)系統(tǒng)，而且可以代替水力聯(lián)系通道遙測(cè)系統(tǒng)的鋰電池部件。有些孔底遙測(cè)系統(tǒng)不使用孔內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)供電，而是使用獨(dú)立的電池（見(jiàn)圖7）。在這種情況下，孔內(nèi)儀器的供電問(wèn)題就與沖洗液的參數(shù)和性能沒(méi)有關(guān)系了。該電池的性能參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 孔內(nèi)遙測(cè)系統(tǒng)發(fā)電機(jī)電池性能Table 2 Characteristics of the generator battery for the borehole remote measurement system

圖7 孔底遙測(cè)系統(tǒng)使用的各種連接形式的電池Fig.7 Batteries with various connections for the downhole remote measurement system

對(duì)高溫、高振和大沖擊載荷條件下使用的外殼有嚴(yán)格的要求，故把蓄電池置于玻璃塑料外殼內(nèi)。電池間用絕緣膏隔開(kāi)。這種保護(hù)的電池，可以在各種復(fù)雜條件下安全使用。

3 “伏爾加”設(shè)備程序組件

本系統(tǒng)中的“伏爾加”設(shè)備程序組件，用于自動(dòng)檢測(cè)鉆進(jìn)過(guò)程，進(jìn)行地質(zhì)-工藝研究和地球物理研究，以便有效控制鉆進(jìn)過(guò)程，保證無(wú)事故和安全鉆進(jìn)。從地面儀表和孔底遙測(cè)系統(tǒng)來(lái)的地質(zhì)-工藝信息，進(jìn)入采集和初步處理數(shù)據(jù)的檢測(cè)器，然后傳送給鉆場(chǎng)操作員計(jì)算機(jī)。對(duì)所有得到和進(jìn)來(lái)的信息，用專(zhuān)用程序組件進(jìn)行處理，并實(shí)時(shí)利用聯(lián)系通道送到數(shù)據(jù)服務(wù)器保存，可為大量用戶服務(wù)。利用“伏爾加”組件，可以實(shí)時(shí)觀測(cè)鉆進(jìn)過(guò)程，甚至可以在遠(yuǎn)離鉆場(chǎng)的地方，用從孔內(nèi)得到的全部客觀信息，控制鉆進(jìn)過(guò)程，迅速采取優(yōu)化鉆進(jìn)措施?？梢越@孔事故情況和未預(yù)見(jiàn)復(fù)雜情況的數(shù)據(jù)庫(kù)，在專(zhuān)家評(píng)價(jià)基礎(chǔ)上給出準(zhǔn)備好的管理決策，從而使工藝錯(cuò)誤最小化，提高鉆探技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，減少鉆場(chǎng)高水平管理人員的開(kāi)支。

孔底遙測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是：利用統(tǒng)一規(guī)格化的結(jié)構(gòu)，可以通過(guò)改變動(dòng)力外殼，使用不同直徑（90～240 mm）鉆桿柱；結(jié)構(gòu)不長(zhǎng)且靈活，可以在全角變化率大（1°/m）時(shí)進(jìn)行鉆進(jìn)，并可降低鉆柱下部組合裝置被卡的危險(xiǎn)性；可以在沖洗液循環(huán)或停止循環(huán)的鉆進(jìn)過(guò)程中，測(cè)量導(dǎo)航參數(shù)和地球物理參數(shù)；可以不用從孔底提升遙測(cè)系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行控制測(cè)量方式和從地表傳送信息；可以在提升鉆具時(shí)測(cè)量和記錄信息并保存到硬盤(pán)上；遙測(cè)系統(tǒng)可以在靜壓100 MPa、周?chē)h(huán)境125 ℃和沖洗液流量廣泛范圍內(nèi)進(jìn)行工作；遙測(cè)系統(tǒng)可以在使用充氣沖洗液、空氣等負(fù)壓條件下使用；可以利用水力聯(lián)系通道進(jìn)行工作，為此只要把現(xiàn)在遙測(cè)系統(tǒng)中使用的脈沖發(fā)生器稍作改進(jìn)即可。

“伏爾加”組件可以測(cè)量的參數(shù)有：大鉤載荷，沖洗液泵壓，鉆頭在孔底的深度，管鉗擰卸扭矩，鉆頭載荷，轉(zhuǎn)盤(pán)扭矩，轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)速，泵沖次，造斜楔（造斜工具）頂角、方位角，沖洗液溫度，沖洗液進(jìn)、出時(shí)流量，造斜器位置（造斜器相對(duì)鉆孔終點(diǎn)平面的位置或鉆孔方位角），沖洗液池內(nèi)的液面高度，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，沖洗液導(dǎo)電率，孔底溫度，沖洗液入口密度，電阻測(cè)井KC，自然極化測(cè)井ПК，振動(dòng)測(cè)井ВК，伽馬測(cè)井ГК等。

4 科爾維特（Корвет）孔底遙測(cè)系統(tǒng)［7-9］

俄羅斯地質(zhì)集團(tuán)公司生產(chǎn)的水力聯(lián)系通道科爾維特（Корвет）孔底遙測(cè)系統(tǒng)，用于在鉆進(jìn)過(guò)程中進(jìn)行測(cè)量，以便控制鉆孔鉆進(jìn)方向和鉆孔剖面地質(zhì)分層?？茽柧S特系統(tǒng)包括有遙測(cè)探頭、地面儀表（見(jiàn)圖8）和控制鉆孔方向的操作員指示盤(pán)（見(jiàn)圖9）。圖9中操作員指示盤(pán)上標(biāo)出的數(shù)據(jù)是：鉆孔方位角實(shí)時(shí)數(shù)值 247°，鉆孔頂角 45°，鉆孔深度1568 m。

圖8 科爾維特孔底遙測(cè)系統(tǒng)外貌Fig.8 Appearance of downhole remote measure system“Korvet”

圖9 科爾維特孔底遙測(cè)系統(tǒng)操作員指示盤(pán)Fig.9 “Korvet”display for the operator

水力聯(lián)系通道系統(tǒng)中使用了美國(guó)APS 公司生產(chǎn)的壓力正脈沖回轉(zhuǎn)型脈沖器APS。APS 是防止沖洗液漏失的最穩(wěn)定的脈沖器之一。

科爾維特孔底遙測(cè)系統(tǒng)的裝置見(jiàn)圖10。

圖10 科爾維特孔底遙測(cè)系統(tǒng)組件Fig.10 Downhole components of“Korvet”

利用科爾維特孔底遙測(cè)系統(tǒng)儀表和軟件，可以連續(xù)提供鉆孔鉆進(jìn)中的頂角、方位角和造斜器安裝角度的實(shí)時(shí)數(shù)值。圖11 示出了造斜器安裝角讀數(shù)系統(tǒng)的圖像和表格資料，用指標(biāo)和數(shù)字表示了鉆孔方向變化過(guò)程中造斜器實(shí)時(shí)數(shù)值，當(dāng)前是從202°變到 249°的情況［7-9］。

圖11 從計(jì)算機(jī)顯示器得出的遙測(cè)信息Fig.11 Remote measured information read from the computer monitor

頂角、方位角實(shí)時(shí)數(shù)值和造斜器安裝角的實(shí)時(shí)圖示數(shù)值為 202°、247°、248°、245°和 249°

圖12 為科爾維特孔底遙測(cè)系統(tǒng)得到的鉆孔鉆進(jìn)圖像資料。該圖表示的是孔筒三維坐標(biāo)圖像和相應(yīng)垂直平面和水平平面的投影，以及孔底的方向。

圖12 科爾維特遙測(cè)系統(tǒng)得到的鉆孔鉆進(jìn)圖像資料Fig.12 Borehole drilling graphic data from“Korvet”

5 Orienteer MWD 系統(tǒng)［7-9］

Orienteer MWD 系統(tǒng)是格爾斯（ГЕРС）［俄羅斯，特維里（Тверь）市］公司研發(fā)的，用于對(duì)孔斜、管理進(jìn)行研究并可對(duì)所有類(lèi)型資料進(jìn)行采集的系統(tǒng)。這種系統(tǒng)是把孔內(nèi)水力負(fù)脈沖組件和地表信息記錄、鉆孔鉆進(jìn)管理測(cè)量系統(tǒng)集成起來(lái)的一個(gè)系統(tǒng)（СИРИУС），可以對(duì)斜孔、水平孔進(jìn)行現(xiàn)代化高水平鉆進(jìn)進(jìn)行指導(dǎo)的系統(tǒng)。利用這種系統(tǒng)可以測(cè)量孔斜參數(shù)（頂角、方位角、造斜器轉(zhuǎn)動(dòng)角度）和鉆進(jìn)過(guò)程中的其它控制參數(shù)，從而可以高質(zhì)量、高速度完成斜孔和水平孔的鉆進(jìn)工作。

此系統(tǒng)包括孔內(nèi)儀器部分和地表測(cè)量部分?？變?nèi)部分見(jiàn)圖13。

圖13 Orienteer MWD 系統(tǒng)孔內(nèi)儀器部分Fig.13 Down hole components of Orienteer MWD system

無(wú)磁接頭（Be-Cu）是連通接頭，用于連接Ge?olink 螺紋組件和客戶螺紋組件，包含有適用于直徑88.9 mm Geolink 限制件軸套的軸頸。無(wú)磁加重鉆桿是超薄加重鉆桿，用鈹（Be）銅合金制成。連接器和矛頭是Orienteer 儀器的連接件，可以保證各個(gè)組件之間的數(shù)據(jù)交換和供給電源，還可以使無(wú)磁加重鉆桿內(nèi)儀器工作穩(wěn)定。伽馬電子組件可以記錄被破碎巖石的自然放射性情況，將其實(shí)時(shí)發(fā)送給SEA 測(cè)斜儀，把信息保存在孔內(nèi)記憶裝置中，以便后續(xù)地表可視化使用。伽馬組件供電組件包含有鋰-亞硫酸基氯化物電池，為伽馬探測(cè)器和電子控制儀表提供電源。計(jì)算用測(cè)斜儀含有3 個(gè)測(cè)斜用坐標(biāo)計(jì)算用測(cè)斜儀（測(cè)斜儀和磁力儀）傳感器，可以在0°～180°全程范圍內(nèi)研究孔斜和控制情況。電源包括鋰-亞硫酸基氯化物電池，可以給傳感器和傳送器供電。信號(hào)轉(zhuǎn)換器的APC 可以形成電脈沖，傳給傳送器，以便傳送利用水力聯(lián)系通道記錄的數(shù)據(jù)。無(wú)磁接頭（Be-Cu）是連通接頭。直徑89 mm 超薄傳送接頭可以形成負(fù)壓序列脈沖，以便把孔內(nèi)得到的資料傳送到地表。傳送接頭與外殼是一個(gè)整體。

地表組件包括：安裝在壓送線上的壓力傳感器SPP；安裝在孔底遙測(cè)系統(tǒng)工作站上的系統(tǒng)接口部件SIB；安裝在孔底遙測(cè)系統(tǒng)工作站上的臺(tái)式計(jì)算機(jī)Geolink。

Orienteer MWD 系統(tǒng)地面數(shù)據(jù)采集保存系統(tǒng)包括有：安裝在泵送線上的壓力傳感器；安裝在絞車(chē)軸上的絞車(chē)轉(zhuǎn)數(shù)傳感器；安裝在滑車(chē)鋼絲繩死端上的鋼絲繩拉力傳感器；安裝在鉆場(chǎng)內(nèi)的孔深測(cè)量部件；安裝在鉆場(chǎng)內(nèi)的分配部件；安裝在轉(zhuǎn)盤(pán)臺(tái)上的司鉆指示板；安裝在泵送線上的流量測(cè)試器；安裝在工作站內(nèi)的地面監(jiān)測(cè)部件；安裝在工作站內(nèi)的臺(tái)式計(jì)算機(jī)；安裝在工作站內(nèi)的便攜式計(jì)算機(jī)，用以目視檢測(cè)鉆進(jìn)參數(shù)；安裝在工作站內(nèi)的便攜式打印機(jī)，用以印刷形式傳送信息；安裝在工作站內(nèi)的GPRS 或衛(wèi)星終端，可以以電子或音響方式實(shí)時(shí)傳送信息。

Orienteer MWD 系統(tǒng)工作站進(jìn)行如下工作。

標(biāo)準(zhǔn)傳送器可以依次記錄沖洗液壓力降低情況，以便把孔內(nèi)得到的數(shù)據(jù)傳到地表。這種脈沖是因?yàn)閮?nèi)閥的開(kāi)和關(guān)產(chǎn)生的，內(nèi)閥短時(shí)開(kāi)通，可以使少量沖洗液從鉆桿柱內(nèi)部向外部空間流動(dòng)。所以，鉆桿柱內(nèi)部產(chǎn)生的壓力少量變化，可以作為壓送線上的壓力少許降低被地表記錄下來(lái)，稱(chēng)之為負(fù)壓脈沖。

地面系統(tǒng)由為從孔內(nèi)儀器得到、識(shí)別和處理孔內(nèi)測(cè)斜測(cè)量所得數(shù)據(jù)傳到地表所需的傳感器和設(shè)備組成。從孔內(nèi)組件得到的信號(hào)，通過(guò)壓送線上的壓力傳感器，進(jìn)入系統(tǒng)接口部件，在此從壓力曲線中自動(dòng)提取信號(hào)，濾波，傳送到臺(tái)式計(jì)算機(jī)。把得到的信號(hào)解碼為造斜器、頂角、方位角、溫度和孔底設(shè)備狀態(tài)用的測(cè)得數(shù)值。測(cè)得的數(shù)值記錄在數(shù)據(jù)庫(kù)中，實(shí)時(shí)輸送給鉆井工程師屏幕上和司鉆指示板上。得到的數(shù)據(jù)也可通過(guò)國(guó)際版VIDS.0 形式傳送給地質(zhì)部門(mén)和管理部門(mén)。

6 納迪爾（Надир）柔桿聯(lián)系通道孔底遙測(cè)系統(tǒng)［7-9］

俄羅斯地球物理科研生產(chǎn)公司研發(fā)的柔桿聯(lián)系通道孔底遙測(cè)系統(tǒng)——“納迪爾”，是用于水平井（段）鉆進(jìn)用的遙測(cè)系統(tǒng)，如圖4 所示。利用白俄羅斯費(fèi)德公司生產(chǎn)的連續(xù)油桿（coiled tubing）M40 型鉆機(jī)，可以鉆進(jìn)深度達(dá)2000 m 的鉆孔。柔桿直徑60.3 mm，孔底動(dòng)力機(jī)直徑95 mm，定向器直徑92 mm。偏離遙測(cè)系統(tǒng)最大角度為30＇。利用裝在鉆桿內(nèi)部的3 根7 股鎧裝電纜作為“納迪爾”系統(tǒng)的聯(lián)系通道。

遙測(cè)系統(tǒng)置于無(wú)磁管內(nèi)，利用直徑90 mm 的輕合金鉆桿（ЛБТ）作為無(wú)磁管。

圖14 “納迪爾”連續(xù)油管鉆進(jìn)用柔桿聯(lián)系通道孔底遙測(cè)系統(tǒng)示意Fig.14 Downhole remote measurement system“Nadir”for coiled?tube drilling

“納迪爾”系統(tǒng)用來(lái)測(cè)量使用連續(xù)油管鉆進(jìn)時(shí)的頂角、方位角、遙測(cè)系統(tǒng)外殼位置、巖石自然放射性、螺桿動(dòng)力機(jī)上方的沖洗液壓力，以及軸載和管外壓力等。

“納迪爾”系統(tǒng)包括有：

ОРБИ 型測(cè)斜組件，用來(lái)測(cè)量頂角、方位角、測(cè)斜系統(tǒng)外殼相對(duì)終點(diǎn)平面的位置（精度為1.5°）；

伽馬測(cè)井和內(nèi)部壓力表組件，用以測(cè)量巖石的自然放射性和孔底動(dòng)力機(jī)前面沖洗液的壓力；

軸載和管外壓力組件，用以測(cè)量軸載和管外壓力；

伸縮式矛頭；

地表處理組件，可以保證遙測(cè)系統(tǒng)的供電、接受來(lái)自孔內(nèi)儀器的數(shù)據(jù)、對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和可視化處理和對(duì)得到的數(shù)據(jù)的記錄。

所有孔內(nèi)儀器的外徑均為36 mm，總長(zhǎng)度5.5 m，可以將其裝置在1 根輕合金鉆桿內(nèi)。同時(shí)，環(huán)狀最小間隙為17.5 mm，可使沖洗液的水力動(dòng)力阻力最小。

測(cè)得的內(nèi)外壓力差為2.5～4.1 MPa，是孔底動(dòng)力機(jī)和鉆頭上的壓力降，據(jù)此可以判斷鉆進(jìn)過(guò)程。

伽馬測(cè)井通道用來(lái)判斷鉆進(jìn)地層和地球物理研究結(jié)果的相關(guān)程度。必要時(shí)，遙測(cè)系統(tǒng)可以用其它地球物理組件補(bǔ)充。

此外，測(cè)量組件是用柔性扶正器連接起來(lái)的，柔性扶正器同時(shí)還可抵消徑向和軸向載荷。除了頂角和方位角是在鉆進(jìn)過(guò)程停止時(shí)測(cè)量的以外，被測(cè)量的參數(shù)都是在鉆進(jìn)過(guò)程中連續(xù)傳送的。

孔內(nèi)測(cè)量組件是使用國(guó)內(nèi)優(yōu)質(zhì)或國(guó)外進(jìn)口的抗振、抗沖擊和可靠性高的材料制成的。

軟件程序包括有以下組件：記錄和初步處理測(cè)斜、地球物理和工藝參數(shù)組件；實(shí)時(shí)可視、矯正鉆孔軌跡組件；地球物理參數(shù)實(shí)時(shí)可視化組件；工藝參數(shù)實(shí)時(shí)可視化組件；繪制鉆孔設(shè)定軌跡組件；同時(shí)生成各個(gè)鉆孔積累數(shù)據(jù)庫(kù)及其可視化組件。

利用“納迪爾”系統(tǒng)可以指導(dǎo)用連續(xù)油管鉆機(jī)進(jìn)行鉆進(jìn)，實(shí)時(shí)得到地質(zhì)工藝信息和地球物理信息，對(duì)鉆進(jìn)工藝進(jìn)行有效控制。

7 討論與建議

（1）地質(zhì)鉆探中，由于地層條件和工藝技術(shù)因素的影響，實(shí)際的鉆孔軌跡往往偏離設(shè)計(jì)的鉆孔軌跡。因此，必須采取糾偏措施。

（2）為了提高鉆探效率、保證鉆孔質(zhì)量、提高技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，需要及時(shí)掌握孔底實(shí)時(shí)位置（孔深）、頂角、方位角以及造斜器具在孔底的安裝角度等，為此需要使用遙測(cè)系統(tǒng)。

（3）俄羅斯“領(lǐng)航員”遙測(cè)系統(tǒng)科研所的科研人員，把信息、工藝、自動(dòng)導(dǎo)航結(jié)合起來(lái)，開(kāi)發(fā)出了鉆進(jìn)用信息-工藝-自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)，可以指導(dǎo)受控鉆孔鉆進(jìn)的順利進(jìn)行，是個(gè)創(chuàng)新技術(shù)，值得我們研究、探討和確認(rèn)其科學(xué)性和有效性。

（4）俄羅斯地質(zhì)集團(tuán)公司生產(chǎn)的水力聯(lián)系通道科爾維特（Корвет）孔底遙測(cè)系統(tǒng)，用于在鉆進(jìn)過(guò)程中進(jìn)行測(cè)量，以便控制鉆孔鉆進(jìn)方向和鉆孔剖面地質(zhì)分層。利用科爾維特孔底遙測(cè)系統(tǒng)儀表和軟件，可以連續(xù)提供鉆孔鉆進(jìn)中的頂角、方位角和造斜器安裝角度的實(shí)時(shí)數(shù)值。

（5）格爾斯（ГЕРС）〔俄羅斯特維里（Тверь）市〕公司研發(fā)的Orienteer MWD 系統(tǒng)，用于對(duì)孔斜、管理進(jìn)行研究并可對(duì)所有類(lèi)型資料進(jìn)行采集。這種系統(tǒng)是可以對(duì)斜孔、水平孔進(jìn)行現(xiàn)代化高水平鉆進(jìn)進(jìn)行指導(dǎo)的系統(tǒng)。利用這種系統(tǒng)可以測(cè)量孔斜參數(shù)（頂角、方位角、造斜器轉(zhuǎn)動(dòng)角度）和鉆進(jìn)過(guò)程中的其它控制參數(shù)，從而可以高質(zhì)量、高速度完成斜孔和水平孔的鉆進(jìn)工作。

（6）俄羅斯地球物理科研生產(chǎn)公司研發(fā)的柔桿聯(lián)系通道孔底遙測(cè)系統(tǒng)“納迪爾”，是用于水平井（段）鉆進(jìn)用的遙測(cè)系統(tǒng)。利用白俄羅斯費(fèi)德公司生產(chǎn)的連續(xù)油桿（coiled tubing）M40 型鉆機(jī)，可以鉆進(jìn)深度達(dá)2000 m 的鉆孔。

（7）這些孔底遙測(cè)系統(tǒng)在俄羅斯相關(guān)條件下鉆進(jìn)中都進(jìn)行了試驗(yàn)與應(yīng)用，取得了一定的效果，或許對(duì)我國(guó)有關(guān)單位和部門(mén)有一定的參考價(jià)值，值得借鑒。