鉆具基本結構
水平定向鉆進取芯鉆具結構如圖 1 所示，主要包括鉆頭、支點軸承、偏置組件、中心軸、封隔器、懸臂軸承和鎖止機構。圖1(a)為鉆頭自由狀態的結構示意圖，此時中心軸未發生撓曲，鉆頭未發生偏斜。圖1(b)為鉆頭偏斜狀態的結構示意圖，此時中心軸處于撓曲狀態，連接中心軸的鉆頭發生偏斜，可進行定向取芯鉆進。
圖 1 水平定向鉆進取芯鉆具結構示意圖
水平定向鉆進取芯鉆具關鍵技術
鉆頭偏斜控制技術
如圖1所示，鉆頭的偏斜角度由偏置組件的徑向偏置力、偏置組件至懸臂軸承的距離和偏置組件至支點軸承的距離決定。在懸臂軸承和支點軸承的距離一定的情況下，偏置組件與支點軸承的距離越小，中心軸受到的最大截面彎矩越大，中心軸的壽命將受到影響，但是，偏置組件與支點軸承的距離越大，又會降低鉆頭的偏斜角度。因此需根據具體結構，找到合適的偏置組件距離支點軸承、懸臂軸承的距離比，既保證鉆頭的偏斜角度需求，也確保滿足中心軸的壽命要求。
該定向取芯鉆具的偏置組件截面圖如圖2所示，包括外偏心套、扶正器、內偏心套、襯套、鎖緊螺釘、中心軸和取芯筒。
圖 2 偏置組件截面圖
鉆頭偏斜前，外偏心套的徑向最厚位置與內偏心套的徑向最薄位置接觸，通過鎖緊螺釘保證外偏心套和內偏心套的相對旋轉位置，兩者偏心距一致，從而保證中心軸與外偏心套外圓同軸。旋轉內偏心套，使得外偏心套的徑向最厚位置與內偏心套的徑向最厚位置接觸，通過鎖緊螺釘保證外偏心套和內偏心套的相對旋轉位置，將使得襯套和中心軸在偏置組件處發生徑向位移，即中心軸發生撓曲，連接中心軸的鉆頭發生偏斜。
鉆進軌跡測量技術
水平定向鉆進過程中，可通過測量裝置獲得鉆孔的方位角、井斜角和鉆具的工具面角，通過這三個角可以了解鉆具的空間位置和工作狀態，以調整和控制鉆進方向，這三個參數的定義分別為：
方位角
過鉆孔軸線的鉛垂面與鉆具橫截面的交線在大地坐標系上的水平投影與地球磁北方向的夾角。
井斜角
鉆孔軸線方向與重力方向之間的夾角。
工具面角
鉆具繞自身軸線旋轉的程度，為俯視鉆孔方向儀器斜口基準相對于鉆孔高邊順時針方向旋轉的角度。其中，高邊為過鉆孔軸線的鉛垂面與鉆具橫截面的交線的上傾方向。
該定向取芯鉆具的測量裝置結構裝配示意圖如圖3所示，包括打撈勾、殼體、螺旋引套、螺旋引鞋、推力活塞、方位探管與電池組、無磁鉆桿、減振及扶正器、打撈錐頭等。
圖 3 測量裝置裝配示意圖
測量裝置裝配在殼體和無磁鉆桿的內部。殼體一端與水平定向鉆進取芯鉆具的外殼連接，另一端與無磁鉆桿連接。殼體內部焊接有螺旋引套，與測量裝置的螺旋引鞋配合，保證殼體和測量裝置的旋轉角度一致。測量裝置的打撈勾與內管總成的撈矛頭連接。測量裝置上設有推力活塞，用以在沖洗液壓力作用下將測量裝置送至孔底。方位探管與電池組設計在測量裝置內部，用以測量和存儲方位角、井斜角、工具面角等參數。其中，方位角和井斜角用于測量鉆孔的空間位置，工具面角用來測量殼體繞自身軸線旋轉的程度，間接反映與殼體連接的偏置組件繞自身軸線旋轉的程度，從而獲取鉆頭的偏斜方向。
鉆進方向控制技術
鉆進方向控制技術可通過測量裝置、鎖止機構、封隔器三種結構共同作用實現，測量裝置與內管總成連接，鎖止機構和封隔器的位置和結構示意圖如圖1所示。測量裝置可測得鉆具的空間位置和工作狀態，根據測量數據判斷是否需調整鉆進方向。鎖止機構內部設有傳動銷，傳動銷在沖洗液壓，力下可發生軸向移動，從而控制鉆桿與該鉆具外殼分離或接合，即控制外殼是否跟隨鉆桿旋轉，如圖1所示。封隔器處設有橡膠圓管，在沖洗液壓力作用下，橡膠圓管膨脹至接觸孔壁，從而增大外殼旋轉阻力，防止外殼旋轉。
水平定向取芯鉆具下放至孔底時，先不注入沖洗液，此時，鎖止機構內部的傳動銷使鉆桿與外殼接合，若鉆桿旋轉，外殼隨之旋轉。封隔器處的橡膠圓管處于收縮狀態。通過測量裝置測得工具面角，如果發現鉆頭偏斜方向與期望值不符，鉆進方向需要調整，可緩慢旋轉鉆桿，帶動外殼同步旋轉，達到孔內調整鉆頭偏斜方向的目的。
水平定向鉆進取芯時，鉆具外殼應處于不旋轉狀態，從而鎖定鉆頭偏斜方向。此時，注入沖洗液，形成沖洗液循環回路。在沖洗液作用下，鎖止機構的傳動銷發生軸向移動，使鉆桿和外殼分離，若鉆桿旋轉，外殼不旋轉。封隔器處的橡膠圓管將膨脹至孔壁，增大外殼旋轉時的阻力，達到防止外殼旋轉的目的。在外殼不旋轉的條件下，施工人員再對鉆桿施加鉆壓和轉速，開始定向鉆進取芯工作。
水平定向鉆進取芯鉆具的施工流程
結語
文章采用靜態機械式內偏置指向式的工作原理，設計了種新型水平定向鉆進取芯鉆具，可同時實現水平定向鉆孔和繩索取芯功能，具有控制系統相對簡單、受地層軟硬程度以及鉆孔擴徑等因素影響小、鉆進效率高等優點，在地質勘探、礦物探查等領域有較好的應用前景。
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