钻具基本结构
水平定向钻进取芯钻具结构如图 1 所示，主要包括钻头、支点轴承、偏置组件、中心轴、封隔器、悬臂轴承和锁止机构。图1(a)为钻头自由状态的结构示意图，此时中心轴未发生挠曲，钻头未发生偏斜。图1(b)为钻头偏斜状态的结构示意图，此时中心轴处于挠曲状态，连接中心轴的钻头发生偏斜，可进行定向取芯钻进。
图 1 水平定向钻进取芯钻具结构示意图
水平定向钻进取芯钻具关键技术
钻头偏斜控制技术
如图1所示，钻头的偏斜角度由偏置组件的径向偏置力、偏置组件至悬臂轴承的距离和偏置组件至支点轴承的距离决定。在悬臂轴承和支点轴承的距离一定的情况下，偏置组件与支点轴承的距离越小，中心轴受到的最大截面弯矩越大，中心轴的寿命将受到影响，但是，偏置组件与支点轴承的距离越大，又会降低钻头的偏斜角度。因此需根据具体结构，找到合适的偏置组件距离支点轴承、悬臂轴承的距离比，既保证钻头的偏斜角度需求，也确保满足中心轴的寿命要求。
该定向取芯钻具的偏置组件截面图如图2所示，包括外偏心套、扶正器、内偏心套、衬套、锁紧螺钉、中心轴和取芯筒。
图 2 偏置组件截面图
钻头偏斜前，外偏心套的径向最厚位置与内偏心套的径向最薄位置接触，通过锁紧螺钉保证外偏心套和内偏心套的相对旋转位置，两者偏心距一致，从而保证中心轴与外偏心套外圆同轴。旋转内偏心套，使得外偏心套的径向最厚位置与内偏心套的径向最厚位置接触，通过锁紧螺钉保证外偏心套和内偏心套的相对旋转位置，将使得衬套和中心轴在偏置组件处发生径向位移，即中心轴发生挠曲，连接中心轴的钻头发生偏斜。
钻进轨迹测量技术
水平定向钻进过程中，可通过测量装置获得钻孔的方位角、井斜角和钻具的工具面角，通过这三个角可以了解钻具的空间位置和工作状态，以调整和控制钻进方向，这三个参数的定义分别为：
方位角
过钻孔轴线的铅垂面与钻具横截面的交线在大地坐标系上的水平投影与地球磁北方向的夹角。
井斜角
钻孔轴线方向与重力方向之间的夹角。
工具面角
钻具绕自身轴线旋转的程度，为俯视钻孔方向仪器斜口基准相对于钻孔高边顺时针方向旋转的角度。其中，高边为过钻孔轴线的铅垂面与钻具横截面的交线的上倾方向。
该定向取芯钻具的测量装置结构装配示意图如图3所示，包括打捞勾、壳体、螺旋引套、螺旋引鞋、推力活塞、方位探管与电池组、无磁钻杆、减振及扶正器、打捞锥头等。
图 3 测量装置装配示意图
测量装置装配在壳体和无磁钻杆的内部。壳体一端与水平定向钻进取芯钻具的外壳连接，另一端与无磁钻杆连接。壳体内部焊接有螺旋引套，与测量装置的螺旋引鞋配合，保证壳体和测量装置的旋转角度一致。测量装置的打捞勾与内管总成的捞矛头连接。测量装置上设有推力活塞，用以在冲洗液压力作用下将测量装置送至孔底。方位探管与电池组设计在测量装置内部，用以测量和存储方位角、井斜角、工具面角等参数。其中，方位角和井斜角用于测量钻孔的空间位置，工具面角用来测量壳体绕自身轴线旋转的程度，间接反映与壳体连接的偏置组件绕自身轴线旋转的程度，从而获取钻头的偏斜方向。
钻进方向控制技术
钻进方向控制技术可通过测量装置、锁止机构、封隔器三种结构共同作用实现，测量装置与内管总成连接，锁止机构和封隔器的位置和结构示意图如图1所示。测量装置可测得钻具的空间位置和工作状态，根据测量数据判断是否需调整钻进方向。锁止机构内部设有传动销，传动销在冲洗液压，力下可发生轴向移动，从而控制钻杆与该钻具外壳分离或接合，即控制外壳是否跟随钻杆旋转，如图1所示。封隔器处设有橡胶圆管，在冲洗液压力作用下，橡胶圆管膨胀至接触孔壁，从而增大外壳旋转阻力，防止外壳旋转。
水平定向取芯钻具下放至孔底时，先不注入冲洗液，此时，锁止机构内部的传动销使钻杆与外壳接合，若钻杆旋转，外壳随之旋转。封隔器处的橡胶圆管处于收缩状态。通过测量装置测得工具面角，如果发现钻头偏斜方向与期望值不符，钻进方向需要调整，可缓慢旋转钻杆，带动外壳同步旋转，达到孔内调整钻头偏斜方向的目的。
水平定向钻进取芯时，钻具外壳应处于不旋转状态，从而锁定钻头偏斜方向。此时，注入冲洗液，形成冲洗液循环回路。在冲洗液作用下，锁止机构的传动销发生轴向移动，使钻杆和外壳分离，若钻杆旋转，外壳不旋转。封隔器处的橡胶圆管将膨胀至孔壁，增大外壳旋转时的阻力，达到防止外壳旋转的目的。在外壳不旋转的条件下，施工人员再对钻杆施加钻压和转速，开始定向钻进取芯工作。
水平定向钻进取芯钻具的施工流程
结语
文章采用静态机械式内偏置指向式的工作原理，设计了种新型水平定向钻进取芯钻具，可同时实现水平定向钻孔和绳索取芯功能，具有控制系统相对简单、受地层软硬程度以及钻孔扩径等因素影响小、钻进效率高等优点，在地质勘探、矿物探查等领域有较好的应用前景。
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