劉郡

（中國(guó)鐵建重工集團(tuán)股份有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410100）

1 概述

隨著定向鉆進(jìn)技術(shù)在石油鉆井領(lǐng)域的發(fā)展和應(yīng)用，其技術(shù)已逐步延伸至煤炭、地質(zhì)行業(yè)（王清峰，2013）。我國(guó)是世界上隧道修建規(guī)模和難度最大的國(guó)家，截至2020 年底，在建和規(guī)劃的鐵路隧道總里程已超10000km。大量深長(zhǎng)山嶺隧道和跨海越江隧道工程的開(kāi)工建設(shè)，對(duì)隧道施工前的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)提出了更高要求。這類工程在地層中一般呈水平分布狀態(tài)，使用鉆探設(shè)備向掌子面前方鉆進(jìn)取芯，可直接揭露隧道掌子面前方地層巖性、構(gòu)造、地下水、巖溶、軟弱夾層等地質(zhì)體及其性質(zhì)，是最直接有效的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法之一（李術(shù)才等,2014；楊衛(wèi)明，2018；嚴(yán)鵬等,2013；盧春華等,2009）。然而若采用傳統(tǒng)的直孔或直線斜孔鉆進(jìn)取芯技術(shù)，受重力和圍巖各向異性等影響，300m 以上鉆孔軌跡會(huì)彎曲顯著，難以真實(shí)反映隧道穿越區(qū)域的地質(zhì)特性（劉堃等, 2000）。水平定向鉆進(jìn)取芯技術(shù)則能以較少的鉆進(jìn)入射點(diǎn)、較短的鉆進(jìn)軌跡和較低的鉆探成本，獲取較大的有效地質(zhì)信息量（向軍文等,2007；王強(qiáng)等,2017）。

水平定向鉆進(jìn)取芯技術(shù)屬于近年發(fā)展起來(lái)的高新技術(shù)，目前僅為少數(shù)幾個(gè)國(guó)家掌握，如挪威、美國(guó)等（向軍文等,2007；談耀麟，1992）。國(guó)外公司對(duì)水平定向鉆進(jìn)取芯鉆具的相關(guān)技術(shù)嚴(yán)格保密，在國(guó)內(nèi)僅提供高價(jià)技術(shù)服務(wù)，且對(duì)我國(guó)復(fù)雜的地質(zhì)條件存在一定不適應(yīng)性。據(jù)悉，某國(guó)外公司定向鉆進(jìn)取芯每米施工費(fèi)用約8000 元，較高的投入是否與收益相稱是限制國(guó)外水平定向鉆進(jìn)取芯鉆具在國(guó)內(nèi)推廣應(yīng)用的主要原因（王振，2017）。

國(guó)內(nèi)水平定向鉆進(jìn)技術(shù)主要有穩(wěn)定組合鉆具鉆進(jìn)、孔底馬達(dá)鉆進(jìn)和機(jī)械式連續(xù)造斜器鉆進(jìn)方法（王清峰，2013；趙燕來(lái)等，2018；劉建林等，2018）。穩(wěn)定組合鉆具鉆進(jìn)方法是由不同直徑規(guī)格的直線取芯鉆具組合分級(jí)鉆進(jìn)，主要利用鉆具自身的重力、彎矩和鉆機(jī)的傾斜角度控制等，控制鉆孔軌跡上仰、下斜或直線鉆進(jìn)。這種方法缺點(diǎn)在于糾偏能力較差，無(wú)法精準(zhǔn)控制鉆孔軌跡?？椎遵R達(dá)鉆進(jìn)方法是利用以高壓沖洗液作為動(dòng)力源的孔底馬達(dá)，配合彎曲接頭和孔底測(cè)斜儀器進(jìn)行定向鉆進(jìn)（李明杰等, 2017；吳景華，1997；路家興等, 2019）。其糾偏能力遠(yuǎn)強(qiáng)于穩(wěn)定組合鉆具，但受工作原理限制，馬達(dá)安裝在近鉆頭端，無(wú)法實(shí)現(xiàn)取芯功能。機(jī)械式連續(xù)造斜器利用滑塊與孔壁支撐的反作用力使鉆具彎曲，達(dá)到定向鉆進(jìn)的目的。其缺點(diǎn)在于徑向制動(dòng)扭矩小，鉆進(jìn)過(guò)程中易發(fā)生角位移，影響造斜效果，且因內(nèi)部安裝空間限制，無(wú)法實(shí)現(xiàn)取芯功能。國(guó)內(nèi)學(xué)者向軍文、任攀攀等（向軍文等，2007；任攀攀等，2010）研制了幾種水平定向鉆進(jìn)取芯鉆具，并取得了一定的試驗(yàn)效果，但對(duì)其關(guān)鍵技術(shù)，如鉆頭偏斜控制技術(shù)、鉆進(jìn)軌跡測(cè)量技術(shù)、鉆進(jìn)方向控制技術(shù)等，還需進(jìn)一步研究。

本文設(shè)計(jì)了一種新型水平定向鉆進(jìn)取芯鉆具，重點(diǎn)介紹了其基本結(jié)構(gòu)和工作原理；探討了其關(guān)鍵技術(shù)，包括鉆頭偏斜控制技術(shù)、鉆進(jìn)軌跡測(cè)量技術(shù)和鉆進(jìn)方向控制技術(shù)；說(shuō)明了其主要施工方法，并提出了水平定向鉆進(jìn)取芯鉆具的未來(lái)發(fā)展方向。

2 水平定向鉆進(jìn)取芯鉆具結(jié)構(gòu)及工作原理

2.1 基本結(jié)構(gòu)

水平定向鉆進(jìn)取芯鉆具結(jié)構(gòu)如圖1 所示，主要包括鉆頭、支點(diǎn)軸承、偏置組件、中心軸、封隔器、懸臂軸承和鎖止機(jī)構(gòu)。圖1（a）為鉆頭自由狀態(tài)的結(jié)構(gòu)示意圖，此時(shí)中心軸未發(fā)生撓曲，鉆頭未發(fā)生偏斜。圖1（b）為鉆頭偏斜狀態(tài)的結(jié)構(gòu)示意圖，此時(shí)中心軸處于撓曲狀態(tài)，連接中心軸的鉆頭發(fā)生偏斜，可進(jìn)行定向取芯鉆進(jìn)。

圖1 水平定向鉆進(jìn)取芯鉆具結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 工作原理

水平定向鉆進(jìn)取芯前，在地面上將鉆具調(diào)整至鉆頭偏斜狀態(tài)。通過(guò)調(diào)整偏置組件給中心軸施加徑向偏置力，使中心軸發(fā)生撓曲，經(jīng)過(guò)支點(diǎn)軸承使連接中心軸的鉆頭發(fā)生偏斜。中心軸的撓曲程度決定鉆頭偏斜角度大小。

水平定向鉆進(jìn)取芯時(shí)，將處于鉆頭偏斜狀態(tài)的鉆具下放至孔底，再將內(nèi)管總成和測(cè)量裝置下放到中心軸內(nèi)部，內(nèi)管總成前端為長(zhǎng)1.5m 或3m 的取芯筒，后端為撈矛頭結(jié)構(gòu)。巖心將隨著鉆進(jìn)過(guò)程從中空鉆頭處進(jìn)入取芯筒中（朱恒銀等,2016；蘇宏岸等, 2014）。沖洗液從鉆桿中流入，流經(jīng)中心軸內(nèi)部與內(nèi)管總成外部的間隙，從鉆頭處流出，碰到孔底后從外殼和孔壁的間隙中返回至地面，經(jīng)過(guò)泥漿池沉淀和過(guò)濾后再次注入到鉆桿中。沖洗液的循環(huán)流動(dòng)有潤(rùn)滑、冷卻、攜渣和護(hù)壁的效果。再利用鉆機(jī)將扭矩和轉(zhuǎn)速傳遞到鉆桿，在水平定向鉆進(jìn)取芯鉆具中的動(dòng)力傳遞路徑為鉆桿-鎖止機(jī)構(gòu)-懸臂軸承-中心軸-鉆頭，從而給鉆頭施加鉆壓和扭矩，開(kāi)始定向取芯鉆進(jìn)。巖心填滿取芯筒后，停止鉆進(jìn)，采用繩索取芯的方式，下放打撈器將內(nèi)管總成和測(cè)量裝置從中心軸內(nèi)部取出，獲取定向巖芯。

2.3 鉆具特點(diǎn)

2.3.1 采用機(jī)械式內(nèi)偏置工作原理，通過(guò)機(jī)械式結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)鉆頭的偏斜。相比液壓式內(nèi)偏置，機(jī)械式無(wú)需液壓控制、配流系統(tǒng)、高精度的加工和較高過(guò)濾精度等要求，具有鉆頭偏斜控制較易實(shí)現(xiàn)、偏斜角度調(diào)整響應(yīng)速度快的特點(diǎn)。

2.3.2 采用指向鉆頭式工作原理，即偏置組件直接或間接偏置連接鉆頭的中心軸使其彎曲來(lái)使鉆頭發(fā)生偏斜。相比推靠鉆頭式，即偏置組件在鉆頭附近偏置鉆頭直接給鉆頭提供側(cè)向力，指向式具有井身質(zhì)量高、受地層軟硬程度以及鉆孔擴(kuò)徑等因素影響小等特點(diǎn)（杜建生，2009）。

2.3.3 采用靜態(tài)偏置式工作原理，即偏置組件在鉆進(jìn)過(guò)程中不與鉆桿一起旋轉(zhuǎn)，可在某一方向上提供固定側(cè)向力。相比動(dòng)態(tài)偏置式，即偏置組件在鉆進(jìn)過(guò)程中與鉆桿一起旋轉(zhuǎn)，依靠控制系統(tǒng)使其在某一位置定向周期性伸出，靠支撐反力提供導(dǎo)向力，靜態(tài)偏置式有外殼與孔壁摩擦力較小、控制系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。

2.3.4 通過(guò)鎖止機(jī)構(gòu)和封隔器實(shí)現(xiàn)防止偏置組件旋轉(zhuǎn)、鎖定鉆頭偏斜方向的目的。鎖止機(jī)構(gòu)和封隔器的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)通過(guò)液壓驅(qū)動(dòng)，當(dāng)沖洗液達(dá)到一定壓力，鎖止機(jī)構(gòu)將使鉆桿和外殼分離，封隔器處于膨脹狀態(tài)，抵住孔壁，從而防止與外殼相連的偏置組件旋轉(zhuǎn)。

2.3.5 采用繩索取芯鉆進(jìn)方式，相比單次提鉆取芯鉆進(jìn)方式工期可縮短50%以上，鉆探成本可減少20%以上（向軍文等，2007；彭奮飛等，2020；盧予北等，2012）。

2.3.6 該水平定向取芯鉆具包括測(cè)量裝置，可在鉆進(jìn)過(guò)程中實(shí)時(shí)測(cè)量鉆進(jìn)軌跡的方位角、井斜角和鉆具的工具面角等參數(shù)，為鉆具鉆進(jìn)方向調(diào)整提供參考。

3 水平定向鉆進(jìn)取芯鉆具關(guān)鍵技術(shù)

3.1 鉆頭偏斜控制技術(shù)

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(diǎn)軸承的距離決定。在懸臂軸承和支點(diǎn)軸承的距離一定的情況下，偏置組件與支點(diǎn)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(diǎn)軸承的距離越大，又會(huì)降低鉆頭的偏斜角度（張紅，2017）。因此需根據(jù)具體結(jié)構(gòu)，找到合適的偏置組件距離支點(diǎn)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(nèi)偏心套、襯套、鎖緊螺釘、中心軸和取芯筒。鉆頭偏斜前，外偏心套的徑向最厚位置與內(nèi)偏心套的徑向最薄位置接觸，通過(guò)鎖緊螺釘保證外偏心套和內(nèi)偏心套的相對(duì)旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)內(nèi)偏心套，使得外偏心套的徑向最厚位置與內(nèi)偏心套的徑向最厚位置接觸，通過(guò)鎖緊螺釘保證外偏心套和內(nèi)偏心套的相對(duì)旋轉(zhuǎn)位置，將使得襯套和中心軸在偏置組件處發(fā)生徑向位移，即中心軸發(fā)生撓曲，連接中心軸的鉆頭發(fā)生偏斜。

圖2 偏置組件截面圖

由于中心軸工作時(shí)處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，外偏心套和內(nèi)偏心套工作時(shí)處于不旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，為了減小摩擦，內(nèi)偏心套和中心軸之間設(shè)計(jì)了硬度較低的襯套作為易損件。取芯筒屬于內(nèi)管總成的一部分，用于存儲(chǔ)巖心。中心軸與取芯筒之間應(yīng)有一定間隙，保證中心軸處于撓曲狀態(tài)時(shí)，不會(huì)使得取芯筒發(fā)生較大撓曲，從而減少堵心現(xiàn)象的發(fā)生。

3.2 鉆進(jìn)軌跡測(cè)量技術(shù)

水平定向鉆進(jìn)過(guò)程中，可通過(guò)測(cè)量裝置獲得鉆孔的方位角、井斜角和鉆具的工具面角，通過(guò)這三個(gè)角可以了解鉆具的空間位置和工作狀態(tài)，以調(diào)整和控制鉆進(jìn)方向（盧秋平等,2020；吳翔等, 2012）。這三個(gè)參數(shù)的定義分別為（杜建生，2009）：

方位角:過(guò)鉆孔軸線的鉛垂面與鉆具橫截面的交線在大地坐標(biāo)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(zhuǎn)的程度，為俯視鉆孔方向儀器斜口基準(zhǔn)相對(duì)于鉆孔高邊順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)的角度。其中，高邊為過(guò)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(cè)量裝置結(jié)構(gòu)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(wú)磁鉆桿、減振及扶正器、打撈錐頭等。測(cè)量裝置裝配在殼體和無(wú)磁鉆桿的內(nèi)部。殼體一端與水平定向鉆進(jìn)取芯鉆具的外殼連接，另一端與無(wú)磁鉆桿連接。殼體內(nèi)部焊接有螺旋引套，與測(cè)量裝置的螺旋引鞋配合，保證殼體和測(cè)量裝置的旋轉(zhuǎn)角度一致。測(cè)量裝置的打撈勾與內(nèi)管總成的撈矛頭連接。測(cè)量裝置上設(shè)有推力活塞，用以在沖洗液壓力作用下將測(cè)量裝置送至孔底。方位探管與電池組設(shè)計(jì)在測(cè)量裝置內(nèi)部，用以測(cè)量和存儲(chǔ)方位角、井斜角、工具面角等參數(shù)。其中，方位角和井斜角用于測(cè)量鉆孔的空間位置，工具面角用來(lái)測(cè)量殼體繞自身軸線旋轉(zhuǎn)的程度，間接反映與殼體連接的偏置組件繞自身軸線旋轉(zhuǎn)的程度，從而獲取鉆頭的偏斜方向。測(cè)量裝置上設(shè)有減振裝置和扶正器，能經(jīng)受高速旋轉(zhuǎn)切削鉆進(jìn)條件下的強(qiáng)烈振動(dòng)和沖擊，具有較好的抗振性能（吳光琳等, 2001）。測(cè)量裝置后端設(shè)有打撈錐頭，可采用繩索取芯方式，隨同打撈器一同撈出，進(jìn)而讀取測(cè)量的方位角、井斜角、工具面角等參數(shù)。

圖3 測(cè)量裝置裝配示意圖

3.3 鉆進(jìn)方向控制技術(shù)

鉆進(jìn)方向控制技術(shù)可通過(guò)測(cè)量裝置、鎖止機(jī)構(gòu)、封隔器三種結(jié)構(gòu)共同作用實(shí)現(xiàn)，測(cè)量裝置與內(nèi)管總成連接，鎖止機(jī)構(gòu)和封隔器的位置和結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。測(cè)量裝置可測(cè)得鉆具的空間位置和工作狀態(tài)，根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)判斷是否需調(diào)整鉆進(jìn)方向。鎖止機(jī)構(gòu)內(nèi)部設(shè)有傳動(dòng)銷，傳動(dòng)銷在沖洗液壓力下可發(fā)生軸向移動(dòng)，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(zhuǎn)，如圖1 所示。封隔器處設(shè)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(zhuǎn)阻力，防止外殼旋轉(zhuǎn)（談耀麟，1992）。

水平定向取芯鉆具下放至孔底時(shí)，先不注入沖洗液，此時(shí)，鎖止機(jī)構(gòu)內(nèi)部的傳動(dòng)銷使鉆桿與外殼接合，若鉆桿旋轉(zhuǎn)，外殼隨之旋轉(zhuǎn)。封隔器處的橡膠圓管處于收縮狀態(tài)。通過(guò)測(cè)量裝置測(cè)得工具面角，如果發(fā)現(xiàn)鉆頭偏斜方向與期望值不符，鉆進(jìn)方向需要調(diào)整，可緩慢旋轉(zhuǎn)鉆桿，帶動(dòng)外殼同步旋轉(zhuǎn)，達(dá)到孔內(nèi)調(diào)整鉆頭偏斜方向的目的。

水平定向鉆進(jìn)取芯時(shí)，鉆具外殼應(yīng)處于不旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，從而鎖定鉆頭偏斜方向。此時(shí)，注入沖洗液，形成沖洗液循環(huán)回路。在沖洗液作用下，鎖止機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)銷發(fā)生軸向移動(dòng)，使鉆桿和外殼分離，若鉆桿旋轉(zhuǎn)，外殼不旋轉(zhuǎn)。封隔器處的橡膠圓管將膨脹至孔壁，增大外殼旋轉(zhuǎn)時(shí)的阻力，達(dá)到防止外殼旋轉(zhuǎn)的目的。在外殼不旋轉(zhuǎn)的條件下，施工人員再對(duì)鉆桿施加鉆壓和轉(zhuǎn)速，開(kāi)始定向鉆進(jìn)取芯工作。

4 水平定向鉆進(jìn)取芯鉆具施工工法

水平定向鉆進(jìn)取芯鉆具的施工流程如圖4 所示。具體如下：

圖4 定向取芯鉆具施工流程圖

步驟1：定向鉆進(jìn)前的準(zhǔn)備。定向鉆進(jìn)前應(yīng)通孔，掃除殘余巖心、沖洗孔底巖粉并校正孔深。檢查鉆機(jī)、泥漿泵、動(dòng)力系統(tǒng)等，確認(rèn)無(wú)故障。

步驟2：定向取芯鉆具的檢查。在未注入沖洗液條件下，鎖止機(jī)構(gòu)內(nèi)部的傳動(dòng)銷應(yīng)使鉆桿與外殼接合，封隔器內(nèi)的橡膠圓管處于收縮狀態(tài)。此時(shí)緩慢旋轉(zhuǎn)鉆桿，鉆頭和外殼應(yīng)能同步正常旋轉(zhuǎn)。在注入沖洗液條件下，鎖止機(jī)構(gòu)內(nèi)部的傳動(dòng)銷使鉆桿與外殼分離，封隔器內(nèi)的橡膠圓管處于膨脹狀態(tài)。此時(shí)緩慢旋轉(zhuǎn)鉆桿，鉆頭應(yīng)能正常旋轉(zhuǎn)，外殼應(yīng)不旋轉(zhuǎn)或因摩擦作用等以比鉆頭旋轉(zhuǎn)慢的速度旋轉(zhuǎn)。

步驟3：鉆頭偏斜角度的調(diào)整。參考3.1 部分鉆頭偏斜控制技術(shù)，調(diào)整鉆頭偏斜角度。

步驟4：定向取芯鉆具的下放。定向取芯鉆具在下鉆前，應(yīng)進(jìn)行通過(guò)性校驗(yàn)，避免因鉆頭偏斜產(chǎn)生超徑不能下入孔內(nèi)。應(yīng)緩慢下放定向取芯鉆具至孔底。

步驟5：內(nèi)管總成和測(cè)量裝置的下放。測(cè)量裝置裝配在內(nèi)管總成上部，內(nèi)管總成和測(cè)量裝置作為一個(gè)整體部件下放，兩者通過(guò)沖洗液壓力作用下放至孔底。測(cè)量裝置的螺旋引鞋與鉆具殼體內(nèi)部的螺旋引套配合后，內(nèi)管總成的彈卡進(jìn)入鉆具殼體內(nèi)部的彈卡室，使鉆具軸向定位。

步驟6：鉆進(jìn)軌跡的測(cè)量。參考3.2 部分鉆進(jìn)軌跡測(cè)量技術(shù)獲得方位角、井斜角、工具面角等參數(shù)。比較實(shí)際鉆進(jìn)軌跡和期望鉆進(jìn)軌跡，結(jié)合鉆具的工具面角，判斷是否需要調(diào)整鉆頭的偏斜方向，從而調(diào)整下次取芯鉆進(jìn)方向。

步驟7：鉆進(jìn)方向的調(diào)整。根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)，確定鉆頭偏斜方向需要調(diào)整的角度θ。參考3.3 部分鉆進(jìn)方向控制技術(shù)，緩慢旋轉(zhuǎn)鉆桿，旋轉(zhuǎn)角度為θ。再次測(cè)量工具面角，判斷是否調(diào)整到位，若仍未調(diào)整到位，重復(fù)本步驟。若已調(diào)整到位，則鉆進(jìn)方向調(diào)整過(guò)程結(jié)束。

步驟8：鉆具的定向鉆進(jìn)。注入沖洗液，形成沖洗液循環(huán)回路。對(duì)鉆桿施加一定鉆壓、轉(zhuǎn)速，鉆頭開(kāi)始旋轉(zhuǎn)切削作用，鉆具開(kāi)始定向鉆進(jìn)取芯。

步驟9：鉆具的取芯操作。一次取芯鉆進(jìn)終了，下放打撈器打撈測(cè)量裝置和內(nèi)管總成。倒出巖心到巖心盒，并利用記號(hào)筆按順序?qū)r心進(jìn)行標(biāo)記。讀取測(cè)量裝置數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，為下次定向鉆進(jìn)中鉆進(jìn)方向是否需要調(diào)整提供參考。

步驟10：判斷是否結(jié)束定向鉆進(jìn)過(guò)程，若否，回到步驟5，若是，則定向鉆進(jìn)過(guò)程結(jié)束。

5 未來(lái)發(fā)展方向

隨著川藏鐵路、海底隧道等國(guó)家重大工程的開(kāi)工建設(shè)，長(zhǎng)距離水平定向鉆進(jìn)取芯鉆具的研制具有重要的現(xiàn)實(shí)意義（Robert, Carpenter，2015）。作為地質(zhì)勘探的一種關(guān)鍵設(shè)備，水平定向鉆進(jìn)取芯鉆具的應(yīng)用可顯著減小隧道建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)，及時(shí)查出問(wèn)題圍巖、地下水位置，為川藏鐵路、海底隧道等長(zhǎng)大隧道可行性研究、設(shè)計(jì)和施工等重大工程決策提供有效的數(shù)據(jù)支撐（薛翊國(guó)等, 2020；彭建兵等，2020）。然而，目前的水平定向鉆進(jìn)取芯鉆具在效率提升、智能化等方面仍有較大的發(fā)展空間，具體如下：

5.1 測(cè)量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸、讀取和分析。目前鉆孔的測(cè)量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在測(cè)量裝置中，需利用打撈器取出測(cè)量裝置后離線讀取和分析。未來(lái)，測(cè)量數(shù)據(jù)在鉆進(jìn)過(guò)程中的實(shí)時(shí)傳輸、讀取和分析是提高定向鉆進(jìn)取芯效率的重要手段之一。

5.2 鉆頭偏斜角度的孔內(nèi)實(shí)時(shí)調(diào)整。目前鉆頭偏斜角度大小是先在地面上調(diào)整好確定，再下入孔底。未來(lái)，在鉆孔內(nèi)實(shí)現(xiàn)鉆頭偏斜角度大小的實(shí)時(shí)調(diào)整是鉆具操作簡(jiǎn)單化、智能化的一種發(fā)展趨勢(shì)。

5.3 充分利用測(cè)量數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)一孔多用。目前利用的測(cè)量數(shù)據(jù)為方位角、井斜角和工具面角，實(shí)際上通過(guò)鉆孔還可測(cè)得伽馬、電阻率、地應(yīng)力等參數(shù)（鄔愛(ài)清等, 2018），如何充分利用多種測(cè)量數(shù)據(jù)獲取盡可能多的地質(zhì)信息是未來(lái)需要研究的問(wèn)題（謝和平等,2020）。

6 結(jié)論

文章采用靜態(tài)機(jī)械式內(nèi)偏置指向式的工作原理，設(shè)計(jì)了一種新型水平定向鉆進(jìn)取芯鉆具，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)水平定向鉆孔和繩索取芯功能，具有控制系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單、受地層軟硬程度以及鉆孔擴(kuò)徑等因素影響小、鉆進(jìn)效率高等優(yōu)點(diǎn)，在地質(zhì)勘探、礦物探查等領(lǐng)域有較好的應(yīng)用前景。主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)如下：

6.1 提出了鉆頭偏斜角度大小控制的一種實(shí)現(xiàn)方式。設(shè)計(jì)了由外偏心套、扶正器、內(nèi)偏心套、襯套、鎖緊螺釘組成的偏置組件結(jié)構(gòu)，其偏心量可調(diào)，從而控制鉆頭偏斜角度的大小。

6.2 提出了鉆進(jìn)軌跡實(shí)時(shí)測(cè)量的一種實(shí)現(xiàn)方式。設(shè)計(jì)了由打撈勾、殼體、螺旋引套、螺旋引鞋、推力活塞、方位探管與電池組、無(wú)磁鉆桿、減振及扶正器、打撈錐頭等組成的測(cè)量裝置，與內(nèi)管總成連接，可測(cè)量鉆進(jìn)軌跡的方位角、井斜角、鉆具的工具面角等參數(shù)，為鉆進(jìn)方向是否需要調(diào)整提供參考。

6.3 闡明了鉆進(jìn)方向控制的具體實(shí)現(xiàn)方法和基本結(jié)構(gòu)，主要通過(guò)測(cè)量裝置、鎖止機(jī)構(gòu)、封隔器三種結(jié)構(gòu)的共同作用，可實(shí)現(xiàn)孔內(nèi)調(diào)整鉆進(jìn)方向的功能。

6.4 說(shuō)明了水平定向鉆進(jìn)取芯鉆具的主要施工方法，該鉆具也可用于傾斜孔和垂直孔的定向取芯作業(yè)，為長(zhǎng)距離定向取芯的施工提供一定的技術(shù)參考。

6.5 探討了水平定向鉆進(jìn)取芯鉆具的未來(lái)發(fā)展方向，包括測(cè)量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸、讀取和分析、鉆頭偏斜角度的孔內(nèi)實(shí)時(shí)調(diào)整和充分利用測(cè)量數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)一孔多用三個(gè)方面。