摘要
深井、超深井钻探工程中，钻进工艺和操作技术非常重要，直接影响钻井技术经济指标，目前主要依靠地面仪表显示的读数指标来指导钻进。但是，地面仪表显示的读数与井底钻进工艺参数实际数值有一定差异，而且孔越深，差异越大，据俄罗斯超深井钻井研究结果，这个差异可达20%~30%。为此俄罗斯成功研发出了井底参数测量系统，取得了很好的效果，其中传感器是关键器具。本文将俄罗斯深井钻进测量系统中使用的多种传感器进行了综合整理，包括井底钻井液压力传感器、井底温度传感器、井斜顶角传感器、井斜方位角传感器、井底钻头轴载传感器，介绍了这些井底参数传感器的结构组成及工作原理，并分析了传感器与井底-井口联系通道的配合问题。以期对我国13000 m的特深地质井钻进提供参考。
我国正在进行深部找矿，并且取得了很大成绩，国外也是如此，浅部找矿工作早已完成，现正进行深部找矿乃至超深井钻
俄罗斯在深井，特别是超深井钻进中积累了丰富的经验，现把他们在深井钻进中使用的各类传感器进行整理和分析研究，或许对我国深井钻进有一定的参考价值。
井底钻井液压力目前主要是根据地表仪表读数进行计算的。这种方法计算结果与井底实际压力误差较大，不能反映井底压力实际变化情况。在不同地层条件下，可能产生不同复杂情况，如漏失、卡钻、异常高的地层压力等，因此，有效控制钻井液压力是非常重要的。此外，在进行地层压力和井底压力平衡钻进时，可使机械钻速提高1~1.5
目前俄罗斯使用的井底钻井液压力传感器有以下几种。
这种新型传感器工作原理是基于科安德（Коанд）效应的，即当射流通过非平整固体管壁时，则因射流（气流或液流）粘附到附近的管壁上，而改变流动方
井底钻井液压力传感器结构见
图1 气动钻井液压力传感器
Fig.1 Aerodynamic sensor for drilling fluid pressure
1—外壳；2—供气喷嘴；3—非平整管壁；4—接收容器；5—过滤器；6—膜片；7—压力弹簧（布尔顿管）；8—可控减速器；9—压气瓶；10—接收喷嘴；11—出口喷嘴；12—传压器；13—水力放大器控制杆
根据得到的钻井液井底数值信息，可以有效地控制钻井过程。
这种传感器是以机械振动系统“摆轮-游丝”为基础
图2 亚低频钻井液压力传感器
Fig.2 Infra low frequency sensor for drilling fluid pressure
1—测量容器；2—轴；3—振动驱动系统；4—摆轮；5—游丝；6—轴承；7—膜片；8—管状弹簧；9—度量计；10—振动获得系统；11—永久磁铁
井底钻井液压力变化时，安装在测量容器1内的膜片7弯曲，充满膜片腔和管状弹簧（螺旋管）8的油的压力发生变化。同时，螺旋管自由端和固定其上的度量计9沿着游丝移动，改变与钻井液压力变化成比例的游丝的长度。所以，摆轮振动频率发生变化。
这种钻井液压力传感器用于井底与井口有线联系通道或无线联系通道中。
这种传感器可以在钻井过程中监控钻井液压力，要解决的问题主要是可靠、耐温，可以在钻井过程中直接监控钻井液压力，以提高测量钻井液井底压力的精度。如
图3 音叉式钻井液井底压力传感器
Fig.3 Tuning fork sensor for drilling fluid pressure
1—壳体；2—钻杆；3、4—传感器固定用筋；5—驱动系统；6—音叉振动获得系统；7—联系线路；8—音叉；9—重液；10—管状弹簧；11—膜片
这种传感器工作原理为：当钻头上方外环空间内钻井液压力变化时，膜片11弯曲，重液9在音叉8支管内移动，充满管状弹簧10的腔体，此时管状弹簧的自由端，按照与钻井液压力值呈比例进行移动，导致音叉8支管惯性矩发生变化，因而导致音叉8振动频率发生变化。获得振动系统6把音叉支管的机械振动转换为电磁振动，电磁振动进入有线联系线路7，并且沿着联系线路进入安装在井口的接收装置。音叉8的强迫振动是通过沿着有线联系线路7供给的交变电流保证的，或者是在无线联系通道时用驱动系统5的电源来保证的。
负载音叉的振动频率按下式计算：
式中：e、L——分别是音叉的厚度和支管的长度；E——音叉材料弹性模量；γ——音叉材料密度；mTB——充满重液的压力弹簧（布尔顿）的质量；mk——音叉质量；α——音叉支管端到压力弹簧重心的距离；j2——压力弹簧质量相对通过压力弹簧重心中心线和垂直音叉支管平面的惯性矩。
本传感器用于有线联系通道的测量系统中。
如
图4 气动式井底温度传感器
Fig.4 Aerodynamic sensor for borehole bottom temperature
1—出口喷嘴；2—双金属片；3—接收喷嘴；4—供气喷嘴；5—非平整表面；6—接收容器；7—压缩气体瓶型能源；8—外壳；9—节流器；10—面板；11—传压器；12—水力放大器控制阀；13—接收容器；14—喷嘴
此种传感器也是安装在钻头上方测量容器内。传感器包括有射流发生器式温度转换器，射流发生器包括有射流器具，射流器具含有安装在非平整表面5上附近并用转换通道彼此联系起来的出口喷嘴1、双金属片2、接收喷嘴3和供气喷嘴4、接收容器6、压缩气体瓶型能源7。压气瓶固定在外壳8内，也可卸下来。气瓶通过节流器9与供气喷嘴4连接，接收喷嘴3与面板10洼陷式容器6连接，而出口喷嘴1则通过传压器11（其是水力放大器控制阀12的驱动装置）与联系通道，即充满钻井液的钻柱连接。从气瓶出来用过的气体，通过喷嘴14进入接收容器13。
传感器工作原理为：从供气喷嘴4出来的气流，流经面板10中非平整固体表面5，通过接收喷嘴3上的孔眼进入接收容器6。由于接收容器6充满了气体，在接收喷嘴3前面形成反压，使气体离开非平整表面5，进入出口喷嘴1，然后进入传压器11，使其中的压力提高、产生位移，也使与其连接的水力放大器控制阀12产生位移。此时，在出口喷嘴1中的压力呈跳跃式增加，保持最大值，直到接收喷嘴3中的反压降到气流可以重新流经面板10中非平整固体表面、充满接收容器6的数值为止。
射流发生器出口振荡频率按下式计算：
f=c/V
式中：f——振荡频率，Hz；c——与射流发生器机构有关的常数，c
其上固定有双金属片弹性元件的接收喷嘴3，一端固定在面板10上，另一端是自由端，随着温度的提高而膨胀。因此，接收喷嘴3的这个自由端相对于非平整表面产生位移，气流从气流轴线向其边缘移动，粘附非平整表面，边缘处气体用量减少。所以，气体充满接收容器6的时间变化了，与所测井底温度成比例的射流发生器的振荡频率也相应发生变化。
接收喷嘴3自由端的位移按下式确定：
式中：α——双金属片材料的线膨胀系数；l——接收喷嘴连同其上固定双金属片初始状态的长度；s——双金属片的厚度；∆T——温度变化值。
在射流发生器中产生的系列气动脉冲，利用传压器被转换成水力放大器控制阀拉杆12的机械位移。在水力放大器的出口端，出现水力脉冲。这个脉冲在充满钻柱的钻井液中传播，直到井口，进入水力缓冲器的入口，在此消除钻井液泵压力脉动产生的干扰。载有井底温度信息的有效水力信号，进入应变计的入口，转变成与之成比例的电信号，进行放大，经过筛选滤波器后，进入电子计算机入口，在计算机内转换成相应的温度值，输出到计算机终端。这种传感器符合射流器件的抗振性能要求，试验表明完全可以满足井底测温条件。
如
图5 带有中空重锤的井斜顶角传感器
Fig.5 Borehole inclination sensor with the hollow weight
1—框架；2—轴承；3—射流发生器；4—供气喷嘴；5—接收喷嘴；6—重锤；7—轴；8—出口喷嘴；9—膜片腔体；10—触点；11—非平整表面；12—供气源；13—接触环；14—获取信息的触点；15—开关触点；16—孔眼
传感器工作原理为：气体从供气喷嘴4出来，流经非平整表面11，粘附该表面，通过接收喷嘴5的孔眼充满重锤6的腔体。在流经的非平整表面上形成反压。这个反压使气流离开非平整表面，进入出口喷嘴8，然后进入膜片腔体9。此时，出口喷嘴中的气体呈跳跃式增加并保持其最大值，直到接收喷嘴5中的压力降到气流可以重新粘附非平整表面、开始充满重锤6的腔体为止。
随着井斜角度的变化，其上固定有偏心气瓶12的框架1，在重力的作用下开始转动，中空重锤6位于井斜的平面内（见
传感器设计思路是：先把井斜顶角转换成框架转动角度，然后把框架转动角度转换成接收喷嘴转动角度，再把接收喷嘴转动角度转换成出口的脉冲频率，最后把频率f的脉冲传送给井底和井口的联系通道（见
图6 井斜顶角传感器设计思路
Fig.6 Design methodology for the borehole inclination sensor
从
图7 方位角传感器
Fig.7 Borehole‑azimuth sensor
1—框架；2—支座；3—轴承；4—供气喷嘴；5—接收喷嘴；6—出口喷嘴；7—接收容器；8—供电电源；9—磁针；10—锅状物体；11—气瓶（偏心重锤）；12—调解减速器；13—机械谐振装置；14—驱动系统；15—电阻；16—滑线电阻器；17—气囊；18—水力放大器
测量时，从滑线电阻器16线圈中来的电流，与按地球磁子午线确定的磁针9的位置有关。此时，减速器12打开，气流从气瓶11出来，经过喷嘴4，被粘附管壁，进入接收喷嘴5，充满接收容器7。充满接收容器7后，在接收喷嘴5前产生反压，使气体脱离管壁，转入出口喷嘴6。此后，气体进入气囊17，气囊17推动水力放大器18的控制连杆。出口喷嘴中的压力以频率为f进行跳跃式变化。气流依次粘附管壁，充满接收容器7，进入出口喷嘴6。在喷嘴5的入口端置有舌片13，舌片13在驱动系统14作用下产生振动。气流发生器的振动频率，与谐振装置的振幅有关。供电用交变电源8进行。框架1位于井筒弯曲平面内。井筒弯曲方位角变化时，带有偏心重锤11的框架1相对按子午线确定的磁针开始转动。磁针重新锁定滑线变阻器的线圈，使电阻发生变化。滑线变阻器是接入平衡电桥的一个臂上的，所以，电桥电阻的变化，可以改变电桥对角线臂电压的变化，改变谐振装置14的振幅，此时，射流元件的振动频率也发生变化。利用水力放大器18的拉杆，把脉冲传给井底和井口的水力联系通道，这样，就把方位角转换成了频率为f的跟踪脉冲。
从
图8 气动式井底钻头轴载传感器
Fig.8 Aerodynamic borehole bottom bit load sensor
1—接头；2—连杆；3—弹簧；4—挡板；5—拉杆；6—接头；7—密封容器；8—供气喷嘴；9—接收喷嘴；10—出口喷嘴；11—非平整表面；12—气缸（接收容器）；13—气缸底端的底部；14—压气瓶；15—压力减速器；16—气体吸收反应器；17—传压器；18—液压缸；19—阀门系统
如
图9 指示型钻头轴载传感器
Fig.9 Indicator type bit load sensor
1、2—活塞； 3—腔室；4—校准节流阀；5—传压器；6—阀；7—中空杆件；8—活塞；9—缸套；10—阀；11—弹簧；12—阀件控制杆；13—传压器顶盘；14—传压装置；15—液体；16—流量测量用连杆
钻井过程中井底信号传到地面，可以利用下列联系通道类型及其组合：
（1）水力通道，是指把在井内循环的钻井液作为传送介质，其中的压力振动是信息传送源。
（2）无线电磁通道，是指钻井周围的岩石和钻杆柱是传送介质。
（3）有线通道，是指下入井内的电缆或光缆是其传送介质。
（4）声波通道，钻柱是其通道，钻头或专用冲击器在钻柱中产生的振动（噪声）是信息传送介质。
上述各种方法各有优缺点，如果将其合理组合起来，取长补短，可以取得好的效果。Шевченко М. А.提出使用组合方法，例如把水力联系通道和无线电磁联系通道结合起来的组合方法，或把水力联系通道和有线联系通道结合起来的组合方法，对于超深井（深度>6000 m）来说，可以在井底3000 m深度以内使用水力联系通道，在大于3000 m深度，使用无线电磁通道或有线通
现以顶角传感器和水力通道、有线通道组合结合一起为例，进行分析与讨论（参见
图10 顶角传感器与井底-井口组合联系通道配合图
Fig.10 Connection of the inclination sensor with the bottom-to-surface link channel
1—钻杆柱；2—锁接箍；3—感应式压力转换器；4—缓冲器；5—卸管接头；6—密封件；7—水力放大器；8—水力放大器出口连杆；9—水力放大器控制连杆；10—传压器；11—射流发生器；12—顶角转换器；13—框架；14—偏心重锤；15—轴承；16—压气瓶（供气源）；17—密封系统；18—放气孔；19—接收容器；20—测量容器外壳；21—密封；22—通道有线部分部件
从
由于在钻孔水力系统中，例如在钻杆柱中有出于各种原因的干扰出现，为此安置了水力缓冲器4。安装在深度2500~3000 m钻杆柱中的感应式压力转换器3，可以把形成的水力脉冲转换成电流脉冲。
采用带有密封系统17的压气瓶16作为供气源。供气通过孔眼18经过密封件21进入同轴安装在测量容器20外壳中的接收容器19。在必要时，把在感应式转换器3出口上得到的、与顶角变化成比例的电脉冲，用电子放大器放大，进入深度3000 m的联系通道中的有线部分（见
根据上述分析和研究，可以做下述讨论和建议。
（1）世界上许多国家浅部找矿均已完成，正在向深部或更深部找矿进军，这是总的趋势。我国也是如此，为此宜在各方面做好准备。特别是我国已经成为世界上第二经济大国，经济建设的发展和人民生活的需要，都要求我们为今后五年计划甚至更远期间的发展规划做好矿产资源保障。所以要对深部找矿，包括超深部找矿给予高度重视。
（2）深井特别是超深井钻进中，如何提高钻探效率和保证钻孔质量是一个关键问题。为了解决这个问题，首先要解决井底钻井实际工艺参数与地面仪表所示读数的差异问题，这样才能根据后者读数正确指导钻探工艺和施工操作。俄罗斯钻探工作者研发出了深井钻进时井底实际参数测量系统，基本上解决了这个问题。
（3）在井底参数测量系统中，传感器是关键器具。传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等需求。在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数，使设备工作在正常状态或最佳状态，并使产品达到最好的质量。但是，在深井特别是超深井钻进中，井底条件非常恶劣，压力可能大于100 MPa，温度T可能大于200 ℃，各个方向的振动可达10g~100g（g为重力加速度），对测量使用的传感器元器件提出了特殊的要求。
（4）传感器有多种，俄罗斯在井底参数测量系统中使用的主要不是一般国家标准的传感器，而是钻探专家研发出来的新型传感器。这种传感器包含有空气射流元件和机械谐振装置。使用机械谐振装置是因为其技术性能好：质量好、稳定性高、井底和井口联系通道参数容易协调等。使用空气射流元件是因为其可靠性高、发生作用快、简单和价廉，可以在其它传感器不能使用的条件下使用，其频率范围可以与井中无线联系通道的频带相适应。利用射流之间以及其和固体井壁的相互作用，可以设计出具有比例特征、继电器特征和实现各种逻辑功能的转换器元件。因为具有这些优点，所以可以在深井钻进时受制约的条件下使用。对于深井钻进来说，这是一种具有发展前景的传感器。
（5）俄罗斯钻探专家研发的井底参数测量系统包括其中的传感器，对深部找矿和特深地质井钻进有一定参考价值，建议有关单位和专家对此进行分析、研究和试验，探讨其可行性和必要性。
参考文献（References）
胡郁乐，张惠，王稳石，等.深部岩心钻探关键技术［M］.武汉：中国地质大学出版社，2018. [百度学术]
HU Yule， ZHANG Hui， WANG Wenshi， et al. Key technologies in deep core drilling［M］. Wuhan： China University of Geosciences Press， 2018. [百度学术]
朱恒银，王强，杨凯华，等.深部岩心钻探技术与管理［M］.北京：地质出版社，2014. [百度学术]
ZHU Hengyin， WANG Qiang， YANG Kaihua， et al. Deep core drilling technology and management［M］. Beijing： Geological Publishing House， 2014. [百度学术]
朱恒银，王强，杨展，等.深部地质钻探金刚石钻头研究与应用［M］.武汉：中国地质大学出版社，2014. [百度学术]
ZHU Hengying， WANG Qiang， YANG Zhan， et al. Research and application of diamond bit for deep geological drilling［M］. Wuhan： China University of Geosciences Press， 2014. [百度学术]
Козловский Е. А. Кольская сверхглубокая［M］. Москва： Издальство Недра， 1984. [百度学术]
В. Н. Есауленко. Телерегулирование забойных парпметров при бурении глубоких скважин［М］. Россия， г.Астрахань： Астрахинский Государственный Технический Үниверситет Издательство， 2015. [百度学术]
В. Н. Есауленко， Н. В. Есаулеко. Частные датчики в бурении［М］. Россия， г.Астрахань： Астрахинский Государственный Технический Үниверситет Издательство， 2012. [百度学术]
В. Н. Есауленко， Н. В. Есаулеко. Аэродинамические измерительные преобразователи для телеметрии забойных парамеиров при бурении скважины［М］. Россия， Г.Астрахань： Астрахинский Государственный Технический Үниверситет Издательство， 2010. [百度学术]
В. Н. Есауленко， Н. В. Есауленко. Механические измерические преобразователи для систем телеметрии забойных параметров［J］. Автоматизация， Телемеханизация И Связь В нНефтяной Промышенности， 2009（7）：4-7. [百度学术]
В. Н. Есауленко， А. М. Дегтярева， Н. В. Есауленко. Устройство для измерения температуры вскважине： № 2381361［Р］. 2010-01-10. [百度学术]
В. Н. Есауленко， А. М. Дегтярева， Н. В. Есауленко. Устройство для измерения зенитного угла искривления ствола скважины： № 2285797［Р］. 2006-10-20. [百度学术]
В. Н. Есауленко， А. М. Дегтярева， Н .В. Есауленко. Устройство для измерения зенитного угла искривления ствола скважины： № 2349750［Р］. 2009-03-20. [百度学术]
Шевченко М. А. Датчик азимута искривления скважины［J］. Автоматизация， Телемеханизация И Cвязь В Нефтяной Промышенности， 2011（7）：2-3. [百度学术]
В. Н. Есауленко， А. М. Дегтярева， Н. В. Есауленко. Устройство для определения параметров искривления в скважине： № 2468201［Р］. 2012-11-27. [百度学术]
Шевченко М. А. Имитационная модель комбинированного канала связи для телеметрии забойных параметров в процессе бурения скважины［С］// 4-АЯ Всеросс. Науч.-Практ. Конф.， 2013，11：136-138. [百度学术]
Шевченко М. А. Применение струйных элементов для коммутации датчиков скважинной телеметрической системы［J］. Нефтяное Хозяйство， 2013（11）：124-126. [百度学术]
