随着我国经济和社会的快速发展,矿产资源的需求和消耗逐年增加,矿产资源供需矛盾日益突出。全国大部分地区的浅部矿产资源已被探明、开采而趋于枯竭,未来地质找矿和探矿工程无疑将向深部发展,从深度600-2500m之间向3000m发展。根据《地质岩心钻探规程(DZ/T0227-2010)》规定,深度1000-3000m的地质岩心钻孔定义为深孔。在深孔钻进施工中,孔斜是一个非常重要的问题,它不仅直接影响钻孔施工质量,也直接影响钻孔施工效率与施工安全,随着地质钻探向深孔不断发展,对井斜的控制要求越来越严格,因此对随钻测量的需求也越来越大。电磁波随钻测量(EM-MWD)采用电磁波作为井下信息的载体,与传统的随钻测量相比具有信号传输速率高、无脉冲阀易损件等优点,特别是EM-MWD在应用时基本不受钻井液介质的影响,能够应用于几乎所有类型的钻井液,解决了目前钻井液脉冲随钻测量无法解决的难题。EM-MWD产品在国外已经相对成熟,国内油田、科研院所等单位也研发制造出了相应的油田钻进用的配套产品,但在地质钻探领域内尚为空白。因此,紧跟EM-MWD发展趋势,在借鉴国内外先进EM-MWD技术的基础上,结合国内地质钻探的情况,研制适用于深孔地质钻探的、具有自主知识产权的、稳定可靠的EM-MWD技术,避免从国外购买昂贵的随钻测量设备,对我国EM-MWD技术以及地矿、石油等相关行业的发展具有重大意义。本文围绕深孔地质钻探EM-MWD样机设计以及基于邻井接收方法的传输深度扩展的技术难题,对深孔EM-MWD的关键技术进行了系统的研究,主要包括:EM-MWD传输理论、样机的结构设计、样机井下发射机与地面接收机的设计、姿态参数的安装误差与温度误差补偿校正、基于邻井接收方法的EM-MWD传输深度扩展研究以及现场孔内测量试验。论文的主要研究成果和创新点如下:1.针对深孔地质钻探EM-MWD样机结构强度问题,设计了一种高强度绝缘外管和新型内管结构。在对比分析现有绝缘外管技术的基础上设计了一种高强度绝缘外管结构,根据理论计算和有限元模拟进行校核,所设计的绝缘外管满足100k N压力、40k N拉力和15k N·m扭矩的强度条件。设计了一种新型内管结构,根据理论计算和有限元模拟进行校核,所设计的绝缘内管满足40MPa的静液柱压力。设计了一种绝缘内管测试方法并对绝缘内管进行了强度和密封测试,同时在XY-4型钻机上对绝缘外管的强度进行了实钻测试。2.设计了适用于深孔地质钻探EM-MWD样机的井下发射机与地面接收机,并对EM-MWD样机的姿态参数进行了误差补偿校正。根据EM-MWD的井下发射与地面接收工作模式,分别设计了井下发射机与地面接收机,对探管姿态的误差补偿进行了实验研究,并对发射机和接收机性能进行了室内室外实验。对EM-MWD姿态参数的误差原因进行了分析,建立了误差模型并对姿态参数的安装误差和温度引起的误差进行了补偿校正,通过误差补偿实验,温度误差补偿后井斜角最大绝对误差为0.137?,安装误差补偿校正后的井斜角最大绝对误差为0.08?,满足测量模块的设计精度要求。发射接收室内实验表明,所设计的井下发射机传感器采集信号正常,曼彻斯特编码正确,在大功率发射下电路工作正常。在室内相对较小的噪声环境下,对于5μV的信号,经过放大滤波等信号调理电路后,信号波形比较理想,且接收机能够正确解码。发射接收室外实验表明,室外信号在低通滤波和工频陷波后,工频干扰基本得到抑制,信号理想且接收机均能够正确解码。3.提出了一种基于邻井接收的EM-MWD传输深度扩展方法。根据传输线的等效方法建立了基于邻井接收的EM-MWD传输深度扩展模型,对模型进行求解及仿真,分析了地面接收信号电压值的影响因素,同时对邻井接收下邻井定深度及定距离下接收信号电压值进行了分析,验证了该方法能有效增加接收信号电压值的大小,提升EM-MWD最大传输深度,在近海钻进、油气井网、对接井、地质钻探领域内具有广阔的应用前景。4.分别在300m和616m(实际测量深度292m和598m)的孔内进行了EM-MWD样机的孔内测量试验及基于邻井接收方法的测量试验,试验表明:所设计的EM-MWD样机至少能承受598m的静液柱压力,并能达到该深度的密封性能要求;所设计的EM-MWD样机信号采集、发射、接收等各模块工作正常,能够应用于实际井场环境;所建立的传输线的等效模型与实际测量结果具有较好的一致性,套管对实际钻进中的EM-MWD测量结果为增益效果;基于邻井接收的EM-MWD传输深度扩展方法能够有效提高接收信号电压的大小,验证了邻井接收方法的可行性。