大陆科学钻探是获取地球深部物质、了解地球内部信息的最直接、最有效、最可靠的方法，是地球科学发展的重要基础。世界上只有少数发达国家进行了此项研究。它的意义等同于火箭上天一样，体现了一个国家的综合实力。中国大陆科学钻探工程是一项重大的国家级科学工程，经多年的论证后，于2001年8月在江苏东海正式实施第一口深5000m的科学深钻井。 钻探子工程是该项目的核心与关键，直接影响中国大陆科学钻探工程项目的进度及众多科学目标的实现。在科钻正式实施之前，中国大陆科学钻探工程中心为中国科钻一井设立了许多预研项目，旨在通过预研项目的实施，一方面为大陆科钻提供技术支持，另一方面，可培养造就一批跨世纪的高级人才。作为预研究项目之一的“井底钻井参数自动记录与回放装置的研制”项目主要用于测试井内顶角、压力和温度指标，为科学钻探服务。 本论文结合中国大陆科学钻探预研项目，研究分析了科钻深井的项角、面向角、方位角、井内温度和压力等参数的测试环境和进行参数测试的重要性；完成了首轮仪器的原理设计、结构设计和电路软硬件设计，并制造了DPMA-1型前期样品。用此套仪器在科钻现场进行了实钻试验，检验了井内“准随钻”测试仪器的性能，通过记录和回放的数据得出了一些有意义的结论，取得了较理想的效果。 在大陆科学钻探的钻进过程中，及时探测井底钻进信息是一项非常关键的工作，深井中的测斜、防斜、纠斜问题是科钻施工过程中的重中之重。另外，超深井的温度梯度和泥浆压力变化情况，包括循环过程中的变化情况的测试非常重要。本论文就这些方面的问题进行了探讨研究。 本论文第一章在调研的基础上，总结了科学钻探中进行测斜、测试井内压力、温度以及岩心定向的重要意义，旨在确定论文开展的意义和重要性。 第二章从分析国内外井底参数检测系统目前发展现状入手，较详细地阐述了测斜仪的发展现状、岩心定向发展现状、井内温度、压力参数检测发展现状以及井底测试参数的传送现状等。在此基础上，论证了研究“井底能源、能耗分散，井底贮存信息、地表回放”井底参数检测系统的可行性。确定了“准随钻”仪器的技术思路，并结合实际情况，提出了要研制仪器的主要技术指标为：顶角0～30°，误差≤0.5°；压力为0～50MPa，误差≤0.5MPa;温度为0～+150℃，误差≤0.5℃；面向角为0～360°，误差小于10°；耐冲击10g、耐温0～+85℃、密封50MPa以上，记录数据容量为32KB。要求仪器具有在井底自动记录温度、压力、顶角数据的功能，具有在地表回放数据的功能。 第三章通过分析仪器所处“井底”和“随钻”两个方面的环境，确定了大陆科学深钻的井底条件对井下仪器的更高要求，强调了井底仪器设计时主要是考虑密封性、耐高温性能和振动问题，他们是影响测试仪器可靠性的主要因素。另外，强调井底仪器的能源问题也必须引起高度重视，设计时必须考虑采用高能电源和降低仪器的耗能。为此，对测试系统的结构、测试原理以及井下仪器的安装位置进行了总体设计。通过对现场不同结构的两轮设计效果进行了实际比较，确定了仪器的总体结构。 第四章为论文的主体内容之一，从多角度对井底仪器进行了可靠性设计，包括抗振设计、抗高温设计、密封设计、仪器外筒机械强度设计以及井内能耗设计等。 在抗振设计中初步建立了振动模型，分析了振动对重力加速度式测角传感器的影响，通过分析计算，提出了抗振、减振措施，为减振设计提供了理论依据。 在仪器的抗高温设计中，首先从选择抗高温电子元器件入手，对井下高温条件下的仪器进行了“绝热系统”设计，提出了理论模型，为选择绝热材料提出了指导性建议。 在井内高压泥浆条件下，仪器的密封是非常重要的问题，论文对密封计算理论进行了有益的探讨，就建立的模型进行了实际验算，选择了密封形式，并且为了增强密封的效果，提出和采用了双密封圈的双锥密封形式，通过不同材料具有不同膨胀率来选择密封材料，达到了自密封的效果等。 在本章最后一节，利用材料力学理论对仪器外筒的机械强度进行了验算，选择了仪器外筒的材料和安全壁厚。 论文第五部分为传感器及预处理电路设计。此部分为论文的重点之一，主要研究选择适合于大陆科学钻探井底测试的顶角、方位角、压力、温度传感器。 其中，选择了重力加速度传感器来进行测试钻井项角。此种传感器由于没有框架和偏心定位系统，测角系统无机械接点，因此可满足振动条件下的点测或连续测量。钻井顶角的测试原理是利用两个单维加速度传感器，分别测出灵敏度方向上的顶角值，并存入井内仪器中，到地表后通过设计的软件用矢量合成法来测试钻井顶角。并专门设计了相应的实验平台验证了原理的准确性。从数学模型上论证了工具面向角可以通过二维的顶角传感器测试出来，为岩心定向服务。 根据大陆科学钻探深井内的随钻测试条件，选择了全固态、没有移动部件、抗干扰能力强和耐冲击的方位角传感器(依托项目内不包括方位角的测试)。从理论上分析了测量时仍要用两个方位角传感器和矢量合成法来测得钻井方位角，并得出了计算公式，为继续研究服务。 在温度测试方面，论文除研究静态测温之外，着重探讨了测温系统的测试精度和动态响应能力。为此提出选择时间常数小，动态响应能力强的铂测温电阻。 在预处理电路设计方面，选择了新的功能器件并作了设计计算，确定了具体参数。压力传感器选择时强调了压力测试在科学钻探中的重要作用，设计选择了能在高温下进行压力测试的传感器。 第六章对井下仪器电路进行了软硬件设计，设计了单片机最小系统，主要强调电路的微型化、节能化和温度稳定性能。硬件电路可实现数据的采集、数据的存储以及实现数据交换等功能。 从微型化方面考虑，主要选择集成度高的芯片；在节能方面，主要考虑采用低功耗的电子元件；在温度稳定性方面，考虑采用温度漂移小的芯片，并采用工业级甚至军品级的集成电路。 由于井内空间的局限性和对电路节能方面的要求，电路板设计成条带形。 数据采集模块选择8通道、12位模数转换器；信息存储单元包括程序存储单元和数据存储单元。程序按测试目的和流程用汇编语言来编制并固化在程序存储器中，井内测试系统将按照此固化程序进行有序的工作。数据存储器选择了新产品，极大地提高了存储数据的可靠性。 第七章介绍了仪器在中国大陆科学钻探现场的试验情况，对测试的温度、压力、顶角和工具面向角曲线进行了分析，得出了具有实际意义的数据。通过数据的分析充分证明了该系统研究的思路和方法是正确的，该研究是有价值的。本章还通过现场的图片消息和报纸的报道来说明该研究的社会意义。 最后一章总结分析了该仪器的特点和新颖性，对以后还需开展的工作提出了一些建议。 总之，研究的前期样品DPMA-1型“井底钻井参数自动检测仪”与常规地球物理测井方法和常规钻探测井方法相比具有独特的优点，具体表现在：1.可获取钻井轨迹的连续参数，并且通过下钻与提钻过程所测试的数据，对比验证准确性与重现性。 2.在检测井斜的同时，还可监视泥浆温度、压力的变化，由此判断井底机具的工况、泥浆循环时的沿程阻力等。 3.考虑了井内的振动、高压等条件，实现了“准随钻”检测，完全避免了常规测斜使用电缆或钢丝绳的弊端，解决了缆具被卡的事故隐患。 4.由于实现了随钻检测，无需为测斜而停钻，大大减少了辅助作业时间