定向穿越控向理論與實(shí)踐

陳翔

摘 要：本文簡(jiǎn)要介紹了水平定向鉆控向系統(tǒng)的發(fā)展史及工作原理，通過(guò)工程案例表述多種控向系統(tǒng)的選擇方法，并從承包商的角度提出對(duì)未來(lái)控向系統(tǒng)改進(jìn)建議。

關(guān)鍵詞：定向鉆；導(dǎo)向系統(tǒng)；人工磁場(chǎng)；地面導(dǎo)向系統(tǒng)；地磁導(dǎo)向系統(tǒng)

中圖分類(lèi)號(hào)： TU996 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1673-1069（2016）16-80-2

1 控向概述

水平定向鉆（Horizontal Directional Drilling，以下簡(jiǎn)稱(chēng)HDD）作為非開(kāi)挖方式的一種，導(dǎo)向孔是關(guān)鍵工序之一。導(dǎo)向孔的質(zhì)量好壞，除了泥漿、鉆具和操作之外，還取決于控向系統(tǒng)的“定向”功能。所謂定向，也就是要準(zhǔn)確的跟蹤鉆進(jìn)的方向，使得能夠按照設(shè)計(jì)的曲線(xiàn)鉆進(jìn)。

實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)方向的調(diào)整，是通過(guò)推進(jìn)造斜短節(jié)或者鴨板式鉆頭來(lái)實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)方向改變。所以，控向系統(tǒng)除了要跟蹤鉆進(jìn)的三維坐標(biāo)之外，還需要采集造斜短節(jié)或鴨板式鉆頭的姿態(tài)，即面向角。

2 控向系統(tǒng)的種類(lèi)及工作原理簡(jiǎn)介

2.1 控向系統(tǒng)的歷史

HDD起源于石油鉆井，但與其也有著顯著不同。HDD導(dǎo)向定位系統(tǒng)是沿著兩個(gè)方向發(fā)展起來(lái)。一個(gè)是與大型鉆機(jī)相匹配，一個(gè)是與中小型鉆機(jī)相匹配。

大型鉆機(jī)的導(dǎo)向系統(tǒng)在上世紀(jì)70年代由Martin Cherrington從石油鉆井技術(shù)發(fā)展而來(lái)，鉆頭依靠泥漿馬達(dá)或鉆機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)，導(dǎo)向系統(tǒng)則采用加速度計(jì)和磁強(qiáng)計(jì)組成的有線(xiàn)系統(tǒng)。

中小型鉆機(jī)的導(dǎo)向系統(tǒng)由地下電纜探測(cè)技術(shù)改進(jìn)而來(lái)。上世紀(jì)70年代，美國(guó)電力工程研究所（EPRI），開(kāi)始資助研究無(wú)損更換電纜的方法。80年代初，美國(guó)Utilx公司在對(duì)幾種不同的定位技術(shù)和裝置進(jìn)行調(diào)查后，改進(jìn)了定向鉆進(jìn)工具，首次將電纜定位技術(shù)應(yīng)用于定向鉆進(jìn)中，直接導(dǎo)致具有定位功能的GuideDrill系統(tǒng)的問(wèn)世。該公司還提出了用于安裝在鉆頭狹小空腔內(nèi)的磁藕極子發(fā)射器的方法。這種電纜定位儀結(jié)合磁藕極子發(fā)射器的方法非常成功，成為以后導(dǎo)向定位系統(tǒng)的研究基礎(chǔ)。

另外值得一提的還有Slimdril公司推出的慣性導(dǎo)向系統(tǒng)（gyro steering tool）。該技術(shù)不利用地磁系統(tǒng)，所以也不受磁干擾。該系統(tǒng)利用陀螺儀測(cè)量并計(jì)算鉆具方位。由于技術(shù)保密，該技術(shù)還受到美國(guó)軍事部門(mén)的嚴(yán)格管制。

2.2 工作原理

根據(jù)導(dǎo)航學(xué)選擇變換中的歐拉定理，載體在空間中的姿態(tài)可用相對(duì)于地理坐標(biāo)有限次的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)表示，每次轉(zhuǎn)動(dòng)的角度即為航向角、俯仰角和橫滾角。同樣，地下定向鉆進(jìn)中，鉆具在空間的任一姿態(tài)也可用相對(duì)于地理坐標(biāo)系的一系

列旋轉(zhuǎn)來(lái)表示，只不過(guò)旋轉(zhuǎn)的角度變?yōu)榉轿唤?，傾角和面向角。

地磁導(dǎo)向系統(tǒng)測(cè)量方式是利用三軸加速度計(jì)和三軸磁強(qiáng)計(jì)構(gòu)成基于地磁場(chǎng)的捷聯(lián)式姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)，三個(gè)加速度計(jì)測(cè)量地球的重力場(chǎng)分量，經(jīng)過(guò)解算得到傾角和面向角，三個(gè)磁強(qiáng)計(jì)測(cè)量地球的地磁場(chǎng)分量，和加速度計(jì)測(cè)量結(jié)果一起，獲得方位角。

地面導(dǎo)向系統(tǒng)測(cè)量方式是基于姿態(tài)角度不同的特性，分別采用單獨(dú)的傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)，如測(cè)量?jī)A角的傾角傳感器，測(cè)量面向角的面向角傳感器等。

慣性導(dǎo)向系統(tǒng)是利用加速度及和陀螺儀組成的捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，加速度計(jì)測(cè)量載體的線(xiàn)性加速度，陀螺儀測(cè)量載體的角速率信息，并利用初始對(duì)準(zhǔn)關(guān)系可以得到載體在任何時(shí)候的空間姿態(tài)，于是可得到方位角，傾角和面向角。不僅如此，通過(guò)對(duì)加速度計(jì)和陀螺儀測(cè)量結(jié)果的積分還可以得到載體的速度和位置信息。

3 控向系統(tǒng)的選擇

3.1 控向系統(tǒng)的成本是一個(gè)重要的選擇因素

一般來(lái)說(shuō)，地面導(dǎo)向系統(tǒng)的費(fèi)用較低，地磁導(dǎo)向系統(tǒng)次之，慣性導(dǎo)向系統(tǒng)最高。

3.2 控向系統(tǒng)的選擇還跟HDD項(xiàng)目的種類(lèi)有關(guān)

地面導(dǎo)向系統(tǒng)中，由于測(cè)量中沒(méi)有方位角的概念，所以在水平方向調(diào)整中，無(wú)法給司鉆提供較為量化的參數(shù)支持，所以在導(dǎo)向孔曲線(xiàn)的彎曲半徑控制上，有一定潛在風(fēng)險(xiǎn)，所以通常地面導(dǎo)向系統(tǒng)不適用大管徑穿越。且信號(hào)是通過(guò)地磁波傳送到地面，也受到穿越深度的制約，所以也不適用深層穿越。地磁控向系統(tǒng)適用于絕大部分情況，除小型項(xiàng)目基于成本的考慮不使用地磁導(dǎo)向外，其余均可以使用該系統(tǒng)導(dǎo)向。但極其特殊情況使用地磁導(dǎo)向系統(tǒng)會(huì)有較大難度。如施工區(qū)域內(nèi)有較強(qiáng)或較多不穩(wěn)定的磁干擾源，該情況會(huì)造成地磁導(dǎo)向系統(tǒng)會(huì)生成有較大誤差的方位角，從而影響定向的精準(zhǔn)性，也有可能會(huì)產(chǎn)生不知情的導(dǎo)向孔曲線(xiàn)折彎造成項(xiàng)目失敗。

慣性導(dǎo)向系統(tǒng)則能克服地磁導(dǎo)向系統(tǒng)的不足，基本適用于任何施工條件，該系統(tǒng)是封閉式系統(tǒng)，不受任何外界因素影響，但由于成本高的原因，所以一般只適用于上述兩種導(dǎo)向系統(tǒng)均不適用的情形。

4 工程應(yīng)用實(shí)例

4.1 案例1：佛山天然氣次高壓管網(wǎng)魚(yú)塘穿越

管徑508mm，長(zhǎng)度498m，最大埋深12米，雙管鋪設(shè)，雙管間距五米。主要穿越障礙為連片魚(yú)塘。項(xiàng)目難點(diǎn)：該項(xiàng)目存在雙穿，如果選用地磁導(dǎo)向系統(tǒng)，在第二次穿越時(shí)容易受到磁干擾； 地面有大面積水域，不能直接在地表給地面導(dǎo)向系統(tǒng)設(shè)立穿越中心線(xiàn)的基準(zhǔn)。一般來(lái)說(shuō)，克服地上的困難比克服地下的困難要容易，所以?xún)?yōu)先選擇地面導(dǎo)向系統(tǒng)。魚(yú)塘水面穩(wěn)定且并不深，所以在穿越中心線(xiàn)沿線(xiàn)打上標(biāo)桿，之間用彩條旗連接明確參考基準(zhǔn)，之后使用地面導(dǎo)向系統(tǒng)進(jìn)行控向。

4.2 案例2：川氣東送支線(xiàn)幸福河穿越

管徑813mm，長(zhǎng)度760米，最大埋深16米，主要穿越障礙為河流，高架匝道。項(xiàng)目難點(diǎn)：項(xiàng)目存在樁基磁干擾。但如果選用地面導(dǎo)向系統(tǒng)，曲率半徑把握上存在一定風(fēng)險(xiǎn)，選擇地磁導(dǎo)向系統(tǒng)則存在一定長(zhǎng)度的磁干擾。最終選擇地磁導(dǎo)向系統(tǒng)， 確保大口徑管道穿越曲線(xiàn)的質(zhì)量。在達(dá)到干擾點(diǎn)之前盡量確保方向準(zhǔn)確，且在干擾點(diǎn)位置布置多個(gè)人工磁場(chǎng)（TruTracker）進(jìn)行定位，使鉆進(jìn)方向沿設(shè)計(jì)穿越曲線(xiàn)進(jìn)行。

5 導(dǎo)向系統(tǒng)改進(jìn)建議

根據(jù)多年使用效果，各類(lèi)控向系統(tǒng)在項(xiàng)目中，表現(xiàn)出一定的局限性。要更好地適用于不同的HDD項(xiàng)目，需要在成本控制、操作便捷、功能擴(kuò)充等方面，改進(jìn)這些不同種類(lèi)的控向系統(tǒng)，具體如下：

5.1 地面導(dǎo)向系統(tǒng)

現(xiàn)在的地面導(dǎo)向系統(tǒng)多應(yīng)用在中小型HDD項(xiàng)目中，使用者在保證質(zhì)量的前提下，追求更高效，更經(jīng)濟(jì)。其中有線(xiàn)系統(tǒng)就會(huì)影響一定的效率，所以新的地面導(dǎo)向系統(tǒng)應(yīng)該側(cè)重?zé)o線(xiàn)模式，在技術(shù)突破上應(yīng)該是在控制成本的情況下更大限度的改善電池續(xù)航時(shí)間、信號(hào)傳輸距離及深度，和抗干擾等問(wèn)題。另外，地面導(dǎo)向系統(tǒng)經(jīng)常借助一些控向輔助軟件，用來(lái)計(jì)算導(dǎo)向孔曲線(xiàn)軌跡等。但為便于野外作業(yè)，也應(yīng)該開(kāi)發(fā)出適合移動(dòng)設(shè)備的軟件版本。

5.2 地磁導(dǎo)向系統(tǒng)

地磁導(dǎo)向系統(tǒng)是大型HDD項(xiàng)目中的通常配置。建議做如下完善：

5.2.1 操作簡(jiǎn)化

承包商總是期望控向系統(tǒng)能簡(jiǎn)單高效，如果控向系統(tǒng)能夠滿(mǎn)足投入更少的人力物力更快捷的完成施工任務(wù)，那就能減少使用成本。比如地磁控向系統(tǒng)通過(guò)人工磁場(chǎng)定位探棒的功能，需要在地表鋪設(shè)線(xiàn)圈，當(dāng)線(xiàn)圈電流強(qiáng)度不夠時(shí)，這一功能將不能有效工作。而Paratrack地磁導(dǎo)向系統(tǒng)在這方面就得到了改進(jìn)。

5.2.2 單點(diǎn)定位

使用地面導(dǎo)向系統(tǒng)，導(dǎo)向人員可以通過(guò)手持機(jī)可以找到一定深度內(nèi)的探棒具體位置。而地磁導(dǎo)向系統(tǒng)只能通過(guò)人工磁場(chǎng)才能較為精確的找出地下探棒的位置。這兩套系統(tǒng)都需要在地面沿穿越中心線(xiàn)一定區(qū)域才能實(shí)施。

對(duì)地磁導(dǎo)向系統(tǒng)而言，如果導(dǎo)向人員能夠在地表制造點(diǎn)狀的磁干擾源（而不是直線(xiàn)型或長(zhǎng)方型的線(xiàn)圈），并通過(guò)簡(jiǎn)單的左右移動(dòng)磁干擾源，即能夠通過(guò)磁強(qiáng)計(jì)的數(shù)據(jù)變化而間接判斷探棒相對(duì)中心線(xiàn)的左右偏差，則將極大地?cái)U(kuò)充地磁導(dǎo)向系統(tǒng)的輔助定位功能。

5.3 地面地磁導(dǎo)向系統(tǒng)

該導(dǎo)向系統(tǒng)結(jié)合了兩者的地面導(dǎo)向系統(tǒng)和地磁導(dǎo)向系統(tǒng)，具備了兩者的功能，極大的豐富了適用范圍。但是該系統(tǒng)不具備人工磁場(chǎng)功能，但HDD施工中，未知因素眾多，所以建議增加這一功能。

5.4 慣性導(dǎo)向系統(tǒng)

慣性導(dǎo)向系統(tǒng)由于成本較高的原因，市場(chǎng)還未廣泛接受。其特點(diǎn)是由于系統(tǒng)的封閉性，會(huì)隨著穿越長(zhǎng)度的增加，測(cè)量誤差累計(jì)后變大。要消除誤差就必須在額外增加一種測(cè)量方式，比如增加一組三軸磁強(qiáng)計(jì)，在鉆進(jìn)一段長(zhǎng)距離后，使用人工磁場(chǎng)進(jìn)行校對(duì)，將會(huì)大大提高使用精度。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 張真，劉佳丹，方里，張質(zhì)子.非開(kāi)挖技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀以及前景分析[J].河南科技，2014（4）：43-44.