定向穿越控向理论与实践

陈翔

摘 要：本文简要介绍了水平定向钻控向系统的发展史及工作原理，通过工程案例表述多种控向系统的选择方法，并从承包商的角度提出对未来控向系统改进建议。

关键词：定向钻；导向系统；人工磁场；地面导向系统；地磁导向系统

中图分类号： TU996 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）16-80-2

1 控向概述

水平定向钻（Horizontal Directional Drilling，以下简称HDD）作为非开挖方式的一种，导向孔是关键工序之一。导向孔的质量好坏，除了泥浆、钻具和操作之外，还取决于控向系统的“定向”功能。所谓定向，也就是要准确的跟踪钻进的方向，使得能够按照设计的曲线钻进。

实现钻进方向的调整，是通过推进造斜短节或者鸭板式钻头来实现钻进方向改变。所以，控向系统除了要跟踪钻进的三维坐标之外，还需要采集造斜短节或鸭板式钻头的姿态，即面向角。

2 控向系统的种类及工作原理简介

2.1 控向系统的历史

HDD起源于石油钻井，但与其也有着显著不同。HDD导向定位系统是沿着两个方向发展起来。一个是与大型钻机相匹配，一个是与中小型钻机相匹配。

大型钻机的导向系统在上世纪70年代由Martin Cherrington从石油钻井技术发展而来，钻头依靠泥浆马达或钻机来驱动，导向系统则采用加速度计和磁强计组成的有线系统。

中小型钻机的导向系统由地下电缆探测技术改进而来。上世纪70年代，美国电力工程研究所（EPRI），开始资助研究无损更换电缆的方法。80年代初，美国Utilx公司在对几种不同的定位技术和装置进行调查后，改进了定向钻进工具，首次将电缆定位技术应用于定向钻进中，直接导致具有定位功能的GuideDrill系统的问世。该公司还提出了用于安装在钻头狭小空腔内的磁藕极子发射器的方法。这种电缆定位仪结合磁藕极子发射器的方法非常成功，成为以后导向定位系统的研究基础。

另外值得一提的还有Slimdril公司推出的惯性导向系统（gyro steering tool）。该技术不利用地磁系统，所以也不受磁干扰。该系统利用陀螺仪测量并计算钻具方位。由于技术保密，该技术还受到美国军事部门的严格管制。

2.2 工作原理

根据导航学选择变换中的欧拉定理，载体在空间中的姿态可用相对于地理坐标有限次的转动来表示，每次转动的角度即为航向角、俯仰角和横滚角。同样，地下定向钻进中，钻具在空间的任一姿态也可用相对于地理坐标系的一系

列旋转来表示，只不过旋转的角度变为方位角，倾角和面向角。

地磁导向系统测量方式是利用三轴加速度计和三轴磁强计构成基于地磁场的捷联式姿态测量系统，三个加速度计测量地球的重力场分量，经过解算得到倾角和面向角，三个磁强计测量地球的地磁场分量，和加速度计测量结果一起，获得方位角。

地面导向系统测量方式是基于姿态角度不同的特性，分别采用单独的传感器来实现，如测量倾角的倾角传感器，测量面向角的面向角传感器等。

惯性导向系统是利用加速度及和陀螺仪组成的捷联式惯性导航系统，加速度计测量载体的线性加速度，陀螺仪测量载体的角速率信息，并利用初始对准关系可以得到载体在任何时候的空间姿态，于是可得到方位角，倾角和面向角。不仅如此，通过对加速度计和陀螺仪测量结果的积分还可以得到载体的速度和位置信息。

3 控向系统的选择

3.1 控向系统的成本是一个重要的选择因素

一般来说，地面导向系统的费用较低，地磁导向系统次之，惯性导向系统最高。

3.2 控向系统的选择还跟HDD项目的种类有关

地面导向系统中，由于测量中没有方位角的概念，所以在水平方向调整中，无法给司钻提供较为量化的参数支持，所以在导向孔曲线的弯曲半径控制上，有一定潜在风险，所以通常地面导向系统不适用大管径穿越。且信号是通过地磁波传送到地面，也受到穿越深度的制约，所以也不适用深层穿越。地磁控向系统适用于绝大部分情况，除小型项目基于成本的考虑不使用地磁导向外，其余均可以使用该系统导向。但极其特殊情况使用地磁导向系统会有较大难度。如施工区域内有较强或较多不稳定的磁干扰源，该情况会造成地磁导向系统会生成有较大误差的方位角，从而影响定向的精准性，也有可能会产生不知情的导向孔曲线折弯造成项目失败。

惯性导向系统则能克服地磁导向系统的不足，基本适用于任何施工条件，该系统是封闭式系统，不受任何外界因素影响，但由于成本高的原因，所以一般只适用于上述两种导向系统均不适用的情形。

4 工程应用实例

4.1 案例1：佛山天然气次高压管网鱼塘穿越

管径508mm，长度498m，最大埋深12米，双管铺设，双管间距五米。主要穿越障碍为连片鱼塘。项目难点：该项目存在双穿，如果选用地磁导向系统，在第二次穿越时容易受到磁干扰； 地面有大面积水域，不能直接在地表给地面导向系统设立穿越中心线的基准。一般来说，克服地上的困难比克服地下的困难要容易，所以优先选择地面导向系统。鱼塘水面稳定且并不深，所以在穿越中心线沿线打上标杆，之间用彩条旗连接明确参考基准，之后使用地面导向系统进行控向。

4.2 案例2：川气东送支线幸福河穿越

管径813mm，长度760米，最大埋深16米，主要穿越障碍为河流，高架匝道。项目难点：项目存在桩基磁干扰。但如果选用地面导向系统，曲率半径把握上存在一定风险，选择地磁导向系统则存在一定长度的磁干扰。最终选择地磁导向系统， 确保大口径管道穿越曲线的质量。在达到干扰点之前尽量确保方向准确，且在干扰点位置布置多个人工磁场（TruTracker）进行定位，使钻进方向沿设计穿越曲线进行。

5 导向系统改进建议

根据多年使用效果，各类控向系统在项目中，表现出一定的局限性。要更好地适用于不同的HDD项目，需要在成本控制、操作便捷、功能扩充等方面，改进这些不同种类的控向系统，具体如下：

5.1 地面导向系统

现在的地面导向系统多应用在中小型HDD项目中，使用者在保证质量的前提下，追求更高效，更经济。其中有线系统就会影响一定的效率，所以新的地面导向系统应该侧重无线模式，在技术突破上应该是在控制成本的情况下更大限度的改善电池续航时间、信号传输距离及深度，和抗干扰等问题。另外，地面导向系统经常借助一些控向辅助软件，用来计算导向孔曲线轨迹等。但为便于野外作业，也应该开发出适合移动设备的软件版本。

5.2 地磁导向系统

地磁导向系统是大型HDD项目中的通常配置。建议做如下完善：

5.2.1 操作简化

承包商总是期望控向系统能简单高效，如果控向系统能够满足投入更少的人力物力更快捷的完成施工任务，那就能减少使用成本。比如地磁控向系统通过人工磁场定位探棒的功能，需要在地表铺设线圈，当线圈电流强度不够时，这一功能将不能有效工作。而Paratrack地磁导向系统在这方面就得到了改进。

5.2.2 单点定位

使用地面导向系统，导向人员可以通过手持机可以找到一定深度内的探棒具体位置。而地磁导向系统只能通过人工磁场才能较为精确的找出地下探棒的位置。这两套系统都需要在地面沿穿越中心线一定区域才能实施。

对地磁导向系统而言，如果导向人员能够在地表制造点状的磁干扰源（而不是直线型或长方型的线圈），并通过简单的左右移动磁干扰源，即能够通过磁强计的数据变化而间接判断探棒相对中心线的左右偏差，则将极大地扩充地磁导向系统的辅助定位功能。

5.3 地面地磁导向系统

该导向系统结合了两者的地面导向系统和地磁导向系统，具备了两者的功能，极大的丰富了适用范围。但是该系统不具备人工磁场功能，但HDD施工中，未知因素众多，所以建议增加这一功能。

5.4 惯性导向系统

惯性导向系统由于成本较高的原因，市场还未广泛接受。其特点是由于系统的封闭性，会随着穿越长度的增加，测量误差累计后变大。要消除误差就必须在额外增加一种测量方式，比如增加一组三轴磁强计，在钻进一段长距离后，使用人工磁场进行校对，将会大大提高使用精度。

参 考 文 献

[1] 张真，刘佳丹，方里，张质子.非开挖技术的发展现状以及前景分析[J].河南科技，2014（4）：43-44.