地磁控向系统在水平定向钻施工中的应用

上海煤气第二管线工程有限公司 蔡晓春

在如今的燃气排管施工中，在城区采取开挖路面埋设新管的方式已无法满足新形势下城市建设的要求，而非开挖的施工方法越来越受到人们的重视。水平定向钻则是其中最具活力的一种非开挖技术，它具有对地面建筑物和设施干扰或损坏小、不影响交通及居民出行、施工设备安装快、施工效率高、可控制方向、绕避地下障碍及施工精度高等优点。水平定向钻的施工工艺一般可分为导向孔的钻进、预扩孔、管线回拖三个步骤。导向孔轨迹的优劣直接影响回拖力的大小，而且定向穿越的风险避让很大程度体现在导向钻进这个施工工序上。因此，只有掌握先进的控向技术才能降低风险，确保穿越工程的保质保量的安全完工。

1 控向技术的类别

水平定向钻控向技术可分为两类：一类为无线控向技术，常用于中、小型定向穿越工程，其特点是操作简单、作业时间短、成本较低，但其探测深度一般只能达到15 m以内；若穿越工程最大深度超过15 m，则就需要采用第二类控向技术，即地磁有线控向技术。地磁有线控向技术作为一种抗干扰能力强，探测深度深，适合较长距离、较深深度的控向技术，常用于城市燃气外环管网及长输管线等一系列大型非开挖工程。

随着现在城市燃气非开挖施工发展，非开挖施工条件越来越复杂，穿越深度超过15 m的非开工程也越来越多，普通的无线控向已无法满足施工需求，如何将地磁有线控向技术与城市施工常用的小型钻机配合越来越受到人们的重视。

本文所描述的地磁有线控向技术采用了一套美国雪威(Sharewell)公司的新型磁性有线控向系统(又称MGS定向系统)。在这套设备的引进初期，如何将此控向设备与我们原有的小型水平定向钻钻机进行整合，使其功能得以发挥，成了一个急需解决的问题。下文就以济阳路天然气排管工程(穿越川杨河)为例，介绍该技术的使用情况、遇到的问题及解决方案。

2 地磁控向系统介绍

以美国雪威(Sharewell)公司的 MGS定向系统为例，该系统有5个主要组成部分，分别是：探棒、司钻显示仪、接口仪、计算机和打印机，如图1所示，其中，探棒装在1套无磁组件中，包括1根无磁钻铤，1根无磁导向短节和1根带喷射型钻具或泥浆马达钻头的无磁造斜短节。

图1 雪威Sharewell有线控向系统组件

其工作原理是探棒的信号经由控向线传导到地面，经过接口仪处理后传输到司钻显示仪及计算机，提供钻孔控向的实时信息。导向人员可以直接从计算机读取各种参数，不用再沿钻进轨迹跟踪钻头。该系统可以打印导向记录，对于判断导向孔是否可用以及竣工资料的收集较为方便。

有别于无线控向信号的电磁波发射方式，地磁有线控向是通过电线传输信号，故信号更加稳定可靠。在钻进深度深的情况下使用时，其精确度达到探棒垂直深度的±2%。

3 地磁控向系统的实际应用

3.1 工程概况

上海市济阳路(前滩)天然气排管工程是配套前滩高、中压调压站专用管线，管材为D325 mm ×8 mm高压无缝钢管(20#钢)，需采用水平定向钻工艺穿越川杨河。该工程管线出、入土点分别位于川杨河两侧距河口线160 m和140 m处，穿越长度为447 m。其间，经排摸船闸护坡桩标高为－15.7 m，地面以下约20.0 m，最大穿越深度为－27.0 m，地面以下27.0 m(过船闸区域)，距离护坡桩底7.0 m。

该工程的难点主要有两点，其一，控向的深度深，约27.0 m，因此控向所需的精度要求高；其二，川杨河河道宽约70 m，即有近70 m的水平距离是在水下钻进，用常规的无线控向系统根本无法进行跟踪测量。唯一能满足施工要求的控向方法是采用地磁有线控向技术。

3.2 地磁控向系统与钻机连接

实际工程施工中，我们使用的钻机为美国威猛D80 mm×120 mm小型钻机。该钻机为美国威猛制造公司(Vermeer)生产，自动化程度高，钻机的回转扭矩为16 270 N⋅m，推进最大回拖力为36 287 kg(约36t)。该钻机设备长度不超过10 m，非常适合城市燃气非开挖施工，在施工断面异常紧张的城镇燃气非开挖施工机械中占有一席之地。

在将雪威(Sharewell)有线控向系统与公司现有的小型钻机(美国威猛D80水平定向钻机)进行连接时，需要考虑的是在保证连接信号稳定的前提下，尽量减少连接电线的长度和简洁操作程序。在充分了解该系统工作原理后，首先将探棒装在一套无磁组件中，探棒尾部的电线从钻杆中心空隙处穿过，直至钻机的后部动力头处；然后通过安装在动力头后侧的滑环将信号传送至控向室内的信息处理接口仪器。经处理后得出的数据传出两路，一路传输给控向室内的计算机控向软件，提供数据供控向员记录并下达控向指令；另一路则显示给钻机司钻员指导司钻工作。图2为整个系统的连接和工作示意。

图2 地磁控向系统连接和工作示意

3.3 工艺流程及关键点

根据穿越现场的实际情况，穿越入土点场地在申江两岸的围墙内，整个钻机场地占地面积为20 m×30 m。本次穿越采用的钻具主要有：127 mm S135内部加厚型钻杆、241 mm的镶齿三牙轮钻头，以及168 mm的无磁钻铤。

与其他水平定向钻施工工艺相比，采用地磁控向系统的工艺流程要增加一个步骤，即测量方位角和布置线圈，具体工艺流程参见图3。

图3 采用地磁控向系统的施工工艺流程

区别于无线控向，地磁控向无需控向员实时对钻头正上方进行跟测，它的工作原理是通过计算探棒与大地磁场的夹角来确定自身所处的方位。故对于地磁控向技术而言，控向参数(方位角)测量的准确性很大程度上决定了最终控向轨迹的准确性。在该施工测量阶段，我们采用在入土点沿中心线多测点取平均值的方法，根据现场实际情况，在穿越中心线上选取 4个点(A、B、C、D)进行方位角的测量，4个点的位置如图4所示。该工程方位角实测A点176.7°，B点176.4°，C点176.5°和D点176.4°，平均值为176.5°。实际测量获得最佳控向参数后，做好原始记录并输入计算机控向软件中。

整个工艺流程中，控向钻进也是一道非常关键的工序。在控向阶段，控向员与司钻员紧密配合，控向员根据设计曲线发送指令给司钻员钻进导向孔。每钻进一根钻杆，控向员需实时监测每根钻杆的斜角，该斜角在电脑中计算可得出钻头实时深度，根据工程所需的深度随时调整下一根钻杆的斜角，同时，每钻进一根钻杆控向员还需根据之前测得的方位角，控制钻进的水平偏差，若返回方位角有变化要及时纠偏。综合考虑后告知司钻员如何进行下一根钻杆的控向操作，并如实认真地做好控向施工记录。

司钻员则需根据控向员指令操作钻杆钻进路线，并根据钻进参数的变化来判断地层变化和钻进阻力情况，及时与控向员交流沟通，以便控向员分析判断，对钻进轨迹进行调整。

图4 方位角的测量

3.4 遇到的问题及解决方法

3.4.1 滑环连接处的改进

该工程在实际控向过程中并非一帆风顺，控向过程中多次发生信号差、信号波动及无信号的情况。经过从人员、设备及工艺上查找原因，发现原系统配备的滑环在实际应用中存在缺陷。

滑环位于钻机动力头后方，在整套系统中的作用主要有以下两点：

(1)在从信号棒尾端接出的电线随钻杆同步旋转的过程中，使电线不因钻杆的转动而扭断，起到一个分动的作用。

(2)与正向电流连接，起到信号传输的作用。

滑环由2片铁环组成，中间通过一个碳刷连接。碳刷主要起传输电缆信号的作用。在实际使用中碳刷的磨损非常快，而且磨损到一定程度就无法保证信号的传输。另外，由于滑环安装在动力头的后侧，在卸钻杆时会受到由钻杆中心喷涌出的泥浆的冲刷，这也会导致接触不良。

在充分考虑成本和操作实用性上，我们进行了多次的改进试验，采用弹性好的黄铜片代替碳刷，同时增加铜片与滑环的接触面，保证信号传输的稳定性。另外，在滑环中心上设置一个密封橡胶圈，用于阻挡卸钻杆时大量泥浆的回冲。此外还定期对黄铜片和密封橡胶圈进行检查和更换，从而大大提高了控向过程中的信号稳定程度。

3.4.2 电线规格的提升

原使用的连接电线为截面积4 mm2的7股束铜线，在实际使用中因其外皮过于薄，容易破皮导致断线，使施工停顿造成损失。故最终采用6 mm2规格的7股束铜线作为连接用线，虽然电线成本有所上升，但是牢固程度得到保证。

3.4.3 接线工艺的优化

对原有的接线工艺加以改进，即6 mm2规格电线剥出一段外皮后用铜套两边夹紧，放热收缩套，用吹风机使收缩套均匀收缩在接线处，并保证完全覆盖，接完后再轻拉两端确认没有虚连，保证了接线的质量。

以上这些改进措施均实际应用在济阳路天然气排管工程(穿越川杨河)中，且得到了巨大的效果，大大提高了控向工作的效率。

4 结语

地磁有线控向系统，既 MGS系统是雪威(Sharewell)公司在水平定向钻行业最值得引以为自豪的技术之一，其市场覆盖率超过80%。在国内也已经有多家企业使用这套系统，这些企业的规模有大有小，搭载这套设备的钻机也各不相同，在具体的施工应用中，需要结合实际情况进行改进和提升，如此，方能提升水平定向钻施工中导向信号的稳定性和持续性。

总结经验，弥补不足。相信随着城市地下管线的发展，城市建设中将越来越多地运用这项技术，从而提高整体施工的连贯性和钻进孔的精确性。