地下鉆探有線導航控制系統與設計的實現方法

摘 要：地下鉆探有線導航控制系統主要由地下探頭部分、二根長距離輸電線、地面接收控制顯示部分三部分組成。地下探頭采用可以測量地下鉆頭三維方位角度、溫度，通過A/D轉換-CPU數據編碼組將編碼串行信號送入信號調制放大電路、遠程供電接口電路、僅用二根長距離輸電線，輸送調制輸出信號及給本身供電。地面接收控制顯示部分通過遠程供電接口電路、信號放大整形檢波電路、CPU數據解碼及顯示組、將地下鉆頭三維方位角度測量并顯示出來、并給探頭供電。可廣泛用于石油鉆探和一些無法實施開挖的地下鋪設管線工程鉆探作業中。

關鍵詞：鉆探；有線導航控制系統；鋪設管線；遠程供電

1 引言

在石油鉆探和一些無法實施開挖的地下鋪設管線工程鉆探作業中，關鍵技術是利用鉆探導航控制系統對鉆孔軌跡進行控制。鉆探導航控制系統一般采用無線導航系統， 導航儀從地表測定來自地下鉆頭處內置的探頭發出的信號，但這種導航系統、受到地面建筑、地形、鉆進深度影響導航精度。而采用有線導航系統是使用鉆桿中的導線將孔底鉆具中探測頭測得的信號傳遞到地表， 因此不受上述情況的限制， 特別是在穿越大江大河的水平定向鉆進中必須使用有線導航系統。所以解決地下鉆探有線導航控制系統的技術問題對我國大量推廣使用現代化國產化地下鉆探有線導航控制系統技術將帶來深遠的意義。而從國外的一些公司的技術來看，還不適合我國的國情。如需要特制的無磁性鉆頭和鉆桿，對操作要求和環境要求很高等；同時其價格也極其昂貴，不利于在我國大量推廣使用。

2 鉆機有線導航控制系統功能設計

鉆探有線導航控制系統主要由地下探頭部分、長距離輸電線、地面接收控制顯示部分三部分組成，工作時探頭置于鉆頭內，將鉆頭所處的三維位置角度、溫度等工況姿態參數，通過長距離輸電線傳送給地面接收控制顯示部分，讓地面操作人員根據所按收的信號參數實時掌握鉆孔軌跡，并對軌跡實時控制，及時修正和更改當前的操作，以保證鉆頭按照設計的路線軌跡完成工作，達到精確定航的目的。

鉆機有線定航控制系統僅用二根長距離輸電線來傳遞數字信號和給地下面探頭部分供電，可實時提供鉆具的面向角、方位角（水平角）和傾斜角（垂直角）、工作溫度，這些數據在地面由計算機軟件進行處理后可及時提供鉆頭深度、鉆孔長度和偏離預定方位的距離，其測量深度>30m，垂直深度誤差<2%，測量距離>100m。

3 鉆機有線導航控制系統功能實現

鉆機有線導航控制系統包括地下探頭部分、二根長距離輸電線、地面接收控制顯示部分。

地下探頭部分采用可以測量地下鉆頭三維方位角度的三維角頻率方位測量傳感器、可以測量工作溫度的溫度傳感器、分別與可以進行A/D轉換-編碼-環境溫度補償工作的CPU數據編碼組各個輸入端互連，將各傳感器采集的信息轉換成數字編碼串行信號并進行環境溫度補償后送入與之互連的信號調制電路、信號調制電路將調制信號送入與之互連的遠距離信號放大輸出電路、遠距離信號放大輸出電路將調制信號放大通過與之互連的信號和遠程供電接口電路將調制信號輸入到二根長距離輸電線。

同時，信號和遠程供電接口電路還將把從二根長距離輸電線分離出的直流電源輸出到與之互連的穩壓模塊，穩壓模塊輸出的直流電能保證上述探頭部分正常工作。

在地面接收控制顯示部分中，由二根長距離輸電線輸出的調制信號輸入到與之互連的信號和遠程供電接口電路、通過遠距離信號放大接收電路將調制信號放大并通過與之互連的信號整形檢波電路、信號整形檢波電路將整形檢波出的數字編碼串行信號送入與之互連的CPU數據解碼及顯示組，將地下鉆頭三維方位角度測量并顯示出來；與此同時，信號和遠程供電接口電路還將+VCC直流電源也通過二根長距離輸電線輸出到前述探頭部分。

4 地下探頭部分的設計

地下探頭部分主要由輸入傳感器、A/D轉換-CPU數據編碼組、信號調制電路、遠距離信號放大輸出電路、信號和遠程供電系統組成。

4.1 輸入傳感器

三維角頻率方位測量傳感器、溫度傳感器等，實時測量鉆具的面向角、方位角和傾斜角，及鉆具工作溫度；

4.2 A/D轉換-CPU數據編碼組

計算機軟件、CPU 、A/D轉換集成電路、晶振、電容等，將傳感器采集的信息按計算機軟件程序轉換成數字編碼串行信號輸出；

4.3 信號調制電路

集成電路、晶體管、電阻、電容等；將輸入的數字編碼串行信號進行調制；

4.4 信號和遠程供電系統

由遠距離信號放大輸出電路、信號和遠程供電接口電路、穩壓模塊、變壓器、電感、晶體管、電阻、電容等組成，將調制信號放大通過與之互連的信號和遠程供電接口電路使調制信號輸出到二根長距離輸電線，并同時得到所需電能。

5 地面接收控制顯示部分的設計

地面接收控制顯示部分主要由信號和遠程供電系統、信號整形檢波電路、信號調制電路、遠距離信號放大輸出電路、顯示屏組件等組成。

5.1 信號和遠程供電系統

由遠程供電接口電路、遠距離信號放大電路、穩壓電源、電感、晶體管、電阻、電容等組成，由二根長距離輸電線輸出的調制信號輸入到與之互連的信號和遠程供電接口電路、通過遠距離信號放大接收電路將調制信號放大，并同時對地下探頭部分供電；

5.2 信號整形檢波電路

集成電路、檢波二極管、電阻、電容等；將輸入的調制信號整形檢波出數字編碼串行信號；

5.3 CPU數據解碼組

計算機軟件、CPU、晶振、電容等，將信號整形檢波電路輸出的數字編碼串行信號通過計算機軟件程序控制轉換成數字顯示信號輸出到顯示屏組件；

5.4 顯示屏組件

顯示屏、集成電路、晶體管、二極管、電阻、電容、蜂鳴器等。將地下鉆頭三維方位測量并顯示出來，可實時提供鉆具的面向角、方位角（水平角）和傾斜角（垂直角）、工作溫度。

6 結束語

地下鉆探有線導航控制系統采用了三維角頻率方位測量傳感器，配套CPU作為信號AD轉換及編碼調制及解碼，僅用二根輸電線來傳遞信號和給探頭部分供電的遠程供電接口電路，所以體積小、精度高、穩定性好、可靠性高、成本低廉、工作時間長，可以方便地顯示出地下鉆頭三維方位角度、工作溫度、等直觀實時的動態數據及動態圖形。完全適合我國的國情，再加上市場價格極其低廉，利于在我國大量推廣，具有很好的發展空間和前景。

參考文獻

[1]美國Sharewell 公司生產的Magnetic Guidancd System（MGS）和INROCK 公司生產的Vector Magnetics導航系統。

作者簡介：顧群（1960，1-），男，上海人，單位：杭州高新區科技創業服務中心，工程師，研究方向：光機電；自動化；數控。