定向穿越控向理論與實踐

陳翔

摘 要：本文簡要介紹了水平定向鉆控向系統的發展史及工作原理，通過工程案例表述多種控向系統的選擇方法，并從承包商的角度提出對未來控向系統改進建議。

關鍵詞：定向鉆；導向系統；人工磁場；地面導向系統；地磁導向系統

中圖分類號： TU996 文獻標識碼： A 文章編號： 1673-1069（2016）16-80-2

1 控向概述

水平定向鉆（Horizontal Directional Drilling，以下簡稱HDD）作為非開挖方式的一種，導向孔是關鍵工序之一。導向孔的質量好壞，除了泥漿、鉆具和操作之外，還取決于控向系統的“定向”功能。所謂定向，也就是要準確的跟蹤鉆進的方向，使得能夠按照設計的曲線鉆進。

實現鉆進方向的調整，是通過推進造斜短節或者鴨板式鉆頭來實現鉆進方向改變。所以，控向系統除了要跟蹤鉆進的三維坐標之外，還需要采集造斜短節或鴨板式鉆頭的姿態，即面向角。

2 控向系統的種類及工作原理簡介

2.1 控向系統的歷史

HDD起源于石油鉆井，但與其也有著顯著不同。HDD導向定位系統是沿著兩個方向發展起來。一個是與大型鉆機相匹配，一個是與中小型鉆機相匹配。

大型鉆機的導向系統在上世紀70年代由Martin Cherrington從石油鉆井技術發展而來，鉆頭依靠泥漿馬達或鉆機來驅動，導向系統則采用加速度計和磁強計組成的有線系統。

中小型鉆機的導向系統由地下電纜探測技術改進而來。上世紀70年代，美國電力工程研究所（EPRI），開始資助研究無損更換電纜的方法。80年代初，美國Utilx公司在對幾種不同的定位技術和裝置進行調查后，改進了定向鉆進工具，首次將電纜定位技術應用于定向鉆進中，直接導致具有定位功能的GuideDrill系統的問世。該公司還提出了用于安裝在鉆頭狹小空腔內的磁藕極子發射器的方法。這種電纜定位儀結合磁藕極子發射器的方法非常成功，成為以后導向定位系統的研究基礎。

另外值得一提的還有Slimdril公司推出的慣性導向系統（gyro steering tool）。該技術不利用地磁系統，所以也不受磁干擾。該系統利用陀螺儀測量并計算鉆具方位。由于技術保密，該技術還受到美國軍事部門的嚴格管制。

2.2 工作原理

根據導航學選擇變換中的歐拉定理，載體在空間中的姿態可用相對于地理坐標有限次的轉動來表示，每次轉動的角度即為航向角、俯仰角和橫滾角。同樣，地下定向鉆進中，鉆具在空間的任一姿態也可用相對于地理坐標系的一系

列旋轉來表示，只不過旋轉的角度變為方位角，傾角和面向角。

地磁導向系統測量方式是利用三軸加速度計和三軸磁強計構成基于地磁場的捷聯式姿態測量系統，三個加速度計測量地球的重力場分量，經過解算得到傾角和面向角，三個磁強計測量地球的地磁場分量，和加速度計測量結果一起，獲得方位角。

地面導向系統測量方式是基于姿態角度不同的特性，分別采用單獨的傳感器來實現，如測量傾角的傾角傳感器，測量面向角的面向角傳感器等。

慣性導向系統是利用加速度及和陀螺儀組成的捷聯式慣性導航系統，加速度計測量載體的線性加速度，陀螺儀測量載體的角速率信息，并利用初始對準關系可以得到載體在任何時候的空間姿態，于是可得到方位角，傾角和面向角。不僅如此，通過對加速度計和陀螺儀測量結果的積分還可以得到載體的速度和位置信息。

3 控向系統的選擇

3.1 控向系統的成本是一個重要的選擇因素

一般來說，地面導向系統的費用較低，地磁導向系統次之，慣性導向系統最高。

3.2 控向系統的選擇還跟HDD項目的種類有關

地面導向系統中，由于測量中沒有方位角的概念，所以在水平方向調整中，無法給司鉆提供較為量化的參數支持，所以在導向孔曲線的彎曲半徑控制上，有一定潛在風險，所以通常地面導向系統不適用大管徑穿越。且信號是通過地磁波傳送到地面，也受到穿越深度的制約，所以也不適用深層穿越。地磁控向系統適用于絕大部分情況，除小型項目基于成本的考慮不使用地磁導向外，其余均可以使用該系統導向。但極其特殊情況使用地磁導向系統會有較大難度。如施工區域內有較強或較多不穩定的磁干擾源，該情況會造成地磁導向系統會生成有較大誤差的方位角，從而影響定向的精準性，也有可能會產生不知情的導向孔曲線折彎造成項目失敗。

慣性導向系統則能克服地磁導向系統的不足，基本適用于任何施工條件，該系統是封閉式系統，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向系統均不適用的情形。

4 工程應用實例

4.1 案例1：佛山天然氣次高壓管網魚塘穿越

管徑508mm，長度498m，最大埋深12米，雙管鋪設，雙管間距五米。主要穿越障礙為連片魚塘。項目難點：該項目存在雙穿，如果選用地磁導向系統，在第二次穿越時容易受到磁干擾； 地面有大面積水域，不能直接在地表給地面導向系統設立穿越中心線的基準。一般來說，克服地上的困難比克服地下的困難要容易，所以優先選擇地面導向系統。魚塘水面穩定且并不深，所以在穿越中心線沿線打上標桿，之間用彩條旗連接明確參考基準，之后使用地面導向系統進行控向。

4.2 案例2：川氣東送支線幸福河穿越

管徑813mm，長度760米，最大埋深16米，主要穿越障礙為河流，高架匝道。項目難點：項目存在樁基磁干擾。但如果選用地面導向系統，曲率半徑把握上存在一定風險，選擇地磁導向系統則存在一定長度的磁干擾。最終選擇地磁導向系統， 確保大口徑管道穿越曲線的質量。在達到干擾點之前盡量確保方向準確，且在干擾點位置布置多個人工磁場（TruTracker）進行定位，使鉆進方向沿設計穿越曲線進行。

5 導向系統改進建議

根據多年使用效果，各類控向系統在項目中，表現出一定的局限性。要更好地適用于不同的HDD項目，需要在成本控制、操作便捷、功能擴充等方面，改進這些不同種類的控向系統，具體如下：

5.1 地面導向系統

現在的地面導向系統多應用在中小型HDD項目中，使用者在保證質量的前提下，追求更高效，更經濟。其中有線系統就會影響一定的效率，所以新的地面導向系統應該側重無線模式，在技術突破上應該是在控制成本的情況下更大限度的改善電池續航時間、信號傳輸距離及深度，和抗干擾等問題。另外，地面導向系統經常借助一些控向輔助軟件，用來計算導向孔曲線軌跡等。但為便于野外作業，也應該開發出適合移動設備的軟件版本。

5.2 地磁導向系統

地磁導向系統是大型HDD項目中的通常配置。建議做如下完善：

5.2.1 操作簡化

承包商總是期望控向系統能簡單高效，如果控向系統能夠滿足投入更少的人力物力更快捷的完成施工任務，那就能減少使用成本。比如地磁控向系統通過人工磁場定位探棒的功能，需要在地表鋪設線圈，當線圈電流強度不夠時，這一功能將不能有效工作。而Paratrack地磁導向系統在這方面就得到了改進。

5.2.2 單點定位

使用地面導向系統，導向人員可以通過手持機可以找到一定深度內的探棒具體位置。而地磁導向系統只能通過人工磁場才能較為精確的找出地下探棒的位置。這兩套系統都需要在地面沿穿越中心線一定區域才能實施。

對地磁導向系統而言，如果導向人員能夠在地表制造點狀的磁干擾源（而不是直線型或長方型的線圈），并通過簡單的左右移動磁干擾源，即能夠通過磁強計的數據變化而間接判斷探棒相對中心線的左右偏差，則將極大地擴充地磁導向系統的輔助定位功能。

5.3 地面地磁導向系統

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

5.4 慣性導向系統

慣性導向系統由于成本較高的原因，市場還未廣泛接受。其特點是由于系統的封閉性，會隨著穿越長度的增加，測量誤差累計后變大。要消除誤差就必須在額外增加一種測量方式，比如增加一組三軸磁強計，在鉆進一段長距離后，使用人工磁場進行校對，將會大大提高使用精度。

參 考 文 獻

[1] 張真，劉佳丹，方里，張質子.非開挖技術的發展現狀以及前景分析[J].河南科技，2014（4）：43-44.