水平定向钻穿越施工中的定向控制技术

1、.水平定向钻穿越施工中的定向控制技术 第卷第期非开挖技术 纯， 叶文建 （四川石油天然气建设工程有限责任公司） 摘要：本文主要简介水平定向钻定向控制系统功能及系统组成，定向控制的工作原理，为保证定向钻穿越项 目的成功，结合管道穿越曲线和定向控制系统来设计定向钻穿越施工控向曲线，通过控向曲线来测定定向参 数，为保证控向精度需要设置人工磁场及如何进行纠正计算。 关键词：水平定向钻、定向控制、地磁系统、人工磁场。 定向控制系统概述接电缆将探头所处的空间状态传输到地面信号接收 处理器单元，信号通过接收处理器单元调制处理以 目前在河流长距离定向钻穿越施工时，为了保后再传到数据处理计算机，通过计算机可以计

2、算定证导向孔曲线复合设计要求，在进行导向孔钻进时向数据，并将计算数据通过接收处理器单元输送到需要严格控制曲线的走向，控制导向孔曲线一般采司钻显示器上。控向操作人员可以根据显示的数撼用美国公司的有线地磁控制系统进行参数来分析判断探棒实际位置与设计位置的偏差，确定控制，使控制人员能够随时掌握导向孔轨迹情况，并下一个应该钻进到的位置，并告知司钻操作手下一实时发出指令指导司钻操作人员进行导向孔钻进。步该如何钻进，同时司钻手可以通过司钻显示器显 该控制系统的监测深度可达到上千米，水平距示的探头工具面的位置来判断钻头的方向和该如何离可达到几千米，只要传感探头（）能够获得足来改变钻头的钻进方向。 够的电能，

3、事实上才有线控制系统就能解决探头的 供电问题。控向曲线设计 定向控制系统的组成在穿越施工前，首先要设计控向曲线，控向曲线 与设计曲线是两个不完全相同的曲线，控向曲线是 有线控制系统有两个部份组成：一个是孑底系在设计曲线的基础上根据钻具组合、穿越管道的直统，一个地面系统。孔底系统包括无磁钻铤、探棒（探径、控制探头的精度等相结合形成的综合曲线。设计头）、探棒室和扶正器、无磁延长杆。地面系统曲线主要考虑安装管道的自身安全而确定的就位曲包括：控制信号传输电缆、数据接收转换器、数据处线。在工程开工前，控向操作人员必须根据管道的就理电脑、司钻显示器和打印机。位曲线来设计施工控向曲线，根据控向曲线来确定定向

4、控制系统工作原理每根钻杆的折角和方位角的最大变化值。这样可以 保证穿越曲线的平滑顺直，降低管道回拖时的阻力。 孔底探头是由探头内部的定向模块（磁力传感 和重力传感）、数字化电路、调制电路和控制电路等控向参数的设置 组成，在通电的情况下，定向模块热模型数据通过连控向参数是定向钻穿越工程成功的关键工序，作者简介：叶文建，男，年出生，汉，年月毕业于兰州大学水文地质与工程地质专业，参加工作至今一直在四川石油天然气建设工程有限责任公司工作，并一直从事非开挖技术管理工作，是公司第一个从事非开挖技术工作的技术人员。先后参加了四川天然气南环干线、重庆沙坪气田内部集输管线、兰成渝成品油管道、西气东输管线、联络线

5、、孟加拉输气管线等项目的非开挖项目施工，积累了大量的经验。 非开挖技术 年 是定向钻穿越必不可少的步骤。定向钻穿越施工前，需要对控向参数进行测定和计算，然后将现场测定的参数作为基准来指导施工。 在施工前，首先根据穿越管道的设计位置（包括入土点和出土点、入土角和出土角）来测定管道穿越的中心线，并在人土侧和出土侧分别标示出中心桩。利用探头在该中心线上测定穿越施工中需要的各种初设参数，为穿越施工提供基准。 探头精度校正测量 首先将探头安放在两根带有“”型槽的木条上，将探头和接口单元、控制电脑和电源（交流）连接起来。电源以后，开启接口单元上的供电按钮，给系统供电，通电以后探头会将获取的定位参数传输到接

6、口单元，通过接口单元再传输到计算机，在计算机显示屏上会显示探头的各种参数和当地地磁场强度和地磁夹角，以及重力场的大小和探头高端（）等数值。为了测量数据的真实性，应将探头放置在无外界磁场干扰的地方（包括作业人员、高压电缆、通讯电缆和其他金属等），而且要使探头远离这些障碍物至少，探头不能直接放在地面上，并尽可能的离地面高些。探头放置在型木架上时，应使将探头旋转到，倾斜角，并首先测量方位角在时（位置一）的磁场（）和重力场（）和地磁夹角（），然后将探头稳定在型固定木槽上以为次。转动，每转动测量一组数据，在同一位置总共测量组数据，每组获取三组数据，总共获取组。在“位置一”测量完成以后，将探头顺时针旋转和

7、再重新测量，测量完成以后，利用测量所得的数据计算，值，通过每组数据进行比较，来判定探头误差。计算出来的误差值如果在规定范围之内，证明探头精度复合工程需要，可以使用。如果误差值超出比较大，应将探头送厂家进行校正和修复，如果误差值超出规定值较小，可以在测定参数时进行修正。 的最大误差值为度。 的最大误差值不超过微克。的最大误差值不超过。 、等的计算公 式如下： 锄篙舞篙蒜凄磊， ）方位角计算式： 。 ）磁性工具面的计算： （名怒懑戆辱） （。） （。） ）地磁矢量值的计算：。）引力场矢量值的计算： 、（； ）地磁夹角的计算： （ （×）（×） 一望氅垒二墅堑堡坠望兰一） 其中：

8、一方位角；一地磁夹角一磁场矢量和； 重力场矢量和； ，方向的重力矢量； ，方向的磁场矢量； 一磁场工具面。 图探棒精度校验图 定向控制原始数据获取 在测量原始数据之前，需要测量并标示出穿越管道的控向曲线的水平中心线。并根据地堪资料确定导向孔钻进时的钻具组合，在确定钻具组合以后，就可以在现场进行定向穿越原始初设数据进行采 集。 原始数据的采集同样需要将探头放置在带型槽的木条上，其连接方式与探头精度校验时连接方式相同，但探头中心线必须和穿越设计曲线的水平中心线重合，为了得到更加真实的现场数据，现场 依据。定向参数测量包括： 位置一 中心绫 型木条 位鬟二 位鼍四 方位角（）、倾斜角（：）、 重力场

9、（）、磁场（）和地磁夹角（）。 在测量定向参数时，每 妲一童芒一兰墨一叭戥辫 锱 厂型本裂 按婆 个测量位置应进行至少 个位置时的数据采集。探头在转动时，每次转动角度不超过。（如图 图原始数据测量布置示意图 测量位置为尽可能多选择几个，在人土侧和出土侧 各选择至少两个位置进行测量，每个测量位置之间的间距应至少在以上，且选择的位置附近以内无外界磁场（包括高压电缆、通讯电缆、其他金属物体等），在人土点附近的测量位置一应远离钻机 所示），角度越小越好。探头的转动需要人工来完成，在人工转动探头时，应保持探头的中心线与控向曲线水平中心线始终处于重合状态。在测量过程中，要 不断的转动探头，转动方向应安装钻

10、进一致，在获取数据时应停止转动且转动探头的工作人员应远离探 头至少以。 通过现场测量数据进 行分析处理，最后确定基准 方位角（）的值，参 考重力场（）、磁场（）和地磁夹角（珞） 图钻具组合示意图 的值。通过大量现场测量的方位角、 等施工设备，尽可能将外界干扰降低到最低。原始数 据测量位置如图所示。 为了保证测量数据的准确性和真实性，尽可能使地面测量环境接近实际施工环境，测量前应将确定好的钻具组合放置在探头的前后（如图所示），这样获得的数据才能作为判断钻进方向偏移与否的 和进行纵向比较确定探头的测量误差。 该误差值将作为施工时的参考。下表为现场定向参 数测量时的获取的数据，从获取的数据可以初步确

11、定控向时的线性方位角为。根据磁场、重力场 和地磁夹角的变化可以判断外界干扰情况，以便我 们采取其他措施来消除干扰。 探头转动方向 布置人工磁场 人工磁场，是大型河流穿越比不可少的工艺过程，为保证测量数据的准备，避免外界磁场的干扰，在人土侧和出土侧各布置一个磁场，利用直流电流产生的稳定磁场来加强探头所处区域内的磁场，屏 蔽外界其他不稳定磁场的干扰，使测量数据更准确。 人工磁场是采用的是一种工具定位技术，该技 术在测量时可以形成向右（黜曲）移动和向上 （）升闭合坐标。人工磁场需要建立一个闭合的导线回路，为了获取足够强的直流电流，闭合回路的导线应采用至今大于以上的铜质导线，还需 图测量示意图 要建立

12、一个回路线圈上各拐点的水平移动坐标（指 焦 从入土点开始的沿着中心线平行的总水平位移量和左右偏移量）。 我们模拟出一种通过已知电流流过一已知几何形状的线圈而产生的磁场以及线圈下面的探头，根据理论要求，探头被确定在水平移动坐标处的线圈下方，然后上、下、左右移动探头，知道模拟值与测量 值相符为止，结果形成探头向右和上升的闭合。 为了使线圈产生的磁场能够真正满足计算探头 位置需要，在进行线圈设计时充分结合现场情况，尽 ？眵鼬恼一一， 图线圈平面布置示意图 审心镜 一 可使线圈拐角控制在实用的最少范围之内，拐角最 多不超过个。拐角就是导线在方向发生变化的点（水平和垂直平面内的变化），所有的拐点必须实

13、用全站仪进行精确的定位坐标测量，其坐标位置是相对于入土点的位置而言的（水平位移，左右偏移和 垂直高程）。 线圈布置使用的导线根据线圈大小来圈定，如 果线圈大，使用至长的导线，应使用 图线圈立面布置示意图 型号的导线，如果使用以下长度的导线，应使用型号的导线。若线圈长度在 些，在远口离出口的地方做得宽一些。另外线圈的所 有电缆必须与地面平行，该变坡的地方必须变坡，该 设置拐点的地方一定要设置拐点，拐点与拐点之间的电缆要用力将其拉直，防止出现弧线，且电缆线应与地面平行。如图、所示。 线圈布置好以后，需要利用全站仪对每个拐点 进行三维坐标测量，基准点为人土点。左右偏移设定 为从入土点向出土点方向看，

14、在中心线右边的拐点为正（），左边的拐点为负（一）。将测量的拐点坐标 输入到计算机并以每一个线圈为一个线圈文件，如 图人工磁场加强区域示意图 果布置了两个或更多线圈，应将每个线圈中的所以 拐点坐标按照顺时针（从上向下看）的方向输入到计 以下，应使用型号的导线。如果需要较大电 流或电流不稳定时，则可以使用两根平行的导线。另外线圈的宽度（左右偏移量）至少要大于等于探头的 算机并保持起来。 工具面（）定位 定位工具面是定向钻穿越必不可少的关键工艺。工具面是指导司钻手进行钻进方向调整的 深度。如果探头在地下深的位置，则线圈在该位置的宽度至少应等于，一个宽度为的线圈，其有效收索宽度可以角延伸，以便覆盖在一

15、个深处的收索宽度，即使探头发生了一定的偏移， 也可以在区域内搜索到信号，如图所示。 依据，司钻手根据工具面的位置可以判断现在造斜工具的姿势。工具面的位置将通过时钟显示器显示出来。指针显示的位置为定位工具面所处的位置，指 针指向正上方，说明钻头及造斜工具向上钻进，如果指针指向下方说明造斜工具向下钻进，如果指针向 在有效搜索区内，位置精度大约是线圈主探头 巨鹿之间距离的±。在深处由于搜索区较宽，所以线圈中心线不必完全与穿越中心线重合，而且线圈也不必是矩形的，可以把对着出口的线圈做得窄一 左指示且维持在左面说明造斜工具向左钻进，如果指针不停旋转说明造斜工具和钻头是按直线钻进。 第卷第期 叶

16、文建：承平定向钻穿越施工中的定向控镪技术 位、温度单位）、操作模式、测量方式等，并需要输入 线性方位角。如图所示。 在文件建立时应注意操作模式（）选 择项中应选择（曲线穿越方式）或（直线穿越方 式），同时在测量方式时应选择（最小曲率计算法）或（正切计算法，线性方位角应在此时输入，其 余参数均可采用默认值。在操作模式下选择（曲线 穿越方式）时，由于该方式可自动将连测方位角舭、 直线方位角以及检测并调至，从而使在弯 曲中心线上的检测水平位移坐标及检测右移坐标总是为。但采用曲线穿越方式时必须使用人工磁场提供正确的右移坐标。 图定位工具面工作图 如图所示。 在开钻前需先将造斜短节的方向指示槽朝向正 上

17、方，然后打开电脑，连接数据处理单元，连通以后 将记录下此时探头所显示的探头工具面值，然后将该值输入到控向选项中的工具面初始值，以消除探 头工具面和造斜短节工具面之间的形成的夹角，然 后将探头工具面归零。工具面归零以后必须将数据 处理接收单元上的归零按钮固定，在整个工程施工期间不允许拨动按钮。 图定向操作界面图 设置控向测量文件 控向测量文件是存储测量结果的文件，在每次 穿越施工前必须先建立控向文件，并将之前测定的有关控向参数输入到控向文件初始设置中，控向文件需要建立的内容包括输入公司名称、穿越名称、穿越位置、测量人员姓名、测量数据单位（包括长度单 测量运用 所有准备工作就绪后，即可进行钻进施工

18、。施工 前打开电脑并进入之前建立的控向测量文件，再进入 到测量操作界面。当重新起动探头时，探头的有关信息及探头热模型数据即可传输到计算机，计算机显示屏上出现探头传输上来的实时数据，如图所示。 为了获取探头的位置数据，每钻完一根钻杆以后均要等到探头获取的数据稳定以后才能采集测量 结果，并将钻进长度输入到导向选项中，计算机通过计算即可显示出目前探头所处位置的水平位移距离、探头方位角、左右偏移距离、相对入土点的高程， 同时还计算出相邻两个钻杆之问形成的折角（） 情况，值越大，证明两个钻杆之间的夹角越大， 值越小证明曲线越平滑。 在测量过程中应随时根据测量数据计算出来的 图现场测量施工 水平位移量、左右偏移量和高程与设计控向曲线在 非开挖技术年 ）、左右偏移（）（）、水平高程（） 其中：是钻进长度增加量 （）倾斜角 （）方位角 通过三角计算法可以判断测量出来的水平位移、左右偏差和高程与计算值之间的误差，从而达到消除误差，