无线控向技术在小型定向钻穿越中的应用

蒋青松

【摘 要】无线控向系统操作简单。适用于中、小型定向钻穿越。

【关键词】无限控向;信号 ;短距离 ;跟踪测量 ;干扰

【Abstract】Wireless control to the system easy to operate. Suitable for medium and small directional drilling.

【Key words】Short distance;Unlimited steering;Signal tracking and measuring;Interference

1. 前言

（1）水平定向钻敷设管道具有工期短、质量高、不破坏周围环境等特点，并且由于使用了跟踪定位系统，能保证穿越管道达到设计埋深及在理想的出土点出土。

（2）水平定向钻定向系统主要分：有线控向系统和无线控向系统。目前使用最广泛的是有线控向系统，其控制精度高，用在大、中型定向钻机上，适于进行深、长距离穿越。此系统价格昂贵，并且每根钻杆中都需穿入电缆线、操作不便，接单根作业时间长。其优点是操作者可以通过计算机比较直观地了解探头的详细情况，并且一般没有深度限制，抗干扰能力强。无线控向系统常用于中、小型定向穿越工程，它一般只能检测15m以内的深度，抗干扰能力不高，有障碍物时使用不便。其优点是施工成本较低，操作起来简单，无需电缆线，接单根作业时间短，在实际施工应用越来越广泛。

（3）定向钻穿越定位系统的应用大大提高了导向铺管的质量。现在应用的定位系统主要是地面手提探测器配合有线控向系统或无线控向系统使用。

2. 无线控向系统特点及原理

2.1 系统组成。

无线控向系统主要由无线探棒发射器、跟踪接收器及远程显示仪组成。

2.2 定位原理：

无线探棒发射器依靠电磁波发送斜度、深度、方位等信息到接收器，再由接收器发送到远程显示仪;接收器测量信号的强度可以判断发射器的深度，发射器深度越深，信号越弱。

3. 无线控向流程

3.1 测量放线。

（1）测量放线涉及到的穿越点、加密点的坐标（x、y、z）应该使用全站仪进行精确的测量。根据设计交桩和设计图纸进行穿越长度的复测，若设计交桩长度与设计图纸长度不符，及时确认长度。必须测量出穿越点及穿越中心线沿线关键点的自然标高。

（2）在穿越中心线上设置加密桩，一般穿越轴线可通视情况下，在入土端一侧设置3～5个桩，出土端设置2～3个桩，并且沿线每隔约50米设置1个桩，桩上设定标记点，以便做精准点。

3.2 参数设定。

（1）将探棒放入探棒室连接好钻杆，确认连接牢固，用角度尺或水平尺进行工作面的测量，并回零。

（2）将接收器置于离探棒3米处进行“3米校准”，并分别在不同距离测定数据，以判断仪器误差。可反复进行“3米校准”，将误差控制在最小范围。

3.3 穿越曲线的主要参数和设计的方式：

3.3.1 当我们知道了穿越长度，深度，入土角度和出土角度，管道材质和直径，壁厚等参数后，也可以手工进行钻孔曲线的设计和校正，穿越曲线一般有五段组成：第一直线段、第一造斜段、直线段、第二造斜段和第二直线段，如图1。

3.3.2 直线段CD，一般是穿越障碍物的实际需要长度，第一直线段AE和第二直线段BF是为了达到一定深度所需要的段，根据穿越深度及造斜段的长度决定;第一造斜段EC是钻杆进入铺管位置的过度段，第二造斜段DF是钻杆钻出地表的过度段，因此，对典型的导向孔曲线的参数一般要求提供如下的幾个参数：

R1 和R2 主要由钻杆的曲率半径和待铺设管线的允许弯曲半径决定。若是PE 管道，主要参考钻杆的允许曲率半径，若是钢管时，一般取R1≥1500d，R2≥1500d，d 为待铺管线的直径（毫米）。

3.4 绘制导向孔曲线。

（1）根据设计图纸绘制导向孔施工曲线，绘制内容包括自然地面标高曲线、导向孔曲线、特殊地层层位线。

（2）导向孔曲线要与设计曲线一致，导向孔曲线由10m的线段组成，每根线段变化的角度要小于设计曲率半径允许的变化角度。导向孔曲线一般可分为入土直线段、入土井斜段、水平段、出土井斜段和出土直线段5部分，绘制曲线时要进行体现。

（3）导向孔曲线横纵坐标可以用埋深、水平长度或标高、里程等方法，根据操作者的习惯选择使用方法。

4. 导向孔的施工

4.1 导向孔的施工，如图2。

（1）施工时根据地层条件，应与司钻很好地配合，控制好钻进速度和泥浆排量，保证钻孔方向沿设计曲线或接近设计曲线进行。理想曲线是单根钻杆角度变化小于设计值，事实上，操作时很难保证单根角度变化小于设计值，但偶尔出现大于设计值且不连续的情况，只要不超出钢管允许曲率半径也是规范允许的。

（2）穿越难易程度因地层条件而异，中、小型定向钻穿越，特别是小型定向钻穿越主要以土层为主，所以导向施工不需要镙杆钻具，实际导向施工过程基本可以做到全程跟踪测量，在发现角度变化快或有超深等现象时，可以及时进行纠正。

（3）推进或转进要放慢速度，停机观察频率要相对高，最好2～3m观察1次。

（4）出土井斜段相对好控制，为了避免出现软地层不抬头情况， 需要控制好推进尺和转进尺长度，采用多推少转和不连续转的方法，发现变化趋势应及时采取相应对策。

（5）尽量避免用90°和270°的工作角度钻进。

4.2 钻头拆卸。

在钻头出土位置符合要求后，才能进行控向系统的拆卸，防止不符合要求需要纠偏。

4.3 导向孔纠偏。

导向钻头出土后，测量出土位置的横向和纵向偏差，根据设计和标准规范判定出土位置是否满足要求，如果不满足要求，需要进行导向孔纠偏。

纠偏时首先要计算理论纠偏点，然后对照施工记录，看该点是否适合纠偏，若不适合则向后逐根对照，直到找到适合纠偏的位置。通常情况下，原始孔为推进且有角度变化的位置、土质硬度变化小的位置及软地层适合纠偏。

4.4 现场记录。

因周围环境等因素影响，在控向过程中很多时候无线信号会受到很大的干扰，可以根据周围环境、控向过程数据以及每次测量后所做的标记等来纠正因干扰出现的误差。所以，在实际控向过程中将每次跟踪测量的点及测量数据一定要记录清楚。

5. 注意事项

5.1 钻孔穿越曲线设计的一般原则：

钻进曲线设计和规划是成功穿越钻进最重要的因素之一，尤其要重视以下的原则，保证安全施工：

在作钻进规划时，计划好导向孔离地下公用管线或其它障碍物的最小净空是非常重要的。必须由扩孔器的尺寸来决定导向孔钻进和回扩孔时的最小净空，例如：

公用管线要求的最小净空是24吋（610mm），导向钻进用4吋（102mm）的钻具，经过一根6吋（150mm）的水管，钻孔中心与水管中心的最小净空是24吋;那么，导向孔和水管之间的实际净空是22吋（559mm）;如果用12吋的回扩器，实际的净空会减至18吋（458mm）;因此，为了达到要求的最小净空，必须增加间距;因为扩孔器必定穿过整个钻孔，足够的净空是非常重要的。同時，也要考虑钻头在定位时的偏差;

5.2 现场监控

整个施工过程需要随时进行观察，发现有冒浆的地方，及时与控向员或现场负责人进行联系，便于验证控向操作数据信息。为了不引起地方协调关系以及减小对环境造成的破坏，要及时将冒出的泥浆回收处理。

6. 结束语

现阶段无线控向技术仍然是定向钻穿越施工中运用非常广泛的一种手段。随着定向钻穿越技术的日益成熟，对导向孔的施工质量要求也越来越高，而通过无线控向技术的应用，施工中可以进行跟踪测量，因此可以将整个曲线的偏差控制在非常精确的范围内。本人在实际施工中很大程度利用了无线控向技术。例如，在西气东输刘庄储气库输气线路工程39条定向钻穿越中绝大部分都是利用的无线控向技术，福炼一体化工程配套成品油管道一期工程项目也基本上是利用的无线控向技术。