地磁控向系统在水平定向钻施工中的应用

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。

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15m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。

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，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。

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%。

地磁控向系统的实际应用

01 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D325mm×8mm高压无缝钢管（20#钢），需采用水平定向钻工艺穿越川杨河。该工程的难点主要有两点，其一，控向的深度深，约27.0m，因此控向所需的精度要求高；其二，川杨河河道宽约70m，即有近70m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。

02 地磁控向系统与钻机连接

实际工程施工中，使用的钻机为美国威猛D80mm×120mm小型钻机。该钻机自动化程度高，钻机的回转扭矩为16270N·m，推进最大回拖力为36287kg（约36t）。该钻机设备长度不超过10m，非常适合城市燃气非开挖施工。

在将雪威有线控向系统与钻机进行连接时，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。

地磁控向系统连接和工作示意

03 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20m×30m。本次穿越采用的钻具主要有：127mmS135内部加厚型钻杆、241mm的镶齿三牙轮钻头，以及168mm的无磁钻铤

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。

方位角的测量

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1-311*910=2-9+7*3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。

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。