摘 要：地下鉆探有線導(dǎo)航控制系統(tǒng)主要由地下探頭部分、二根長(zhǎng)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(cè)量地下鉆頭三維方位角度、溫度，通過A/D轉(zhuǎn)換-CPU數(shù)據(jù)編碼組將編碼串行信號(hào)送入信號(hào)調(diào)制放大電路、遠(yuǎn)程供電接口電路、僅用二根長(zhǎng)距離輸電線，輸送調(diào)制輸出信號(hào)及給本身供電。地面接收控制顯示部分通過遠(yuǎn)程供電接口電路、信號(hào)放大整形檢波電路、CPU數(shù)據(jù)解碼及顯示組、將地下鉆頭三維方位角度測(cè)量并顯示出來(lái)、并給探頭供電?？蓮V泛用于石油鉆探和一些無(wú)法實(shí)施開挖的地下鋪設(shè)管線工程鉆探作業(yè)中。

關(guān)鍵詞：鉆探；有線導(dǎo)航控制系統(tǒng)；鋪設(shè)管線；遠(yuǎn)程供電

1 引言

在石油鉆探和一些無(wú)法實(shí)施開挖的地下鋪設(shè)管線工程鉆探作業(yè)中，關(guān)鍵技術(shù)是利用鉆探導(dǎo)航控制系統(tǒng)對(duì)鉆孔軌跡進(jìn)行控制。鉆探導(dǎo)航控制系統(tǒng)一般采用無(wú)線導(dǎo)航系統(tǒng)， 導(dǎo)航儀從地表測(cè)定來(lái)自地下鉆頭處內(nèi)置的探頭發(fā)出的信號(hào)，但這種導(dǎo)航系統(tǒng)、受到地面建筑、地形、鉆進(jìn)深度影響導(dǎo)航精度。而采用有線導(dǎo)航系統(tǒng)是使用鉆桿中的導(dǎo)線將孔底鉆具中探測(cè)頭測(cè)得的信號(hào)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(jìn)中必須使用有線導(dǎo)航系統(tǒng)。所以解決地下鉆探有線導(dǎo)航控制系統(tǒng)的技術(shù)問題對(duì)我國(guó)大量推廣使用現(xiàn)代化國(guó)產(chǎn)化地下鉆探有線導(dǎo)航控制系統(tǒng)技術(shù)將帶來(lái)深遠(yuǎn)的意義。而從國(guó)外的一些公司的技術(shù)來(lái)看，還不適合我國(guó)的國(guó)情。如需要特制的無(wú)磁性鉆頭和鉆桿，對(duì)操作要求和環(huán)境要求很高等；同時(shí)其價(jià)格也極其昂貴，不利于在我國(guó)大量推廣使用。

2 鉆機(jī)有線導(dǎo)航控制系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

鉆探有線導(dǎo)航控制系統(tǒng)主要由地下探頭部分、長(zhǎng)距離輸電線、地面接收控制顯示部分三部分組成，工作時(shí)探頭置于鉆頭內(nèi)，將鉆頭所處的三維位置角度、溫度等工況姿態(tài)參數(shù)，通過長(zhǎng)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(jù)所按收的信號(hào)參數(shù)實(shí)時(shí)掌握鉆孔軌跡，并對(duì)軌跡實(shí)時(shí)控制，及時(shí)修正和更改當(dāng)前的操作，以保證鉆頭按照設(shè)計(jì)的路線軌跡完成工作，達(dá)到精確定航的目的。

鉆機(jī)有線定航控制系統(tǒng)僅用二根長(zhǎng)距離輸電線來(lái)傳遞數(shù)字信號(hào)和給地下面探頭部分供電，可實(shí)時(shí)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(shù)據(jù)在地面由計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行處理后可及時(shí)提供鉆頭深度、鉆孔長(zhǎng)度和偏離預(yù)定方位的距離，其測(cè)量深度>30m，垂直深度誤差<2%，測(cè)量距離>100m。

3 鉆機(jī)有線導(dǎo)航控制系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

鉆機(jī)有線導(dǎo)航控制系統(tǒng)包括地下探頭部分、二根長(zhǎng)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(cè)量地下鉆頭三維方位角度的三維角頻率方位測(cè)量傳感器、可以測(cè)量工作溫度的溫度傳感器、分別與可以進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換-編碼-環(huán)境溫度補(bǔ)償工作的CPU數(shù)據(jù)編碼組各個(gè)輸入端互連，將各傳感器采集的信息轉(zhuǎn)換成數(shù)字編碼串行信號(hào)并進(jìn)行環(huán)境溫度補(bǔ)償后送入與之互連的信號(hào)調(diào)制電路、信號(hào)調(diào)制電路將調(diào)制信號(hào)送入與之互連的遠(yuǎn)距離信號(hào)放大輸出電路、遠(yuǎn)距離信號(hào)放大輸出電路將調(diào)制信號(hào)放大通過與之互連的信號(hào)和遠(yuǎn)程供電接口電路將調(diào)制信號(hào)輸入到二根長(zhǎng)距離輸電線。

同時(shí)，信號(hào)和遠(yuǎn)程供電接口電路還將把從二根長(zhǎng)距離輸電線分離出的直流電源輸出到與之互連的穩(wěn)壓模塊，穩(wěn)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(zhǎng)距離輸電線輸出的調(diào)制信號(hào)輸入到與之互連的信號(hào)和遠(yuǎn)程供電接口電路、通過遠(yuǎn)距離信號(hào)放大接收電路將調(diào)制信號(hào)放大并通過與之互連的信號(hào)整形檢波電路、信號(hào)整形檢波電路將整形檢波出的數(shù)字編碼串行信號(hào)送入與之互連的CPU數(shù)據(jù)解碼及顯示組，將地下鉆頭三維方位角度測(cè)量并顯示出來(lái)；與此同時(shí)，信號(hào)和遠(yuǎn)程供電接口電路還將+VCC直流電源也通過二根長(zhǎng)距離輸電線輸出到前述探頭部分。

4 地下探頭部分的設(shè)計(jì)

地下探頭部分主要由輸入傳感器、A/D轉(zhuǎn)換-CPU數(shù)據(jù)編碼組、信號(hào)調(diào)制電路、遠(yuǎn)距離信號(hào)放大輸出電路、信號(hào)和遠(yuǎn)程供電系統(tǒng)組成。

4.1 輸入傳感器

三維角頻率方位測(cè)量傳感器、溫度傳感器等，實(shí)時(shí)測(cè)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(zhuǎn)換-CPU數(shù)據(jù)編碼組

計(jì)算機(jī)軟件、CPU 、A/D轉(zhuǎn)換集成電路、晶振、電容等，將傳感器采集的信息按計(jì)算機(jī)軟件程序轉(zhuǎn)換成數(shù)字編碼串行信號(hào)輸出；

4.3 信號(hào)調(diào)制電路

集成電路、晶體管、電阻、電容等；將輸入的數(shù)字編碼串行信號(hào)進(jìn)行調(diào)制；

4.4 信號(hào)和遠(yuǎn)程供電系統(tǒng)

由遠(yuǎn)距離信號(hào)放大輸出電路、信號(hào)和遠(yuǎn)程供電接口電路、穩(wěn)壓模塊、變壓器、電感、晶體管、電阻、電容等組成，將調(diào)制信號(hào)放大通過與之互連的信號(hào)和遠(yuǎn)程供電接口電路使調(diào)制信號(hào)輸出到二根長(zhǎng)距離輸電線，并同時(shí)得到所需電能。

5 地面接收控制顯示部分的設(shè)計(jì)

地面接收控制顯示部分主要由信號(hào)和遠(yuǎn)程供電系統(tǒng)、信號(hào)整形檢波電路、信號(hào)調(diào)制電路、遠(yuǎn)距離信號(hào)放大輸出電路、顯示屏組件等組成。

5.1 信號(hào)和遠(yuǎn)程供電系統(tǒng)

由遠(yuǎn)程供電接口電路、遠(yuǎn)距離信號(hào)放大電路、穩(wěn)壓電源、電感、晶體管、電阻、電容等組成，由二根長(zhǎng)距離輸電線輸出的調(diào)制信號(hào)輸入到與之互連的信號(hào)和遠(yuǎn)程供電接口電路、通過遠(yuǎn)距離信號(hào)放大接收電路將調(diào)制信號(hào)放大，并同時(shí)對(duì)地下探頭部分供電；

5.2 信號(hào)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(diào)制信號(hào)整形檢波出數(shù)字編碼串行信號(hào)；

5.3 CPU數(shù)據(jù)解碼組

計(jì)算機(jī)軟件、CPU、晶振、電容等，將信號(hào)整形檢波電路輸出的數(shù)字編碼串行信號(hào)通過計(jì)算機(jī)軟件程序控制轉(zhuǎn)換成數(shù)字顯示信號(hào)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(cè)量并顯示出來(lái)，可實(shí)時(shí)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(jié)束語(yǔ)

地下鉆探有線導(dǎo)航控制系統(tǒng)采用了三維角頻率方位測(cè)量傳感器，配套CPU作為信號(hào)AD轉(zhuǎn)換及編碼調(diào)制及解碼，僅用二根輸電線來(lái)傳遞信號(hào)和給探頭部分供電的遠(yuǎn)程供電接口電路，所以體積小、精度高、穩(wěn)定性好、可靠性高、成本低廉、工作時(shí)間長(zhǎng)，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(shí)時(shí)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)及動(dòng)態(tài)圖形。完全適合我國(guó)的國(guó)情，再加上市場(chǎng)價(jià)格極其低廉，利于在我國(guó)大量推廣，具有很好的發(fā)展空間和前景。

參考文獻(xiàn)

[1]美國(guó)Sharewell 公司生產(chǎn)的Magnetic Guidancd System（MGS）和INROCK 公司生產(chǎn)的Vector Magnetics導(dǎo)航系統(tǒng)。

作者簡(jiǎn)介：顧群（1960，1-），男，上海人，單位：杭州高新區(qū)科技創(chuàng)業(yè)服務(wù)中心，工程師，研究方向：光機(jī)電；自動(dòng)化；數(shù)控。

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