2. 中国石油集团工程技术研究院;
3. 中国石油管道局第四钻井公司
2. CNPC Engineering Technology R & D Company Limited;
3. The Fourth Drilling Company of China Petroleum Pipeline Bureau
0 引言
非开挖工程技术通过特定的磁导向定位技术和定向钻进等方法，可在不破坏地表的情况下铺设地下油气管道等。由于我国的油气管道非开挖工程起步较晚，磁导向定位技术全面依赖美国公司提供授权技术服务，导致工程建设成本高、知识产权依赖性强等问题[1-2]。地面设置螺线管磁靶是非开挖工程磁导向的主要方法之一，适用于复杂的地形条件、恶劣的外界环境和外界磁干扰较为严重的环境，能够保证精确钻达设计出土点[3-4]。
本文基于井下旋转磁场定位方法，建立了地面十字交叉磁靶的磁导向模型，研制出非开挖工程磁靶定位系统，并开展了全尺寸地面模拟试验。试验测量误差小于2%，满足非开挖轨迹测控要求。
1 技术分析 1.1 系统组成非开挖工程磁靶定位系统主要由十字交叉磁靶、微弱动态磁场采集系统和地面工控装置等组成，见图 1。十字交叉磁靶用于产生动态旋转磁场，有效范围可达100 m。井下微弱动态磁场采集系统主要包括阵列高精度磁通门、三轴重力加速度传感器、温度传感器和调理电路等。阵列高精度磁通门传感器采用三端式磁通门结构设计，其激励为5 kHz的方波，用3个单分量磁传感器封装在正交传感器骨架内，3个磁传感器相互正交、相互独立，其激励方式与单分量磁传感器相同。磁通门检测到的环境磁场信号经过放大等处理后，输出一个与环境磁场成比例的直流电压信号，通过室内标定该电压值与磁靶旋转磁场大小的关系，即可测量现场作业环境下实际磁场的大小。采集到的磁场信号等通过单芯电缆传输至地面监视器，并进行信号的解码及分析利用。
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| 图 1 磁靶定位系统 Fig.1 Magnetic target positioning system |
1.2 设计原理
非开挖工程磁靶定位系统主要用于测量磁靶与钻头之间的相对距离及方向，其核心测量方法为井下旋转磁场定位原理。十字交叉磁靶通2 Hz交流电后，在磁靶周围空间会形成特定规律的旋转磁场。通过钻头位置的微弱磁场检测系统可测量该旋转磁场在3个正交方向磁场的分布，利用旋转磁场的轴对称特性，将近钻头三维旋转磁场转化为二维场，然后根据测量到的磁场矢量与场源空间位置的关系，实现钻头与微弱动态磁场采集系统之间的精确定位。
基于静态磁场理论[5-6]，极坐标系下螺线管的空间磁场分布与空间位置之间对应的函数关系为：
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(1) |
式中：R为钻头与磁场采集系统的距离，m；P为十字磁靶的总磁矩，A·m2；H为钻头处磁场向量的幅值，T；μ0为地层介质磁导率，H/m。
2 十字交叉磁靶优化设计 2.1 结构设计十字交叉磁靶由两个正交放置的螺线管组成(见图 2)，在低频正弦波交流电驱动下可在其周围空间产生旋转磁场。根据非开挖工程技术需求[7]，需要在100 m处产生1 nT信号(幅值)，其频率为1~2 Hz。为了在远距离产生较强磁场，采用加磁芯的螺线管结构，磁芯选用饱和磁感应强度较高的高导磁软磁材料，相对磁导率为15 000。螺线管导线选用耐高温漆包线，接线端为紫铜材质接线柱。
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| 图 2 十字交叉磁靶示意图 Fig.2 Schematic diagram of the cross magnetic target |
2.2 磁场设计与模拟
对于多层密绕螺线管，其等效磁矩可视为多个磁偶极子的叠加和。对螺线管输入2 Hz的正弦电流后，十字交叉磁靶的等效磁矩为：
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(2) |
式中：n为螺线管线圈匝数；pi为螺线管单个线圈的磁矩，A·m2；i为x方向单位向量；k为z方向单位向量；t为时间，s。
在y轴上任意一P点(如图 2所示)由十字交叉磁靶中单个螺线管线圈产生的动态磁场为：
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(3) |
式中：K为螺线管加铁芯后的磁场强化系数；S为螺线管单匝线圈面积，m2；I为螺线管供电电流，A；r为空间某一点P与螺线管之间的距离，m。
设计螺线管最大半径18 mm，缠绕匝数2 000匝，铁芯强化系数1 500。利用式(3)计算不同电流下空间磁场分布，结果见图 3和图 4。电流为3、5和9 A时，距离100 m处的磁场幅值分别为0.92、1.53和2.75 nT。综合考虑微弱动态磁场测量精度(0.05 nT)和供电用蓄电池的使用时间，将螺线管供电电流设为5~7 A。
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| 图 3 不同电流条件下螺线管空间磁场幅值分布 Fig.3 Distribution of spatial magnetic field amplitude of solenoid under different currents |
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| 图 4 与螺线管距离100 m处供电电流与磁场幅值关系 Fig.4 Relationship between magnetic field amplitude and supply current at a distance of 100 m from the solenoid |
3 微弱动态磁场采集与定位系统开发
非开挖工程微弱动态磁场采集与定位系统包括0.05 nT微弱磁场采集模块、井斜和方位测量传感器、单芯电缆供电及通信单元等关键部件。由于非开挖工程要求钻具方位测量精度达到0.4°，所以该系统集成了国外先进的井斜和方位测量传感器。
3.1 高精度微弱磁场采集模块高精度微弱磁场测量传感器利用电磁感应原理实现对0.05 nT级别磁场的检测，其基本原理是：用高磁导率、低矫顽力的软磁材料磁芯制成的感应线圈被激励后，出现随十字交叉磁靶磁场而变的偶次谐波分量的电势特性，通过高性能的磁通门调理电路测量偶次谐波分量，从而测得环境磁场的大小。测量流程如图 5所示。
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| 图 5 高精度微弱动态磁场采集传感器测量流程 Fig.5 Measurement process of high-precision weak magnetic field acquisition sensor |
3.1.1 模数转换
选用AD7400A模数转换器，其精度为16 bit，最高采样频率为10 MHz，能进行双极性数字采样。精度16 bit的信号采集能够保证0.05 nT测量精度；10 MHz的采样频率能够保证单路激励频率为100 kHz、每周期100个采样点，从而能够将频响带宽提高至1 kHz以上；双极性能够保证采集负向的磁通门信号。
3.1.2 数字选频器与外界磁场相关的只有磁通门信号的偶次谐波，而由于激励及电路工作的原因，会给磁通门信号带来很多高频噪声。在传统的模拟电路中设计了带通滤波器进行滤波。数字信号处理必须通过FIR对采集信号进行滤波，然后才能进行后续数值计算，否则系统的信噪比将不理想。
3.1.3 相敏整流相敏整流将磁通门的输出电压信号X(n)转换成直流电压信号H(n)。取一个与激励电源二次谐波同频率的方波R(n)为基准信号，相敏整流在基准信号R(n)的前半个周期对磁通门的输出电压信号X(n)进行同相放大，在基准信号R(n)的后半个周期对其进行反相放大。经相敏整流后，得到所需要的信号H(n)。
3.1.4 数字积分器提取二次谐波的过程是针对激励信号的倍频进行傅立叶展开的过程，利用高性能DSP的最大优势就是能够高效地完成积分运算，单次运算能够在6个时钟周期内完成，300 MHz主频的DSP理论上能够胜任50 MHz的采样频率。
3.1.5 插值计算数值计算结果都是离散的，为了提高数模转换精度，必须通过插值计算使离散的结果更加接近连续波形。
3.2 单芯电缆供电及通信系统单芯电缆供电及通信系统由地面通信箱、井下数传模块与井下电源模块3部分组成，如图 6所示。地面通信箱与甲方的地面数据处理设备(上位机和司显)通过RS232串口总线(或USB)连接，与井下仪器通过单芯电缆连接，编解码、信号分离和井下供电等功能模块均集成在一个独立的箱体内。井下数传模块安装在井下仪器外壳内，通过仪器上接头连接单芯电缆，实现与地面箱体通信；通过RS232串口总线与甲方的定向探棒连接、通信。井下电源模块安装在井下仪器外壳内，输入端直接与井下数传板连接，输出端连接井下数传模块和其他井下仪器，为整个仪器串供电。
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| 图 6 单芯电缆供电及通信系统 Fig.6 Single core cable power supply and communication system |
4 地面测试与评价
为了验证非开挖工程旋转磁场定位系统性能，在北京延庆测试场开展了地面模拟试验(见图 7)，重点测试了距离R的测量范围及误差、相对方位角α的测量误差。
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| 图 7 十字靶磁源条件下地面试验示意图 Fig.7 Schematic diagram of the ground test with the cross target magnetic source |
4.1 距离R测量范围及误差评价
在距离磁靶5、10、20、30、40、50、60、70、80、90、100和110 m处分别记录1 min井下磁场等数据，数据采集完成后，进行滤波及定位算法评价，得到距离测量误差，见图 8。从图 8可见：10~110 m距离测量误差均小于2.00%，满足设计指标要求；在5 m处测量误差为3.10%。误差升高的主要原因是：测量模型中将十字交叉磁靶等效为点源的假设，此时测量距离与磁靶长度的比值仅为5.86，远小于临界值10的点源假设。
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| 图 8 距离测量误差 Fig.8 Distance measurement error |
4.2 相对方位角α测量误差评价
在与磁靶纵向距离70 m位置进行相对方位角α测量误差评价，分别设置横向距离±10、±20、±30和±40 m共8个测点，测量结果见表 1。从表 1可见：横向距离在±30 m范围时，相对方位测量误差小于2.00%；当横向距离超过30 m后，相对方位夹角为23.20°；继续将横向距离增加至±40 m后，方位测量误差将迅速增大，此时已失去了测量意义。因此，非开挖工程旋转磁场定位系统方位测量存在临界点，达到29.74°后方位测量将失真，不能用于现场施工作业。
| 纵向距离/m | 横向距离/m | 理论方位/(°) | 测量方位/(°) | 相对误差/% |
| 70 | 0 | 88.02 | 87.52 | 0.57 |
| 70 | 10 | 79.89 | 78.85 | 1.32 |
| 70 | 20 | 72.07 | 71.14 | 1.31 |
| 70 | 30 | 64.82 | 65.51 | -1.05 |
| 70 | 40 | 58.28 | 67.91 | -14.19 |
| 70 | -10 | 96.15 | 97.93 | -1.82 |
| 70 | -20 | 103.97 | 103.86 | 0.10 |
| 70 | -30 | 111.22 | 112.42 | -1.07 |
| 70 | -40 | 117.76 | 103.65 | 13.62 |
5 结论
(1) 非开挖工程磁靶定位系统主要由十字交叉磁靶、微弱动态磁场采集系统以及地面工控装置等组成，可以测量磁靶与钻头之间的相对距离及方向。
(2) 十字交叉磁靶由两个正交放置的螺线管组成，其主要功能是在低频正弦波交流电源驱动下产生旋转磁场。综合考虑微弱动态磁场测量精度和供电用蓄电池的使用时间，建议螺线管供电电流为5~7 A。
(3) 地面模拟试验结果表明：10~110 m距离测量误差均小于2.00%，满足设计指标要求；横向距离在±30 m范围相对方位测量误差小于2.00%；非开挖工程磁耙定位系统方位测量存在临界点，达到29.74°后方位测量将失真，不能用于现场施工作业。
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