微硅加速度计在定向钻进角度测量中的应用

　　定向钻进技术是利用定向钻机以可控钻孔轨迹的方式,在不同地层和深度进行钻进并通过定位仪导向抵达设计位置而铺设地下管线的施工方法[1]。施工时,首先利用专门的定向钻机钻出小口径的导向孔,在钻进过程中通过监测和控制手段使钻孔按设计轨迹延伸,并从另一端钻出地表。然后用扩孔钻头将钻孔扩大至所需的口径,最后将待铺设的管线回拖入孔内,如图1所示。

　　定向钻进的一个显著特点是钻孔轨迹不要求是直的,可实现弯曲钻进。正因为如此,使得它可根据实际要求绕过各种障碍物,如铁路、房屋、河流等,实现智能可控向钻进。它的导向功能是通过斜面钻头来完成的,其导向机理如图2所示。当钻头一边回转一边进给时,则钻出一个直孔,实现保直钻进;当钻头只进给而不回转时,由于斜面钻头受到阻力,钻孔将向斜面方向弯曲。这样,如果事先调整好斜面方向,就可根据要求实现可控向钻进。

　　由于定向钻进技术日益成熟并具有突出的优点,其应用范围不断拓宽,如今不仅应用在非开挖管线铺设领域,而且可用于地矿、冶金、石油等领域,用来实现地下的地质勘探及资源开采。在军事领域,定向钻进也可实现地下危险区域的勘探、信息采集等工作,如地下核试验后的坑道区域的土壤数据的自动采集。目前,定向钻进是实现上述意图最优的方法。

　　1　定向钻进中的角度测量

　　在定向钻进中,为了准确地实现导向,必须实时获取钻具的当前姿态,完成多个角度的测量,其中,倾角和面向角是两个最重要的参数。倾角是钻孔当前点的切线与水平面之间的夹角,它反映了钻头前进方向相对水平面的倾斜程度。为了表示方便,也常用倾角的正切值———坡度百分比来表示。工具面向角是指在与钻具轴线垂直平面内,造斜钻具的造斜方向与钻孔的终点方向(在钻孔弯曲平面内)间的夹角,它反映了下一步钻进的造斜方向。工程上为了直观起见,通常采用时钟盘面上的刻度来表示面向角,如12点表示向上方向,6点表示向下方向。

　　为了给出清晰的定义,在大地坐标系(NED北东地坐标系)中建立钻具自身的坐标系(XYZ坐标系),如图3所示。图中,H为水平面,V为钻孔弯曲平面,与水平面垂直,P代表钻具横截面。一般取Z轴与钻具的轴线方向一致,Y轴与造斜钻具的造斜方向一致,X轴与上述两轴垂直。这样,根据角度的定义,倾角为Z轴与水平面的夹角,图中用β表示,面向角为Y轴与钻孔终点方向的夹角,如图中θ所示。

　　在工程领域中,对于反映物体倾斜的角度测量,通常采用以地球重力方向为基准的摆式倾角传感器来进行,如电位器式、电容式、电感式等固体摆式倾角传感器以及电介液式、电解液式、磁性流体式等液体摆式倾角传感器等[2]。这些传感器都是通过倾斜角度的改变导致电阻、电容或电感的改变来检测倾斜角度,但现有的传感器都存在以下不足:结构复杂,制作工艺难度大;大多属作坊作业,需要大量的人工调试,不宜批量生产,因而成本偏高;动态范围较窄,且抗冲击、抗振动性能不高。