[發明專利]一種基于旋轉磁場的地下導向定位方法

有效

• 申請號: 201210359462.3
• 申請日: 2012-09-24
• 公開（公告）號: CN102877830A
• 公開（公告）日: 2013-01-16
• 發明（設計）人: 王伯雄;劉濤;羅秀芝
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: E21B47/024
• 分類號: E21B47/024
• 代理公司: 西安智大知識產權代理事務所 61215
• 代理人: 賈玉健

1.一種基于旋轉磁場的地下導向定位方法，其特征在于，在具有豎直旋轉軸的無磁轉臺上安裝水平的圓柱形永磁體組成地面人工磁場發生裝置，在地下鉆具內安裝由三軸加速度計和三軸磁場傳感器組成的測量單元，執行如下步驟：

步驟（1），測量永磁體的參數和當地地層參數，得到空間中一點的磁感應強度(B_x,B_y,B_z)；

步驟（2），地下鉆具靜止時，將轉臺安放在預計鉆具位置的上方，建立參考坐標系XYZ和永磁體坐標系X_βY_βZ_β，X_β軸沿永磁體軸向，指向N極方向，β為永磁體繞Z軸逆時針轉動的角度，兩個坐標系的原點都在永磁體中心，且起始時重合，得到坐標原點在大地坐標系下的坐標(x~，y~,z~)；

步驟（3），利用轉臺使永磁體繞Z軸旋轉一周，旋轉過程中，每隔角度Δβ停止轉動，由地下鉆具測量單元記錄三個方向的磁感應強度值，旋轉完成后，得到一組測量數據(β_i,B_xi,B_yi，B_zi)，i＝1，...,n，n=360/Δβ，其中β_i是每次記錄時轉臺旋轉的角度，B_xi是β_i角度下磁場傳感器x方向的磁感應強度值，B_yi是β_i角度下磁場傳感器y方向的磁感應強度值，B_zi是β_i角度下磁場傳感器z方向的磁感應強度值；

步驟（4），利用測量單元內的加速度計測量鉆具坐標系X'Y'Z'三個方向的重力場分量(g_x,g_y,g_z)，根據得到鉆具當前的傾角θ和工具面向角

步驟（5），利用傾角θ和工具面向角對步驟（3）得到的磁感應強度數據(B_xi,B_yi,B_zi)進行坐標變換，將其轉換到與水平面平行的平面內，變換后的磁感應強度數據記為(B′_xi,B′_yi,B′_zi)；

步驟（6），根據公式B_z＝f(β)＝k^*sin(β-β^*)+B_ez對數據(β_i,B′_zi)進行最小二乘法曲線擬合，得到如公式所描述的坐標值約束關系，其中k^*、β^*、B_ez是擬合參數，x₀是鉆具在參考坐標系下的x坐標，y₀是鉆具在參考坐標系下的y坐標；

步驟（7），假定當前方位角為α，利用公式Bxi′′=Bxi′cosα-Byi′sinαByi′′=Bxi′sinα+Byi′cosα]]>對(B′_xi,B′_yi,B′_zi)進行坐標變換得到(B″_xi,B″_yi,B″_zi)，從而得到鉆具測量單元測量的磁感應強度在參考坐標系XYZ下的分量，該變換只改變X和Y方向的值，即B″_zi＝B′_zi；

步驟（8），在滿足步驟（6）得到的坐標值約束關系式前提下，分別利用Bx=k(x-hcosβA32-x+hcosβB32)+Bex]]>和By=k(y-hsinβA32-y+hsinβB32)+Bey]]>對轉換后的數據(β_i,B″_xi)和(β_i,B″_yi)進行最小二乘法曲線擬合，擬合后得到兩組坐標值(x₁，y₁,z₁)和(x₂，y₂,z₂)，其中為永磁體的屬性，h為永磁體長度的一半，S為永磁體橫截面積，M為永磁體磁化強度，A=x2+y2+z2+h2-2h(xcosβ+ysinβ)B=x2+y2+z2+h2+2h(xcosβ+ysinβ),]]>B_ex、B_ey和B_ez是包括地磁場的周圍環境磁場在參考坐標系XYZ三個坐標軸方向的分量；

步驟（9），若(x₁，y₁,z₁)和(x₂，y₂,z₂)的差在誤差允許范圍內，則得到鉆具在參考坐標系下的坐標為鉆具方位角即為此時步驟（7）中使用的方位角，否則，取α=α+Δα，重復步驟（7）~（8），Δα是方位角掃描步長；

步驟（10），根據得到的鉆具在參考坐標系下的坐標(x₀，y₀,z₀)和參考坐標系原點在大地坐標系下的坐標(x~，y~,z~)，得到鉆具在大地坐標系下的坐標，根據鉆具坐標和方位角，按照預設軌跡要求調整鉆具前進方向，到達下一測量點時再次利用步驟（2）~（9）進行導向定位。

2.根據權利要求1所述基于旋轉磁場的地下導向定位方法，其特征在于，用通電螺旋管代替所述永磁體。