[發(fā)明專利]一種基于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的地下導(dǎo)向定位方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201210359462.3
• 申請(qǐng)日: 2012-09-24
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN102877830A
• 公開(kāi)（公告）日: 2013-01-16
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王伯雄;劉濤;羅秀芝
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 清華大學(xué)
• 主分類號(hào): E21B47/024
• 分類號(hào): E21B47/024
• 代理公司: 西安智大知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所 61215
• 代理人: 賈玉健

1.一種基于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的地下導(dǎo)向定位方法，其特征在于，在具有豎直旋轉(zhuǎn)軸的無(wú)磁轉(zhuǎn)臺(tái)上安裝水平的圓柱形永磁體組成地面人工磁場(chǎng)發(fā)生裝置，在地下鉆具內(nèi)安裝由三軸加速度計(jì)和三軸磁場(chǎng)傳感器組成的測(cè)量單元，執(zhí)行如下步驟：

步驟（1），測(cè)量永磁體的參數(shù)和當(dāng)?shù)氐貙訁?shù)，得到空間中一點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度(B_x,B_y,B_z)；

步驟（2），地下鉆具靜止時(shí)，將轉(zhuǎn)臺(tái)安放在預(yù)計(jì)鉆具位置的上方，建立參考坐標(biāo)系XYZ和永磁體坐標(biāo)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(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，兩個(gè)坐標(biāo)系的原點(diǎn)都在永磁體中心，且起始時(shí)重合，得到坐標(biāo)原點(diǎn)在大地坐標(biāo)系下的坐標(biāo)(x~，y~,z~)；

步驟（3），利用轉(zhuǎn)臺(tái)使永磁體繞Z軸旋轉(zhuǎn)一周，旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，每隔角度Δβ停止轉(zhuǎn)動(dòng)，由地下鉆具測(cè)量單元記錄三個(gè)方向的磁感應(yīng)強(qiáng)度值，旋轉(zhuǎn)完成后，得到一組測(cè)量數(shù)據(jù)(β_i,B_xi,B_yi，B_zi)，i＝1，...,n，n=360/Δβ，其中β_i是每次記錄時(shí)轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)的角度，B_xi是β_i角度下磁場(chǎng)傳感器x方向的磁感應(yīng)強(qiáng)度值，B_yi是β_i角度下磁場(chǎng)傳感器y方向的磁感應(yīng)強(qiáng)度值，B_zi是β_i角度下磁場(chǎng)傳感器z方向的磁感應(yīng)強(qiáng)度值；

步驟（4），利用測(cè)量單元內(nèi)的加速度計(jì)測(cè)量鉆具坐標(biāo)系X'Y'Z'三個(gè)方向的重力場(chǎng)分量(g_x,g_y,g_z)，根據(jù)得到鉆具當(dāng)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(duì)步驟（3）得到的磁感應(yīng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)(B_xi,B_yi,B_zi)進(jìn)行坐標(biāo)變換，將其轉(zhuǎn)換到與水平面平行的平面內(nèi)，變換后的磁感應(yīng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)記為(B′_xi,B′_yi,B′_zi)；

步驟（6），根據(jù)公式B_z＝f(β)＝k^*sin(β-β^*)+B_ez對(duì)數(shù)據(jù)(β_i,B′_zi)進(jìn)行最小二乘法曲線擬合，得到如公式所描述的坐標(biāo)值約束關(guān)系，其中k^*、β^*、B_ez是擬合參數(shù)，x₀是鉆具在參考坐標(biāo)系下的x坐標(biāo)，y₀是鉆具在參考坐標(biāo)系下的y坐標(biāo)；

步驟（7），假定當(dāng)前方位角為α，利用公式Bxi′′=Bxi′cosα-Byi′sinαByi′′=Bxi′sinα+Byi′cosα]]>對(duì)(B′_xi,B′_yi,B′_zi)進(jìn)行坐標(biāo)變換得到(B″_xi,B″_yi,B″_zi)，從而得到鉆具測(cè)量單元測(cè)量的磁感應(yīng)強(qiáng)度在參考坐標(biāo)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(biāo)值約束關(guān)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(duì)轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)(β_i,B″_xi)和(β_i,B″_yi)進(jìn)行最小二乘法曲線擬合，擬合后得到兩組坐標(biāo)值(x₁，y₁,z₁)和(x₂，y₂,z₂)，其中為永磁體的屬性，h為永磁體長(zhǎng)度的一半，S為永磁體橫截面積，M為永磁體磁化強(qiáng)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(chǎng)的周圍環(huán)境磁場(chǎng)在參考坐標(biāo)系XYZ三個(gè)坐標(biāo)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(nèi)，則得到鉆具在參考坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為鉆具方位角即為此時(shí)步驟（7）中使用的方位角，否則，取α=α+Δα，重復(fù)步驟（7）~（8），Δα是方位角掃描步長(zhǎng)；

步驟（10），根據(jù)得到的鉆具在參考坐標(biāo)系下的坐標(biāo)(x₀，y₀,z₀)和參考坐標(biāo)系原點(diǎn)在大地坐標(biāo)系下的坐標(biāo)(x~，y~,z~)，得到鉆具在大地坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，根據(jù)鉆具坐標(biāo)和方位角，按照預(yù)設(shè)軌跡要求調(diào)整鉆具前進(jìn)方向，到達(dá)下一測(cè)量點(diǎn)時(shí)再次利用步驟（2）~（9）進(jìn)行導(dǎo)向定位。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的地下導(dǎo)向定位方法，其特征在于，用通電螺旋管代替所述永磁體。