[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

技術領域

本發明屬信息科學領域，可應用于水平定向鉆進過程中，對地下鉆具進行準確導向定位，也可應用于其他地下導向或定位工程，涉及一種基于旋轉磁場的地下導向定位方法。

背景技術

隨著我國經濟的發展和城市化進程的加快，不需要開挖地面的水平定向鉆進技術得到越來越廣泛的應用。在水平鉆進技術中，如何對鉆具進行準確的導向和定位是實現水平定向鉆進的關鍵。目前常用的方法是基于地磁場的定向和地面跟蹤式導向定位。

其中，基于地磁場的隨鉆測量系統不需要地面的輔助探測設備，對于穿越河流等不適于地面跟蹤的環境具有明顯的優勢。但是在穿越距離較長時，由于誤差的積累，實際鉆進軌跡與預設軌跡會產生較大偏差。另外，在地磁場受干擾的環境下，由于無法準確測量方位角，也無法進行導向。這時必須借助其他方法實現導向。地面跟蹤式導向定位不存在積累誤差問題，但是需要專業的操作人員在地面進行一定范圍的掃描以確定鉆具的位置，該方法定位效率低，且地面不能有過大的障礙物。

隨著施工量的不斷增加和穿越距離的增長，迫切需要一種高效率、高精度、高抗干擾能力的地下導向定位方法。從而提高施工的效率，適應更加復雜的施工環境，并降低成本。研究地下導向定位技術將進一步提高我國在水平定向鉆進領域的實力，為城市化發展提供更有力的支持。

發明內容

為了克服現有技術的不足，本發明的目的在于提供一種基于旋轉磁場的地下導向定位方法，具有效率高、精度高、抗干擾能力高的特點。

為了實現上述目的，本發明采用的技術方案是：

一種基于旋轉磁場的地下導向定位方法，在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βi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；