[發明專利]基于單脈沖磁矩測量的鉆桿定向方法及裝置

有效

• 申請號: 201310180904.2
• 申請日: 2013-05-16
• 公開（公告）號: CN103266853A
• 公開（公告）日: 2013-08-28
• 發明（設計）人: 李偉;陳正想;車振
• 申請（專利權）人: 中國船舶重工集團公司第七一〇研究所
• 主分類號: E21B7/04
• 分類號: E21B7/04
• 代理公司: 北京理工大學專利中心 11120
• 代理人: 楊志兵;仇蕾安

技術領域

本發明涉及一種基于單脈沖磁矩測量的鉆桿定向裝置，以及涉及一種鉆桿定向裝置，屬于定向鉆進中的導向技術領域。

背景技術

非開挖技術是新興的施工技術，可以在不對路面“開膛破肚”的情況下進行地下管道的施工。水平定向鉆進是非開挖技術的核心，定向技術是水平定向鉆進的關鍵。

目前的定向技術，大多采用磁傳感器、陀螺儀與加速度計相結合的方式對鉆桿的方位角與傾角進行測量。磁傳感器易受外部磁干擾的影響，陀螺儀的漂移較大，加速度計在動態環境下誤差較大，因而采用磁傳感器、陀螺儀與加速度計相結合的方式，測量精度不高。還有一種將電子羅盤應用于非開挖施工中技術，但是機械結構復雜，且對周圍的磁場環境非常敏感，使用受限且測量誤差較大（超過5%）。

發明內容

有鑒于此，本發明提供了一種基于單脈沖磁矩測量的鉆桿定向裝置，鉆桿內僅需一個脈沖磁矩單元就可實現鉆桿定向，無需加速度計，也無需陀螺儀。

本發明還提供了一種鉆桿定向方法，能夠對磁場環境進行實時動態補償，并且不會像陀螺儀一樣產生漂移誤差，其測量精度較高。

一種基于單脈沖磁矩測量的鉆桿定向裝置，該鉆桿定向裝置包括脈沖磁矩單元、地面測量單元和地面計算顯示單元，脈沖磁矩單元安裝在鉆桿內，地面測量單元和地面計算顯示單元分別設置在地面上且兩者通過無線通信；脈沖磁矩單元用于產生磁場，地面測量單元用來采集環境磁場的參數，地面計算顯示單元根據地面測量單元采集的參數對鉆桿的位置和鉆頭的方向進行計算并顯示；

該脈沖磁矩單元包括磁場線圈、微控制器、高壓電容、聯動電控開關A、聯動電控開關B、時鐘芯片、倍壓升壓單元和電池組；倍壓升壓單元通過聯動電控開關A與磁場線圈的一端連接，倍壓升壓單元通過聯動電控開關B與磁場線圈的另一端連接，高壓電容一端與聯動電控開關A連接，另一端與聯動電控開關B連接，微控制器分別與聯動電控開關A的控制端、聯動電控開關B的控制端和時鐘芯片連接，電池組分別給倍壓升壓單元和高壓電容供電；

當微控制器在時鐘芯片的驅動下控制聯動電控開關A接通和聯動電控開關B斷開時，則高壓電容充電，當微控制器在時鐘芯片的驅動下控制聯動電控開關A斷開和聯動電控開關B接通時，則高壓電容放電產生磁場；倍壓升壓單元實現電池組電壓的變換。

所述的地面計算顯示單元為磁力梯度張量儀。

一種鉆桿定向裝置的鉆桿定向方法，其具體方法步驟如下：

步驟一：將脈沖磁矩單元安裝在鉆桿的頭部內，且使脈沖磁矩單元中磁場線圈的軸向與鉆桿的軸向平行；

步驟二：將地面計算顯示單元和地面測量單元分別設置在鉆桿上方的路面上，利用全站儀測量出地面測量單元的傾角，并調節使其處于水平且保持靜止狀態；

步驟三：當鉆桿未伸入地下，且脈沖磁矩單元未產生磁場時，地面計算顯示單元記錄此時地面測量單元測量環境磁場的梯度張量輸出G₀和磁感應強度輸出B₀；

步驟四：將鉆桿伸入地下至預定位置時，外部單片機給時鐘芯片發出控制信號，使脈沖磁矩單元產生磁場，地面計算顯示單元記錄此時地面測量單元測量環境磁場的梯度張量輸出G₁和磁感應強度輸出B₁，并根據公式（1）和公式（2）分別計算出脈沖磁矩單元的位置r（x，y，z）和三分量磁矩M，所述位置r和磁矩M基于的坐標系為：以地面測量單元的正前方為X軸，以右手定則建立的三維坐標系（x，y，z）；