[發(fā)明專利]基于雙脈沖磁矩測(cè)量的鉆桿定向方法及裝置

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310181146.6
• 申請(qǐng)日: 2013-05-16
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN103277090A
• 公開(kāi)（公告）日: 2013-09-04
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李偉;孟誠(chéng);黃捷
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一〇研究所
• 主分類號(hào): E21B47/024
• 分類號(hào): E21B47/024;E21B47/092;E21B47/13
• 代理公司: 北京理工大學(xué)專利中心 11120
• 代理人: 楊志兵;仇蕾安

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種基于雙脈沖磁矩測(cè)量的鉆桿定向裝置，以及涉及一種鉆桿定向方法，屬于定向鉆進(jìn)中的導(dǎo)向技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

非開(kāi)挖技術(shù)是新興的施工技術(shù)，可以在不對(duì)路面“開(kāi)膛破肚”的情況下進(jìn)行地下管道的施工。水平定向鉆進(jìn)是非開(kāi)挖技術(shù)的核心，定向技術(shù)是水平定向鉆進(jìn)的關(guān)鍵。

目前的定向技術(shù)，大多采用磁傳感器、陀螺儀與加速度計(jì)相結(jié)合的方式對(duì)鉆桿的方位角與傾角進(jìn)行測(cè)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(jì)在動(dòng)態(tài)環(huán)境下誤差較大，因而采用磁傳感器、陀螺儀與加速度計(jì)相結(jié)合的方式，測(cè)量精度不高。還有一種將電子羅盤應(yīng)用于非開(kāi)挖施工中技術(shù)，但是機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且對(duì)周圍的磁場(chǎng)環(huán)境非常敏感，使用受限且測(cè)量誤差較大（超過(guò)5%）。

發(fā)明內(nèi)容

有鑒于此，本發(fā)明提供了一種基于雙脈沖磁矩測(cè)量的鉆桿定向裝置，鉆桿內(nèi)僅需2個(gè)脈沖磁矩單元完成磁場(chǎng)產(chǎn)生功能即可，無(wú)需加速度計(jì)，也無(wú)需陀螺儀。

本發(fā)明還提供了一種鉆桿定向方法，能夠?qū)蓚€(gè)脈沖磁矩單元進(jìn)行定位，并根據(jù)位置坐標(biāo)計(jì)算出無(wú)磁鉆桿的方位角與傾斜角，適用于對(duì)地下特深(深度達(dá)8米)非開(kāi)挖鉆進(jìn)的鉆頭進(jìn)行導(dǎo)向定位。

一種基于雙脈沖磁矩定位的鉆桿定向裝置，該鉆桿定向裝置包括脈沖磁矩單元a、脈沖磁矩單元b、地面測(cè)量單元和地面計(jì)算顯示單元，脈沖磁矩單元a和脈沖磁矩單元b均安裝在鉆桿內(nèi)，地面測(cè)量單元和地面計(jì)算顯示單元分別設(shè)置在地面上且兩者通過(guò)無(wú)線通信；脈沖磁矩單元a和脈沖磁矩單元b用于分時(shí)產(chǎn)生磁場(chǎng)，地面測(cè)量單元用來(lái)采集環(huán)境磁場(chǎng)的參數(shù)，地面計(jì)算顯示單元根據(jù)地面測(cè)量單元采集的參數(shù)對(duì)鉆桿的位置和鉆頭方向進(jìn)行計(jì)算并顯示；

兩個(gè)脈沖磁矩單元均包括磁場(chǎng)線圈、微控制器、高壓電容、聯(lián)動(dòng)電控開(kāi)關(guān)A、聯(lián)動(dòng)電控開(kāi)關(guān)B、時(shí)鐘芯片、倍壓升壓?jiǎn)卧碗姵亟M；倍壓升壓?jiǎn)卧ㄟ^(guò)聯(lián)動(dòng)電控開(kāi)關(guān)A與磁場(chǎng)線圈的一端連接，倍壓升壓?jiǎn)卧ㄟ^(guò)聯(lián)動(dòng)電控開(kāi)關(guān)B與磁場(chǎng)線圈的另一端連接，高壓電容一端與聯(lián)動(dòng)電控開(kāi)關(guān)A連接，另一端與聯(lián)動(dòng)電控開(kāi)關(guān)B連接，微控制器分別與聯(lián)動(dòng)電控開(kāi)關(guān)A的控制端、聯(lián)動(dòng)電控開(kāi)關(guān)B的控制端和時(shí)鐘芯片連接，電池組分別給倍壓升壓?jiǎn)卧透邏弘娙莨╇姡?/p>

當(dāng)微控制器在時(shí)鐘芯片的驅(qū)動(dòng)下控制聯(lián)動(dòng)電控開(kāi)關(guān)A接通和聯(lián)動(dòng)電控開(kāi)關(guān)B斷開(kāi)時(shí)，則高壓電容充電，當(dāng)微控制器在時(shí)鐘芯片的驅(qū)動(dòng)下控制聯(lián)動(dòng)電控開(kāi)關(guān)A斷開(kāi)和聯(lián)動(dòng)電控開(kāi)關(guān)B接通時(shí)，則高壓電容放電產(chǎn)生磁場(chǎng)；倍壓升壓?jiǎn)卧獙?shí)現(xiàn)電池組電壓的變換。

所述的地面計(jì)算顯示單元為磁力梯度張量?jī)x。

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a和脈沖磁矩單元b均安裝在鉆桿的頭部?jī)?nèi)，且使兩個(gè)脈沖磁矩單元中磁場(chǎng)線圈的軸向與鉆桿的軸向平行；

步驟二：將地面計(jì)算顯示單元和地面測(cè)量單元分別設(shè)置在鉆桿上方的路面上，利用全站儀測(cè)量出地面測(cè)量單元的傾角，并調(diào)節(jié)使其處于水平且保持靜止?fàn)顟B(tài)；

步驟三：當(dāng)鉆桿未伸入地下，且兩個(gè)脈沖磁矩單元未產(chǎn)生磁場(chǎng)時(shí)，地面計(jì)算顯示單元記錄此時(shí)地面測(cè)量單元測(cè)量到的梯度張量輸出G₀和磁感應(yīng)強(qiáng)度輸出B₀；

步驟四：將鉆桿伸入地下至預(yù)定位置時(shí)，外部單片機(jī)給時(shí)鐘芯片發(fā)出控制信號(hào)，使得脈沖磁矩單元a產(chǎn)生磁場(chǎng)而脈沖磁矩單元b不產(chǎn)生磁場(chǎng)，地面計(jì)算顯示單元記錄此時(shí)地面測(cè)量單元測(cè)量到的梯度張量輸出G₁和磁感應(yīng)強(qiáng)度輸出B₁；外部單片機(jī)給時(shí)鐘芯片發(fā)出控制信號(hào)，使得脈沖磁矩單元b產(chǎn)生磁場(chǎng)而脈沖磁矩單元a不產(chǎn)生磁場(chǎng)，地面計(jì)算顯示單元記錄此時(shí)地面測(cè)量單元測(cè)量到的梯度張量輸出G₂和磁感應(yīng)強(qiáng)度輸出B₂，并根據(jù)公式（1）和公式（2）分別計(jì)算出兩個(gè)脈沖磁矩單元的位置r（x，y，z），所述位置r基于的坐標(biāo)系為：以地面測(cè)量單元的正前方為X軸，以右手定則建立的三維坐標(biāo)系（x，y，z）；