CN101915061B - 一种交变磁场导向装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种交变磁场导向装置，包括近钻头人工磁极模块、目标端模块和源端控制模块，近钻头人工磁极模块发射低频交变磁场信号，目标端模块采集低频交变磁场信号，解算钻头与目标靶点间的相对方位和距离，相对方位和距离信息通过远距离传输单元传输至源端控制模块的司钻指示控制单元，司钻指示控制单元根据所收到的钻头与目标靶点间的相对方位和距离信息实时调整钻头的钻进方向，实现控制钻头向目标靶点精确钻进。本发明通过测量钻头与目标靶点之间的相对方位与距离信息，以钻头与目标靶点之间的相对方位和距离为闭环控制参数，突破了现有依靠源端近钻头方位角测量结果的开环控制模式，提高实时控制钻头向目标靶点钻进的精度。

Description

一种交变磁场导向装置

技术领域

本发明涉及一种交变磁场导向装置，属于钻井轨迹导向定位技术领域。

背景技术

在石油、地矿等能源领域，钻井工程是资源开发的一个关键环节。随着现代油气勘探开发的快速发展，复杂结构井轨道控制技术成为当前国际能源工业的前沿与关键。复杂结构井包括水平井、大位移井、多分支井和原井再钻等新型油井，采用该技术可实现油气藏的高效立体式开发。由于水平井、多分支井增加了井筒与油藏的接触面积，在开发复式油藏、礁岩底部油藏、稠油热采、煤层气开发、控制水锥、气锥等方面具有良好效果，是增加产量和提高采收率的重要手段。

复杂结构井技术核心在于井眼轨道控制与引导，为此，国内外提出了几何导向钻井技术与地质导向钻井技术。目前，已有的几何导向技术已能实现利用加速度计、磁力计、陀螺仪等传感器，通过电子单点、多点测量、捷联惯导、随钻测量等方式，测量井斜角、方位角等井迹参数。近来，随着定向井、稠油热采中蒸汽辅助重力泄油所需的成对平行井、水平对接连通井等复杂结构井对钻井导向精度要求的不断提高，传统几何导向定位技术已经无法满足井眼轨迹的精度要求。其根本原因在于上述测量方式没有将目标靶点和待钻井眼耦合为闭环系统，在钻井过程中对井眼轨迹的控制依据当前钻进方向的测量，从待钻井眼与目标靶点所形成的系统角度上看，此类方法属于开环控制，没有考虑目标靶点对待钻井眼的引导能力。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有几何导向定位技术应用于复杂结构井钻井时存在的定位精度低的问题，提出一种交变磁场导向装置，通过近钻头人工激发的磁场信息将钻头和目标靶点耦合为闭环系统，在目标端测量单元确定，钻头与目标靶点的相对方位和距离本发明突破了传统的钻头端和目标端分别独立测量的开环模式，避免了测量误差的积累。

一种交变磁场导向装置，包括近钻头人工磁极模块、目标端模块和源端控制模块；

近钻头人工磁极模块位于源端控制模块的近钻头处，发射低频交变磁场信号，目标端模块采集近钻头人工磁极模块所发射的低频交变磁场信号，并解算钻头与目标靶点间的相对方位和距离，钻头与目标靶点间的相对方位和距离信息通过目标端模块的远距离传输单元传输至源端控制模块的司钻指示控制单元，由司钻指示控制单元根据所收到的钻头与目标靶点间的相对方位和距离信息调整钻头的钻进方向，实现控制钻头向目标靶点精确钻进。

本发明的优点在于：

(1)安装于近钻头的低频有源交变磁场为将目标靶点和钻头端耦合为闭环系统提供了信息传播途径，近钻头人工磁极模块所产生的交变磁场信号可以根据近钻头端和目标靶点间的相对距离调整磁场强度大小，从而满足不同距离范围的定位需求；

(2)通过对传播至目标靶点的磁矢量信息的测量、解算，可以获得钻头端与目标靶点间的相对方位和距离等定位信息，为通过目标端引导钻头钻进提供了可行方案。而传统方法均为钻头端和目标端各自独立测量，没有相对引导能力，本装置则突破传统的开环测量模式，避免了测量误差积累；

(3)在蒸汽辅助重力泄油所需的成对平行井钻井中，采用本发明方法可以精确控制成对平行井间的距离和走向，传统的无源地磁导向技术无法满足成对平行井间距控制的精度要求。

(4)本发明能够解决常规随钻测量无法满足大容量、高速率数据传输的问题。由于待钻井眼轨迹的高精度导向控制需要大量实时随钻测量数据，通过将常规测井技术与随钻测量技术相结合，在目标端测量单元利用单芯测井电缆组成高速、大容量数据传输通道，并通过地面单元向司钻指示控制单元发送钻头与目标靶点间的相对方位和距离信息。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明近钻头人工磁极系模块的结构示意图；

图3是本发明目标端井下测量单元的结构示意图；

图4是本发明目标端地面单元的结构示意图；

图5是本发明目标端传感器安装结构示意图；

图6是本发明目标端井下测量电路框图；

图7为本发明目标端地面单元的信号传递关系图；

图8是本发明的方法流程图；

图9是本发明的磁场分布示意图；

图10是本发明的钻头与目标靶点间的相对方位和距离示意图；

图11是本发明的步骤三中获取相对方位角θ的流程图。

图中：

1-近钻头人工磁极模块  2-目标端模块     3-源端控制模块

4-目标端井下测量单元  5-目标端地面单元 6-绞车

7-远距离传输单元      8-单芯电缆       9-钻头

10-钻铤

301-司钻指示控制单元  302-钻杆         303-随钻测量模块

401-减震定位装置          402-传感器舱        403-电路舱

404-微机舱                405-电源舱          406-磁定位舱

407-马笼头                408-外壳            409-三轴加速度计

410-三轴高灵敏度磁通门    411-RC滤波电路      412-OP27放大器

413-CPU                   414-数据采集电路    415-通信驱动电路

501-测井车                502-计算机          503-接口箱

504-打印机                505-远程传输接口    506-接口箱通信驱动电路

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

本发明是一种交变磁场导向装置，如图1所示，该装置包括近钻头人工磁极模块1、目标端模块2和源端控制模块3；

近钻头人工磁极模块1发射低频交变磁场信号，目标端模块2采集近钻头人工磁极模块1所发射的低频交变磁场信号，并解算钻头与目标靶点间的相对方位和距离，钻头与目标靶点间的相对方位和距离信息通过目标端模块2的远距离传输单元7传输至源端控制模块3的司钻指示控制单元301，由司钻指示控制单元301根据所收到的钻头9与目标靶点间的相对方位和距离信息调整钻头9的钻进方向，实现控制钻头9向目标靶点精确钻进的目的。

所述的近钻头人工磁极模块1，如图1、如图2所示，靠近钻头9一定距离，如0.3米处，在钻铤10的剖面上打六个通孔，在六个通孔中嵌入六组交流线圈，每两个交流线圈间隔30°，交流线圈内的交流激励电流相位两两相差π/6，通电线圈保持不动，产生磁场，或者在六个通孔中设置永磁体，产生磁场，通过交流电流激励产生磁场为目标端模块2的目标端井下测量单元4提供磁信号源。

目标端模块2包括目标端井下测量单元4、目标端地面单元5、绞车6和远距离传输单元7；

目标端井下测量单元4如图3，包括减震定位装置401、传感器舱402、电路舱403、微机舱404、电源舱405、磁定位舱406、马笼头407和外壳408，目标端井下测量单元4具备常规的几何测井功能之外，还具有高灵敏度磁探测功能，传感器舱402、电源舱405与微机舱404构成了目标端井下测量单元4的核心。减震定位装置401、传感器舱402、电路舱403、微机舱404、电源舱405、磁定位舱406位于外壳408内，减震定位装置401由金属弹簧和金属导向杆组成，为现有技术，安装在目标端井下测量单元4的最前端，具有定位和减震作用，与外壳408以机械螺纹连接。传感器舱402包括一组三轴加速度计409(分别为A₁、A₂和A₃)和一组三轴高灵敏度磁通门410(分别为M₁、M₂和M₃)，如图4所示，设传感器舱402的轴线方向为Z轴，与轴线方向垂直的平面，设定相互正交的X轴、Y轴方向，X轴、Y轴、Z轴两两相互正交。三轴加速度计409和三轴高灵敏度磁通门410的三个轴向方向分别在X轴、Y轴、Z轴方向，在加工中通过精密校准，保证三轴加速度计409和三轴高灵敏度磁通门410的各轴方向保持一致。三轴加速度计409测量重力矢量G分别在X轴、Y轴、Z轴上的重力加速度分量G_x、G_y、G_z；三轴高灵敏度磁通门410所测信号包括地磁信号H_dc和低频交变磁信号H_ac，其中地磁信号为地球固有，低频交变磁信号由近钻头人工磁极模块1产生。三轴高灵敏度磁通门409测量地磁信号H_dc分别在X轴、Y轴、Z轴上地磁信号分量H_dcx、H_dcy、H_dcz，地磁信号分量为直流分量；三轴高灵敏度磁通门410测量低频交变磁信号H_ac分别在X轴、Y轴、Z轴上的低频交变磁信号分量H_acx、H_acy、H_acz，低频交变磁信号分量为交流分量。传感器舱402与电路舱403通过航空多芯电缆连接，将三轴加速度计409所测的重力加速度分量G_x、G_y、G_z，三轴高灵敏度磁通门410所测的地磁信号分量H_dcx、H_dcy、H_dcz和低频交变磁信号分量H_acx、H_acy、H_acz传输至电路舱403。

电路舱403接收并调理传感器舱402提供的原始信号，如图5所示，电路舱403接收三轴加速度计409测量的重力矢量三轴的加速度分量G_x，G_y，G_z；接收三轴高灵敏度交流磁通门410测量的直流分量H_dcx、H_dcy、H_dcz和交流分量H_acx、H_acy、H_acz。电路舱403采用RC滤波电路411将三轴高灵敏度交流磁通门410测量的直流分量与交流分量分离，采用OP27放大器412将加速度分量G_x，G_y，G_z、直流分量H_dcx，H_dcy，H_dcz、交流分量H_acx，H_acy，H_acz的信号幅度调整到±10伏以内，并通过航空多芯电缆传输给微机舱404，供微机舱404进行数据采集。微机舱404包括CPU413、数据采集电路414和通信驱动电路415，完成对来自电路舱403的信号采集、控制及目标端井下测量单元4与目标端地面单元5之间的通讯。数据采集电路414采用具有16位分辨率的多路同步模拟-数字转换芯片AD7656，如图5所示，在CPU413的控制下，通过数据采集电路414采集G_x、G_y、G_z、H_dcx、H_dcy、H_dcz、H_acx、H_acy、H_acz。通信驱动电路415将所采集的数据进行曼彻斯特编码，并通过单芯电缆8上传至目标端地面单元5。微机舱404与电源舱405通过航空多芯电缆连接。电源舱405为目标端井下测量单元4提供多组电压。电源舱405通过单芯电缆8从地面获得的交流电压转换为目标端井下测量单元4所需的±5V(2A)、±12V(1A)四组直流电压。通过航空多芯电缆向传感器舱402、电路舱403、微机舱404和磁定位舱406供电。磁定位舱406负责测量井深，为目标端井下测量单元4提供深度数据。井深数据通过单芯电缆8传输至目标端地面单元5。马笼头407为现有技术，其两端分别连接单芯电缆8和磁定位舱406。单芯电缆8通过马笼头407将目标端井下测量单元4和绞车6可靠连接，是目标端井下测量单元4和目标端地面单元5通信的信道，通过调节单芯电缆8的长度实现目标端井下测量单元4的深度调节。

目标端地面单元5如图6所示，包括测井车501、计算机502、接口箱503和打印机504。计算机502、接口箱503和打印机504位于测井车501内。如图7所示，接口箱503包括远程传输接口505和接口箱通信驱动电路506；接口箱503配置有数传电台、网络、电缆三种不同的远程传输接口505，用于与远程数据传输单元7进行数据传输，远程数据传输单元7可不依赖于某一具体方案，只要能够实现目标端地面单元5与司钻指示控制单元301之间的远距离数据传输即可。接口箱503通过接口箱通信驱动电路506接收由单芯电缆8输出的加速度分量G_x、G_y、G_z、地磁信号分量H_dcx、H_dcy、H_dcz和低频交变磁信号H_acx、H_acy、H_acz，并将输入计算机502，计算机502利用近钻头人工磁极模块产生的旋转磁场的频率信号对低频交变磁信号H_acx、H_acy、H_acz进行相敏解调，得到目标端磁场特征信号H_IQ在三个坐标轴上的特征信号H_XI、H_YI、H_ZI和H_XQ、H_YQ、H_ZQ，从而得到目标端磁场特征信号H_IQ的特征分量，分别为H_IQX、H_IQY和H_IQZ。钻头9与目标靶点间的相对倾斜角α为：

$\mathrm{\α}={\mathrm{tg}}^{-1}\left(\frac{H_{\mathrm{IQX}}}{H_{\mathrm{IQZ}}}\right)$

目标靶点的特征方位角

为：

钻头9与目标靶点间的相对方位角θ通过下式得到：

距离r为：

$r=\sqrt[3]{\frac{M}{4\mathrm{\π}{H}_{\min }}}$

式中：M为已知磁矩，H_min为H_IQ信号幅度的最小值。

计算机502解算得到相对倾斜角α与相对方位角θ，相对距离为r，并形成文件通过打印机504打印。如图7所示，计算机502解算的钻头9相对目标靶点的相对方位和距离信息通过远距离传输单元2传至司钻指示控制单元301。

源端控制模块3包括司钻指示控制单元301、钻杆302、随钻测量模块303和钻铤10，如图1所示，司钻指示控制单元301接收经由远距离传输单元2发送的钻头9与目标靶点之间的相对方位和距离，司钻指示控制单元301通过钻杆302连接钻铤10，随钻测量模块303(MWD)测量的近钻头在地理坐标系中的绝对位置和目标靶点在地理坐标系中的绝对位置信息，以钻头9与目标靶点间的相对方位和距离信息为闭环控制参数，通过司钻指示控制单元301实时控制钻头9向目标靶点精确钻进。

本发明所述交变磁场导向装置的工作过程为：

由近钻头人工磁极模块1产生的低频交变磁场信号由目标端地下测量单元4实时采集、解算，并回传至司钻指示控制单元301，以钻铤10与目标靶点间的相对方位和距离为闭环控制参数，形成闭环导向控制系统，控制钻头9依据测得的实时相对方位和距离向目标靶点精确钻进。

其中，近钻头人工磁极模块1为目标端模块2提供交变磁场信号源，由此产生的磁场可以被目标端井下测量单元4的三轴高灵敏度磁通门410捕获，并由目标端地面单元5解算近钻头与目标靶点的相对方位和距离，此外，目标端井下测量单元4还配置有三轴加速度计409，与三轴高灵敏度磁通门410配合使用，还可以测得目标靶点所在位置的井斜、方位和工具面角等信息，上述姿态信息的解算由目标端地面单元5完成。目标端井下测量单元4所测量的三轴加速度信号，代表地磁信号的直流磁信号以及代表近钻头人工源交变磁场信号均通过单芯电缆8上传至目标端地面单元5，在目标端地面单元5的计算机502中完成钻头与目标靶点之间的相对方位和距离解算、处理和显示，同时目标靶点自身的姿态解算也在目标端地面单元5的计算机502中完成，并将结果以界面显示的方式展现给地面工作人员。

目标端地面单元5和目标端井下测量单元4之间依靠绞车6和单芯电缆8相连接。在地面接口箱503上预留有三种远传接口，分别对应数传电台、公用网络和电缆三种远距离传输方式，与远处的源端地面司钻指示控制单元301相连接。

最后由司钻指示控制单元301接收由目标端地面单元解算的钻铤12与目标靶点的相对方位和距离信息，并将收到的数据信息显示在屏幕上，通过司钻控制工作人员操控司钻系统，控制源端钻头进行导向与造斜。

总之，由源端近钻头人工磁极模块1产生的低频交变磁信号经过目标端的采集、处理与解算后反馈回源端司钻指示控制单元301，构成了一个完整的闭环控制系统，如图1所示。通过获得源端钻头与目标靶点的相对方位和距离信息，突破了传统意义上仅依靠源端近钻头方位测量结果的开环控制模式，通过测量钻头与目标靶点间相对方位与距离信息，以其相对方位和距离信息为闭环控制参数，实时控制钻头向目标靶点精确钻进的目标。

基于本装置产生的一种基于有源交变磁场信息的钻井轨道引导定位方法，流程如图8所示，包括以下几个步骤：

步骤一：通过钻头处的磁场信号获取同相参考分量I和正交参考分量Q；

在距离钻头一定距离处，设置磁场，如图9所示，三轴加速度计测量重力矢量G分别在X轴、Y轴、Z轴上的重力加速度分量G_x、G_y、G_z；三轴高灵敏度磁通门测量地球的地磁信号H_dc和钻头处磁场的低频交变磁信号H_ac，其中地磁信号为地球固有。三轴高灵敏度磁通门测量地磁信号H_dc分别在X轴、Y轴、Z轴上地磁信号分量H_dcx、H_dcy、H_dcz，地磁信号分量为直流分量；三轴高灵敏度磁通门测量低频交变磁信号H_ac分别在X轴、Y轴、Z轴上的低频交变磁信号分量H_acx、H_acy、H_acz，低频交变磁信号分量为交流分量。

获取钻头处的磁场信号，判断磁场信号是否属于交变磁信号，如果是交变磁信号，则对Hacz进行希尔伯特变换，构造测量信号正交解调所需的同相参考分量I和正交参考分量Q。

希尔伯特变换为：

$H{z}_h\left(t\right)=\frac{1}{\mathrm{\π}}\underset{-\∞}{\overset{+\∞}{\∫}}\frac{\mathrm{Hz}\left(\mathrm{\τ}\right)}{t-\mathrm{\τ}}\mathrm{d\τ}---\left(1\right)$

其中，Hz_h(t)是信号Hz(t)的希尔伯特变换信号，式中Hz(t)即为H_acz，本发明中正交解调所需的参考信号由Hz_h(t)获得，方法为分别取Hz_h(t)的实部Real(Hz_h(t))与虚部Image(Hz_h(t))，参考信号wt为：

$\mathrm{wt}={\mathrm{tg}}^{-1}\left(\frac{\mathrm{Image}\left({\mathrm{Hz}}_h\left(t\right)\right)}{\mathrm{Real}\left({\mathrm{Hz}}_h\left(t\right)\right)}\right)---\left(2\right)$

则同相参考分量I，正交参考分量Q分别为：

I＝cos(wt)

(3)

Q＝sin(wt)

步骤二：获取目标靶点处椭圆极化磁场的特征信号H_IQ；

通过同相参考分量I和正交参考分量Q分别对三轴交变磁信号H_acx、H_acy、H_acz进行正交解调得到同相分量H_I＝[H_IX，H_IY，H_IZ]和正交分量H_Q＝[H_QX，H_QY，H_QZ]；

其中：

$\left\{\begin{array}{c}{H}_{\mathrm{Ij}}=\∫H_j\cos \left(\mathrm{wt}\right)\mathrm{dt};j=X,Y,Z\\ H_{\mathrm{Qj}}={\∫H}_j\sin \left(\mathrm{wt}\right)\mathrm{dt};j=X,Y,Z\end{array}\right.---\left(4\right)$

通过公式(4)对H_acx、H_acy、H_acz进行正交解调后，得到表征目标端磁场的特征信号同相分量H₁和正交分量H_Q。则椭圆极化的磁场特征信号H_IQ可由公式(5)得出：

H_IQ＝H_I×H_Q    (5)

步骤三：获取钻头与目标靶点间的相对方位；

如图10所示，钻头与目标靶点间的相对倾斜角α、目标靶点的特征方位角

由特征信号

H_IQ表示为：

$\mathrm{\α}={\mathrm{tg}}^{-1}\left(\frac{H_{\mathrm{IQX}}}{H_{\mathrm{IQZ}}}\right)---\left(6\right)$

其中：H_IQX为特征信号H_IQ在X轴的分量；H_IQY为特征信号H_IQ在Y轴的分量；H_IQZ为特征信号H_IQ在Z轴的分量；

相对方位角θ与特征方位角

之间存在以下关系：

其中：θ为相对方位角，公式(8)是由相对方位角θ计算特征方位角的直接公式，由

计算θ时没有直接公式。

当目标靶点的特征方位角由公式(7)解算后，本发明采用查表插值法实现已知特征方位角

计算钻头与目标靶点之间的相对方位角θ，流程如图11所示：

1)设定θ_n为0到90°之间的整数，当θ_n＝0时，当θ_n＝90°时，

则0≤θ_n≤90°，

对任意θ_n得到相应的

θ_n＝1°，2°，...，90°(9)

建立映射表

其中n＝0，1，2，...，90。

2)如果公式(7)得到的

查询映射表

则

与对应的θ即为相对方位角。

3)如果公式(7)得到的

则设找出所在的区间

则：

其中k_n为斜率，则与对应的相对方位角为：

步骤四：获取钻头与目标靶点间的相对距离；

由于目标靶点处的合成磁场被椭圆极化，定义短轴H_short为H_IQ信号幅度的最小值，短轴H_short与距离r的关系为：

$r=\sqrt[3]{\frac{M}{4\mathrm{\π}{H}_{\min }}}---\left(12\right)$

其中：M为已知磁矩，则钻头与目标靶点之间的距离可由公式(12)测得。

步骤五：通过钻头与目标靶点间的相对方位和相对距离，控制钻头钻进。

通过钻头与目标靶点之间的相对倾斜角、相对方位角和相对距离，确定钻头与目标靶点的相对位置信息，引导钻头向目标靶点钻进。

Claims (4)

1.一种交变磁场导向装置，其特征在于：包括近钻头人工磁极模块、目标端模块和源端控制模块；

近钻头人工磁极模块位于源端控制模块的近钻头处，发射低频交变磁场信号，目标端模块采集近钻头人工磁极模块所发射的低频交变磁场信号，并解算钻头与目标靶点间的相对方位和距离，钻头与目标靶点间的相对方位和距离信息通过目标端模块的远距离传输单元传输至源端控制模块的司钻指示控制单元，由司钻指示控制单元根据所收到的钻头与目标靶点间的相对方位和距离信息调整钻头的钻进方向，实现控制钻头向目标靶点精确钻进；

所述的目标端模块包括目标端井下测量单元、目标端地面单元、绞车和远距离传输单元；

目标端井下测量单元包括减震定位装置、传感器舱、电路舱、微机舱、电源舱、磁定位舱、马笼头和外壳；减震定位装置、传感器舱、电路舱、微机舱、电源舱、磁定位舱位于外壳内，减震定位装置与外壳最前端固定连接，具有定位和减震作用；传感器舱包括一组三轴加速度计和一组三轴高灵敏度磁通门，设传感器舱的轴线方向为Z轴，与轴线方向垂直的平面，设定相互正交的X轴、Y轴方向，X轴、Y轴、Z轴两两相互正交，三轴加速度计和三轴高灵敏度磁通门的三个轴向方向分别在X轴、Y轴、Z轴方向，三轴加速度计测量重力矢量G分别在X轴、Y轴、Z轴上的重力加速度分量G_x、G_y、G_z；三轴高灵敏度磁通门所测信号包括地磁信号H_dc和低频交变磁信号H_ac，其中地磁信号为地球固有，低频交变磁信号由近钻头人工磁极模块产生；三轴高灵敏度磁通门测量地磁信号H_dc分别在X轴、Y轴、Z轴上地磁信号分量H_dcx、H_dcy、H_dcz，地磁信号分量为直流分量；三轴高灵敏度磁通门测量低频交变磁信号H_ac分别在X轴、Y轴、Z轴上的低频交变磁信号分量H_acx、H_acy、H_acz，低频交变磁信号分量为交流分量；传感器舱与电路舱通过航空多芯电缆连接，将三轴加速度计所测的重力加速度分量G_x、G_y、G_z，三轴高灵敏度磁通门所测的地磁信号分量H_dcx、H_dcy、H_dcz和低频交变磁信号分量H_acx、H_acy、H_acz传输至电路舱；

电路舱接收并调理传感器舱提供的原始信号，电路舱接收三轴加速度计测量的重力矢量三轴的加速度分量G_x，G_y，G_z；接收三轴高灵敏度交流磁通门测量的直流分量H_dcx、H_dcy、H_dcz和交流分量H_acx、H_acy、H_acz；电路舱采用RC滤波电路将三轴高灵敏度交流磁通门测量的直流分量与交流分量分离，采用OP27放大器将加速度分量G_x，G_y，G_z、直流分量H_dcx，H_dcy，H_dcz、交流分量H_acx，H_acy，H_acz的信号幅度调整到±10伏以内，并通过航空多芯电缆传输给微机舱；微机舱包括CPU、数据采集电路和通信驱动电路，数据采集电路采用多路同步模拟-数字转换芯片AD7656，在CPU的控制下，通过数据采集电路采集G_x、G_y、G_z、H_dcx、H_dcy、H_dcz、H_acx、H_acy、H_acz；通信驱动电路将所采集的数据进行曼彻斯特编码，并通过单芯电缆上传至目标端地面单元；微机舱与电源舱通过航空多芯电缆连接；电源舱通过单芯电缆从地面获得的交流电压转换为目标端井下测量单元所需的直流电压，通过航空多芯电缆向传感器舱、电路舱、微机舱和磁定位舱供电；磁定位舱测量井深，井深数据通过单芯电缆传输至目标端地面单元；马笼头两端分别连接单芯电缆和磁定位舱；单芯电缆通过马笼头将目标端井下测量单元和绞车固定连接，通过调节单芯电缆的长度实现目标端井下测量单元的深度调节；

目标端地面单元包括测井车、计算机、接口箱和打印机；计算机、接口箱和打印机位于测井车内；接口箱包括远程传输接口和接口箱通信驱动电路；接口箱设有远程传输接口，用于与远程数据传输单元进行数据传输，接口箱通过接口箱通信驱动电路接收由单芯电缆输出的加速度分量G_x、G_y、G_z、地磁信号分量H_dcx、H_dcy、H_dcz和低频交变磁信号H_acx、H_acy、H_acz，并将其输入计算机，计算机利用近钻头人工磁极模块产生的旋转磁场的频率信号对低频交变磁信号H_acx、H_acy、H_acz进行相敏解调，得到目标端磁场特征信号H_IQ在三个坐标轴上的特征信号H_XI、H_YI、H_ZI和H_XQ、H_YQ、H_ZQ，从而得到目标端磁场特征信号H_IQ的特征分量，分别为H_IQX、H_IQY和H_IQZ；钻头与目标靶点间的相对倾斜角α为：

$\mathrm{\α}={\mathrm{tg}}^{-1}\left(\frac{H_{\mathrm{IQX}}}{H_{\mathrm{IQZ}}}\right)---\left(1\right)$

目标靶点的特征方位角

为：

钻头与目标靶点间的相对方位角θ通过下式得到：

距离r为：

$r=\sqrt[3]{\frac{M}{4\mathrm{\π}{H}_{\min }}}---\left(4\right)$

式中：H_min为H_IQ信号幅度的最小值，M为已知磁矩；

计算机解算得到相对倾斜角α与相对方位角θ，相对距离为r，通过打印机打印；计算机解算的钻头相对目标靶点的相对方位和距离信息通过远距离传输单元传至司钻指示控制单元。

2.根据权利要求1所述的一种交变磁场导向装置，其特征在于：所述的近钻头人工磁极模块为，在钻铤的剖面上打六个通孔，在六个通孔中嵌入六组交流线圈，每两个交流线圈间隔30°，交流线圈内的交流激励电流相位两两相差π/6。

3.根据权利要求1所述的一种交变磁场导向装置，其特征在于：所述的近钻头人工磁极模块为，在钻铤的剖面上打六个通孔，在六个通孔中设有永磁体。

4.根据权利要求1所述的一种交变磁场导向装置，其特征在于：所述的源端控制模块包括司钻指示控制单元、钻杆、随钻测量模块和钻铤，司钻指示控制单元接收经由远距离传输单元发送的钻头与目标靶点之间的相对方位和距离，司钻指示控制单元通过钻杆连接钻铤，随钻测量模块测量近钻头在地理坐标系中的绝对位置，以钻头与目标靶点间的相对方位和距离信息为闭环控制参数，通过司钻指示控制单元实时控制钻头向目标靶点精确钻进。

Images