CN103266853A - 基于单脉冲磁矩测量的钻杆定向方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于单脉冲磁矩测量的钻杆定向方法及装置，其装置包括脉冲磁矩单元、地面测量单元和地面计算显示单元，脉冲磁矩单元安装在钻杆内，地面测量单元和地面计算显示单元分别设置在地面上且两者通过无线通信；该脉冲磁矩单元包括磁场线圈、微控制器、高压电容、联动电控开关A、联动电控开关B、时钟芯片、倍压升压单元和电池组；当微控制器在时钟芯片的驱动下控制联动电控开关A接通和联动电控开关B断开时，则高压电容充电，当微控制器在时钟芯片的驱动下控制联动电控开关A断开和联动电控开关B接通，则高压电容放电产生磁场；倍压升压单元实现电池组电压的变换；本发明能够对磁场环境进行实时动态补偿，其测量精度较高。

Description

基于单脉冲磁矩测量的钻杆定向方法及装置

技术领域

本发明涉及一种基于单脉冲磁矩测量的钻杆定向装置，以及涉及一种钻杆定向装置，属于定向钻进中的导向技术领域。

背景技术

非开挖技术是新兴的施工技术，可以在不对路面“开膛破肚”的情况下进行地下管道的施工。水平定向钻进是非开挖技术的核心，定向技术是水平定向钻进的关键。

目前的定向技术，大多采用磁传感器、陀螺仪与加速度计相结合的方式对钻杆的方位角与倾角进行测量。磁传感器易受外部磁干扰的影响，陀螺仪的漂移较大，加速度计在动态环境下误差较大，因而采用磁传感器、陀螺仪与加速度计相结合的方式，测量精度不高。还有一种将电子罗盘应用于非开挖施工中技术，但是机械结构复杂，且对周围的磁场环境非常敏感，使用受限且测量误差较大（超过5%）。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于单脉冲磁矩测量的钻杆定向装置，钻杆内仅需一个脉冲磁矩单元就可实现钻杆定向，无需加速度计，也无需陀螺仪。

本发明还提供了一种钻杆定向方法，能够对磁场环境进行实时动态补偿，并且不会像陀螺仪一样产生漂移误差，其测量精度较高。

一种基于单脉冲磁矩测量的钻杆定向装置，该钻杆定向装置包括脉冲磁矩单元、地面测量单元和地面计算显示单元，脉冲磁矩单元安装在钻杆内，地面测量单元和地面计算显示单元分别设置在地面上且两者通过无线通信；脉冲磁矩单元用于产生磁场，地面测量单元用来采集环境磁场的参数，地面计算显示单元根据地面测量单元采集的参数对钻杆的位置和钻头的方向进行计算并显示；

该脉冲磁矩单元包括磁场线圈、微控制器、高压电容、联动电控开关A、联动电控开关B、时钟芯片、倍压升压单元和电池组；倍压升压单元通过联动电控开关A与磁场线圈的一端连接，倍压升压单元通过联动电控开关B与磁场线圈的另一端连接，高压电容一端与联动电控开关A连接，另一端与联动电控开关B连接，微控制器分别与联动电控开关A的控制端、联动电控开关B的控制端和时钟芯片连接，电池组分别给倍压升压单元和高压电容供电；

当微控制器在时钟芯片的驱动下控制联动电控开关A接通和联动电控开关B断开时，则高压电容充电，当微控制器在时钟芯片的驱动下控制联动电控开关A断开和联动电控开关B接通时，则高压电容放电产生磁场；倍压升压单元实现电池组电压的变换。

所述的地面计算显示单元为磁力梯度张量仪。

一种钻杆定向装置的钻杆定向方法，其具体方法步骤如下：

步骤一：将脉冲磁矩单元安装在钻杆的头部内，且使脉冲磁矩单元中磁场线圈的轴向与钻杆的轴向平行；

步骤二：将地面计算显示单元和地面测量单元分别设置在钻杆上方的路面上，利用全站仪测量出地面测量单元的倾角，并调节使其处于水平且保持静止状态；

步骤三：当钻杆未伸入地下，且脉冲磁矩单元未产生磁场时，地面计算显示单元记录此时地面测量单元测量环境磁场的梯度张量输出G₀和磁感应强度输出B₀；

步骤四：将钻杆伸入地下至预定位置时，外部单片机给时钟芯片发出控制信号，使脉冲磁矩单元产生磁场，地面计算显示单元记录此时地面测量单元测量环境磁场的梯度张量输出G₁和磁感应强度输出B₁，并根据公式（1）和公式（2）分别计算出脉冲磁矩单元的位置r（x，y，z）和三分量磁矩M，所述位置r和磁矩M基于的坐标系为：以地面测量单元的正前方为X轴，以右手定则建立的三维坐标系（x，y，z）；

$r=\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ z\end{array}\right]=3{[G_1-G_0]}^{-1}(B_1-B_0)---\left(1\right)$

$M=\left[\begin{array}{c}{M}_x\\ M_y\\ M_z\end{array}\right]=\frac{4\mathrm{\π}{(x^2+y^2+z^2)}^{5/2}}{{\mathrm{\μ}}_0}{\left[\begin{array}{ccc}{2x}^2-y^2-z^2& 3\mathrm{xy}& 3\mathrm{xz}\\ 3\mathrm{xy}& {2y}^2-x^2-z^2& 3\mathrm{yz}\\ 3\mathrm{xz}& 3\mathrm{yz}& {2z}^2-y^2-x^2\end{array}\right]}^{-1}(B_1-B_0)---\left(2\right)$

其中，μ₀为真空磁导率且为常量；

步骤五：设地面测量单元的正前方为0°方向，逆时针为角度的正方向，地面计算显示单元根据公式（3）和公式（4）求得钻杆的相对方位角；

$\mathrm{\α}=\arccos \frac{M_x}{\sqrt{M_x^2+M_y^2}}---\left(3\right)$

根据公式（4）求得钻杆的倾斜角；

$\mathrm{\β}=\arccos \frac{\sqrt{{M_x}^2+{M_y}^2}}{\sqrt{{M_x}^2+{M_y}^2+{M_z}^2}}---\left(4\right)$

其中，α为钻杆待作业的方向与X轴的夹角，β为钻杆待作业的方向与XOY平面的夹角；

经过上述步骤就得到钻杆的位置和无磁钻杆钻头的方向。

有益效果：

（1）本发明的钻杆定向装置采用脉冲磁矩单元，其能在电池供电的情况通过电容倍压升压的方式下产生较强的磁场，且在脉冲磁矩单元未产生磁场的时候，地面测量单元可以采集环境磁场将其作为动态的干扰进行实时补偿。

（2）本发明的钻杆定向方法通过分时采集环境磁场的与叠加了环境磁场干扰的脉冲磁矩的梯度，进而精确计算出脉冲磁矩的梯度与三分量磁矩，其测量精度高。

附图说明

图1为本发明钻杆定向装置的原理图。

图2为本发明脉冲磁矩单元的组成图。

图3为本发明坐标系及方向的定义。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

如附图1所示，本发明提供了一种基于单脉冲磁矩测量的钻杆定向装置，该钻杆定向装置包括脉冲磁矩单元、地面测量单元和地面计算显示单元，地面测量单元采用磁力梯度张量仪，外围设备包括无磁钻杆和全站仪，脉冲磁矩单元安装在无磁钻杆内，地面测量单元和地面计算显示单元分别设置在地面上且两者通过无线通信；脉冲磁矩单元用于产生磁场，地面测量单元用来采集环境磁场的参数，地面计算显示单元根据地面测量单元采集的参数对钻杆的位置和钻头的方向进行计算并显示；全站仪的用于测量地面测量单元的绝对方位角及倾角，保证地面测量单元的处于水平状态。

所述的脉冲磁矩单元每间隔一定的时间产生一个强磁场脉冲，且磁场是由高压产生的大电流产生的，且持续时间为1ms～100ms；脉冲磁场的间隔时间是可程序设定的，其范围在1s～600s之间；该脉冲磁矩单元可以在电池供电的情况下产生较强的磁场，从而达到较高的信噪比。

如附图2所示，脉冲磁矩单元包括磁场线圈、微控制器、高压电容、联动电控开关A、联动电控开关B、时钟芯片、倍压升压单元和电池组；当微控制器在时钟芯片的驱动下控制联动电控开关A接通（接通触点）和联动电控开关B断开（接通控制端）时，则高压电容充电，当微控制器在时钟芯片的驱动下控制联动电控开关A断开（接通控制端）和联动电控开关B接通时（接通触点），则高压电容放电产生磁场；倍压升压单元实现电池组电压的变换。

其中磁场线圈由密绕的螺线管与圆棒状的磁芯材料组成，磁芯的两端加工成标准的二次曲面（球面或者椭球面），以保证其能被最大程度地均匀磁化，这种设计能够以较小的体积产生较大的磁场能量。

倍压升压单元能够在提供较大电压（不低于200V）的同时提供较大的电流（不低于10A），并持续一定的时间（不低于1ms）。

连接关系：倍压升压单元通过联动电控开关A与磁场线圈的一端连接，倍压升压单元通过联动电控开关B与磁场线圈的另一端连接，高压电容一端与联动电控开关A连接，另一端与联动电控开关B连接，微控制器分别与联动电控开关A的控制端、联动电控开关B的控制端和时钟芯片连接，电池组分别给倍压升压单元和高压电容供电。

所述的地面测量单元实时进行磁场的三分量与磁场的梯度张量测量，并计算脉冲磁矩单元的三分量磁矩，根据脉冲磁矩单元的三分量磁矩计算出无磁钻杆的方位角，从而实现对钻杆的定向；它采用磁力梯度张量仪，磁力梯度张量仪同时进行磁场的三分量与磁场的梯度张量测量。

一种钻杆定向方法，该定向方法的核心在于单脉冲磁矩的实时高精度测量。该方法通过分时采集环境磁场的与叠加了环境磁场干扰的脉冲磁矩的梯度，进而精确计算出脉冲磁矩的梯度与三分量磁矩，再根据脉冲磁矩的三分量，计算出无磁钻杆的方位角与倾斜角。

其具体方法步骤如下：

步骤一：将脉冲磁矩单元安装在无磁钻杆的头部内，且使脉冲磁矩单元中磁场线圈的轴向与无磁钻杆的轴向平行；

步骤二：将地面计算显示单元和地面测量单元分别设置在无磁钻杆上方的路面上，利用全站仪测量出地面测量单元的倾角，并调节使其处于水平且保持静止状态；

步骤三：当无磁钻杆未伸入地下，即脉冲磁矩单元未产生磁场时，地面计算显示单元记录此时磁力梯度张量仪测量环境磁场的梯度张量输出G₀和磁感应强度输出B₀；

步骤四：将无磁钻杆伸入地下约5m深时，外部单片机给时钟芯片发出控制信号，则脉冲磁矩单元产生磁场，地面计算显示单元记录此时张量磁力梯度仪测量环境磁场的梯度张量输出G₁和磁感应强度输出B₁，并根据公式（1）和公式（2）分别计算出脉冲磁矩单元的位置r（x，y，z）和三分量磁矩M，所述位置r和磁矩M基于的坐标系为：以地面测量单元的正前方为X轴，以右手定则建立的三维坐标系（x，y，z）；

$r=\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ z\end{array}\right]=3{[G_1-G_0]}^{-1}(B_1-B_0)---\left(1\right)$

$M=\left[\begin{array}{c}{M}_x\\ M_y\\ M_z\end{array}\right]=\frac{4\mathrm{\π}{(x^2+y^2+z^2)}^{5/2}}{{\mathrm{\μ}}_0}{\left[\begin{array}{ccc}{2x}^2-y^2-z^2& 3\mathrm{xy}& 3\mathrm{xz}\\ 3\mathrm{xy}& {2y}^2-x^2-z^2& 3\mathrm{yz}\\ 3\mathrm{xz}& 3\mathrm{yz}& {2z}^2-y^2-x^2\end{array}\right]}^{-1}(B_1-B_0)---\left(2\right)$

其中，μ₀为真空磁导率且为常量；

即可得 $r=\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ z\end{array}\right]=3\×{\left[\begin{array}{c}65.77-8.6820.99\\ -8.68-14.36-77.27\\ 20.99-77.27-51.41\end{array}\right]}^{-1}\left[\begin{array}{c}-72.33\\ 141.66\\ 121.54\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}2.00\\ 2.00\\ 4.90\end{array}\right]m;$

$M=\left[\begin{array}{c}{M}_x\\ M_y\\ M_z\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}255.77\\ -132.20\\ 85.50\end{array}\right]{\mathrm{Am}}^2.$

步骤五：如附图3所示，设地面测量单元的正前方为0°方向，逆时针为角度的正方向，地面计算显示单元根据公式（3）和公式（4）求得无磁钻杆的相对方位角；

$\mathrm{\α}=\arccos \frac{M_x}{\sqrt{M_x^2+M_y^2}}---\left(3\right);$

根据公式（4）求得无磁钻杆的倾斜角；

$\mathrm{\β}=\arccos \frac{\sqrt{{M_x}^2+{M_y}^2}}{\sqrt{{M_x}^2+{M_y}^2+{M_z}^2}}---\left(4\right);$

其中，α为无磁钻杆待作业的方向与X轴的夹角，β为无磁钻杆待作业的方向与XOY平面的夹角；

可得

经过上述步骤就得到无磁钻杆的位置和无磁钻杆钻头的方向。

若利用倾角仪测得钢管的倾角为16.5°，通过定向电子罗盘测得钢管的方位角为-27.3°，则本发明测得的结果与其他方式测得的结果误差小于0.05°，这是一个精度较高的结果，即本发明提供的方法测得的结果与倾角仪、电子罗盘的测试结果是一致的。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于单脉冲磁矩测量的钻杆定向装置，其特征在于，该钻杆定向装置包括脉冲磁矩单元、地面测量单元和地面计算显示单元，脉冲磁矩单元安装在钻杆内，地面测量单元和地面计算显示单元分别设置在地面上且两者通过无线通信；脉冲磁矩单元用于产生磁场，地面测量单元用来采集环境磁场的参数，地面计算显示单元根据地面测量单元采集的参数对钻杆的位置和钻头的方向进行计算并显示；

该脉冲磁矩单元包括磁场线圈、微控制器、高压电容、联动电控开关A、联动电控开关B、时钟芯片、倍压升压单元和电池组；倍压升压单元通过联动电控开关A与磁场线圈的一端连接，倍压升压单元通过联动电控开关B与磁场线圈的另一端连接，高压电容一端与联动电控开关A连接，另一端与联动电控开关B连接，微控制器分别与联动电控开关A的控制端、联动电控开关B的控制端和时钟芯片连接，电池组分别给倍压升压单元和高压电容供电；

当微控制器在时钟芯片的驱动下控制联动电控开关A接通和联动电控开关B断开时，则高压电容充电，当微控制器在时钟芯片的驱动下控制联动电控开关A断开和联动电控开关B接通时，则高压电容放电产生磁场；倍压升压单元实现电池组电压的变换。

2.如权利要求1所述的基于单脉冲磁矩测量的钻杆定向装置，其特征在于，所述的地面计算显示单元为磁力梯度张量仪。

3.一种如权利要求1所述钻杆定向装置的钻杆定向方法，其特征在于，其具体方法步骤如下：

步骤一：将脉冲磁矩单元安装在钻杆的头部内，且使脉冲磁矩单元中磁场线圈的轴向与钻杆的轴向平行；

步骤二：将地面计算显示单元和地面测量单元分别设置在钻杆上方的路面上，利用全站仪测量出地面测量单元的倾角，并调节使其处于水平且保持静止状态；

步骤三：当钻杆未伸入地下，且脉冲磁矩单元未产生磁场时，地面计算显示单元记录此时地面测量单元测量环境磁场的梯度张量输出G₀和磁感应强度输出B₀；

步骤四：将钻杆伸入地下至预定位置时，外部单片机给时钟芯片发出控制信号，使脉冲磁矩单元产生磁场，地面计算显示单元记录此时地面测量单元测量环境磁场的梯度张量输出G₁和磁感应强度输出B₁，并根据公式（1）和公式（2）分别计算出脉冲磁矩单元的位置r（x，y，z）和三分量磁矩M，所述位置r和磁矩M基于的坐标系为：以地面测量单元的正前方为X轴，以右手定则建立的三维坐标系（x，y，z）；

$r=\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ z\end{array}\right]=3{[G_1-G_0]}^{-1}(B_1-B_0)---\left(1\right)$

$M=\left[\begin{array}{c}{M}_x\\ M_y\\ M_z\end{array}\right]=\frac{4\mathrm{\π}{(x^2+y^2+z^2)}^{5/2}}{{\mathrm{\μ}}_0}{\left[\begin{array}{ccc}{2x}^2-y^2-z^2& 3\mathrm{xy}& 3\mathrm{xz}\\ 3\mathrm{xy}& {2y}^2-x^2-z^2& 3\mathrm{yz}\\ 3\mathrm{xz}& 3\mathrm{yz}& {2z}^2-y^2-x^2\end{array}\right]}^{-1}(B_1-B_0)---\left(2\right)$

其中，μ₀为真空磁导率且为常量；

步骤五：设地面测量单元的正前方为0°方向，逆时针为角度的正方向，地面计算显示单元根据公式（3）和公式（4）求得钻杆的相对方位角；

$\mathrm{\α}=\arccos \frac{M_x}{\sqrt{M_x^2+M_y^2}}---\left(3\right)$

根据公式（4）求得钻杆的倾斜角；

$\mathrm{\β}=\arccos \frac{\sqrt{{M_x}^2+{M_y}^2}}{\sqrt{{M_x}^2+{M_y}^2+{M_z}^2}}---\left(4\right)$

其中，α为钻杆待作业的方向与X轴的夹角，β为钻杆待作业的方向与XOY平面的夹角；

经过上述步骤就得到钻杆的位置和无磁钻杆钻头的方向。

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