CN104060983B - 有线地磁随钻导向仪及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种有线地磁随钻导向仪及测量方法，以地球的重力场和地磁场为参考点，建立三维参考坐标系，采用惯性器件石英挠性重力加速度计和磁通门式磁力计作为随钻测量传感器，根据随钻测量传感器的测量数据计算出钻进方位角、俯仰角和钻具面角，有线地磁导向仪专用软件包，用于钻前工程设计，根据工程要求设计出钻进轨迹，并对导向数据进行计算、处理，引导钻进轨迹跟踪设计轨迹，记录、打印钻孔轨迹数据表。本发明采用地面供电，导向传感器测量数据由线缆传送，测量精度高、导向精确，不受定向穿越的深度与距离的限制，能满足长距离、大深度导向钻进施工要求。

Description

有线地磁随钻导向仪及测量方法

技术领域

本发明涉及长距离、大深度定向穿越工程中的有线地磁随钻导向钻进系统，特别涉及一种基于石英挠性重力加速度计和磁通门式磁力计作为敏感元件进行导向的测量仪器及测量方法。

背景技术

在定向穿越工程中，通过有线地磁随钻导向钻进系统，施工人员能够准确地知道当前地下钻头的深度、位置、钻头的俯仰角、钻进方位角和导向钻具面角。施工人员通过控制地下钻头的深度、位置、俯仰角、钻进方位角和钻具面角，可以准确的控制导向钻具跟踪预先设计的钻孔轨迹，实现定向穿越。

地下钻头的深度、位置，是由随钻导向仪探头实时传送的地下钻头的磁方位角、俯仰角以及钻进距离等数据由便携计算机准确地计算出来的。现在常用的无线导向系统因受电磁波在地层中传输距离的限制，导向钻进穿越深度浅，一般深度在10—15米，最大不超过20米。无线导向系统因受随钻电池供电寿命的限制，一般工作时间8—12小时。当定向穿越工程深度大于20米，由于穿越距离长或其它原因导致钻进时间大于12小时，无线导向系统无法胜任。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有的无线导向系统穿越深度浅、穿越距离短，不能满足当前长距离、大深度导向钻进施工要求的缺点。提供一种采用地面供电，导向传感器测量数据由线缆传送，测量精度高、导向精确，不受定向穿越深度与距离的限制，能满足长距离、大深度导向钻进施工要求的有线地磁随钻导向仪及测量方法。

本发明的技术方案：有线地磁随钻导向仪包括随钻测量和地面设备两部分，随钻测量和地面设备两部分之间通过线缆通信，随钻测量部分包括随钻导向仪探头，该随钻导向仪探头的上接头设置内腔，其前端密封安装有单芯密封塞，其后端连接有变压器外壳，线缆从单芯密封塞经过上接头内腔后与变压器外壳内安装的变压器连接；所述变压器外壳后端连接有电路骨架，在变压器外壳与电路骨架之间的连接区域安装有电路板；在电路骨架内分别以相互垂直的三个方向即在三维仪器坐标系中设置有传感器安装槽，在每个传感器安装槽内分别安装相应敏感元件，每组敏感元件含有磁传感器、重力加速度计各一只。从而在三维仪器坐标系中，三组敏感元件正交安装，每个测量轴放置一组敏感元件。在电路骨架的下方安装有下接头，在上接头与下接头之间密封安装有耐压钢管。在所述上接头的前端还密封连接有锥形的保护筒，保护筒前端安装有压紧帽，线缆从压紧帽中心孔引出。所述随钻导向仪探头的外侧还套装有仪器仓，在随钻导向仪探头与仪器仓之间设置有减震组件，减震组件是在随钻导向仪探头的上接头和下接头分别连接有支撑套，支撑套外侧设置有弹簧座，在弹簧座与仪器仓内腔之间连接有弹簧。在随钻导向仪探头与仪器仓之间还设置有定位机构，定位机构是在随钻导向仪探头的下接头外侧套固有定位筒，同时在仪器仓侧面设置有与定位筒配合定位的定位螺栓。

有线地磁随钻导向测量方法：随钻测量和地面设备两部分之间通过线缆通信，通信方式为ASK调制。随钻测量部分即随钻导向仪探头采用航天固态惯性导航技术，它的测量原理基于两个坐标系，即仪器的参考坐标系和测量坐标系。参考坐标系由地球的重力场和地磁场建立，仪器的测量坐标是由安装在随钻导向仪探头内的三组敏感元件(每组敏感元件含有磁传感器、重力加速度计各一只)正交安装建立，即在三维仪器坐标系中，每个测量轴放置一组敏感元件。通过计算两坐标系之间的夹角，求出仪器在钻眼中的钻进方位角、俯仰角和钻具面角。

采用惯性器件石英挠性重力加速度计和磁通门式磁力计作为敏感元件；

钻进方位角、俯仰角和钻具面角基本定义和计算公式如下：

钻进方位角α—表示导向传感器顺时针偏离磁北的角度，式(1)是α角的计算公式：

俯仰角β—以水平面为0°，高于水平面为正，低于水平面为负，式(2)是β角的计算公式：

钻具面角γ—绕仪器轴按顺时针方向转动的角度，式(3)是γ角的计算公式：

其中M代表磁力，G代表重力加速度，RB代表工具面角，DEV代表井斜度。

随钻导向仪探头的测量信号由随钻导向仪探头内的单片机利用式(1、2、3)计算出钻进方位角、俯仰角和钻具面角数据。钻进方位角、俯仰角和钻具面角数据由随钻导向仪探头的ASK调制器变换为ASK信号，ASK信号通过线缆送到地面的接口电路面板。

(2)地面设备包括一台便携计算机、一台接口电路面板和一台司钻显示器。

便携计算机：机内安装有线地磁导向仪专用软件包，用于钻前工程设计，计算、处理随钻导向仪探头通过接口电路面板传送的数据，显示钻进轨迹和钻进工程数据。

接口电路面板：接口电路面板有三种主要功能，一是沟通随钻导向仪探头与便携计算机之间的通信，二是接收随钻导向仪探头发送的ASK信号，对ASK信号解码，送单片机进行编码处理。单片机编码处理完通过USB口送便携计算机。三是通过内置电源变换器向随钻向导向传感器供电。

司钻显示器：司钻显示器接收便携计算机传送的数据，显示司钻表等图形和钻进数据。

本发明的积极有益效果：

(1)本发明的有线地磁导向仪采用地面供电，导向传感器测量数据由线缆传送，不受定向穿越的深度与距离限制，能满足长距离、大深度导向钻进施工要求。

(2)本发明的有线地磁导向仪采用惯性导航技术，随钻测量部件导向传感器是使用高精度的惯性器件石英挠性重力加速度计和磁通门式磁力计作为测量传感器，测量精度高、导向精确。

(3)本发明含有一个有线地磁导向仪专用软件包，使用专用软件包可以方便地设计钻孔轨迹，使用专用软件包可以保存、打印钻孔轨迹数据。

(4)本发明在钻进施工中实时显示钻具钻进轨迹，当钻进轨迹偏离设计时有轨迹图显示、偏离距离数字显示并且有偏离音响提示。能准确有效地保证导向精度。

(5)本发明选用高集成度、低功耗、军品级元器件设计、制造，结构采用较完善的减震措施，适用于50吨以上的各种大型水平定向钻机。具有较好的推广应用前景。

(6)本发明在河南郑州某河穿越工程、南水北调渠穿越工程、河南平顶山某河穿越工程中进行试用，都取得了较好的施工效果。

附图说明

图1是本发明系统方框原理图；

图2是本发明随钻导向仪探头的方框原理图；

图3是本发明随钻导向仪的外观结构示意图；

图4是图3的内部结构示意图；

图5是图4的俯视图；

图6是图4的左视图；

图7是随钻导向仪与仪器仓装配关系图；

图8是设计界面，用于钻孔穿越轨迹设计；

图9是钻孔穿越轨迹设计完成后，电脑自动生成穿越轨迹剖面图和穿越轨迹平面图；

图10是施工完成后的设计轨迹曲线和导向孔钻进轨迹曲线图，图中实线是实际钻进轨迹，虚线段是设计轨迹；

图11是钻进轨迹数据表，数据表定量描述了钻孔轨迹参数，记录了钻孔轨迹各点的空间位置。

图中标号，1和2分别为电路板，3为磁通门式磁力计，4为电源骨架，5为螺套一，6为绝缘套，7为压板一，8为压板二，9为上接头，10为定位接头，11为垫圈，12、13、14、15、16分别为密封圈，17为内六角螺钉，18和19为沉头螺钉，20为圆柱头螺钉，21为盘头螺钉，22为弹簧垫圈，23为变压器，24为石英挠性重力加速度计，25为单芯密封塞，26为耐压钢筒，27为下接头，28为保护筒，29为压紧帽，30为垫圈，31为减压组件，32为仪器仓，33为内套筒，34为外套筒，35为定位管，36为定位螺栓，37为弹性挡圈。

具体实施方式

下面结合具体工程实例对本发明作进一步详细说明。

实施例1：参见图1-图7，有线地磁随钻导向仪包括随钻测量和地面设备两部分，随钻测量和地面设备两部分之间通过线缆通信，随钻测量部分包括随钻导向仪探头，该随钻导向仪探头的上接头9设置内腔，其前端密封安装有单芯密封塞25，其后端连接有变压器外壳，线缆从单芯密封塞25经过上接头内腔后与变压器外壳内安装的变压器23连接；所述变压器外壳后端连接有电路骨架4，在变压器外壳与电路骨架之间的连接区域安装有电路板1和2；在电路骨架4内分别以相互垂直的三个方向即在三维仪器坐标系中设置有传感器安装槽，在每个传感器安装槽内分别安装相应敏感元件，每组敏感元件含有磁传感器、重力加速度计各一只。从而在三维仪器坐标系中，三组敏感元件正交安装，每个测量轴放置一组敏感元件。在电路骨架的下方安装有下接头，在上接头与下接头27之间密封安装有耐压钢管26。在所述上接头的前端还密封连接有锥形的保护筒28，保护筒前端安装有压紧帽，线缆从压紧帽29中心孔引出。所述随钻导向仪探头的外侧还套装有仪器仓，在随钻导向仪探头与仪器仓之间设置有减震组件31，减震组件是在随钻导向仪探头的上接头9和下接头27分别连接有支撑套，支撑套外侧设置有弹簧座，在弹簧座与仪器仓内腔之间连接有弹簧。在随钻导向仪探头与仪器仓之间还设置有定位机构，定位机构是在随钻导向仪探头的下接头27外侧套固有定位筒35，同时在仪器仓侧面设置有与定位筒配合定位的定位螺栓36。

实施例2：参见图1、图2、图8-图11，有线地磁随钻导向测量方法包括随钻测量和地面设备两部分，两部分之间通过线缆通信，通信方式为ASK调制。随钻测量部分即随钻导向仪探头采用航天固态惯性导航技术，它的测量原理基于两个坐标系，即仪器的参考坐标系和测量坐标系。参考坐标系由地球的重力场G和地磁场M建立，仪器的测量坐标是由安装在随钻导向仪探头内的三组敏感元件(每组敏感元件含有磁传感器、重力加速度计各一只)正交安装建立，即在三维仪器坐标系中，每个测量轴放置一组敏感元件。通过计算两坐标系之间的夹角，求出仪器在钻眼中的钻进方位角、俯仰角和钻具面角。

采用惯性器件石英挠性重力加速度计和磁通门式磁力计作为敏感元件；

钻进方位角、俯仰角和钻具面角基本定义和计算公式如下：

钻进方位角α—表示导向传感器顺时针偏离磁北的角度，式(1)是α角的计算公式：

俯仰角β—以水平面为0°，高于水平面为正，低于水平面为负，式(2)是β角的计算公式：

钻具面角γ—绕仪器轴按顺时针方向转动的角度，式(3)是γ角的计算公式：

其中M代表磁力，G代表重力加速度，RB代表工具面角，DEV代表井斜度。

随钻导向仪探头的测量信号由随钻导向仪探头内的单片机利用式(1、2、3)计算出钻进方位角、俯仰角和钻具面角数据。钻进方位角、俯仰角和钻具面角数据由随钻导向仪探头的ASK调制器变换为ASK信号，ASK信号通过线缆送到地面的接口电路面板。

(2)地面设备包括一台便携计算机、一台接口电路面板和一台司钻显示器。图1中，1、安装在无磁钻铤中的随钻导向仪探头；2、穿接在钻杆内的导线、钻杆和大地；3、地面设备，由：便携计算机、司钻显示、接口电路面板(具有向系随钻导向仪探头供电、ASK解调、通信等功能)组成。导向仪设备安放在一个专用便携装备箱内，便于运输和存放。工作时从便携装备箱内取出，按照操作手册说明安装、连接。

便携计算机：机内安装有线地磁导向仪专用软件包，用于钻前工程设计，计算、处理随钻导向仪探头通过接口电路面板传送的数据，显示钻进轨迹和钻进工程数据。

接口电路面板：接口电路面板有三种主要功能，一是沟通随钻导向仪探头与便携计算机之间的通信，二是接收随钻导向仪探头发送的ASK信号，对ASK信号解码，送单片机进行编码处理。单片机编码处理完通过USB口送便携计算机。三是通过内置电源变换器向随钻向导向传感器供电。

图2中，加速度计X、Y、Z，磁力计X、Y、Z是安装在仪器上的加速度计和磁力计，它们组成了仪器的三维测量坐标系。温度传感器用于测量地下仪器的工作环境温度。电压采集器用于采集随钻导向仪探头的工作电压，以便地面监测。多路转换器包含一个8选1多路开关和一个16位A/D转换器。这部分的功能是在微处理器的控制下，把八路模拟信号转换为数字信号送微处理器。

微处理器单元主要完成各数字信号的计算、处理、编码、发送功能。微处理器选用Cygnal公司生产的Flash型低功耗C8051F041，它具有处理能力强、运行速度快、可靠性高等特点。

司钻显示器：司钻显示器接收便携计算机传送的数据，显示司钻表等图形和钻进数据。

在河南省郑州市某河穿越工程采用上述方法进行试验，地形地貌比较复杂，出入口点距离较长，深度较深，针对此工程的特点用目前的无线导向设备无法实现工程的导向要求，所以使用CDY-1有线地磁导向仪设备进行导向施工。

1.工程的地形地貌和要求

工程要求：

出入口点水平距离为417米，水平直段130米，深度25米；

地形地貌：

入口十米处有片为60多米宽的树林，180米左右处是个深15米跨度100米左右的某河河床，过河后到出口是农田，出口和入口不在同一个水平面上。

2.工程勘察、测量

使用经纬仪进行工程测量，确定进钻点与出钻点之间精确距离，确定进钻点与出钻点之间高程差，确定进钻点与出钻点之间靶方位。靶方位是进钻点指向出钻点的磁方位，磁方位用导向传感器在进钻点与出钻点间的连线上测出。经测量进钻点与出钻点的距离为414米，高程差为正2米，靶方位为273.24°。

3.工程设计

工程设计根据工程要求的穿越深度、穿越距离、进钻点与出钻点水平距离和工程勘察数据在安装有线地磁导向仪专用软件包的计算机上设计穿越轨迹。设计界面如图8中所示。

工程设计各项内容定义如下：

网格长度：剖面图和平面图中的网格的最大边界值，单位米；

米/水平格：剖面图和平面图中每个网格代表的长度，单位米；

米/剖面垂直格：剖面图中垂直方向上的每一个网格代表的长度，单位米；

米/平面垂直格：平面图中垂直方向上的每一个网格代表的长度，单位米；

钻杆长度：定向钻机使用的单根钻杆的长度，单位米；

预进杆：为避免钻机对随钻传感器的影响，在方位刻度前预先钻进的杆数；

造斜角度/杆：在设计造斜时，每根钻杆所能弯曲的角度，单位度；

记录点：导向钻头到随钻导向仪探头安装仓的距离，单位米；

垂直深度：工程以入钻点为基准的最大深度，单位米；

水平直段：工程在最深处的水平直线长度，单位米；

高程差：工程的入钻点和出钻点的落差，以入钻点为基准，出钻点相对于入点高为正值、低为负值，单位米；

入钻角度：工程入钻时所用的角度，单位度；

出钻角度：工程在结束水平直段出钻造斜后的钻进角度，单位度；

靶方位角：工程入钻点到出钻点连接直线的磁方位角，单位度。

根据工程设计要求和工程现场勘测数据，进钻点与出钻点的水平距离确定为413米。将各项参数等输入到对应的栏目内，见图8。输入完成后点击界面中“确定”按扭，电脑自动生成穿越轨迹剖面图和穿越轨迹平面图如图9所示。

在施工中，操作工程师根据预先设计的钻进轨迹图，操作钻具跟踪设计的钻进轨迹，实现导向钻进穿越。

4.施工操作

1)按照仪器使用说明书，正确连接和安装仪器；

2)将导向钻具的导向面朝上12点位置，打开仪器解码器的电源开关，运行计算机上的专用检测软件，点击“开始”按钮，计算机显示主显示界面。点击主显示界面上的工程设计条目，计算机显示工程设计显示界面。逐项输入工程设计数据完成后，点击“确定”按钮。计算机显示主显示界面，主显示界面上显示设计的轨迹曲线图、设计数据和当前钻具的入钻角度、靶方位等数据；

3)按照设计的数据调整钻具，使钻具固定的状态与设计数据基本吻合即可进行钻进工作；

操作工程师按照仪器使用说明书的使用说明进行钻进操作，图10是施工完成后的设计轨迹曲线和导向孔钻进轨迹曲线图，图中红实线是实际钻进轨迹，蓝黄线段是设计轨迹。

图11是郑州市某河穿越工程导向钻进轨迹数据表，数据表定量描述了钻孔轨迹参数，记录了钻孔轨迹各点的空间位置。钻进共用钻杆94根，钻孔总长度427.5米，入钻点与出钻点间的水平直线距离413米。出钻点偏移靶心小于0.35米，满足靶心偏移不大于1米的工程设计要求。

Claims (7)

1.一种有线地磁随钻导向仪，包括随钻测量和地面设备两部分，随钻测量和地面设备两部分之间通过线缆通信，其特征在于，随钻测量部分包括随钻导向仪探头，该随钻导向仪探头的上接头设置内腔，其前端密封安装有单芯密封塞，其后端连接有变压器外壳，线缆从单芯密封塞经过上接头内腔后与变压器外壳内安装的变压器连接；所述变压器外壳后端连接有电路骨架，在变压器外壳与电路骨架之间的连接区域安装有电路板；在电路骨架内分别以相互垂直的三个方向即在三维仪器坐标系中设置有传感器安装槽，在每个传感器安装槽内分别安装相应敏感元件，每组敏感元件含有磁传感器、重力加速度计各一只，从而在三维仪器坐标系中，三组敏感元件正交安装，每个测量轴放置一组敏感元件；在电路骨架的下方安装有下接头，在上接头与下接头之间密封安装有耐压钢管；在所述上接头的前端还密封连接有锥形的保护筒，保护筒前端安装有压紧帽，线缆从压紧帽中心孔引出。

2.根据权利要求1所述的有线地磁随钻导向仪，其特征在于，地面设备包括一台便携计算机、一台接口电路面板和一台司钻显示器。

3.根据权利要求1所述的有线地磁随钻导向仪，其特征在于，所述有磁传感器采用磁通门式磁力计，所述重力加速计采用石英挠性重力加速度计。

4.根据权利要求1所述的有线地磁随钻导向仪，其特征在于，所述随钻导向仪探头的外侧还套装有仪器仓，在随钻导向仪探头与仪器仓之间设置有减震组件，减震组件是在随钻导向仪探头的上接头和下接头分别连接有支撑套，支撑套外侧设置有弹簧座，在弹簧座与仪器仓内腔之间连接有弹簧；在随钻导向仪探头与仪器仓之间还设置有定位机构。

5.根据权利要求4所述的有线地磁随钻导向仪，其特征在于，所述定位机构是在随钻导向仪探头的下接头外侧套固有定位筒，同时在仪器仓侧面设置有与定位筒配合定位的定位螺栓。

6.一种有线地磁随钻导向测量方法，包括随钻测量和地面设备两部分，两部分之间通过线缆通信，其特征在于，

a、随钻测量部分包括如下步骤：

(1)随钻测量部分以地球的重力场和地磁场为参考点，建立三维参考坐标系；参考坐标系由地球的重力场和地磁场建立，仪器的测量坐标是由安装在随钻导向仪探头内的三组敏感元件正交安装建立，每组敏感元件含有磁传感器、重力加速度计各一只，即在三维仪器坐标系中，每个测量轴放置一组敏感元件；

(2)采用惯性器件石英挠性重力加速度计和磁通门式磁力计作为敏感元件；

(3)根据测量数据计算出钻进方位角、俯仰角和钻具面角；

钻进方位角计算公式为：

$\mathrm{\α}=\arctan \frac{M_x\cos RB-M_y\sin RB}{M_x\cos DEV\sin RB+M_y\cos DEV\cos RB-M_z\sin DEV}$

俯仰角计算公式为：

$\mathrm{\β}=\arctan \frac{\sqrt{G_x^2+G_y^2}}{G_z}$

钻具面角计算公式为：

$\mathrm{\γ}=\arctan \frac{G_x}{G_y};$

上述M代表磁力，G代表重力加速度，RB代表工具面角，DEV代表井斜度；

(4)根据工程要求钻前工程设计设计出钻进轨迹；对导向数据进行计算、处理，引导钻进轨迹跟踪设计轨迹；

(5)时实绘制钻进轨迹图，记录、打印钻孔轨迹数据表；

b、地面设备部分：

地面设备包括一台便携计算机、一台接口电路面板和一台司钻显示器；

便携计算机：机内安装有线地磁导向仪专用软件包，用于钻前工程设计，计算、处理随钻导向仪探头通过接口电路面板传送的数据，显示钻进轨迹和钻进工程数据；

接口电路面板：接口电路面板有三种主要功能，一是沟通随钻导向仪探头与便携计算机之间的通信，二是接收随钻导向仪探头发送的ASK信号，对ASK信号解码，送单片机进行编码处理；单片机编码处理完通过USB口送便携计算机；三是通过内置电源变换器向随钻导向仪探头供电；

司钻显示器：司钻显示器接收便携计算机传送的数据，显示司钻表图形和钻进数据；

随钻导向仪探头的测量信号由随钻导向仪探头内的单片机利用步骤(3)计算出钻进方位角、俯仰角和钻具面角数据；钻进方位角、俯仰角和钻具面角数据由随钻导向仪探头的

ASK调制器变换为ASK信号，ASK信号通过线缆送到地面的接口电路面板。

7.根据权利要求6所述的有线地磁随钻导向测量方法，其特征在于，步骤(1)中的以地球的重力场和电磁场建立三维参考坐标系：X轴—水平指磁东，Y轴—水平指磁北，Z轴—水平垂直向上。