CN111173451A - 一种非开挖井下导向系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非开挖井下导向系统，本发明采用主动激发的人工磁场作为信标，使得井下的定向探管能够在有磁场干扰的环境下接收到清晰的信标磁场信号，通过随钻探管能精确测量钻具的姿态参数和相对位置坐标，随钻探管采集的数据通过贯穿在钻杆内的电缆，传输到地面信息处理设备进行处理。有线信号传输抗干扰能力强，不受地层障碍物的干扰。最终算出钻头到信号源的相对位置，还辅有钻具温度，并绘制测量点的井眼轨迹，为钻进方向提供修正指标，具有极高的见靶精度。

Description

一种非开挖井下导向系统

技术领域

本发明涉及非开挖铺管和水平定向钻技术领域，具体地涉及一种非开挖井下导向系统。

背景技术

传统的明挖施工会造成交通堵塞、绿地和园林毁坏，有时还因为河道、水网、铁路、机场及建筑物的存在不允许开挖施工。非开挖技术是指在不挖开地表的情况下，利用定向钻进技术和地球物理探测技术，进行地下打井施工。在非开挖铺管工程中，井下导向是关键的技术环节。只有通过导向系统才能准确的知道当前地下钻头的位置与姿态，进而控制导向钻进按预设轨迹前进，最终到达靶点。

在导向钻进过程中，钻孔位置的空间坐标、钻孔俯仰角和工具面角是控制钻孔轨迹要使钻孔准确命中某方位的靶区的必要参数，必须不断测试钻孔俯仰角和工具面角。目前国内常用的无线导向定位仪主要由地下测试单元、地面手持式定位跟踪仪和远端监视设备(地面司钻显示仪)三部分组成，如图1所示。此种方法存在测量距离短、深度浅、可靠性差等问题。有鉴于此，特提出本申请。

发明内容

本发明针对现有技术的不足而提出一种非开挖井下导向系统及对应本系统的非开发挖施工方法及算法，从而解决了受施工穿越深度、长度、施工环境、计算机系统操作复杂、算法分析误差高的影响；在保证精度的情况下施工效率高并且可以实时地面图形界面化跟踪；数据传输更加稳定可靠。

本发明提供了一种非开挖井下导向系统，，包括人工磁场发生装置、施工动力装置和地面专用数据处理设备；所述施工动力装置包括钻机、与钻机连接的无磁钻铤；所述无磁钻铤包括与钻机连接的钻杆、与钻杆连接的螺杆马达、与螺杆马达连接的钻头、和嵌入无磁钻铤内与地面专用数据处理设备连接的随钻探管。

人工磁场发生装置，用于产生等效磁矩的磁场；

施工动力装置，用于向预设靶位钻进，以及采集磁场数据、加速度数据和温度数据，并发送给所述地面专用数据处理设备；

地面专用数据处理设备，用于根据接收到的磁场数据、加速度数据和温度数据计算所述钻头的相对位置坐标和姿态参数，根据预设靶位为钻进方向提供修正参数。

通过采用上述技术方案，本发明可以取得以下技术效果：本发明采用主动激发的人工磁场作为信标，使得井下的定向探管能够在有磁场干扰的环境下接收到清晰的信标磁场信号，通过随钻探管能精确测量钻具的姿态参数和相对位置坐标，随钻探管采集的数据通过贯穿在钻杆内的电缆，传输到地面信息处理设备进行处理。有线信号传输抗干扰能力强，不受地层障碍物的干扰。最终算出钻头到靶点的相对位置，还辅有钻具温度，并绘制测量点的井眼轨迹，为钻进方向提供修正指标，具有极高的见靶精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1绘示了本发明实施例的现有技术中测量设备结构示意图；

图2绘示了本发明实施例的非开挖井下导向系统结构示意图；

图3绘示了本发明实施例图2中的正交磁靶方案的结构示意图；

图4绘示了本发明实施例图2中的旋转磁接头方案的结构示意图；

图5绘示了本发明实施例图2中的多边形线框方案的结构示意图；

图6绘示了本发明实施例图2中的单线漆包线方案的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图2所示，本发明实施例提供了一种非开挖井下导向系统，包括人工磁场发生装置、施工动力装置和地面专用数据处理设备；所述施工动力装置包括钻机1，通过电缆线2与钻机连接的无磁钻铤14；所述无磁钻铤14包括与钻机1连接的钻杆4、与钻杆4连接的螺杆马达9、与螺杆马达9连接的钻头5、和嵌入无磁钻铤内14与地面专用数据处理设备连接的随钻探管3。

人工磁场发生装置，用于产生等效磁矩的磁场6；

施工动力装置，用于向预设靶位钻进，以及采集磁场6数据、加速度数据和温度数据，并发送给所述地面专用数据处理设备；

地面专用数据处理设备，用于根据接收到的磁场6数据、加速度数据和温度数据计算所述钻头5的相对位置坐标和姿态参数，根据预设靶位为钻进方向提供修正参数。

具体地，随钻探管3包括三轴磁通门矢量磁强计、三轴加速度计和温度传感器，且均固定所述无磁钻铤14内，三轴磁通门矢量磁强计可采集磁场数据，三轴加速度计可采集加速度数据，温度传感器可采集温度数据。

为了使得随钻探管3检测数据更为精准，所述随钻探管3还包括扶正器10，具体在随钻探管的上下均可设置有扶正器10，如图2所示。

进一步地，如图2所示，所述地面专用处理设备包括专用数据处理仪11和对应的专用施工计算机12，专用数据处理仪11与随钻探管3之间用电缆线2连接，而专用数据处理仪11与专用施工计算机12可采用USB232串口线13连接。

实际操作时，随钻探管3通过螺纹扣与扶正器10连接在一起，随钻探管3中心与一探针相连，各数据从探针通过贯穿在钻杆内的电缆，传输到地面专用数据处理仪11。本发明采用人工磁场作为信标，并为不同工况设计了四种不同的激励磁源，包括通电的单边导线(简称“单线”)、通电的多边形线框(简称“矩形线框”)、通电的正交双螺线管A和螺线管B(简称“正交磁靶”)和旋转磁钢(简称“旋转磁接头”)，励磁电流既有直流也有交流，磁源发出的磁场在远场处被随钻探管检测到。本发明包含了四种人工磁场激励源，均可通过无线电控制电源开关。

第一种，如图3所示，人工磁场发生装置包括两个轴向垂直的、内插铁芯的、由漆包线紧密缠绕的螺线管A和螺线管B、和控制螺线管A和螺线管B螺线管通断电的控制装置，简称正交磁靶。

实际操作时，用GPS或者激光测向，使得螺线管A方向与基线(施工轨迹的理论中心线)方向平行。工作时螺线管A与螺线管B通有不同频率的交流电，产生不同频率的信标磁场。磁靶由电池供电，具有很高的灵活性，安放使用非常简洁易于操作。

第二种，如图4所示，人工磁场发生装置包括在所述钻头与所述螺杆马达9之间设置永磁体7，将钻头5和螺杆马达9无磁短接，螺杆马达9和永磁体7均设置在第二钻杆8内，永磁体7在随钻头5转动的过程中，发出交变磁场，简称旋转磁接头，将该旋转磁接头放入目标井中，无磁钻铤钻进，该旋转磁接头产生的磁场数据由目标井中对面的随钻探管3接收，从而计算出随钻探管3到旋转磁接头之间的相对位置。使用旋转磁接头进行导向对穿的优点是随着钻进的进行，三轴磁通门矢量磁强计的探测精度越来越高，最终精确的完成对穿作业，适合非开挖远距离对接穿越。

第三种，如图5所示，所述人工磁场发生装置包括用漆包线在地面上围成的闭合多边形线框51及与线框两端连接的信号电源。具体地，为了磁场信号稳定，多边形线框要围合4平米及以上的面积。

如果靶区场地平坦，适合布线，优先搭建长方形线框，也允许多边形。线框布线的尺寸取决于具体施工深度。线框可接直流电源或交流电源，在不超过三轴磁通门矢量磁强计饱和的前提下，电流越大越好。使用全站仪或GPS测量线框各顶点的坐标。该种磁源具有重量轻、成本低、能耗小的优点。

第四种，如图6所示，所述人工磁场发生装置包括设置在地面上的单线漆包线52和信号发生源，单线漆包线一端插入地下，另一端连接信号电源。

沿预设穿越轨迹的上层地面拉线直到靶区，可以通直流电或者交流电，在不超过三轴磁通门矢量磁强计饱和的前提下，电流越大越好。使用全站仪或GPS测量钻头入土点位置与导线走向与基线的夹角。该种磁源具有结构简单，架设灵活的优点。

进一步地，所述地面专用处理设备，具体用于根据随钻探管3采集到的磁场数据、加速度数据和温度数据，计算确定出钻头5的相对位置坐标与姿态参数，根据预设靶位为钻进方向提供修正参数；

其中，钻头5的相对位置坐标与姿态参数包括井斜角、方位角、工具面角、垂深坐标、北坐标和东坐标。

在实际操作时，地面安装人工磁场发生装置，并与对应的电源进行连接。电源上有远程遥控开关，由现场工程师控制人工磁场的激发与关闭。“矩形线框“需要按施工深度的具体情况进行布线，”磁靶“需要水平安放，”单线“需要按预定方位拉线。

钻机1入土点与人工磁场发生装置的位置坐标都需要用全站仪或GPS测定。

在专用数据处理仪11上设置有与随钻探管3相连的接线柱，既能给随钻探管3供电，又能接收随钻探管3传出的数据信号。电缆线传出的数据信号通过专用数据处理仪处理11，再从专用数据处理仪11上的RS232接口转接USB口输入专用施工计算机12。数据采集时，钻头5应在缓转或停转状态，该处井深H对应采集到的数据磁场三分量数据Mx、My、Mz，加速度三分量数据Gx、Gy、Gz，温度数据T，接下来由数据分析软件根据磁场定位的模型与算法，解算出钻井的井斜角、方位角、工具面角、垂深坐标、北坐标和东坐标。然后根据预设钻机轨迹给出井斜修正角、方位修正角、工具面补偿角和井眼轨迹图，供钻井工程师现场参考。最终精确命中靶区或者完成对穿。

本发明提供了一整套面向复杂工况的非开挖井下导向系统，能够精确测定钻具井斜角、方位角、工具面角、垂深坐标、北坐标和东坐标参数，为钻进方向提供修正指标，具有极高的见靶精度。

尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种非开挖井下导向系统，其特征在于，包括人工磁场发生装置、施工动力装置和地面专用数据处理设备；所述施工动力装置包括钻机、与钻机连接的无磁钻铤；所述无磁钻铤包括与钻机连接的钻杆、与钻杆连接的螺杆马达、与螺杆马达连接的钻头、和嵌入无磁钻铤内与地面专用数据处理设备连接的随钻探管。

人工磁场发生装置，用于产生等效磁矩的磁场；

施工动力装置，用于向预设靶位钻进，以及采集磁场数据、加速度数据和温度数据，并发送给所述地面专用数据处理设备；

地面专用数据处理设备，用于根据接收到的磁场数据、加速度数据和温度数据计算所述钻头的相对位置坐标和姿态参数，根据预设靶位为钻进方向提供修正参数。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述人工磁场发生装置包括两个轴向垂直的、内插铁芯的、由漆包线紧密缠绕的螺线管A和螺线管B、和控制螺线管A和螺线管B螺线管通断电的控制装置。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述人工磁场发生装置包括在所述钻头与所述螺杆马达之间设置永磁体。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述人工磁场发生装置包括用漆包线在地面上围成的闭合多边形线框及与线框两端连接的信号电源。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述人工磁场发生装置包括设置在地面上的单线漆包线和信号发生源，单线漆包线一端插入地下，另一端连接信号电源。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述随钻探管包括三轴磁通门矢量磁强计、三轴加速度计和温度传感器，且均固定所述无磁钻铤内。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述随钻探管还包括扶正器。

8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述地面专用处理设备包括专用数据处理仪和对应的专用施工计算机。

所述专用数据处理仪与随钻探管之间用电缆连接。

所述专用数据处理仪与专用施工计算机连接通过USB232串口线连接。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述地面专用处理设备，具体用于根据所述随钻探管采集到的磁场数据、加速度数据和温度数据，计算确定出钻头的相对位置坐标与姿态参数，根据预设靶位为钻进方向提供修正参数；

其中，所述钻头的相对位置坐标与姿态参数包括井斜角、方位角、工具面角、垂深坐标、北坐标和东坐标。

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