CN115095277A - 一种蓄能电站隧洞磁定位系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种蓄能水电站管道搭建技术领域，特别涉及一种蓄能电站隧洞磁定位系统和方法，系统包括处理器、螺线管线和探管装置，探管装置安装在钻头的后端，螺线管线位于蓄能电站的预设隧洞轨迹所在山体的表面；探管装置用于：检测螺线管线所产生的磁场，并发送至处理器；处理器用于：根据螺线管线所产生的磁场，确定钻头与山体的表面之间的垂直距离，根据垂直距离判断是否对钻头的钻进轨迹进行调整。通过在山体表面布置螺线管线，解决了山体钻井打孔测距范围短的问题，配合探管装置实现了钻头在钻进过程中的精准定位。稳定可控，最终能够最大程度实现能量之间的转换，且能最大程度降低施工过程中对山体植被和生态环境的破坏。

Description

一种蓄能电站隧洞磁定位系统和方法

技术领域

本发明涉及一种蓄能水电站管道搭建技术领域，特别涉及一种蓄能电站隧洞磁定位系统和方法。

背景技术

实现“双碳”目标除了要加大清洁能源增量供给，还要合理利用电能，将电力负荷低谷时过剩的电能存储起来待到用电高峰时期进行释放是一个有效的手段。蓄能电站作为一种将水的势能转化为电能的发电方式，在建造过程中需要采用管道运输的方式将处于山底低处的水资源转移到较高山顶地方，采用普通地面铺设管道的方式缺点如下：

1)管线长度过长，增大成本，同时增加传输能量和资源损失；

2)对山体植被和生态环境造成较大的影响；

3)在一些复杂的山体铺设管道实施过程困难，人工成本巨大，使用中还会受到潜在的风险导致失效。

在蓄能电站管道建设环节，需尽可能保证水的高效输送，减少能量和资源的损失。通过钻井打孔方式将低地势水源和高地势电站采用阶梯式管道连通，多部钻机平台可以同时进行钻井作业，提高了管道布置效率，避免了传统人工铺设管道时对山体生态环境造成严重的影响。但如何确保钻进轨迹笔直并准确出土是面临的一大难题，现有技术中旋转磁短节和螺线管定位方法，多用于连通作业，其信号源强度受限于永磁材料和螺线管性能，测距范围短(测量范围不足100m)，定位精度不稳定。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供了一种蓄能电站隧洞磁定位系统和方法。

本发明的一种蓄能电站隧洞磁定位系统的技术方案如下：

包括处理器、螺线管线和探管装置，所述探管装置安装在钻头的后端，所述螺线管线位于蓄能电站的预设隧洞轨迹所在山体的表面；

所述探管装置用于：检测所述螺线管线所产生的磁场，并发送至所述处理器；

所述处理器用于：根据所述螺线管线所产生的磁场，确定所述钻头与所述山体的表面之间的垂直距离，根据所述垂直距离判断是否对所述钻头的钻进轨迹进行调整。

本发明的一种蓄能电站隧洞磁定位系统的有益效果如下：

通过在山体表面布置螺线管线，解决了山体钻井打孔测距范围短的问题，配合探管装置实现了钻头在钻进过程中的精准定位。稳定可控，最终能够最大程度实现能量之间的转换，且能最大程度降低施工过程中对山体植被和生态环境的破坏。

本发明的一种蓄能电站隧洞磁定位方法的技术方案如下：

探管装置检测螺线管线所产生的磁场，并发送至所述处理器，其中，探管装置安装在钻头的后端，所述螺线管线位于蓄能电站的预设隧洞轨迹所在山体的表面；

所述处理器根据所述螺线管线所产生的磁场，确定所述钻头与所述山体的表面之间的垂直距离，根据所述垂直距离判断是否对所述钻头的钻进轨迹进行调整。

本发明的一种蓄能电站隧洞磁定位方法的有益效果如下：

通过在山体表面布置螺线管线，解决了山体钻井打孔测距范围短的问题，配合探管装置实现了钻头在钻进过程中的精准定位。稳定可控，最终能够最大程度实现能量之间的转换，且能最大程度降低施工过程中对山体植被和生态环境的破坏。

附图说明

图1为本发明实施例的一种蓄能电站隧洞磁定位系统的结构示意图；

图2为图1的局部放大图；

图3为通过螺线管线的磁场计算钻头与所述山体的表面之间的垂直距离的空间模型的示意图；

图4为螺线管装置的结构示意图；

图5为一号螺线管和二号螺线管在测点的叠加磁场的空间模型示意图；

图6为钻井平台系统的结构示意图；

图7为本发明实施例的一种蓄能电站隧洞磁定位方法的流程示意图。

具体实施方式

如图1和图2所示，本发明实施例的一种蓄能电站隧洞磁定位系统，包括处理器、螺线管线11和探管装置6，探管装置6安装在钻头7的后端，螺线管线11位于蓄能电站的预设隧洞轨迹5所在山体1的表面；

探管装置6用于：检测螺线管线11所产生的磁场，并发送至处理器；

处理器用于：根据螺线管线11所产生的磁场，确定钻头7与山体1的表面之间的垂直距离，结合此时钻杆钻具18的累长，可以确定此时钻头7的空间位置，根据垂直距离判断是否对钻头7的钻进轨迹进行调整。

其中，处理器具体还可为钻井平台系统3，钻井平台系统3与探管装置6通过钻杆钻具18相连，螺线管线11与下述的螺线管装置10通过导线连接；蓄能电站的预设隧洞轨迹5根据山体高度测量仪16测量山体1高度后形成的山体高度尺17规划确定，在规划蓄能电站的预设隧洞轨迹5之前还需对山体1的等高线地形图进行确定。

其中，通过供电系统4向螺线管线11供电，使螺线管线11产生磁场，供电系统4可以通过变频器、变压器对电流电压进行控制调节。

其中，由探管装置6测量螺线管线11的信号即螺线管线11所产生的磁场来定位，确定钻头7与螺线管线11的实际距离，即钻头7与山体1的表面之间的垂直距离。具体地：

通过螺线管线的磁场计算钻头7与山体1的表面之间的垂直距离的空间模型如图3所示，以螺线管线11中的任一匝的中心点O为原点，建立三维直角坐标系，三维直角坐标系的xOy面与螺线管线11的该匝线圈的所在平面垂直，z轴垂直向下。计算螺线管线11在空间任意点P(x₀,y₀,z₀)产生的磁场的三个分量H_x、H_y和H_z分别为：

式中，H_x、H_y、H_z分别代表探管装置6内的磁信号接收装置61捕获到三个方向的磁场，I为螺线管线11的通电电流，R₀为螺线管线11的线圈半径，a为oP线与x轴的夹角，

那么：

根据探管装置6内的磁信号接收装置61和以上已知参数即通电电流I、线圈半径R₀，cosa和sina等，即可推导出探管装置6的真实坐标(x,y,z)，也就可以得到当前钻头7与山体1表面之间的垂直距离，即为：探管装置6与螺线管线11的实际距离

即

为保证钻头7能够准确从钻出点9钻出，当钻头7钻至距钻出点9一定距离时，由探管装置6测量螺线管装置10所产生的磁场来定位，能够直接确定钻头7与螺线管装置10的实际距离，其中，一定距离一般指：一般为探管装置6可以测得螺线管装置10信号的最远距离，也可根据实际情况设置。

可选地，在上述技术方案中，处理器具体用于：

判断钻头(7)与山体(1)的表面之间的垂直距离，与目标点位置与山体(1)的表面之间的理论垂直距离的是否存在偏差，若是，则对钻头(7)的钻进轨迹进行调整，其中，目标点位置表示：蓄能电站的预设隧洞轨迹(5)中与钻头(7)在同一深度上的点位置。

其中，目标点位置与山体1的表面之间理论垂直距离的计算过程为：

首先确定钻入点13与钻出点9在山体高度尺17上的高度范围，然后将该高度范围投影到山体等高线上形成交点，规划出的管道隧道洞轨迹始终在山体内部，根据管道隧道洞轨迹5与高度范围投影到山体1等高线上形成交点之间的距离，可以得出蓄能电站的预设隧洞轨迹5中的任何一点与山体表面之间的理论垂直距离，由此得到目标点位置与山体1的表面之间理论垂直距离。

通过磁信号接收装置61接收到的磁信号可以确定出钻头7与山体1表面的垂直距离，将垂直距离与上述的理论垂直距离进行对比则可以判断钻头7位置是否有偏差，若是，则对钻头7的钻进轨迹进行调整，若否，则不对钻头7的钻进轨迹进行调整。

其中，通过供电系统4螺线管装置10供电，同一高度可理解为同一海拔，对钻头7的钻进轨迹进行调整的具体方式如下：

采用现有的螺杆钻具或旋转导向钻具进行调整，偏差为正时，以增斜增方位调整为主；偏差为负时，以降斜降方位调整为主。

可选地，在上述技术方案中，还包括螺线管装置10，螺线管装置10位于蓄能电站的预设隧洞轨迹5的钻出点9的周边位置；

探管装置6还用于：检测螺线管装置10所产生的磁场，并发送至处理器；

处理器用于：根据螺线管装置10所产生的磁场，确定钻头7与螺线管装置10之间的距离，根据钻头7与螺线管装置10之间的距离判断是否对钻头7的钻进轨迹进行调整。

其中，螺线管装置10包括两个螺线管，两个螺线管相互垂直设置，也就是说，螺线管装置10包括两个相互垂直设置的螺线管，分别为一号螺线管和二号螺线管，如图4所示，探管装置6内的磁信号接收装置61可测得螺线管装置10内的一号螺线管和二号螺线管在测点即磁信号接收装置61位置的叠加磁场。

具体地，一号螺线管和二号螺线管在测点的叠加磁场的空间模型如图5所示。H₁表示一号螺线管在磁信号接收装置61位置产生的磁场，H₂表示二号螺线管在磁信号接收装置61位置产生的磁场，R′表示：螺线管装置10至磁信号接收装置61之间的距离，r表示：为R′在

和

构成的水平面内的投影，

表示一号螺线管所产生的磁矩，

表示二号螺线管所产生的磁矩，θ为

和r之间的夹角，α为R′和重力加速度g方向之间的夹角。xHi为垂直于H₁和H₂所在平面的单位向量，并且位于R′和重力加速度g所构成的平面内。

螺线管装置10工作时，相互垂直且平行于水平面的磁矩

以及重力加速度g构成右手直角坐标系，螺线管装置10内的一号螺线管和二号螺线管简化为磁偶极子后，所产生的磁矩值为m，由麦克斯韦方程可得，一号螺线管和二号螺线管在磁信号接收装置61处产生的磁场H₁,H₂可分别表示为：

式中，

为R′的单位向量。

要了解井下钻杆钻具18和螺线管装置10之间的相对位置，就需对R,α,θ这三个参数进行解算，具体解算过程如下：

步骤1:求解θ：

将其代入H₁,H₂，则有：

从而求得θ。

步骤2:求解α、R′：

r单位向量为

定义单位向量xHi，其垂直于H₁,H₂构成的平面，其构建的方法如下：

在

构成的右手直角坐标系中，

则：

其中，m₁是

的标量值，m₂是

的标量值，所以：

由上式可知，xHi是位于r和g所构成的平面内向量，代入上式可求得α。

代入

可求得R′。

通过以上对R′、α、θ的求解，结合便可以实时得到确定钻头7与螺线管装置10之间的距离，能够对井下的钻头5的实际位置和方位进行实时监控，将其与此处的预设距离进行对比，预设距离可通过预设隧洞轨迹5确定。

根据钻头7与螺线管装置10之间的距离判断是否对钻头7的钻进轨迹进行调整的过程如下：

采用现有的螺杆钻具或旋转导向钻具进行调整，当与此处的预设距离偏差为正时，以增斜增方位调整为主；当与此处的预设距离偏差为负时，以降斜降方位调整为主。

可选地，在上述技术方案中，探管装置6包括磁信号接收装置61和通讯装置63；

磁信号接收装置61用于：检测螺线管装置10所产生的磁场、以及螺线管线11所产生的磁场，并通过通讯装置63发送至处理器。

其中，磁信号接收装置61具体为三个磁通门磁强计或霍尔片等，构成x轴、y轴、z轴右手坐标系，能够检测到当前位置x轴、y轴和z轴方向上的磁感应强度，其中z轴方向为沿探管装置6中心指向钻头7中心的方向，与钻杆方向平行。

其中，通讯装置63具体为：无线电通讯装置等。也可根据实际情况选用其它的通讯装置。

可选地，在上述技术方案中，探管装置6还包括加速度传感装置62，加速度传感装置62，检测钻头7在每个轴方向上的重力加速度，并通过通讯装置63发送至处理器。

其中，加速度传感装置包括三个单轴加速度计，构成x轴、y轴、z轴右手坐标系，并与磁信号接收装置分别共轴或平行安装，能够检测到钻头7当前位置在x轴、y轴和z轴方向上的重力加速度矢量重力加速度，其中z轴方向为沿探管装置6中心指向钻头7中心的方向，与钻杆方向平行。

本发明的一种蓄能电站隧洞磁定位系统的具体实施过程如下：

1)施工人员在山体1选择合适的钻入点13和钻出点9，并依据钻入点13、钻出点9和山体1特征，分析蓄能电站的预设隧洞轨迹5；

2)根据分析后的蓄能电站的预设隧洞轨迹5及钻入点13开始搭建钻井平台系统7；

3)在山体1表面铺设螺线管线11，在钻出点9设置螺线管装置10，接通电源即接通电源系统后，螺线管线11和螺线管装置10均产生磁场；

4)启动钻井平台系统3，钻头7带动探管装置6和钻杆钻具18从钻入点13按照预设轨迹即蓄能电站的预设隧洞轨迹5进行钻进；

5)通过探管装置6内的磁信号接收装置61能够实时捕获螺线管线11产生的磁感应强度或螺线管装置10产生的磁感应强度以及地磁场，并通过加速度传感装置62，检测钻头7在每个轴方向上的重力加速度，并通过通讯装置63发送到钻井平台系统3；

6)钻井平台系统3根据接收到的信号即根据接收到的磁场数据和重力加速度数据，对钻头7姿态进行实时分析，及时调整钻头7的钻进轨迹。

其中，如图6所示，钻井平台系统3包括人机交互控制台31、信号收发器32、信号处理器33、钻井台34；人机交互控制台31能够显示出钻头7、探管装置6与螺线管线11或螺线管装置10之间的距离位置，同时也能通过探管装置6的位姿状态显示出钻头7当前的井斜方位角；

信号收发器32能够接收由信号处理器33处理后的信号，同时也可以将人机交互控制台31的控制命令信息的发送至信号处理器33；

螺线管装置10所产生的磁感应强度、螺线管线11所产生的磁感应强度，以及地磁场，和钻头7在每个轴方向上的重力加速度均发送至信号处理器33。

信号处理器33能够将探管装置6发出的加速度、磁场信号进行滤波、正交检波提取幅值、激励、动态磁场反演等方式处理，便于信号收发器32接收；

工程师可以通过人机交互控制台31输入参数，操控钻井速度、工具面等参数以控制蓄能电站的预设隧洞轨迹5中的钻头7的朝向，控制命令通过信号收发器32至信号处理器33最后到钻井台34，通过控制钻井台34的方式间接控制蓄能电站的预设隧洞轨迹实钻轨迹井斜方位角；

可选地，在上述技术方案中，处理器确定钻头7的位姿的过程，包括：通过已有技术确定当前深度的井斜方位角等。

与现有技术相比，本发明提供了一种蓄能电站隧洞磁定位系统，具备以下有益效果：

1)使用的时候，在山体表面布置螺线管线，在钻出点设置螺线管装置，位于地下的探管装置接收磁场信号以及自身重力加速度信号，支持直流和交流磁场测量，定位精度高，定位范围广，同时磁场与其他类型的信号相比，地磁场对人造磁场的干扰微乎其微，提高设备的抗干扰能力。

2)根据磁场强度及直导线电流大小即可掌握井下钻具与地面螺线管线和螺线管装置的相对位置，操作方便，能够有效地降低工人操作难度，提高作业效率，提高钻井打孔笔直程度。

3)依据定位结构实现“直线式”管道布置可减少水资源举升传输路程，降低水源被传输举升过程中的能耗损失，能够更大程度实现能量之间的转换。

如图7所示，本发明实施例的一种蓄能电站隧洞磁定位方法，包括如下步骤：

S1、探管装置6检测螺线管线11所产生的磁场，并发送至处理器，其中，探管装置6安装在钻头7的后端，螺线管线11位于蓄能电站的预设隧洞轨迹5所在山体1的表面；

S2、处理器根据螺线管线11所产生的磁场，确定钻头7与山体1的表面之间的垂直距离，根据垂直距离判断是否对钻头7的钻进轨迹进行调整。

可选地，在上述技术方案中，处理器根据垂直距离判断是否对钻头7的钻进轨迹进行调整的过程，包括：

S20、判断钻头7与山体1的表面之间的垂直距离，与目标点位置与山体1的表面之间的理论垂直距离的是否存在偏差，若是，则对钻头7的钻进轨迹进行调整，其中，目标点位置表示：蓄能电站的预设隧洞轨迹5中与钻头7在同一深度上的点位置。

可选地，在上述技术方案中，还包括：

探管装置6检测螺线管装置10所产生的磁场，并发送至处理器，其中，螺线管装置10位于蓄能电站的预设隧洞轨迹5的钻出点9的周边位置；

处理器根据螺线管装置10所产生的磁场，确定钻头7与螺线管装置10之间的距离，根据钻头7与螺线管装置10之间的距离判断是否对钻头7的钻进轨迹进行调整。

可选地，在上述技术方案中，探管装置6包括磁信号接收装置61和通讯装置63；

磁信号接收装置61用于：检测螺线管装置10所产生的磁场、以及螺线管线11所产生的磁场，并通过通讯装置63发送至处理器。

可选地，在上述技术方案中，螺线管装置10包括两个螺线管，两个螺线管相互垂直设置。。

上述关于本发明的一种蓄能电站隧洞磁定位方法采用上述的一种蓄能电站隧洞磁定位系统，上述关于本发明的一种蓄能电站隧洞磁定位方法中的各步骤的实现，可参考上文中关于一种蓄能电站隧洞磁定位系统的实施例，在此不做赘述。

而且，在上述各实施例中，虽然对步骤进行了编号S1、S2等，但只是本申请给出的具体实施例，本领域的技术人员可根据实际情况调整S1、S2等的执行顺序，此也在本发明的保护范围内，可以理解，在一些实施例中，可以包含如上述各实施方式中的部分或全部。

所属技术领域的技术人员知道，本发明可以实现为系统、方法或计算机程序产品。

因此，本公开可以具体实现为以下形式，即：可以是完全的硬件、也可以是完全的软件(包括固件、驻留软件、微代码等)，还可以是硬件和软件结合的形式，本文一般称为“电路”、“模块”或“系统”。此外，在一些实施例中，本发明还可以实现为在一个或多个计算机可读介质中的计算机程序产品的形式，该计算机可读介质中包含计算机可读的程序代码。

可以采用一个或多个计算机可读的介质的任意组合。计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质。计算机可读存储介质例如可以是一一但不限于——电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括:具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机存取存储器(RAM),只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本文件中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种蓄能电站隧洞磁定位系统，其特征在于，包括处理器、螺线管线(11)和探管装置(6)，所述探管装置(6)安装在钻头(7)的后端，所述螺线管线(11)位于蓄能电站的预设隧洞轨迹(5)所在山体(1)的表面；

所述探管装置(6)用于：检测所述螺线管线(11)所产生的磁场，并发送至所述处理器；

所述处理器用于：根据所述螺线管线(11)所产生的磁场，确定所述钻头(7)与所述山体(1)的表面之间的垂直距离，根据所述垂直距离判断是否对所述钻头(7)的钻进轨迹进行调整。

2.根据权利要求1所述的一种蓄能电站隧洞磁定位系统，其特征在于，所述处理器具体用于：

判断所述钻头(7)与所述山体(1)的表面之间的垂直距离，与目标点位置与山体(1)的表面之间的理论垂直距离的是否存在偏差，若是，则对所述钻头(7)的钻进轨迹进行调整，其中，所述目标点位置表示：所述蓄能电站的预设隧洞轨迹(5)中与所述钻头(7)在同一深度上的点位置。

3.根据权利要求1或2所述的一种蓄能电站隧洞磁定位系统，其特征在于，还包括螺线管装置(10)，所述螺线管装置(10)位于所述蓄能电站的预设隧洞轨迹(5)的钻出点(9)的周边位置；

所述探管装置(6)还用于：检测所述螺线管装置(10)所产生的磁场，并发送至所述处理器；

所述处理器用于：根据所述螺线管装置(10)所产生的磁场，确定所述钻头(7)与所述螺线管装置(10)之间的距离，根据所述钻头(7)与所述螺线管装置(10)之间的距离判断是否对所述钻头(7)的钻进轨迹进行调整。

4.根据权利要求3所述的一种蓄能电站隧洞磁定位系统，其特征在于，所述探管装置(6)包括磁信号接收装置(61)和通讯装置(63)；

所述磁信号接收装置(61)用于：检测所述螺线管装置(10)所产生的磁场、以及所述螺线管线(11)所产生的磁场，并通过所述通讯装置(63)发送至所述处理器。

5.根据权利要求3所述的一种蓄能电站隧洞磁定位系统，其特征在于，所述螺线管装置(10)包括两个螺线管，两个螺线管相互垂直设置。

6.一种蓄能电站隧洞磁定位方法，其特征在于，包括：

探管装置(6)检测螺线管线(11)所产生的磁场，并发送至所述处理器，其中，探管装置(6)安装在钻头(7)的后端，所述螺线管线(11)位于蓄能电站的预设隧洞轨迹(5)所在山体(1)的表面；

所述处理器根据所述螺线管线(11)所产生的磁场，确定所述钻头(7)与所述山体(1)的表面之间的垂直距离，根据所述垂直距离判断是否对所述钻头(7)的钻进轨迹进行调整。

7.根据权利要求6所述的一种蓄能电站隧洞磁定位方法，其特征在于，所述处理器根据所述垂直距离判断是否对所述钻头(7)的钻进轨迹进行调整的过程，包括：

判断所述钻头(7)与所述山体(1)的表面之间的垂直距离，与目标点位置与山体(1)的表面之间的理论垂直距离的是否存在偏差，若是，则对所述钻头(7)的钻进轨迹进行调整，其中，所述目标点位置表示：所述蓄能电站的预设隧洞轨迹(5)中与所述钻头(7)在同一深度上的点位置。

8.根据权利要求6或7所述的一种蓄能电站隧洞磁定位方法，其特征在于，还包括：

所述探管装置(6)检测螺线管装置(10)所产生的磁场，并发送至所述处理器，其中，所述螺线管装置(10)位于所述蓄能电站的预设隧洞轨迹(5)的钻出点(9)的周边位置；

所述处理器根据所述螺线管装置(10)所产生的磁场，确定所述钻头(7)与所述螺线管装置(10)之间的距离，根据所述钻头(7)与所述螺线管装置(10)之间的距离判断是否对所述钻头(7)的钻进轨迹进行调整。

9.根据权利要求8所述的一种蓄能电站隧洞磁定位方法，其特征在于，所述探管装置(6)包括磁信号接收装置(61)和通讯装置(63)；

所述磁信号接收装置(61)用于：检测所述螺线管装置(10)所产生的磁场、以及所述螺线管线(11)所产生的磁场，并通过所述通讯装置(63)发送至所述处理器。

10.根据权利要求8所述的一种蓄能电站隧洞磁定位方法，其特征在于，所述螺线管装置(10)包括两个螺线管，两个螺线管相互垂直设置。

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