CN1769645A

CN1769645A - 水平定向钻进导向定位方法及定位仪

Info

Publication number: CN1769645A
Application number: CN 200410046887
Authority: CN
Inventors: 罗武胜; 吕海宝; 徐涛; 鲁琴; 周卫红; 李冠章; 郭岗
Original assignee: National University of Defense Technology; Changsha Zoomlion Heavy Industry Science and Technology Development Co Ltd
Current assignee: National University of Defense Technology; Changsha Zoomlion Heavy Industry Science and Technology Development Co Ltd
Priority date: 2004-11-03
Filing date: 2004-11-03
Publication date: 2006-05-10

Abstract

一种水平定向钻进导向定位方法及定位仪，用于在地下定向钻进的同时测量出钻具的角度和位置信息。该方法通过在导向钻具内设置传感发射探头，地面设置步行式定位跟踪仪以及钻机上设置司钻监视器来完成测量。传感发射探头由角度传感器、信号处理与传输单元、螺线管线圈、电池等组成，用于测量钻具的倾角、面向角、温度等参数，并通过发射线圈以无线电磁波的形式传送到地面定位跟踪仪。定位跟踪仪解调出地下探头传送的参数，并根据信号的强弱分布对其进行定位、定深，最终结果再由无线的方式传送到司钻显示器，保证司钻人员顺利操作。该方法及仪器突破了传统随钻测量仪的限制，集测斜和定位两大功能于一身，大大提高钻进的智能化水平。

Description

水平定向钻进导向定位方法及定位仪

技术领域

本发明涉及非开挖水平定向钻进领域，具体涉及一种用于水平定向钻进的导向定位方法及由该方法设计的导向定位仪器。

背景技术

目前，非开挖水平定向钻进管线铺设方法得到广泛的应用，它是利用专门的水平定向钻机以可控钻孔轨迹的方式，在不同地层和深度进行钻进以铺设地下管线的施工方法。施工时，首先利用定向钻机钻出小口径的导向孔，钻进过程中通过监测和控制手段使钻孔按设计轨迹延伸，并从另一端钻出地表。然后用扩孔钻头将钻孔扩大至所需的口径，最后将待铺设的管线回拖入孔内。水平定向钻进过程中，必须实时获取地下钻具的倾斜、方位、转动等姿态信息以及钻具在地下的位置信息，以及时指导司钻人员进行调整，实现可控定向钻进。

钻具姿态参数的测量在原理上并不难，但在具体的实现上决非易事。首先，测量这些参数的传感器必须安装在钻具内部，集中在直径只有3～4cm之间的一段狭小空间内，对体积要求比较严格。其次，为了避免电缆连接和密封带来的一系列问题，不能采用有缆连接，其供电和信号的传输都成问题。最后，也是最重要的一点，地下钻进时的工作状态和条件之恶劣，是在工业领域里所罕见，这就要求传感器工作时能耐高压(100MPa以上)、高温(100℃以上)、高湿(被钻井液包围)、高冲击(几十个g以上)、高振动、高摩擦、高腐蚀等，能抗各种干扰，对传感器元件的机械结构强度、密封性能、工作条件、工作寿命、可靠性、可维护性等要求也很高。

目前实现钻具姿态参数测量主要是借鉴惯性测量技术，运用三轴力反馈式加速度计和三个沿加速度计轴向安装的磁通门传感器来进行测量。由于这种方案使用了磁性传感器，任何影响磁性测量的因素都会形成干扰，造成测量的不准确。特别是姿态测量传感器需要放在钻具内部，钢制材料的钻杆和钻具将会对正常测量造成致命的影响。因此，采用这样的姿态测量装置必须配备无磁钻铤。不仅如此，为了提高精度，传感器周围的钻杆也必须是无磁性的，于是对钻具和钻杆提出了新的要求，大大限制了该技术方案的应用。另外一种姿态测量技术——地下随钻陀螺仪也是一个很有前途的方向，然而由于受体积和恶劣钻进环境的限制，目前在地下钻进时还不能很好地工作。

关于地下信号的传输问题，早期的随钻测量系统都是通过有线传输的方式，将传感器测量的数据传送到地面。尽管这种方式信号衰减小，传输速度快，地下探头的电源可以通过电缆供给，然而钻进过程中需要频繁的停钻以进行电缆的连接，电缆的连接和密封带来的一系列问题，导致施工效率低，而且随着钻进深度和距离的增大，这方面的影响愈加突出。因此，大多数随钻测量系统都采用无线的方式来传输信号。目前在石油钻井等领域使用比较多的无线方式是泥浆脉冲方式，它首先将孔底测量数据转换为压力脉冲信号，通过钻杆内的泥浆传到地面，再由地面上的装置检测出压力脉冲并解码出相应数据。这种方式虽然不需要复杂的信号电缆，但是信号传输速度较慢，完成一次测量的传输需要几十秒甚至几分钟，不能满足钻进实时测量的要求。同时，由于采用泥浆压力脉冲的方式，对泥浆压力脉冲的产生和识别技术要求较高，钻具内还需要附加的动作机构，从而使钻具结构复杂，成本很高。

对于钻具的定位问题，由于地下环境本身具有许多难以克服的特性，地下的三维定位技术远比地面上的复杂，迄今为止，还没有完全意义上的地下三维定位技术。目前，国内外石油钻井和地质钻探领域提出几种地下定位系统的设想，如地下GPS(全球定位)，地下雷达和地下CT(计算机断层扫描)等，但是这些设想不是系统过于复杂，代价太高，就是技术手段还不成熟，无法付诸实用。

综上所述，由于地下工作的特殊性，水平定向钻进的姿态参数测量以及定位定深等诸多问题，还没有得到较好的解决，国内这方面的研究及相关的仪器更是处于空白状态。

发明内容

本发明的任务，就是克服上述现有技术的不足，提供一种实用的水平定向钻进导向定位方法及定位仪，在水平定向钻进的同时测量出钻具的角度和位置信息。

本发明提出的导向定位方法是：在与钻杆相连的导向钻具内设置地下传感发射探头，由该探头测量钻具的倾角、面向角、温度信息，并将测量结果通过发射线圈以无线电磁波的形式传送到地面步行式定位跟踪仪，由地面定位跟踪仪解调出所传送的参数信息，同时根据信号的强弱分布对其进行定位、定深，然后将最终的测量结果发送到司钻显示器，由司钻人员实时监控。

由上述方法设计的导向定位仪包括地下传感发射探头、司钻监视器和地面定位跟踪仪三部分组成，地下传感发射探头装于与钻杆相连的导向钻具内腔，司钻监视器设于水平定向钻机上，可接收发自地下传感发射探头的信号且可将信息传递给司钻监视器之定位跟踪仪则置于地面上。

所述地下传感发射探头，由两端两段金属壳体和中间段绝缘壳体密封而成，电源装于一端金属壳体内腔，无线发射元件装于绝缘壳体内腔，装有信号处理与传输元器件之电路板、倾角传感器、面向角传感器和温度传感器置于另一端金属壳体内腔，其中所述无线发射元件，由螺线管线圈和套于该线圈内之铁氧体磁芯组成；所述倾角传感器沿钻具轴线安装，采用MEMS工艺的单片集成加速度计；所述面向角传感器沿钻具轴截面安装，它包括一筒体状传感器盒体，盒体内腔均布有与编码电路相连之光电接收器，盒体中心有发光体，发光体和光电接收器之间设有可随旋转物体转动的遮挡体，遮挡体可将发光体投射后光线恰好遮挡一个光电接收器；在电路板上，装有微处理器、D/A转换器、DSP处理器，面向角传感器通过编码电路与微处理器相连，倾角传感器通过A/D转换器与微处理器相连，温度传感器与微处理器直接相连，微处理器通过DSP处理器、功率放大电路、谐振电路与螺线管线圈相连。

所述地面定位跟踪仪包括显示面板，用于和司钻监视器通讯之发射天线，以及四个可接收地下传感发射探头发射的电磁场信号之螺线管线圈，其中，三个线圈相互垂直排列在一起，第四个线圈位于上述三个线圈上方一定距离处，与其中一水平放置之线圈平行；仪器的底部带有滚轮，方便步行式移动搜索；在定位跟踪仪的电路中，用于接收的多路螺线管线圈经谐振选频、前置放大、带通滤波、可调增益等环节与由微处理器控制的模拟多路转换器相连，再经高速A/D转换器后与DSP处理器中相连，信号经DSP处理器处理后送入微处理器，并由微处理器控制液晶显示器、蜂鸣装置、键盘、无线发送器实现与外部的接口。

微处理器分别与液晶显示器、蜂鸣装置、键盘、无线发送器、DSP处理器、模拟多路转换器相连，螺线管线圈通过谐振选频环节、前置放大、带通滤波电路、模拟多路转换器、高速A/D转换器与DSP处理器相连。

本发明具有以下实质性的技术效果。第一，本发明传感发射探头体积小，结构简单，能够放入绝大多数钻具的内部；第二，地下传感发射探头内部采用独特的传感器设计，分别由MEMS加速度计构成的倾角传感器，利用小球遮挡光原理制成的光电式转角传感器，以及数字式温度传感器组成，能够在钻进的同时可靠测量出钻具的倾角、面向角及温度信息；第三，测量结果通过通电螺线管线圈以无线电磁波的形式向地面传输，螺线管线圈还产生一个类似于磁偶极子源的磁场分布，供地面接收仪器接收，地面接收仪做成带有滚轮的小车形式，便于操作人员对地下钻具进行搜索定位，接收仪在定位的基础上，通过固定间距排列的水平双线圈测量出钻具的深度，最终的测量结果利用无线传输的方式传送到钻机处的司钻显示器，供司钻人员实时监控；第四，本发明突破了传统随钻测量仪的限制，集测斜和定位两大功能于一身，解决了一直以来困扰地下钻进的两大难题，使定向钻进的轨迹可控，大大提高了钻进的智能化水平。

附图说明

图1为水平定向钻进中的导向孔施工示意图；

图2为水平定向钻进中的扩孔及管线回拖示意图；

图3为地下导向钻具的结构及地下传感探头安装示意图；

图4为本发明三个组成部分结构示意图；

图5为本发明地下传感发射探头内部结构示意图；

图6为本发明地下传感发射探头的测量原理框图；

图7为本发明地面定位跟踪仪的测量原理框图；

图8为本发明面向角传感器结构主视图；

图9为本发明面向角传感器结构侧视图；

图10为本发明内部倾角传感器结构原理图；

图11为本发明实施倾角测量温度校正的流程图；

图12为本发明实施倾角测量的流程图；

图13为本发明接收线圈的特征信号分布；

图14为本发明定位测深的具体流程图；

图15为本发明传感发射探头传感器和螺线管驱动部分电路图；

图16为本发明传感发射探头控制与信号处理电路图；

图17为本发明传感发射探头电源部分电路图；

图18为本发明地面接收仪线圈接收与信号放大部分电路图；

图19为本发明地面接收仪控制与信号处理电路图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例介绍本发明。

本发明属于水平定向钻进的配套方法及设备。参照图1、2，施工时，首先利用水平定向钻机1通过钻杆2、装有传感发射探头3的导向钻具4钻出小口径的导向孔，钻进过程中通过地下传感发射探头3获取钻具的状态，并将结果以无线电磁波的形式发送到地面接收仪8，由地面定位跟踪仪8解调出所传送的参数信息，同时根据信号的强弱分布对其进行定位、定深，接着将测量结果送到水平定向钻机1处的监视器5，以指导司钻人员7进行控制和调整，绕过各种地面障碍物6，保证钻孔按设计轨迹延伸，并从另一端钻出地表。然后用扩孔钻头10将钻孔扩大至所需的口径，最后将管线架9上的管线11回拖入孔内。

参照图3，地下导向钻具4与钻杆2连接，由斜面钻头12、钻进液喷嘴13、钻具14及地下传感发射探头3组成，所述斜面钻头12装于钻具14前端，钻具14顶端设有钻进液喷嘴13，地下传感发射探头3安装在钻具14内腔，通过盖板15密封，安装地下传感发射探头3的钻具14壳体位置周围均匀分布有刻槽16，以利于无线信号的传输，端部开有定位槽17，实现与钻具14的装配，保证二者之间没有相对运动。当斜面钻头12一边回转一边进给时，则钻出一个直孔，实现保直钻进；当斜面钻头12只进给而不回转时，由于斜面钻头受到的阻力，钻孔将向斜面的朝向方向弯曲。

参照图4，所述水平定向钻进导向定位仪，由地下传感发射探头3、司钻监视器5和地面接收仪8三部分组成。地下传感发射探头3装在导向钻具4内，司钻监视器5设在水平定向钻机1上，地面接收仪8置于地面。所述地下传感发射探头3由角度传感器、信号处理及传输单元、螺线管线圈、电池等组成，用于测量钻具的倾角、面向角等参数，并将测量结果通过发射线圈以无线电磁波的形式传送到地表，供地面步行式定位跟踪仪8接收。探头3呈细长圆柱形，外形尺寸为32mm×380mm。其外壳分为三段，由两端两段金属壳体31、33和中间段绝缘材料的壳体32组成，分别对应于内部的传感部分、电源部分及无线发射部分。中间段壳体32采用绝缘材料，可避免金属材料对发射信号造成的衰减。所述地面步行式接收仪8，一方面解调出地下探头传送的参数，另一方面可根据信号的强弱分布对地下探头进行定位、定深，并将最终结果通过无线的方式传送到钻机1处的司钻显示器5。地面接收仪8主要由显示面板18、按键19、提手20、用于和司钻监视器5通讯用的发射天线21、塑料壳体等组成，底部带有滚轮22，以方便操作人员进行移动定位。其内部含有四个螺线管线圈23、24、25、26，用来接收地下传感发射探头3发射的电磁场信号。其中，线圈24，25，26互相垂直排列在一起，分别接收三个正交方向上的电磁场分量，主要用于对地下传感发射探头3进行定位，线圈23位于上述三个线圈之上方，与它们有一固定的距离，与线圈26平行，一起用于地下传感发射探头3的深度测量。所述司钻显示器5由显示面板27、开关28、接收天线29、底座30及相关的壳体组成，其安装在水平定向钻机1上，接收并显示地面定位跟踪仪8发来的信号。它可将定位跟踪仪8通过无线传输的测量结果显示出来，供司钻人员监控。

参照图5，所述地下传感发射探头，其电源部分装在金属壳体33的内部，无线发射元件由螺线管线圈35和磁芯36组成，装在绝缘壳体32的内部，传感器及信号处理与传输元件包括电路板37、38，倾角传感器39，面向角传感器40和温度传感器41，置于金属壳体31的内部。由于地下传感发射探头3采用无缆连接，其所有的供电由两节2号电池34完成，电池34既可以采用普通的碱性电池，也可以采用高能的镍镉电池。铁氧体磁芯36的插入内部螺线管线圈35，构成无线发射元件的主体，通以交流低频信号，并以电磁波的形式不断向地表发送，供地面接收仪8搜索定位，随钻测量的结果也要调制在此信号上，由螺线管线圈35进行传输。传感器及信号处理元件为核心部件，主要由倾角传感器39、面向角传感器40、温度传感器41以及两块电路板37、38组成。电路板37主要完成传感器信号的采集与测量，而电路板38主要实现测量数据的放大和传输功能。

参照图6，温度传感器41与微处理器45相连，面向角传感器40通过编码电路44与微处理器45相连，倾角传感器39和温度传感器42通过A/D转换器43与微处理器45相连，DSP处理器46亦与微处理器45相连，同时通过D/A转换器47、功率放大器48、谐振电路与螺线管线圈35相连。倾角、面向角、温度等随钻测量参数分别由上述相应的传感器测得。倾角传感器39采用的是敏感轴沿钻具轴向安装的加速度计，由于加速度计的输出信号随温度的变化而变化，实用的测量必须考虑温度的影响，因此在加速度计处引入温度传感器42进行温度补偿。倾角传感器39和温度传感器42输出的模拟信号，经12位A/D转换器43转化为数字信号后送到微处理器45中进行处理。面向角传感器40采用的是沿钻具横截面安装的光电式传感器，由于其测量的面向角以圆周上的位置来表示，输出的是数字量，可直接与微处理器45相连，为了减少端口的数量，二者之间增加了编码电路44。温度传感器41安装在金属壳体31内靠近钻头的一侧，用于监测整个系统的温度，防止由于钻进过热导致传感器与电子部分的损坏。温度传感器41采用DALLAS公司最新推出的一种“单总线”数字温度传感器，它体积小，电压适用范围宽，可以通过编程实现9～12位的温度读数，其实用性和可靠性比同类产品更高。在-10℃～+85℃时，其精度为±0.5℃，满足系统测量要求。整个随钻测量系统由电源模块49来供电，电源升压变换器将两节2号电池34的输出转化为不同的工作电压，提供给传感器和电子电路使用。另一方面，电源模块49提供电池状态监测50端口，供微处理器45监测电池状态。

微处理器45作为系统的控制单元依次完成温度、倾角、面向角等参量的测量后，将测量最终结果存入对应的存储区，并通过螺线管线圈35以无线的方式送出，供地面定位接收仪8接收。在数据的无线传输上，考虑到电路板37、38体积的要求以及无线发送的灵活性，采用高速DSP处理器46和D/A转换器47结合软件编程来实现。数据调制采用二进制幅移键控(ASK)的方式，通过二进制调制信号1和0控制基频载波的通和断，实现测量数据的传输，这种二进制幅移键控的方式又称为通断键控(OOK)。为了能够实现地下传感发射探头3和定位接收仪8的通讯，选取的电磁波频段必须能够穿透十几米甚至几十米的地层，满足这样的电磁波频段在甚低频段，一般在1kHz到33kHz之间。在这个区间内，频率越高穿透能力越差，频率越低干扰造成的影响越大，所以实际的选用中必须折衷考虑，以寻求最佳的频点，我们常用的载波频率是8kHz。载波的产生及数据的调制均采用DSP处理器46控制的D/A转换器47来实现，这种方式不仅可以精确产生预定的频率，而且只要进行软件上的设置可方便对频率进行调整。D/A转换器47输出的载波信号经功率放大器48放大后，再通过LC串联谐振电路，最后驱动螺线管线圈35向地表发送。

参照图7，所述地面定位跟踪仪内部含有四个螺线管线圈23、24、25、26，用来接收地下传感探头3发射的电磁场信号。其中，线圈24，25，26互相垂直排列在一起，分别接收三个正交方向上的电磁场分量，主要用于对地下传感发射探头3进行定位，线圈23与它们有一固定的距离，和线圈26一起用于地下传感发射探头3的深度测量。这四个线圈形成四路接收信号，图中只给出了线圈23的处理过程，其它三路与之类似。如图所示，微处理器58分别与液晶显示器59、蜂鸣装置60、键盘61、无线发送器62、DSP处理器57、模拟多路转换器55相连，螺线管线圈35通过谐振选频环节51、前置放大52、带通滤波电路53、模拟多路转换器55、高速A/D转换器56与DSP处理器57相连。螺线管线圈35通过谐振选频环节51和前置放大52接收到地下传感发射探头3发射的信号，为了消除杂波的干扰经过带通滤波53，滤波后的信号为了调整到合适的幅值，引入数字可编程增益环节54，经调整后的信号和其它三路信号一起经模拟多路转换器55分时切换后送入高速A/D转换器56进行采样。采样后的信号存入DSP处理器57中，由DSP处理器57完成信号的解调。解调后的信息送到微处理器58中，一方面通过液晶显示59和蜂鸣装置60输出，另一方面通过无线发送器62以高频电磁波的形式向在定向水平钻机1处的司钻显示器5发送。

参照图8、9，圆筒状传感器盒体66，其内腔周边均匀布有光电接收器65，用于测量圆周上的所设等份转角。传感器盒体66两侧分别设有绝缘材料制成的上盖板67和电路板68，形成一密封筒盒。盒体中心设发光体63，可固定在电路板68上，它可以是可见光光源，或红外光源。在发光体63和光电接收器65之间，设有一遮挡体64，该遮挡体64可为一自由转动的小球，限制在上盖板67所设的内侧圆周内，恰好能够遮挡住一个光电接收器65，而且不会与发光体63和光电接收器65碰撞。在发光体63和光电接收器65选定的情况下，通过合适选择遮挡体64以及上盖板67内径的尺寸，可使遮挡体64因重力作用在上盖板67内侧自由滚动时，恰好能挡住一个光电接收器65，使该接收器接收不到发光体63发出的光。光电接收器65通过一侧的电路板68引出，与编码电路相接。测量信号经光电接收器65转换后输入到后续的编码电路，实现数字编码输出，与微处理器相接。

整个传感器可用胶合的办法与旋转轴固定在一起，当旋转轴转动时，由于重力作用遮挡体64始终保持在最低点，最低点的光电接收器65由于遮挡体64的遮挡而接收不到光，其它的光电接收器65都能接收到发光体63发出的光。由于事先对已对光电接收器65进行编号，这样根据这12个光电接收器65的输出就能确定被挡接收器的位置，从而测得相应的面向角。类似地，采用N个光电接收器，也可以实现N等分的面向角测量。

参照图10，所述倾角传感器39采用的是Analog Devices公司推出的高性能单轴加速度计ADXL105，这种加速度计采用MEMS技术，在单片上集成加速度敏感元件及相应的调理电路，具有体积小，重量轻，易于大规模批量生产，成本低等优点。更为重要的是，这种加速度计内部集成了温度传感器，可以方便地对温漂进行校正，并实现温度补偿。倾角传感器39做成密封的圆筒状，其轴线方向与导向钻具14的轴线一致，加速度计69安装在其轴截面70内，安装时保证加速度计69的敏感轴(ox方向)与轴线一致。这样，加速度计69任何时候测量的是钻具轴线方向的重力加速度分量，根据此分量与倾角的关系，就可得到倾角的大小。

如图所示，假设倾角为零时加速度计的输出为V₀，倾角为α时加速度计输出为V_α，加速度计的输出灵敏度为S，倾角可由下式得到

α＝arcsin[(V_α-V₀)/S] (1)

加速度计的零偏输出V₀和灵敏度S的校正可通过测量重力加速度g来完成，将加速度计敏感轴平行于重力方向，分别完成+1g和-1g的测量。假设其输出分别用V₁和V₂表示，于是可通过下列公式计算出零偏V₀和灵敏度S的大小

V₀＝(V₁+V₂)/2 (2)

S＝(V₁-V₂)/2g (3)

这种零偏和灵敏度校正方法的一个主要优点在于其对敏感轴与重力方向间的对准程度要求不高，因为重力方向的加速度计输出信号和偏离角度的余弦成正比，如竖直方向上5°的偏离仅导致0.4％的误差。

温度对加速计的输出影响很大，而倾角传感器39是放在地下钻具的内部在钻进的同时测量，要忍受巨大的温度变化。在这种情况下，零漂和灵敏度随温度的漂移将会很严重，直接测量时会导致很大的角度误差，因此，必须采取某种形式的温度校正来解决。

图11给出了本发明倾角测量时温度校正的流程图，其具体步骤是：将加速度计69放在专门的恒温箱中，设定最低温度，然后通过系统地改变温度分别测量其在+1g和-1g时的输出V₁和V₂，此外，通过加速度计69内集成的温度传感器也可测量出温度传感器的输出V_t，结合公式(2)、(3)可得到不同温度下零偏V₀和灵敏度S的大小。当达到最高温度时，对所得数据进行曲线拟合和插值，就可得到它们随温度变化的规律，将此规律以表格的形式存入计算机，供实际倾角测量时使用。

图12给出了本发明倾角测量的流程图，其具体步骤是：将上述校准数据的V₀(t)、S(t)、V_t(t)以表格形式存入计算机后，将经温度校正过的倾角传感器39正确安装在装置的内部，然后测量当前倾角下加速度计69输出V_α，测量温度传感器的输出V_t，根据温度传感器输出V_t的值得到当前温度t，查表得到当前温度下的零偏V₀(t)和灵敏度S(t)，以此作为倾角测量的依据，利用公式(1)计算出倾角的大小，从而实现温度补偿。实验证明，这种温度校正的方式十分有效，可使系统的测量精度提高一个数量级。

利用通电螺线管线圈35不仅完成地下传感发射探头3到地面间的数据传输，而且可以实现地下钻具的定位和测深，这也是本发明的一大特色。定位和测深功能是通过发射源电磁波的空间分布满足特定的规律来完成的。对通电的螺线管线圈35而言，当所考察的距离远大于螺线管的径向尺寸时，可将其视为一磁偶极子源，周围磁场分布满足磁偶极子磁场分布的规律。

图13给出了这种情况下螺线管线圈35周围磁力线71沿竖直平面的分布，以螺线管线圈35轴线方向为x轴，水平面内与之垂直的方向为y轴，垂直向上的方向为z轴，建立直角坐标系，则螺线管线圈35周围任何一点的磁场可表示为

B_r＝m(3x²-r²)/r⁵ (4)

B_y＝3mxy/r⁵ (5)

B_z＝3mxz/r⁵ (6)

其中，x，y，z为该点的三维坐标，m为磁矩，r为距离螺线管的距离，且有

r²＝x²+y²+z² (7)

利用螺线管线圈35周围磁场分布的规律，恰当的采用接收线圈对此磁场进行接收，根据其特征信号即可对螺线管进行定位。由于接收线圈也是采用带有磁芯的螺线管，其接收具有方向性，即只能接收某一方向上的磁场分量，所以本仪器采用三个互相垂直的线圈24、25、26接收三个正交方向上的分量。

地面操作人员在具体定位时，首先背离水平定向钻机1沿钻进的方向前进，并使接收线圈24大致对应钻进的方向，这样，线圈26，25，24分别对应上述坐标系的x，y，z方向，其接收到的磁场分别为发射磁场在这三个方向上的分量。通过检测线圈25的输出是否为零，可判断地面定位跟踪仪8是否在钻进的方向上，若不是，移动定位跟踪仪8继续搜索，直至线圈25的输出为零。然后根据线圈24，26的特征输出来进行定位，图13同时给出了y＝0时线圈24和26沿钻进方向的输出曲线，其中，实线72为水平接收线圈26的输出，虚线73为竖直接收线圈24的输出。由图可见，线圈24沿钻进方向有三个极大值，其中，在钻具上方取得最大值，且此时线圈24的输出为零。基于此我们可实现地下传感发射探头3的准确定位。一旦完成钻具的定位，可通过23，26的输出Bx₁，Bx₂以下公式解算出深度

z＝d/[(Bx₁/Bx₂)^1/3-1] (8)

其中，d为线圈23和线圈26间的距离。

图14给出了定位测深的流程图，其具体步骤为：首先作好定位准备，使线圈26、25、24大致对应x、y、z方向，然后检测线圈25的输出By，若By≠0，则移动地面定位跟踪仪8继续步行式搜索；若By＝0，则检测线圈26的输出Bx，并不断移动搜索，直至其取得极大值。此时检测线圈24的输出Bz，当Bz＝0时，即找到钻具在水平面上的投影位置，定位完成。在定位点上，同时检测线圈26、23的输出Bx₁，Bx₂，然后利用公式解算出钻具的深度，送入显示器，并继续下一次测量，从而得到钻进的轨迹。当与设计轨迹有偏差时，就通过改变定向参数来进行纠偏，以实现成功的定向钻进。

参照图15，所述面向角传感信号从12路光电接收器PD1～PD12引出，经三片运放U1、U2、U3进行I/V转换后，由编码电路U4、U5、U6对信号进行编码，最后通过口线ROLL0～ROLL3和故障标志位FLAG输出到后续的处理电路。倾角测量电路由加速度计69及外围电路组成，输出加速度和温度两路模拟信号ADXA1、ADXA0。用于监测系统温度的温度传感器41采用的是单线式数字温度传感器，直接输出数字信号DQ，可直接与微处理器45相连。螺线管驱动电路48采用两片大电流大电压驱动器和LC串联谐振电路来实现，两片构成差动输出，使谐振电路任意时刻的供电电压达24V，最大限度地提高发射功率。

参照图16，微处理器45为主控制芯片，采用TI公司的MSP430F149，DSP处理器46为主处理芯片，采用AD公司的ADSP2189，D/A转换芯片47则采用MAXIM公司的芯片MAX547。面向角输出信号ROLL0～ROLL3、FLAG和温度传感器信号DQ已经是数字信号，可直接与微处理器45相连，倾角测量信号ADXA1、ADXA0由于是模拟信号，必须经微处理器45自带的A/D转换器43预先采集处理。所需频率的载波信号由高速DSP处理器46软件编程控制D/A转换器47来生成，送入螺线管驱动电路48进行功率放大。随钻测量的最终结果也由微处理器45送到DSP处理器46中，进行调制输出。

图17给出了地下传感发射探头3电源部分的具体电路。由于本发明装置体积很小，供电只能由两节2号电池34来完成，需要将电池电压转换为不同大小的标准电压，提供给各个单元。如图所示，三片MAX1672构成的转换电路U17、U18、U19分别将电池电压转换为+3.3V、+1.9V、+5V，供传感器及处理电路使用；一片MAX764构成的电路U22将电池电压转换为-5V，提供给D/A转换器47；由MAX761和MAX765构成的转换电路U20、U21形成+12V、-12V的电压，以驱动螺线管进行功率输出。电池电压通过BAT端接入微处理器45进行监控，微处理器45还可通过控制继电器RELAY1的动作实现电源的通断。

图18给出了地面定位跟踪仪8线圈接收与信号放大部分的具体电路。四路接收线圈23、24、25、26接收到的信号经并联谐振后以差动的形式输入到数字可编程增益放大器U23～U26的输入端，U23～U26的放大倍数由微处理器58控制，可调电容VC1～VC4选用容值为220PF的双连可调电容，用于调整接收频率。经U23～U26输出的信号送入U27～U28构成的比例电路进行增益微调，以保证四路的对称性。接着四路输出信号送入微处理器58控制的模拟开关55中进行切换，并通过数控增益环节54实现可控增益放大。模拟开关U31和U32构成的衰减电路则用于对大信号的衰减，在小信号时也可以跳过这一环节。其后信号通过U33的滤波器电路53实现窄带滤波，以滤除其它波段的干扰。

图19给出了地面定位跟踪仪8的控制与信号处理电路。微处理器58为主控制芯片，仍采用MSP430F149，DSP处理器57为主处理芯片，采用ADSP2189，A/D转换芯片56则采用MAXIM公司的芯片MAX1185。经预处理后的模拟信号送入A/D转换器56中进行采集，然后送入到与微处理器58相连的的DSP处理器57中，在微处理器58的引导控制下实现数字滤波、解调、计算、输出等功能，完成数据的处理。最后数据既可以通过液晶显示器59输出，也可以通过接口J7(RS-232口)与计算机相连，键盘管理61则通过接口J8来实现。地面接收仪系统的供电与地下探头的类似，也需要+3.3V、+1.9V、+5V、-5V、+12V、-12V的电源，仍可采用图17所示的电路来实现，只不过地下传感探头3由于体积有限只能采用两节2号电池，而地面接收仪器采用6节。

Claims

1、一种水平定向钻进导向定位方法，其特征在于：在与钻杆(2)相连的导向钻具(4)内设置地下传感发射探头(3)，由该探头测量钻具的倾角、面向角、温度信息，并将测量结果通过发射线圈以无线电磁波的形式传送到地面步行式定位跟踪仪(8)，由地面定位跟踪仪解调出所传送的参数信息，同时根据信号的强弱分布对其进行定位、定深，然后将最终的测量结果发送到司钻监视器(5)，由司钻人员实时监控。

2、一种水平定向钻进导向定位仪，其特征在于：它包括地下传感发射探头(3)、司钻监视器(5)和地面定位跟踪仪(8)，所述地下传感发射探头(3)装于与钻杆相连的导向钻具(4)内腔，司钻监视器设于水平定向钻机上。

3、根据权利要求2所述的水平定向钻进导向定位仪，其特征在于：所述地下传感发射探头(3)由两端的两段金属壳体和中间段绝缘壳体(32)密封而成，电源装于一端金属壳体内腔，无线发射元件装于绝缘壳体内腔，装有信号处理与传输元件之电路板、倾角传感器(39)、面向角传感器(40)和温度传感器(41)置于另一端金属壳体内腔。

4、根据权利要求3所述的地下传感发射探头，其特征在于：所述无线发射元件由螺线管线圈(35)和套于该线圈内之铁氧体磁芯(36)组成；所述倾角传感器沿钻具轴线安装，采用MEMS工艺的单片集成加速度计；所述面向角传感器沿钻具轴截面安装，它包括一筒体状传感器盒体，盒体内腔均布有与编码电路相连之光电接收器(65)，盒体中心设发光体(63)，发光体和光电接收器之间设有可随旋转物体转动且可将发光体投射后光线恰好遮挡一个光电接收器之遮挡体(64)。

5、根据权利要求3所述的地下传感发射探头，其特征在于：电路板上装有微处理器(58)、D/A转换器(47)、DSP处理器(46)，面向角传感器通过编码电路与微处理器相连，倾角传感器通过A/D转换器(43)与微处理器相连，温度传感器与微处理器直接相连，微处理器通过DSP处理器、功率放大电路(48)、谐振电路与螺线管线圈(35)相连。

6、根据权利要求4所述的地下传感发射探头，其特征在于：遮挡体为可自由滚动的小球。

7、根据权利要求2所述的水平定向钻进导向定位仪，其特征在于：所述地面定位跟踪仪包括显示面板，用于和司钻监视器通讯之发射天线，以及四个可接收地下传感发射探头发射的电磁场信号之螺线管线圈，其中，三个线圈相互垂直排列在一起，第四个线圈位于上述三个线圈上方一定距离处，与其中一水平放置线圈平行。

8、根据权利要求7所述的地面定位跟踪仪，其特征在于：用于接收的多路螺线管线圈经谐振选频(51)、前置放大(52)、带通滤波(53)、可调增益环节(54)与由微处理器控制的模拟多路转换器(55)相连，再经高速A/D转换器(56)与DSP处理器(57)相连，信号经DSP处理器处理后送入微处理器，并由微处理器控制液晶显示器(59)、蜂鸣装置(60)、键盘(61)、无线发送器(62)连接外部的接口。

9、根据权利要求7、8所述的地面定位跟踪仪，其特征是：在仪器的底部装有便于步行移动搜索的滚轮(22)。