[发明专利]一种交变磁场导向装置

权利要求书

1.一种交变磁场导向装置，其特征在于：包括近钻头人工磁极模块、目标端模块和源端控制模块；

近钻头人工磁极模块位于源端控制模块的近钻头处，发射低频交变磁场信号，目标端模块采集近钻头人工磁极模块所发射的低频交变磁场信号，并解算钻头与目标靶点间的相对方位和距离，钻头与目标靶点间的相对方位和距离信息通过目标端模块的远距离传输单元传输至源端控制模块的司钻指示控制单元，由司钻指示控制单元根据所收到的钻头与目标靶点间的相对方位和距离信息调整钻头的钻进方向，实现控制钻头向目标靶点精确钻进。

2.根据权利要求1所述的一种交变磁场导向装置，其特征在于：所述的近钻头人工磁极模块为，在钻铤的剖面上打六个通孔，在六个通孔中嵌入六组交流线圈，每两个交流线圈间隔30°，交流线圈内的交流激励电流相位两两相差π/6。

3.根据权利要求1所述的一种交变磁场导向装置，其特征在于：所述的近钻头人工磁极模块为，在钻铤的剖面上打六个通孔，在六个通孔中设有永磁体。

4.根据权利要求1所述的一种交变磁场导向装置，其特征在于：所述的目标端模块包括目标端井下测量单元、目标端地面单元、绞车和远距离传输单元；

目标端井下测量单元包括减震定位装置、传感器舱、电路舱、微机舱、电源舱、磁定位舱、马笼头和外壳；减震定位装置、传感器舱、电路舱、微机舱、电源舱、磁定位舱位于外壳内，减震定位装置与外壳最前端固定连接，具有定位和减震作用；传感器舱包括一组三轴加速度计和一组三轴高灵敏度磁通门，设传感器舱的轴线方向为Z轴，与轴线方向垂直的平面，设定相互正交的X轴、Y轴方向，X轴、Y轴、Z轴两两相互正交，三轴加速度计和三轴高灵敏度磁通门的三个轴向方向分别在X轴、Y轴、Z轴方向，三轴加速度计测量重力矢量G分别在X轴、Y轴、Z轴上的重力加速度分量G_x、G_y、G_z；三轴高灵敏度磁通门所测信号包括地磁信号H_dc和低频交变磁信号H_ac，其中地磁信号为地球固有，低频交变磁信号由近钻头人工磁极模块产生；三轴高灵敏度磁通门测量地磁信号H_dc分别在X轴、Y轴、Z轴上地磁信号分量H_dcx、H_dcy、H_dcz，地磁信号分量为直流分量；三轴高灵敏度磁通门测量低频交变磁信号H_ac分别在X轴、Y轴、Z轴上的低频交变磁信号分量H_acx、H_acy、H_acz，低频交变磁信号分量为交流分量；传感器舱与电路舱通过航空多芯电缆连接，将三轴加速度计所测的重力加速度分量G_x、G_y、G_z，三轴高灵敏度磁通门所测的地磁信号分量H_dcx、H_dcy、H_dcz和低频交变磁信号分量H_acx、H_acy、H_acz传输至电路舱；

电路舱接收并调理传感器舱提供的原始信号，电路舱接收三轴加速度计测量的重力矢量三轴的加速度分量G_x，G_y，G_z；接收三轴高灵敏度交流磁通门测量的直流分量H_dcx、H_dcy、H_dcz和交流分量H_acx、H_acy、H_acz；电路舱采用RC滤波电路将三轴高灵敏度交流磁通门测量的直流分量与交流分量分离，采用OP27放大器将加速度分量G_x，G_y，G_z、直流分量H_dcx，H_dcy，H_dcz、交流分量H_acx，H_acy，H_acz的信号幅度调整到±10伏以内，并通过航空多芯电缆传输给微机舱；微机舱包括CPU、数据采集电路和通信驱动电路，数据采集电路采用多路同步模拟-数字转换芯片AD7656，在CPU的控制下，通过数据采集电路采集G_x、G_y、G_z、H_dcx、H_dcy、H_dcz、H_acx、H_acy、H_acz；通信驱动电路将所采集的数据进行曼彻斯特编码，并通过单芯电缆上传至目标端地面单元；微机舱与电源舱通过航空多芯电缆连接；电源舱通过单芯电缆从地面获得的交流电压转换为目标端井下测量单元所需的直流电压，通过航空多芯电缆向传感器舱、电路舱、微机舱和磁定位舱供电；磁定位舱测量井深，井深数据通过单芯电缆传输至目标端地面单元；马笼头两端分别连接单芯电缆和磁定位舱；单芯电缆通过马笼头将目标端井下测量单元和绞车固定连接，通过调节单芯电缆的长度实现目标端井下测量单元的深度调节；

目标端地面单元包括测井车、计算机、接口箱和打印机；计算机、接口箱和打印机位于测井车内；接口箱包括远程传输接口和接口箱通信驱动电路；接口箱设有远程传输接口，用于与远程数据传输单元进行数据传输，接口箱通过接口箱通信驱动电路接收由单芯电缆输出的加速度分量G_x、G_y、G_z、地磁信号分量H_dcx、H_dcy、H_dcz和低频交变磁信号H_acx、H_acy、H_acz，并将其输入计算机，计算机利用近钻头人工磁极模块产生的旋转磁场的频率信号对低频交变磁信号H_acx、H_acy、H_acz进行相敏解调，得到目标端磁场特征信号H_IQ在三个坐标轴上的特征信号H_XI、H_YI、H_ZI和H_XQ、H_YQ、H_ZQ，从而得到目标端磁场特征信号H_IQ的特征分量，分别为H_IQX、H_IQY和H_IQZ；钻头与目标靶点间的相对倾斜角α为：

α=tg-1(HIQXHIQZ)---(1)]]>

目标靶点的特征方位角为：

钻头与目标靶点间的相对方位角θ通过下式得到：

距离r为：

r=M4πHmin3---(4)]]>

式中：H_min为H_IQ信号幅度的最小值，M为已知磁矩；

计算机解算得到相对倾斜角α与相对方位角θ，相对距离为r，通过打印机打印；计算机解算的钻头相对目标靶点的相对方位和距离信息通过远距离传输单元传至司钻指示控制单元。

5.根据权利要求1所述的一种交变磁场导向装置，其特征在于：所述的源端控制模块包括司钻指示控制单元、钻杆、随钻测量模块和钻铤，司钻指示控制单元接收经由远距离传输单元发送的钻头与目标靶点之间的相对方位和距离，司钻指示控制单元通过钻杆连接钻铤，随钻测量模块测量近钻头在地理坐标系中的绝对位置，以钻头与目标靶点间的相对方位和距离信息为闭环控制参数，通过司钻指示控制单元实时控制钻头向目标靶点精确钻进。