[发明专利]一种基于旋转磁场的地下导向定位方法

说明书

技术领域

本发明属信息科学领域，可应用于水平定向钻进过程中，对地下钻具进行准确导向定位，也可应用于其他地下导向或定位工程，涉及一种基于旋转磁场的地下导向定位方法。

背景技术

随着我国经济的发展和城市化进程的加快，不需要开挖地面的水平定向钻进技术得到越来越广泛的应用。在水平钻进技术中，如何对钻具进行准确的导向和定位是实现水平定向钻进的关键。目前常用的方法是基于地磁场的定向和地面跟踪式导向定位。

其中，基于地磁场的随钻测量系统不需要地面的辅助探测设备，对于穿越河流等不适于地面跟踪的环境具有明显的优势。但是在穿越距离较长时，由于误差的积累，实际钻进轨迹与预设轨迹会产生较大偏差。另外，在地磁场受干扰的环境下，由于无法准确测量方位角，也无法进行导向。这时必须借助其他方法实现导向。地面跟踪式导向定位不存在积累误差问题，但是需要专业的操作人员在地面进行一定范围的扫描以确定钻具的位置，该方法定位效率低，且地面不能有过大的障碍物。

随着施工量的不断增加和穿越距离的增长，迫切需要一种高效率、高精度、高抗干扰能力的地下导向定位方法。从而提高施工的效率，适应更加复杂的施工环境，并降低成本。研究地下导向定位技术将进一步提高我国在水平定向钻进领域的实力，为城市化发展提供更有力的支持。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于旋转磁场的地下导向定位方法，具有效率高、精度高、抗干扰能力高的特点。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于旋转磁场的地下导向定位方法，在竖直旋转轴的无磁转台上安装水平的圆柱形永磁体组成地面人工磁场发生装置，在地下钻具内安装由三轴加速度计和三轴磁场传感器组成的测量单元，执行如下步骤：

步骤（1），测量永磁体的参数和当地地层参数，得到空间中一点的磁感应强度(B_x,B_y,B_z)；

步骤（2），地下钻具静止时，将转台安放在预计钻具位置的上方，建立参考坐标系XYZ和永磁体坐标系X_βY_βZ_β，X_β轴沿永磁体轴向，指向N极方向，β为永磁体绕Z轴逆时针转动的角度，两个坐标系的原点都在永磁体中心，且起始时重合，得到坐标原点在大地坐标系下的坐标(x~，y~,z~)；

步骤（3），利用转台使永磁体绕Z轴旋转一周，旋转过程中，每隔角度Δβ停止转动，由地下钻具测量单元记录三个方向的磁感应强度值，旋转完成后，得到一组测量数据(β_i,B_xi，B_yi，B_zi)，i＝1，...,n，n=360/Δβ，其中βi是每次记录时转台旋转的角度，B_xi是β_i角度下磁场传感器x方向的磁感应强度值，B_yi是β_i角度下磁场传感器y方向的磁感应强度值，B_zi是β_i角度下磁场传感器z方向的磁感应强度值；

步骤（4），利用测量单元内的加速度计测量钻具坐标系X'Y'Z'三个方向的重力场分量(g_x,g_y,g_z)，根据得到钻具当前的倾角θ和工具面向角

步骤（5），利用倾角θ和工具面向角对步骤（3）得到的磁感应强度数据(B_xi，B_yi，B_zi)进行坐标变换，将其转换到与水平面平行的平面内，变换后的磁感应强度数据记为(B′_xi,B′_yi,B′_zi)；

步骤（6），根据公式B_z＝f(β)＝k^*sin(β-β^*)+B_ez对数据(β_i,B′_zi)进行最小二乘法曲线拟合，得到如公式所描述的坐标值约束关系，其中k^*、β^*、B_ez是拟合参数，x₀是钻具在参考坐标系下的x坐标，y₀是钻具在参考坐标系下的y坐标；