[发明专利]基于双脉冲磁矩测量的钻杆定向方法及装置有效

专利信息
申请号: 201310181146.6 申请日: 2013-05-16
公开(公告)号: CN103277090A 公开(公告)日: 2013-09-04
发明(设计)人: 李伟;孟诚;黄捷 申请(专利权)人: 中国船舶重工集团公司第七一〇研究所
主分类号: E21B47/024 分类号: E21B47/024;E21B47/092;E21B47/13
代理公司: 北京理工大学专利中心 11120 代理人: 杨志兵;仇蕾安
地址: 443003 *** 国省代码: 湖北;42
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摘要:
搜索关键词: 基于 脉冲 测量 钻杆 定向 方法 装置
【说明书】:

技术领域

发明涉及一种基于双脉冲磁矩测量的钻杆定向装置,以及涉及一种钻杆定向方法,属于定向钻进中的导向技术领域。

背景技术

非开挖技术是新兴的施工技术,可以在不对路面“开膛破肚”的情况下进行地下管道的施工。水平定向钻进是非开挖技术的核心,定向技术是水平定向钻进的关键。

目前的定向技术,大多采用磁传感器、陀螺仪与加速度计相结合的方式对钻杆的方位角与倾角进行测量。磁传感器易受外部磁干扰的影响,陀螺仪的漂移较大,加速度计在动态环境下误差较大,因而采用磁传感器、陀螺仪与加速度计相结合的方式,测量精度不高。还有一种将电子罗盘应用于非开挖施工中技术,但是机械结构复杂,且对周围的磁场环境非常敏感,使用受限且测量误差较大(超过5%)。

发明内容

有鉴于此,本发明提供了一种基于双脉冲磁矩测量的钻杆定向装置,钻杆内仅需2个脉冲磁矩单元完成磁场产生功能即可,无需加速度计,也无需陀螺仪。

本发明还提供了一种钻杆定向方法,能够对两个脉冲磁矩单元进行定位,并根据位置坐标计算出无磁钻杆的方位角与倾斜角,适用于对地下特深(深度达8米)非开挖钻进的钻头进行导向定位。

一种基于双脉冲磁矩定位的钻杆定向装置,该钻杆定向装置包括脉冲磁矩单元a、脉冲磁矩单元b、地面测量单元和地面计算显示单元,脉冲磁矩单元a和脉冲磁矩单元b均安装在钻杆内,地面测量单元和地面计算显示单元分别设置在地面上且两者通过无线通信;脉冲磁矩单元a和脉冲磁矩单元b用于分时产生磁场,地面测量单元用来采集环境磁场的参数,地面计算显示单元根据地面测量单元采集的参数对钻杆的位置和钻头方向进行计算并显示;

两个脉冲磁矩单元均包括磁场线圈、微控制器、高压电容、联动电控开关A、联动电控开关B、时钟芯片、倍压升压单元和电池组;倍压升压单元通过联动电控开关A与磁场线圈的一端连接,倍压升压单元通过联动电控开关B与磁场线圈的另一端连接,高压电容一端与联动电控开关A连接,另一端与联动电控开关B连接,微控制器分别与联动电控开关A的控制端、联动电控开关B的控制端和时钟芯片连接,电池组分别给倍压升压单元和高压电容供电;

当微控制器在时钟芯片的驱动下控制联动电控开关A接通和联动电控开关B断开时,则高压电容充电,当微控制器在时钟芯片的驱动下控制联动电控开关A断开和联动电控开关B接通时,则高压电容放电产生磁场;倍压升压单元实现电池组电压的变换。

所述的地面计算显示单元为磁力梯度张量仪。

一种钻杆定向装置的钻杆定向方法,其具体方法步骤如下:

步骤一:将脉冲磁矩单元a和脉冲磁矩单元b均安装在钻杆的头部内,且使两个脉冲磁矩单元中磁场线圈的轴向与钻杆的轴向平行;

步骤二:将地面计算显示单元和地面测量单元分别设置在钻杆上方的路面上,利用全站仪测量出地面测量单元的倾角,并调节使其处于水平且保持静止状态;

步骤三:当钻杆未伸入地下,且两个脉冲磁矩单元未产生磁场时,地面计算显示单元记录此时地面测量单元测量到的梯度张量输出G0和磁感应强度输出B0

步骤四:将钻杆伸入地下至预定位置时,外部单片机给时钟芯片发出控制信号,使得脉冲磁矩单元a产生磁场而脉冲磁矩单元b不产生磁场,地面计算显示单元记录此时地面测量单元测量到的梯度张量输出G1和磁感应强度输出B1;外部单片机给时钟芯片发出控制信号,使得脉冲磁矩单元b产生磁场而脉冲磁矩单元a不产生磁场,地面计算显示单元记录此时地面测量单元测量到的梯度张量输出G2和磁感应强度输出B2,并根据公式(1)和公式(2)分别计算出两个脉冲磁矩单元的位置r(x,y,z),所述位置r基于的坐标系为:以地面测量单元的正前方为X轴,以右手定则建立的三维坐标系(x,y,z);

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