[发明专利]一种基于旋转磁场的地下导向定位方法

摘要

一种基于旋转磁场的地下导向定位方法，在具有竖直旋转轴的无磁转台上安装水平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，先测量得到空间中一点的磁感应强度，钻具静止时永磁体绕Z轴旋转一周，旋转过程中每隔一定角度停止转动，记录三个方向的磁感应强度值，根据钻具当前倾角和工具面向角对磁感应强度值进行坐标变换，再进行曲线拟合得到坐标值约束关系，再次进行坐标变换和曲线拟合，得到两组坐标值，若两组坐标值的差在误差允许范围内，则得到钻具在参考坐标系下的坐标，同时得到钻具当前方位角，本发明可实现对地下钻具的精确导向和定位，满足水平定向钻进等地下工程进行导向定位的要求。

主权项

1.一种基于旋转磁场的地下导向定位方法，其特征在于，在具有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β_i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；步骤（7），假定当前方位角为α，利用公式Bxi′′=Bxi′cosα-Byi′sinαByi′′=Bxi′sinα+Byi′cosα]]>对(B′_xi,B′_yi,B′_zi)进行坐标变换得到(B″_xi,B″_yi,B″_zi)，从而得到钻具测量单元测量的磁感应强度在参考坐标系XYZ下的分量，该变换只改变X和Y方向的值，即B″_zi＝B′_zi；步骤（8），在满足步骤（6）得到的坐标值约束关系式前提下，分别利用Bx=k(x-hcosβA32-x+hcosβB32)+Bex]]>和By=k(y-hsinβA32-y+hsinβB32)+Bey]]>对转换后的数据(β_i,B″_xi)和(β_i,B″_yi)进行最小二乘法曲线拟合，拟合后得到两组坐标值(x₁，y₁,z₁)和(x₂，y₂,z₂)，其中为永磁体的属性，h为永磁体长度的一半，S为永磁体横截面积，M为永磁体磁化强度，A=x2+y2+z2+h2-2h(xcosβ+ysinβ)B=x2+y2+z2+h2+2h(xcosβ+ysinβ),]]>B_ex、B_ey和B_ez是包括地磁场的周围环境磁场在参考坐标系XYZ三个坐标轴方向的分量；步骤（9），若(x₁，y₁,z₁)和(x₂，y₂,z₂)的差在误差允许范围内，则得到钻具在参考坐标系下的坐标为钻具方位角即为此时步骤（7）中使用的方位角，否则，取α=α+Δα，重复步骤（7）~（8），Δα是方位角扫描步长；步骤（10），根据得到的钻具在参考坐标系下的坐标(x₀，y₀,z₀)和参考坐标系原点在大地坐标系下的坐标(x~，y~,z~)，得到钻具在大地坐标系下的坐标，根据钻具坐标和方位角，按照预设轨迹要求调整钻具前进方向，到达下一测量点时再次利用步骤（2）~（9）进行导向定位。