本發(fā)明涉及一種基于地面磁信標的水平定向鉆實時定位方法及系統(tǒng)，屬于水平定向鉆進導向技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

水平定向鉆進不僅在非開挖領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)管線的鋪設(shè)，而且還可用于地礦、冶金、石油等領(lǐng)域用來實現(xiàn)地下的地質(zhì)勘探及資源開采。此外，在各種地基處理和環(huán)保工程中也得到廣泛的應用，甚至在軍事方面也有廣闊的應用前景。在水平定向鉆進過程中對鉆頭位置進行實時定位導向是保證鉆孔軌跡按照設(shè)計軌跡鉆進的關(guān)鍵。目前國內(nèi)常用的定位技術(shù)有無線導向儀和地面柵格線框控向系統(tǒng)，無線導向系統(tǒng)屬于行走式跟蹤定位系統(tǒng)，需要操作人員在地面來回掃描，對場地條件要求高，定位深度淺，適用范圍受限。地面柵格線框控向系統(tǒng)需要在整個設(shè)計軌跡上方鋪設(shè)載流線框，在很多復雜的施工場地實施不便，甚至無法布置線框，施工效率低，嚴重制約了這種方法的使用。

因此需要開發(fā)一種適用范圍更廣、定位效率更高的水平定向鉆進實時定位系統(tǒng)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種基于地面磁信標的水平定向鉆實時定位方法及系統(tǒng)，能夠單點測量進行定位，布置地面螺線管式電磁鐵信標后只需利用測量短節(jié)返回的數(shù)據(jù)即可實現(xiàn)定位，不需要在鉆孔軌跡上進行來回掃描探測，也不需要在設(shè)計鉆孔軌跡上分布置柵格線框，對施工場地條件要求低，提高了定位效率和適用范圍，定位方法的算法結(jié)構(gòu)簡單，定位實時性好，操作便捷，提高了定位效率。

本發(fā)明為解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：提供了一種基于地面磁信標的水平定向鉆實時定位方法，包括以下步驟：

(1)設(shè)備布置：在水平定向鉆施工現(xiàn)場布設(shè)地面磁信標；在鉆具的鉆頭和鉆桿之間連接測量短節(jié)，所述測量短節(jié)包括無磁鉆鋌和無磁鉆鋌內(nèi)的測量模塊，測量模塊包括由4個三軸磁強計和1個三軸加速度計構(gòu)成的傳感器測量陣列，其中3個三軸磁強計位于等邊三角形的三個頂點處，分別為三軸磁強計S1、三軸磁強計S2和三軸磁強計S3，1個三軸磁強計和三軸加速度計位于等邊三角形的中心處，分別為三軸磁強計S4和三軸加速度計S5，各三軸磁強計和三軸加速度計的x軸在同一個平面且與測量短節(jié)軸線平行，y軸和z軸均垂直于測量短節(jié)軸線，各三軸磁強計和三軸加速度計經(jīng)信號處理電路和電纜驅(qū)動電路與地面計算機系統(tǒng)連接；所述地面磁信標采用與直流電焊機串聯(lián)的螺線管式電磁鐵；

(2)直流電焊機處于斷電狀態(tài)，啟動測量，測量短節(jié)進行第一輪測量，得到三軸磁強計S1、三軸磁強計S2和三軸磁強計S3和三軸磁強計S4的磁感應強度三分量和以及三軸加速度計的重力場分量(G_x,G_y,G_z)；

(3)接通直流電焊機的電源，調(diào)節(jié)電流，啟動測量，測量短節(jié)進行第二輪測量，得到三軸磁強計S1、三軸磁強計S2和三軸磁強計S3和三軸磁強計S4的磁感應強度三分量和

(4)利用步驟(2)和步驟(3)測量得到的數(shù)據(jù)，通過定位算法得到鉆頭位置。

步驟(4)所述利用步驟(2)和步驟(3)測量得到的數(shù)據(jù)，通過定位算法得到鉆頭位置，具體包括以下過程：

(4-1)在地面磁信標建立參考坐標系O-XYZ，其中原點O位于地面磁信標軸心，XY平面水平，X軸沿信標軸線，Z軸豎直向下，則原點在地理坐標系下的坐標為(x₀,y₀,z₀)；在測量短節(jié)處建立鉆具坐標系o-xyz，x軸沿鉆具軸線方向；則地面磁信標在各三軸磁強計位置的磁感應強度三分量為：其中i＝1,2,3,4；

(4-2)根據(jù)以下公式計算鉆具當前傾角φ、工具面角α和方位角θ：

(4-3)利用鉆具當前傾角φ、工具面角α和方位角θ得到姿態(tài)矩陣，并利用姿態(tài)矩陣對地面磁信標在各三軸磁強計處的各磁強計處的鉆具坐標系o-xyz下磁感應強度三分量(B_i'_x,B_i'_y,B_i'_z)進行坐標轉(zhuǎn)換，其中i＝1,2,3,4，得到參考坐標系O-XYZ下各磁強計位置的磁感應強度三分量(B_ix,B_iy,B_iz)，其中i＝1,2,3,4，(B_4x,B_4y,B_4z)是磁信標在陣列中心點的磁感應強度；

(4-4)利用步驟(4-3)得到的參考坐標系O-XYZ下三軸磁強計S1、三軸磁強計S2和三軸磁強計S3的磁感應強度三分量(B_ix,B_iy,B_iz)，其中i＝1,2,3；通過差分法計算地面磁信標在傳感器測量陣列處的磁感應強度沿參考坐標系O-XYZ的X軸、Y軸和Z軸三個方向的變化率，得到一個二階張量，即磁梯度張量G；

(4-5)將地面磁信標等效為磁偶極子，得到其中r是地面磁信標到傳感器測量陣列的距離，是r的單位矢量，是磁信標在測量陣列中心點處的磁感應強度，則根據(jù)以下公式得到：

其中(x,y,z)為傳感器測量陣列在參考坐標系O-XYZ下的坐標，根據(jù)原點在地理坐標系下的坐標(x₀,y₀,z₀)得到傳感器測量陣列在地理坐標系下的坐標，實現(xiàn)鉆具實時定位。

本發(fā)明同時提供了一種基于上述定位方法的水平定向鉆實時定位系統(tǒng)，包括測量短節(jié)、地面計算機系統(tǒng)以及地面磁信標系統(tǒng)；所述測量短節(jié)包括用于連接在鉆頭和鉆桿之間的無磁鉆鋌和固定于無磁鉆鋌內(nèi)部的測量模塊，測量模塊包括由4個三軸磁強計和1個三軸加速度計構(gòu)成的傳感器測量陣列，其中3個三軸磁強計位于等邊三角形的三個頂點處，1個三軸磁強計和三軸加速度計位于等邊三角形的中心處，各三軸磁強計和三軸加速度計的x軸在同一個平面且與測量短節(jié)軸線平行，y軸和z軸均垂直于測量短節(jié)軸線；各三軸磁強計和三軸加速度計經(jīng)信號處理電路和電纜驅(qū)動電路與地面計算機系統(tǒng)連接。

所述地面磁信標系統(tǒng)采用永磁體，或者由串聯(lián)的直流電焊機、螺線管式電磁鐵以及電流表組成。

所述無磁鉆鋌的兩端分別設(shè)有API標準螺紋。

所述信號處理電路包括5路前置放大電路和帶通濾波電路，各路前置放大電路的輸入端分別與各三軸磁強計和三軸加速度計中的1個傳感器連接，各路帶通濾波電路均與多路模擬轉(zhuǎn)開關(guān)連接，多路模擬轉(zhuǎn)開關(guān)通過A/D轉(zhuǎn)換器連接于微處理器，微處理器與多路模擬轉(zhuǎn)開關(guān)連接；微處理器通過電纜驅(qū)動電路與地面計算機系統(tǒng)連接。

所述微處理器與溫度傳感器連接。

所述地面計算機系統(tǒng)包括地面接口箱和計算機，所述地面接口箱包括依次連接的含電纜驅(qū)動電路的電纜接口，以及微處理器和計算機接口。

本發(fā)明基于其技術(shù)方案所具有的有益效果在于：

(1)本發(fā)明利用了地面磁信標系統(tǒng)，布置地面螺線管式電磁鐵信標后只需利用測量短節(jié)返回的數(shù)據(jù)即可實現(xiàn)定位，不需要在鉆孔軌跡上進行來回掃描探測，也不需要在設(shè)計鉆孔軌跡上分布置柵格線框，可直接單點測量進行定位，對施工場地條件要求低，提高了定位效率和適用范圍；

(2)本發(fā)明在施工現(xiàn)場布置磁信標后，鉆頭在距地面磁信標150m范圍內(nèi)進行鉆進時不需要移動信標，隨著鉆進距離的增大，通過調(diào)整磁信標位置、增加螺線管漆包線層數(shù)、電流或者加大螺線管尺寸可以滿足遠距離定位的精度要求，提高施工效率；

(3)本發(fā)明的水平定向鉆實時定位系統(tǒng)在水平方向和深度方向均有很高的定位精度，理論上定位相對誤差可以控制在1％以內(nèi)，大大提高了定位精度和適用范圍；

(4)本發(fā)明的基于地面磁信標的水平定向鉆實時定位方法需要測量的數(shù)據(jù)少，算法結(jié)構(gòu)簡單，定位實時性好，操作便捷，能夠提高定位效率，實現(xiàn)實時定位；

(5)本發(fā)明的地面磁信標系統(tǒng)若采用永磁體代替螺線管式電磁鐵，可在用電不便的施工現(xiàn)場進行定位時使用。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的水平定向鉆實時定位系統(tǒng)示意圖。

圖2是測量短節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是傳感器陣列結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4是信號處理電路示意圖。

圖5是地面計算機系統(tǒng)的功能模塊示意圖。

圖6是地面磁信標處的參考坐標系。

圖中：1-水平定向鉆機，2-鉆桿，3-測量短節(jié)，4-鉆頭，5-設(shè)計鉆孔軌跡，6-障礙物，7-螺線管式電磁鐵，8-電流表，9-直流電焊機，10-地面接口箱，11-計算機，12-無磁鉆鋌，13-測量模塊。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。

本發(fā)明提供了一種基于地面磁信標的水平定向鉆實時定位方法，包括以下步驟：

(1)設(shè)備布置：在水平定向鉆施工現(xiàn)場靠近設(shè)計軌跡(或待測點)的位置布設(shè)地面磁信標，采用與直流電焊機串聯(lián)的螺線管式電磁鐵；地面磁信標的軸線與設(shè)計鉆進軌跡在水平面的投影大致平行；

在鉆具的鉆頭和鉆桿之間連接測量短節(jié)，所述測量短節(jié)包括無磁鉆鋌和無磁鉆鋌內(nèi)的測量模塊，測量模塊包括由4個三軸磁強計和1個三軸加速度計構(gòu)成的傳感器測量陣列，其中3個三軸磁強計位于等邊三角形的三個頂點處，分別為三軸磁強計S1、三軸磁強計S2和三軸磁強計S3，1個三軸磁強計和三軸加速度計位于等邊三角形的中心處，分別為三軸磁強計S4和三軸加速度計S5，各三軸磁強計和三軸加速度計的x軸在同一個平面且與測量短節(jié)軸線平行，y軸和z軸均垂直于測量短節(jié)軸線，各三軸磁強計和三軸加速度計經(jīng)信號處理電路和電纜驅(qū)動電路與地面計算機系統(tǒng)連接；所述地面磁信標采用與直流電焊機串聯(lián)的螺線管式電磁鐵；

(2)直流電焊機處于斷電狀態(tài)，啟動測量，測量短節(jié)進行第一輪測量，可多次測量求取平均值，得到三軸磁強計S1、三軸磁強計S2和三軸磁強計S3和三軸磁強計S4的磁感應強度三分量和以及三軸加速度計的重力場分量(G_x,G_y,G_z)；

(3)接通直流電焊機電源，調(diào)節(jié)電流(一般5～20A，地面磁信標距離待測點近時取小值，距離待測點較遠時取大值，考慮到信標系統(tǒng)設(shè)備安全，電流不大于25A)，啟動測量，測量短節(jié)進行第二輪測量，可多次測量求取平均值，得到三軸磁強計S1、三軸磁強計S2和三軸磁強計S3和三軸磁強計S4的磁感應強度三分量和

(4)利用步驟(2)和步驟(3)測量得到的數(shù)據(jù)，通過定位算法得到鉆頭位置，具體包括以下過程：

(4-1)在地面磁信標建立參考坐標系O-XYZ，其中原點O位于地面磁信標軸心，XY平面水平，X軸沿信標軸線，Z軸豎直向下，則原點在地理坐標系下的坐標為(x₀,y₀,z₀)；在測量短節(jié)處建立鉆具坐標系o-xyz，x軸沿鉆具軸線方向；則地面磁信標在各三軸磁強計位置的磁感應強度三分量為：其中i＝1,2,3,4；

(4-2)根據(jù)以下公式計算鉆具當前傾角φ、工具面角α和方位角θ：

(4-3)利用鉆具當前傾角φ、工具面角α和方位角θ得到姿態(tài)矩陣，并利用姿態(tài)矩陣對地面磁信標在各三軸磁強計處的各磁強計處的鉆具坐標系o-xyz下磁感應強度三分量(B_i'_x,B_i'_y,B_i'_z)進行坐標轉(zhuǎn)換，其中i＝1,2,3,4，得到參考坐標系O-XYZ下各磁強計位置的磁感應強度三分量(B_ix,B_iy,B_iz)，其中i＝1,2,3,4，(B_4x,B_4y,B_4z)是磁信標在陣列中心點的磁感應強度；

(4-4)利用步驟(4-3)得到的參考坐標系O-XYZ下三軸磁強計S1、三軸磁強計S2和三軸磁強計S3的磁感應強度三分量(B_ix,B_iy,B_iz)，其中i＝1,2,3；通過差分法計算地面磁信標在傳感器測量陣列處的磁感應強度沿參考坐標系O-XYZ的X軸、Y軸和Z軸三個方向的變化率，得到一個二階張量，即磁梯度張量G；

(4-5)將地面磁信標等效為磁偶極子，得到其中r是地面磁信標到傳感器測量陣列的距離，是r的單位矢量，是磁信標在測量陣列中心點處的磁感應強度，則根據(jù)以下公式得到：

其中(x,y,z)為傳感器測量陣列在參考坐標系O-XYZ下的坐標，根據(jù)原點在地理坐標系下的坐標(x₀,y₀,z₀)得到傳感器測量陣列在地理坐標系下的坐標，實現(xiàn)鉆具實時定位。

隨著鉆進過程的持續(xù)進行，在需要進行定位時，重復步驟(2)(3)(4)即可。當鉆進距離較遠或由于場地條件限制導致地面磁信標與待測點距離較大時，可通過調(diào)整地面信標位置、增加螺線管漆包線層數(shù)、增大電流或螺線管尺寸來保證定位系統(tǒng)的精度和可靠性。

本發(fā)明同時提供了一種基于上述定位方法的水平定向鉆實時定位系統(tǒng)，參照圖1，包括測量短節(jié)3、地面計算機系統(tǒng)以及地面磁信標系統(tǒng)。參照圖2，所述測量短節(jié)包括用于連接在水平定向鉆機1的鉆頭4和鉆桿2之間的無磁鉆鋌12和固定于無磁鉆鋌12內(nèi)部的測量模塊13。參照圖3，測量模塊為由4個三軸磁強計和1個三軸加速度計這5個傳感器構(gòu)成的傳感器測量陣列，其中3個三軸磁強計位于等邊三角形的三個頂點處，分別為S1、S2和S3，1個三軸磁強計和三軸加速度計位于等邊三角形的中心處，分別為S4和S5，各三軸磁強計和三軸加速度計的x軸在同一個平面且與測量短節(jié)軸線平行，y軸和z軸均垂直于測量短節(jié)軸線；各三軸磁強計和三軸加速度計經(jīng)信號處理電路和電纜驅(qū)動電路與地面計算機系統(tǒng)連接。

所述地面磁信標系統(tǒng)采用永磁體，或者由串聯(lián)的直流電焊9、螺線管式電磁鐵7以及電流表8組成。所述永磁體或螺線管式電磁鐵7靠近設(shè)計鉆孔軌跡5進行布設(shè)，即使施工現(xiàn)場出現(xiàn)河流等障礙物6也不影響布設(shè)。

所述無磁鉆鋌的兩端分別設(shè)有API標準螺紋，用于一端與鉆頭4相連，另一端與鉆桿2相連。

參照圖4，所述信號處理電路包括5路前置放大電路和帶通濾波電路，各路前置放大電路的輸入端分別與各三軸磁強計和三軸加速度計中的1個傳感器連接，各路帶通濾波電路均與多路模擬轉(zhuǎn)開關(guān)連接，多路模擬轉(zhuǎn)開關(guān)通過A/D轉(zhuǎn)換器連接于微處理器，微處理器與多路模擬轉(zhuǎn)開關(guān)連接；微處理器通過電纜驅(qū)動電路與地面計算機系統(tǒng)連接。

所述微處理器與溫度傳感器連接。

所述地面計算機系統(tǒng)包括地面接口箱10和計算機11，所述地面接口箱包括依次連接的含電纜驅(qū)動電路的電纜接口，以及微處理器和計算機接口(RS-232變換電路)。由電纜傳輸?shù)臄?shù)據(jù)經(jīng)地面接口箱里的電纜接口電路轉(zhuǎn)換為微處理器能夠識別的數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)傳送到微處理器進行整合，然后通過RS-232變換電路將數(shù)據(jù)傳送到計算機。其主要功能是接收從地下測量短節(jié)傳輸來的磁場、磁梯度及溫度信息，然后通過定位算法和顯示軟件解算出鉆頭的位置坐標并實時的顯示，以供施工操作人員參考。地面計算機系統(tǒng)的功能模塊如圖5所示，由電纜傳輸?shù)臄?shù)據(jù)經(jīng)電纜接口電路轉(zhuǎn)換為微處理器(CPU)能夠識別的數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)傳送到微處理器進行整合，然后通過計算機接口傳送到計算機，通過定位算法解算出鉆頭空間位置信息并進行顯示。

以下為利用本發(fā)明的一種基于地面磁信標的水平定向鉆實時定位方法及系統(tǒng)進行實地驗證的結(jié)果：

驗證1：對基于地面磁信標的水平頂向鉆進定位系統(tǒng)的定位精度進行驗證，其中地層為非強磁性地層。地面螺線管式信標的長度為1m，半徑為0.1m，采用Mn-Zn鐵氧體磁芯，2.5平方的雙層密繞漆包線，電流20A，設(shè)定磁信標軸心坐標為(0,0,0)，測量陣列(鉆頭)位置為(100,5,10)。

按照上述實施步驟進行測量和采集，經(jīng)過計算得到的定位結(jié)果如表1所示。

表1 驗證1定位結(jié)果

驗證2：設(shè)定磁信標軸心坐標(0,0,0)，測量陣列(鉆頭)位置為(5,5,80)，其他條件不變。按照上述實施步驟得到的定位結(jié)果如表2所示。

表2 驗證2定位結(jié)果

由兩次驗證結(jié)果可知，遠距離和高深度定位，均能夠獲得高精度的定位結(jié)果，具有很好的市場方展前景。