一种用于地下磁导航的计算方法

摘要

一种用于地下磁导航的计算方法，方法步骤为：步骤1、地下磁导航方法对采集的磁信号进行预处理；步骤2、建立磁源在任意空间一点产生的感应磁场强度计算模型；步骤3、从磁偶极子模型出发；步骤4、采用最小二乘线性拟合法，求出关系式中的待定系数；步骤5、由步骤3建立的磁源在空间任意一点产生的磁感应强度的计算模型；步骤6、利用三个磁通门式传感器采集的三对x，y，z的磁场强度；步骤7、可判断磁源相对于磁矢量传感器的位置。本发明的优点是：采用人工磁信标，导航距离远，角度测量精度高。该计算方法简单，计算机编程实现方便，运算效率高。

权利要求

1.一种用于地下磁导航的计算方法，其特征是方法步骤为：

步骤1、地下磁导航方法对采集的磁信号进行预处理：对由磁矢量传感器采集的原始磁信号好进行FIR数字滤波，滤除信号中包含的地磁信号和噪声，由于噪声信号一般均为高频信号，因此先让信号通过一个低通滤波器滤波高频噪声，然后再对信号进行FIR数字滤波，滤除地磁信号后，则可得到永磁短节产生的磁信号；

步骤2、在安培分子环流假说和毕奥-萨伐尔定律两个基本定律的基础上建立了磁偶极子模型，建立磁源在任意空间一点产生的感应磁场强度计算模型；

步骤3、从磁偶极子模型出发，推导出距离与磁源在空间任意一点产生的x，y，z方向的磁感应强度的关系式；

步骤4、采用最小二乘线性拟合法，求出关系式中的待定系数；

步骤5，由步骤3建立的磁源在空间任意一点产生的磁感应强度的计算模型，采用取极值的方法反演出方位角，井斜角与磁源在空间任意一点产生的x，y，z方向的磁感应强度的关系式；

步骤6，利用三个磁通门式传感器采集的三对x，y，z的磁场强度，运用多传感器数据融合技术可进一步提高角度测量精确度；

步骤7，利用三个磁通门式传感器采集的三对x，y，z的磁场强度，可判断磁源相对于磁矢量传感器的位置。

说明书

一种用于地下磁导航的计算方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种导航的计算方法，尤其涉及一种用于地下磁导航的计算方法。

背景技术

[0002] 我国煤层气储量丰富，社会需求和增长极大，利用前景广阔。目前煤层气单井产量低、井数少。目前开发尝试表明：未来将形成以多分支水平井为主、直井为辅的模式。而我国多分支水平井技术基本是依赖国外公司，国内钻井技术不配套、专用工具及装备匮乏，用于规模性开发受到严重制约，所面临的关键问题是如何实现水平井的主支与直井的连通，研制地下磁导航系统即可解决这一问题，可以大幅提高油气田及煤层气开发产量，提高开采效率。而用于地下磁导航的计算方法是地下导航系统能否成功导航钻铤，实现两井的连通是重中之重。

发明内容

[0003] 本发明的目的在于提供一种用于地下磁导航的计算方法，能为实现水平井的主支与直井的连通提供一个有效的高新技术手段。

[0004] 本发明是这样来实现的，其特征是方法步骤为：步骤1、地下磁导航方法对采集的磁信号进行预处理：对由磁矢量传感器采集的原始磁信号好进行FIR数字滤波，滤除信号中包含的地磁信号和噪声，由于噪声信号一般均为高频信号，因此先让信号通过一个低通滤波器滤波高频噪声，然后再对信号进行FIR数字滤波，滤除地磁信号后，则可得到永磁短节产生的磁信号；
步骤2、在安培分子环流假说和毕奥-萨伐尔定律两个基本定律的基础上建立了磁偶极子模型，建立磁源在任意空间一点产生的感应磁场强度计算模型；
步骤3、从磁偶极子模型出发，推导出距离与磁源在空间任意一点产生的x，y，z方向的磁感应强度的关系式；
步骤4、采用最小二乘线性拟合法，求出关系式中的待定系数；
步骤5，由步骤3建立的磁源在空间任意一点产生的磁感应强度的计算模型，采用取极值的方法反演出方位角，井斜角与磁源在空间任意一点产生的x，y，z方向的磁感应强度的关系式；
步骤6，利用三个磁通门式传感器采集的三对x，y，z的磁场强度，运用多传感器数据融合技术可进一步提高角度测量精确度；
步骤7，利用三个磁通门式传感器采集的三对x，y，z的磁场强度，可判断磁源相对于磁矢量传感器的位置。

[0005] 本发明的优点是：采用人工磁信标，导航距离远，角度测量精度高。该计算方法简单，计算机编程实现方便，运算效率高。

附图说明

[0006] 图1是本发明磁源在空间任意一点产生的感应磁场强度。

[0007] 图2是本发明磁源偏离方向判断示意图。

[0008] 图3是本发明地下磁导航系统基本原理图。

具体实施方式

[0009] 本发明是这样实现的:步骤1、地下磁导航方法对采集的磁信号进行预处理：对由磁矢量传感器采集的原始磁信号好进行FIR数字滤波，滤除信号中包含的地磁信号和噪声，由于噪声信号一般均为高频信号，因此先让信号通过一个低通滤波器滤波高频噪声，然后再对信号进行FIR数字滤波，滤除地磁信号后，则可得到永磁短节产生的磁信号；
步骤2、在安培分子环流假说和毕奥-萨伐尔定律两个基本定律的基础上
建立了磁偶极子模型，建立磁源在任意空间一点产生的感应磁场强度计算模型；如图1所示，计算磁源在空间任意一点产生的感应磁场强度时，把永磁短节看成一对磁偶极子，其在空间任意一点产生的磁场强度x，y，z三个方向分量 ， ， ：
其中， ， ， ，
是永磁短节转动的角频率，x，y，z为永磁短节中心到空间任意点三个方向的坐标。

[0010] 步骤3、从磁偶极子模型出发，推导出距离与磁源在空间任意一点产生的x，y，z方向的磁感应强度的关系式；磁源中心与磁矢量传感器之间的距离与y方向的磁场强度的三分之一次方根之间存在一个线性的关系即步骤4、采用最小二乘线性拟合法，求出关系式中的待定系数；采用最小二乘法对试验数据曲线进行拟合可求得关系式中待定系数A=38.28，B=0.2192，故磁源中心与磁矢量传感器之间的距离关系式为： 。

[0011] 步骤5，由步骤3建立的磁源在空间任意一点产生的磁感应强度的计算模型，采用取极值的方法反演出方位角，井斜角与磁源在空间任意一点产生的x，y，z方向的磁感应强度的关系式；采用取极值的方法反演出方位角与磁源在空间任意一点产生的x，y，z方向的磁感应强度的关系式为：，其中 ， 是权利3所述的磁矢量传感器采集的磁源产生的x方
向磁感应强度和z方向磁感应强度。

[0012] 由对称性可知井斜角与磁源在空间任意一点产生的x，y，z方向的磁感应强度的关系式为：，其中 ， 是权利3所述的磁矢量传感器采集的磁源产生的x方
向磁感应强度和y方向磁感应强度。

[0013] 步骤6，利用三个磁通门式传感器采集的三对x，y，z的磁场强度，运用多传感器数据融合技术可进一步提高角度测量精确度；步骤7，利用三个磁通门式传感器采集的三对x，y，z的磁场强度，可判断磁源相对于磁矢量传感器的位置，如图2所示，根据磁矢量传感器中三个磁通门式传感器是在同一轴心上相差7.5°角度布置的，当传感器与磁源正对时，其中的一个磁通门传感器与磁源始正对的，一个向左偏移7.5度，一个向右偏移7.5度。则任意点p在三个传感器所在的直角坐标系y方向产生的磁场强度为
因此，可根据这三个传感器采集的数据一个周期内，哪个传感器的磁感应强度的最小，则说明钻头是偏向哪个传感器，从而判断钻头的偏离正常轨迹的方向。

[0014] 经过上述步骤就可计算得到钻头与磁矢量传感器的距离，相对位置，然后再通过计算机显示出来，地面上的人就可以知道任意时刻钻头的在水平井中的位置。

[0015] 如图3所示，钻头1固定连接永磁短节2，磁矢量传感器4接收永磁短节2的磁信号，由磁矢量传感器4采集的磁信号=地磁信号 +磁源产生的信号+噪声，所以，首先对采集的磁信号进行数字滤波滤除地磁信号和噪声得到由磁源产生的短节信号。对经过预处理的信号采用上述步骤5与步骤6推导的距离和角度计算公式可得到磁源相对于磁矢量传感器的距离和角度，再使用步骤7所述的多传感器数据融合技术可求得一个更为精确的角度值，最后将得到的距离和角度传给地面上的计算机，计算机分析出导航轨迹3，用于导航钻铤的定向钻进。