本发明提供了一种基于地面磁信标的水平定向钻实时定位方法及系统，利用地面磁信标和安装于钻具的测量短节内的测量模块，能够实现单点测量进行定位，布置地面螺线管式电磁铁信标后只需利用测量短节返回的数据即可实现定位，不需要在钻孔轨迹上进行来回扫描探测，也不需要在设计钻孔轨迹上分布置栅格线框，对施工场地条件要求低，提高了定位效率和适用范围，定位方法的算法结构简单，定位实时性好，操作便捷，提高了定位效率。
1.一种基于地面磁信标的水平定向钻实时定位方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)设备布置：在水平定向钻施工现场布设地面磁信标；在钻具的钻头和钻杆之间连接测量短节，所述测量短节包括无磁钻铤和无磁钻铤内的测量模块，测量模块包括由4个三轴磁强计和1个三轴加速度计构成的传感器测量阵列，其中3个三轴磁强计位于等边三角形的三个顶点处，分别为三轴磁强计S1、三轴磁强计S2和三轴磁强计S3，1个三轴磁强计和三轴加速度计位于等边三角形的中心处，分别为三轴磁强计S4和三轴加速度计S5，各三轴磁强计和三轴加速度计的x轴在同一个平面且与测量短节轴线平行，y轴和z轴均垂直于测量短节轴线，各三轴磁强计和三轴加速度计经信号处理电路和电缆驱动电路与地面计算机系统连接；所述地面磁信标采用与直流电焊机串联的螺线管式电磁铁；
(2)直流电焊机处于断电状态，启动测量，测量短节进行第一轮测量，得到三轴磁强计S1、三轴磁强计S2和三轴磁强计S3和三轴磁强计S4的磁感应强度三分量和 以及三轴加速度计的重力场
(3)接通直流电焊机的电源，调节电流，启动测量，测量短节进行第二轮测量，得到三轴磁强计S1、三轴磁强计S2和三轴磁强计S3和三轴磁强计S4的磁感应强度三分量和(4)利用步骤(2)和步骤(3)测量得到的数据，通过定位算法得到钻头位置。
2.根据权利要求1所述的基于地面磁信标的水平定向钻实时定位方法，其特征在于：步骤(4)所述利用步骤(2)和步骤(3)测量得到的数据，通过定位算法得到钻头位置，具体包括以下过程：(4-1)在地面磁信标建立参考坐标系O-XYZ，其中原点O位于地面磁信标轴心，XY平面水平，X轴沿信标轴线，Z轴竖直向下，则原点在地理坐标系下的坐标为(x0,y0,z0)；在测量短节处建立钻具坐标系o-xyz，x轴沿钻具轴线方向；则地面磁信标在各三轴磁强计位置的磁感应强度三分量为： 其中i＝1,2,3,4；
(4-2)根据以下公式计算钻具当前倾角φ、工具面角α和方位角θ：
(4-3)利用钻具当前倾角φ、工具面角α和方位角θ得到姿态矩阵，并利用姿态矩阵对地面磁信标在各三轴磁强计处的各磁强计处的钻具坐标系o-xyz下磁感应强度三分量(B′ix,B′iy,B′iz)进行坐标转换，其中i＝1,2,3,4，得到参考坐标系O-XYZ下各磁强计位置的磁感应强度三分量(Bix,Biy,Biz)，其中i＝1,2,3,4，(B4x,B4y,B4z)是磁信标在阵列中心点的磁感应强度；
(4-4)利用步骤(4-3)得到的参考坐标系O-XYZ下三轴磁强计S1、三轴磁强计S2和三轴磁强计S3的磁感应强度三分量(Bix,Biy,Biz)，其中i＝1,2,3；通过差分法计算地面磁信标在传感器测量阵列处的磁感应强度沿参考坐标系O-XYZ的X轴、Y轴和Z轴三个方向的变化率，得到一个二阶张量，即磁梯度张量G；
(4-5)将地面磁信标等效为磁偶极子，得到 其中r是地面磁信标到传
感器测量阵列的距离，是r的单位矢量，是磁信标在测量阵列中心点处的磁感应强度，则根据以下公式得到：其中(x,y,z)为传感器测量阵列在参考坐标系O-XYZ下的坐标，根据原点在地理坐标系下的坐标(x0,y0,z0)得到传感器测量阵列在地理坐标系下的坐标，实现钻具实时定位。
3.一种基于权利要求1所述定位方法的水平定向钻实时定位系统，其特征在于：包括测量短节、地面计算机系统以及地面磁信标系统；所述测量短节包括用于连接在钻头和钻杆之间的无磁钻铤和固定于无磁钻铤内部的测量模块，测量模块包括由4个三轴磁强计和1个三轴加速度计构成的传感器测量阵列，其中3个三轴磁强计位于等边三角形的三个顶点处，
1个三轴磁强计和三轴加速度计位于等边三角形的中心处，各三轴磁强计和三轴加速度计的x轴在同一个平面且与测量短节轴线平行，y轴和z轴均垂直于测量短节轴线；各三轴磁强计和三轴加速度计经信号处理电路和电缆驱动电路与地面计算机系统连接。
4.根据权利要求3所述的水平定向钻实时定位系统，其特征在于：所述地面磁信标系统采用永磁体，或者由串联的直流电焊机、螺线管式电磁铁以及电流表组成。
5.根据权利要求3所述的水平定向钻实时定位系统，其特征在于：所述无磁钻铤的两端分别设有API标准螺纹。
6.根据权利要求3所述的水平定向钻实时定位系统，其特征在于：所述信号处理电路包括5路前置放大电路和带通滤波电路，各路前置放大电路的输入端分别与各三轴磁强计和三轴加速度计中的1个传感器连接，各路带通滤波电路均与多路模拟转换开关连接，多路模拟转换开关通过A/D转换器连接于微处理器，微处理器与多路模拟转换开关连接；微处理器通过电缆驱动电路与地面计算机系统连接。
7.根据权利要求6所述的水平定向钻实时定位系统，其特征在于：所述微处理器与温度传感器连接。
8.根据权利要求3所述的水平定向钻实时定位系统，其特征在于：所述地面计算机系统包括地面接口箱和计算机，所述地面接口箱包括依次连接的含电缆驱动电路的电缆接口，以及微处理器和计算机接口。
一种基于地面磁信标的水平定向钻实时定位方法及系统
技术领域
[0001] 本发明涉及一种基于地面磁信标的水平定向钻实时定位方法及系统，属于水平定向钻进导向技术领域。
背景技术
[0002] 水平定向钻进不仅在非开挖领域实现管线的铺设，而且还可用于地矿、冶金、石油等领域用来实现地下的地质勘探及资源开采。此外，在各种地基处理和环保工程中也得到广泛的应用，甚至在军事方面也有广阔的应用前景。在水平定向钻进过程中对钻头位置进行实时定位导向是保证钻孔轨迹按照设计轨迹钻进的关键。目前国内常用的定位技术有无线导向仪和地面栅格线框控向系统，无线导向系统属于行走式跟踪定位系统，需要操作人员在地面来回扫描，对场地条件要求高，定位深度浅，适用范围受限。地面栅格线框控向系统需要在整个设计轨迹上方铺设载流线框，在很多复杂的施工场地实施不便，甚至无法布置线框，施工效率低，严重制约了这种方法的使用。
[0003] 因此需要开发一种适用范围更广、定位效率更高的水平定向钻进实时定位系统。
发明内容
[0004] 为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种基于地面磁信标的水平定向钻实时定位方法及系统，能够单点测量进行定位，布置地面螺线管式电磁铁信标后只需利用测量短节返回的数据即可实现定位，不需要在钻孔轨迹上进行来回扫描探测，也不需要在设计钻孔轨迹上分布置栅格线框，对施工场地条件要求低，提高了定位效率和适用范围，定位方法的算法结构简单，定位实时性好，操作便捷，提高了定位效率。
[0005] 本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：提供了一种基于地面磁信标的水平定向钻实时定位方法，包括以下步骤：
[0006] (1)设备布置：在水平定向钻施工现场布设地面磁信标；在钻具的钻头和钻杆之间连接测量短节，所述测量短节包括无磁钻铤和无磁钻铤内的测量模块，测量模块包括由4个三轴磁强计和1个三轴加速度计构成的传感器测量阵列，其中3个三轴磁强计位于等边三角形的三个顶点处，分别为三轴磁强计S1、三轴磁强计S2和三轴磁强计S3，1个三轴磁强计和三轴加速度计位于等边三角形的中心处，分别为三轴磁强计S4和三轴加速度计S5，各三轴磁强计和三轴加速度计的x轴在同一个平面且与测量短节轴线平行，y轴和z轴均垂直于测量短节轴线，各三轴磁强计和三轴加速度计经信号处理电路和电缆驱动电路与地面计算机系统连接；所述地面磁信标采用与直流电焊机串联的螺线管式电磁铁；
[0007] (2)直流电焊机处于断电状态，启动测量，测量短节进行第一轮测量，得到三轴磁强计S1、三轴磁强计S2和三轴磁强计S3和三轴磁强计S4的磁感应强度三分量和 以及三轴加速度计的重力场分量(Gx,Gy,Gz)；
[0008] (3)接通直流电焊机的电源，调节电流，启动测量，测量短节进行第二轮测量，得到三轴磁强计S1、三轴磁强计S2和三轴磁强计S3和三轴磁强计S4的磁感应强度三分量和
[0009] (4)利用步骤(2)和步骤(3)测量得到的数据，通过定位算法得到钻头位置。
[0010] 步骤(4)所述利用步骤(2)和步骤(3)测量得到的数据，通过定位算法得到钻头位置，具体包括以下过程：
[0011] (4-1)在地面磁信标建立参考坐标系O-XYZ，其中原点O位于地面磁信标轴心，XY平面水平，X轴沿信标轴线，Z轴竖直向下，则原点在地理坐标系下的坐标为(x0,y0,z0)；在测量短节处建立钻具坐标系o-xyz，x轴沿钻具轴线方向；则地面磁信标在各三轴磁强计位置的磁感应强度三分量为： 其中i＝1,2,3,4；
[0012] (4-2)根据以下公式计算钻具当前倾角φ、工具面角α和方位角θ：
[0013]
[0014] (4-3)利用钻具当前倾角φ、工具面角α和方位角θ得到姿态矩阵，并利用姿态矩阵对地面磁信标在各三轴磁强计处的各磁强计处的钻具坐标系o-xyz下磁感应强度三分量(Bi'x,Bi'y,Bi'z)进行坐标转换，其中i＝1,2,3,4，得到参考坐标系O-XYZ下各磁强计位置的磁感应强度三分量(Bix,Biy,Biz)，其中i＝1,2,3,4，(B4x,B4y,B4z)是磁信标在阵列中心点的磁感应强度；
[0015] (4-4)利用步骤(4-3)得到的参考坐标系O-XYZ下三轴磁强计S1、三轴磁强计S2和三轴磁强计S3的磁感应强度三分量(Bix,Biy,Biz)，其中i＝1,2,3；通过差分法计算地面磁信标在传感器测量阵列处的磁感应强度沿参考坐标系O-XYZ的X轴、Y轴和Z轴三个方向的变化率，得到一个二阶张量，即磁梯度张量G；
[0016] (4-5)将地面磁信标等效为磁偶极子，得到 其中r是地面磁信标到传感器测量阵列的距离， 是r的单位矢量，是磁信标在测量阵列中心点处的磁感应强度，则根据以下公式得到：
[0017]
[0018] 其中(x,y,z)为传感器测量阵列在参考坐标系O-XYZ下的坐标，根据原点在地理坐标系下的坐标(x0,y0,z0)得到传感器测量阵列在地理坐标系下的坐标，实现钻具实时定位。
[0019] 本发明同时提供了一种基于上述定位方法的水平定向钻实时定位系统，包括测量短节、地面计算机系统以及地面磁信标系统；所述测量短节包括用于连接在钻头和钻杆之间的无磁钻铤和固定于无磁钻铤内部的测量模块，测量模块包括由4个三轴磁强计和1个三轴加速度计构成的传感器测量阵列，其中3个三轴磁强计位于等边三角形的三个顶点处，1个三轴磁强计和三轴加速度计位于等边三角形的中心处，各三轴磁强计和三轴加速度计的x轴在同一个平面且与测量短节轴线平行，y轴和z轴均垂直于测量短节轴线；各三轴磁强计和三轴加速度计经信号处理电路和电缆驱动电路与地面计算机系统连接。
[0020] 所述地面磁信标系统采用永磁体，或者由串联的直流电焊机、螺线管式电磁铁以及电流表组成。
[0021] 所述无磁钻铤的两端分别设有API标准螺纹。
[0022] 所述信号处理电路包括5路前置放大电路和带通滤波电路，各路前置放大电路的输入端分别与各三轴磁强计和三轴加速度计中的1个传感器连接，各路带通滤波电路均与多路模拟转开关连接，多路模拟转开关通过A/D转换器连接于微处理器，微处理器与多路模拟转开关连接；微处理器通过电缆驱动电路与地面计算机系统连接。
[0023] 所述微处理器与温度传感器连接。
[0024] 所述地面计算机系统包括地面接口箱和计算机，所述地面接口箱包括依次连接的含电缆驱动电路的电缆接口，以及微处理器和计算机接口。
[0025] 本发明基于其技术方案所具有的有益效果在于：
[0026] (1)本发明利用了地面磁信标系统，布置地面螺线管式电磁铁信标后只需利用测量短节返回的数据即可实现定位，不需要在钻孔轨迹上进行来回扫描探测，也不需要在设计钻孔轨迹上分布置栅格线框，可直接单点测量进行定位，对施工场地条件要求低，提高了定位效率和适用范围；
[0027] (2)本发明在施工现场布置磁信标后，钻头在距地面磁信标150m范围内进行钻进时不需要移动信标，随着钻进距离的增大，通过调整磁信标位置、增加螺线管漆包线层数、电流或者加大螺线管尺寸可以满足远距离定位的精度要求，提高施工效率；
[0028] (3)本发明的水平定向钻实时定位系统在水平方向和深度方向均有很高的定位精度，理论上定位相对误差可以控制在1％以内，大大提高了定位精度和适用范围；
[0029] (4)本发明的基于地面磁信标的水平定向钻实时定位方法需要测量的数据少，算法结构简单，定位实时性好，操作便捷，能够提高定位效率，实现实时定位；
[0030] (5)本发明的地面磁信标系统若采用永磁体代替螺线管式电磁铁，可在用电不便的施工现场进行定位时使用。
附图说明
[0031] 图1是本发明的水平定向钻实时定位系统示意图。
[0032] 图2是测量短节结构示意图。
[0033] 图3是传感器阵列结构示意图。
[0034] 图4是信号处理电路示意图。
[0035] 图5是地面计算机系统的功能模块示意图。
[0036] 图6是地面磁信标处的参考坐标系。
[0037] 图中：1-水平定向钻机，2-钻杆，3-测量短节，4-钻头，5-设计钻孔轨迹，6-障碍物，7-螺线管式电磁铁，8-电流表，9-直流电焊机，10-地面接口箱，11-计算机，12-无磁钻铤，
13-测量模块。
具体实施方式
[0038] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
[0039] 本发明提供了一种基于地面磁信标的水平定向钻实时定位方法，包括以下步骤：
[0040] (1)设备布置：在水平定向钻施工现场靠近设计轨迹(或待测点)的位置布设地面磁信标，采用与直流电焊机串联的螺线管式电磁铁；地面磁信标的轴线与设计钻进轨迹在水平面的投影大致平行；
[0041] 在钻具的钻头和钻杆之间连接测量短节，所述测量短节包括无磁钻铤和无磁钻铤内的测量模块，测量模块包括由4个三轴磁强计和1个三轴加速度计构成的传感器测量阵列，其中3个三轴磁强计位于等边三角形的三个顶点处，分别为三轴磁强计S1、三轴磁强计S2和三轴磁强计S3，1个三轴磁强计和三轴加速度计位于等边三角形的中心处，分别为三轴磁强计S4和三轴加速度计S5，各三轴磁强计和三轴加速度计的x轴在同一个平面且与测量短节轴线平行，y轴和z轴均垂直于测量短节轴线，各三轴磁强计和三轴加速度计经信号处理电路和电缆驱动电路与地面计算机系统连接；所述地面磁信标采用与直流电焊机串联的螺线管式电磁铁；
[0042] (2)直流电焊机处于断电状态，启动测量，测量短节进行第一轮测量，可多次测量求取平均值，得到三轴磁强计S1、三轴磁强计S2和三轴磁强计S3和三轴磁强计S4的磁感应强度三分量 和 以及三轴加速度计的重力场分量(Gx,Gy,Gz)；
[0043] (3)接通直流电焊机电源，调节电流(一般5～20A，地面磁信标距离待测点近时取小值，距离待测点较远时取大值，考虑到信标系统设备安全，电流不大于25A)，启动测量，测量短节进行第二轮测量，可多次测量求取平均值，得到三轴磁强计S1、三轴磁强计S2和三轴磁强计S3和三轴磁强计S4的磁感应强度三分量和
[0044] (4)利用步骤(2)和步骤(3)测量得到的数据，通过定位算法得到钻头位置，具体包括以下过程：
[0045] (4-1)在地面磁信标建立参考坐标系O-XYZ，其中原点O位于地面磁信标轴心，XY平面水平，X轴沿信标轴线，Z轴竖直向下，则原点在地理坐标系下的坐标为(x0,y0,z0)；在测量短节处建立钻具坐标系o-xyz，x轴沿钻具轴线方向；则地面磁信标在各三轴磁强计位置的磁感应强度三分量为： 其中i＝1,2,3,4；
[0046] (4-2)根据以下公式计算钻具当前倾角φ、工具面角α和方位角θ：
[0047]
[0048] (4-3)利用钻具当前倾角φ、工具面角α和方位角θ得到姿态矩阵，并利用姿态矩阵对地面磁信标在各三轴磁强计处的各磁强计处的钻具坐标系o-xyz下磁感应强度三分量(Bi'x,Bi'y,Bi'z)进行坐标转换，其中i＝1,2,3,4，得到参考坐标系O-XYZ下各磁强计位置的磁感应强度三分量(Bix,Biy,Biz)，其中i＝1,2,3,4，(B4x,B4y,B4z)是磁信标在阵列中心点的磁感应强度；
[0049] (4-4)利用步骤(4-3)得到的参考坐标系O-XYZ下三轴磁强计S1、三轴磁强计S2和三轴磁强计S3的磁感应强度三分量(Bix,Biy,Biz)，其中i＝1,2,3；通过差分法计算地面磁信标在传感器测量阵列处的磁感应强度沿参考坐标系O-XYZ的X轴、Y轴和Z轴三个方向的变化率，得到一个二阶张量，即磁梯度张量G；
[0050] (4-5)将地面磁信标等效为磁偶极子，得到 其中r是地面磁信标到传感器测量阵列的距离，是r的单位矢量，是磁信标在测量阵列中心点处的磁感应强度，则根据以下公式得到：
[0051]
[0052] 其中(x,y,z)为传感器测量阵列在参考坐标系O-XYZ下的坐标，根据原点在地理坐标系下的坐标(x0,y0,z0)得到传感器测量阵列在地理坐标系下的坐标，实现钻具实时定位。
[0053] 随着钻进过程的持续进行，在需要进行定位时，重复步骤(2)(3)(4)即可。当钻进距离较远或由于场地条件限制导致地面磁信标与待测点距离较大时，可通过调整地面信标位置、增加螺线管漆包线层数、增大电流或螺线管尺寸来保证定位系统的精度和可靠性。
[0054] 本发明同时提供了一种基于上述定位方法的水平定向钻实时定位系统，参照图1，包括测量短节3、地面计算机系统以及地面磁信标系统。参照图2，所述测量短节包括用于连接在水平定向钻机1的钻头4和钻杆2之间的无磁钻铤12和固定于无磁钻铤12内部的测量模块13。参照图3，测量模块为由4个三轴磁强计和1个三轴加速度计这5个传感器构成的传感器测量阵列，其中3个三轴磁强计位于等边三角形的三个顶点处，分别为S1、S2和S3，1个三轴磁强计和三轴加速度计位于等边三角形的中心处，分别为S4和S5，各三轴磁强计和三轴加速度计的x轴在同一个平面且与测量短节轴线平行，y轴和z轴均垂直于测量短节轴线；各三轴磁强计和三轴加速度计经信号处理电路和电缆驱动电路与地面计算机系统连接。
[0055] 所述地面磁信标系统采用永磁体，或者由串联的直流电焊9、螺线管式电磁铁7以及电流表8组成。所述永磁体或螺线管式电磁铁7靠近设计钻孔轨迹5进行布设，即使施工现场出现河流等障碍物6也不影响布设。
[0056] 所述无磁钻铤的两端分别设有API标准螺纹，用于一端与钻头4相连，另一端与钻杆2相连。
[0057] 参照图4，所述信号处理电路包括5路前置放大电路和带通滤波电路，各路前置放大电路的输入端分别与各三轴磁强计和三轴加速度计中的1个传感器连接，各路带通滤波电路均与多路模拟转开关连接，多路模拟转开关通过A/D转换器连接于微处理器，微处理器与多路模拟转开关连接；微处理器通过电缆驱动电路与地面计算机系统连接。
[0058] 所述微处理器与温度传感器连接。
[0059] 所述地面计算机系统包括地面接口箱10和计算机11，所述地面接口箱包括依次连接的含电缆驱动电路的电缆接口，以及微处理器和计算机接口(RS-232变换电路)。由电缆传输的数据经地面接口箱里的电缆接口电路转换为微处理器能够识别的数据后，将数据传送到微处理器进行整合，然后通过RS-232变换电路将数据传送到计算机。其主要功能是接收从地下测量短节传输来的磁场、磁梯度及温度信息，然后通过定位算法和显示软件解算出钻头的位置坐标并实时的显示，以供施工操作人员参考。地面计算机系统的功能模块如图5所示，由电缆传输的数据经电缆接口电路转换为微处理器(CPU)能够识别的数据后，将数据传送到微处理器进行整合，然后通过计算机接口传送到计算机，通过定位算法解算出钻头空间位置信息并进行显示。
[0060] 以下为利用本发明的一种基于地面磁信标的水平定向钻实时定位方法及系统进行实地验证的结果：
[0061] 验证1：对基于地面磁信标的水平顶向钻进定位系统的定位精度进行验证，其中地层为非强磁性地层。地面螺线管式信标的长度为1m，半径为0.1m，采用Mn-Zn铁氧体磁芯，2.5平方的双层密绕漆包线，电流20A，设定磁信标轴心坐标为(0,0,0)，测量阵列(钻头)位置为(100,5,10)。
[0062] 按照上述实施步骤进行测量和采集，经过计算得到的定位结果如表1所示。
[0063]
[0064] 表1 验证1定位结果
[0065] 验证2：设定磁信标轴心坐标(0,0,0)，测量阵列(钻头)位置为(5,5,80)，其他条件不变。按照上述实施步骤得到的定位结果如表2所示。
[0066]
[0067] 表2 验证2定位结果
[0068] 由两次验证结果可知，远距离和高深度定位，均能够获得高精度的定位结果，具有很好的市场方展前景。
