一种基于地面磁信标的水平定向钻实时定位方法及系统与流程

技术特征：

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分量(G_x,G_y,G_z)；

(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：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\φ}=\arctan \sqrt{\frac{{G_x}^2+{G_y}^2}{G_z}}\\ \mathrm{\α}=\arctan \frac{G_x}{G_y}\\ \mathrm{\θ}=\arctan \frac{B_{4z}^1\sin \mathrm{\α}-B_{4y}^{1}cos\mathrm{\α}}{\sin \mathrm{\φ}(B_{4y}^1\sin \mathrm{\α}+B_{4z}^1\cos \mathrm{\α})+B_{4x}^{1}cos\mathrm{\φ}}\end{array}\right.$

(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(B_ix,B_iy,B_iz)，其中i＝1,2,3,4，(B_4x,B_4y,B_4z)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(B_ix,B_iy,B_iz)，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：

$\stackrel{\→}{r}=r\·{\stackrel{\→}{e}}_r=\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ z\end{array}\right]=-3G^{-1}\stackrel{\→}{B}=-3G^{-1}\left[\begin{array}{c}{B}_{4x}\\ B_{4y}\\ B_{4z}\end{array}\right]$

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。

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。