水平定向钻控向系统及其定位方法与流程
本发明涉及水平定向钻技术领域，具体地，涉及水平定向钻控向系统及其定位方法。
背景技术：
水平定向钻机是在不开挖地表面的条件下，铺设多种地下公用设施(管道、电缆等)的一种施工机械。它广泛应用于供水、电力、电讯、天然气、煤气、石油等柔性管线铺设施工中，它适用于沙土、粘土等地况。
水平定向钻进技术是将石油工业的定向钻进技术和传统的管线施工方法结合在一起的一项施工新技术，它具有施工速度快、施工精度高、成本低等优点，广泛应用于供水、煤气、电力、电讯、天然气、石油等管线铺设施工工程中。
其中，确定水平定向钻技术中的井下施工组件的空间位置是钻进施工导向的基础，定位精度决定着施工效率，传统定位方法计算井下施工组件与地面磁源的坐标，计算复杂，计算量大，耗时长，施工复杂。
技术实现要素：
鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种水平定向钻控向系统及其定位方法，从而提高水平定向钻控向系统的井下施工组件的定位便利性，提高施工效率。
根据本发明的一方面，提供一种水平定向钻控向系统的定位方法，所述水平定向钻控向系统包括：
地面磁源，所述地面磁源的南北极朝向与竖直方向平行或垂直；
井下施工组件，包括磁通门传感器，用于获得所述井下施工组件所处位置的三轴磁分量，所述磁通门传感器的磁信号为交流，
所述定位方法包括：
根据所述三轴磁分量获得实时磁场的和，并根据所述三轴磁分量和所述实时磁场的和的至少一个获得收敛因子；
根据所述收敛因子移动所述地面磁源至所述井下施工组件的正上方，并在所述地面磁源位于所述井下施工组件的正上方时，根据所述三轴磁分量的和的强度获得所述井下施工组件相对所述地面磁源的深度；
根据所述地面磁源的位置和所述井下施工组件相对所述地面磁源的深度确定所述井下施工组件的实时位置。
可选地，所述根据所述三轴磁分量获得实时磁场的和的步骤之前还包括：
对所述三轴磁分量进行预处理，所述预处理包括：
异常值剔除；
减去平均值；
去除线性趋势项。
可选地，在对所述三轴磁分量进行预处理之后，根据所述三轴磁分量获得实时磁场的和之前，还包括：
对进行预处理后的所述三轴磁分量进行数字滤波处理。
可选地，在对进行预处理后的所述三轴磁分量进行数字滤波处理的步骤中，采用窗函数带通滤波器进行所述数字滤波处理。
可选地，所述地面磁源包括旋转磁铁，所述旋转磁铁的南北极朝向与垂直方向垂直；
采用公式
可选地，根据所述收敛因子移动所述地面磁源至所述井下施工组件的正上方的步骤包括：
在所述收敛因子处于0.97至1范围时，确定所述地面磁源位于所述井下施工组件的正上方。
可选地，采用公式
可选地，所述旋转磁铁包括多个可选旋转频率。
可选地，所述地面磁源包括通电螺线管，且提供的磁场的南北极朝向与垂直方向平行；
采用公式
可选地，根据所述收敛因子移动所述地面磁源至所述井下施工组件的正上方的步骤包括：
在所述收敛因子的值处于0.97至1范围时，确定所述地面磁源位于所述井下施工组件的正上方。
可选地，采用公式
可选地，所述通电螺线管的供电为交流电，且包括多个可调频率。
根据本发明的另一方面，提供一种水平定向钻控向系统，包括：
地面磁源，所述地面磁源的南北极朝向与竖直方向垂直或平行；
井下施工组件，包括磁通门传感器，用于获得所述井下施工组件所述位置的三轴磁分量；
控向装置，用于根据所述井下施工组件的位置控制所述井下施工组件的钻进方向，其中，
所述控向装置根据本发明提供的定位方法获得所述井下施工组件的位置。
可选地，所述地面磁源为旋转磁铁，所述旋转磁铁包括：
框架；
沿所述框架的轴向依次设置的第一轴承、转轴、第二轴承、电机、水平仪，所述转轴两端分别通过所述第一轴承和所述第二轴承固定至所述框架，所述转轴连接所述电机，以根据所述电机的驱动而转动，所述电机和所述水平仪固定在所述框架上；
磁体，固定安装在所述转轴上，所述磁体的南北极朝向与所述框架的轴向垂直，
其中，所述电机为可调速电机。
可选地，所述旋转磁铁还包括：
把手，设置在所述框架的顶部。
可选地，所述旋转磁铁还包括：
可调节支撑腿，设置在所述框架的底部。
可选地，所述地面磁源包括：
框架；
螺线管，所述螺线管的绕组绕所述框架的垂直轴螺旋；
驱动电路，设置在框架上，用于提供所述螺线管的供电，且提供的供电为频率可调的交流电源；
水平仪，设置在所述框架的顶部。
可选地，所述地面磁源还包括：
把手，设置在所述框架的顶部。
可选地，所述地面磁源还包括：
可调节支撑腿，设置在所述框架的底部。
本发明提供的水平定向钻控向系统的定位方法包括：根据井下施工组件所处位置的三轴磁分量获得实时磁场的和，并根据三轴磁分量和实时磁场的和的至少一个获得收敛因子，以根据收敛因子移动地面磁源至井下施工组件的正上方，并在地面磁源位于井下施工组件的正上方时根据三轴磁分量的和的强度获得井下施工组件距离地面磁源的深度，以根据此时的地面磁源的位置和该深度方便地确定井下施工组件的实时位置，其定位的计算仅需要作磁场强度的计算，数据处理量小，定位计算简单有效，为水平定向钻的施工提供了便利。
地面磁源提供变化的磁场，可提升系统对环境中的其它磁源的抗干扰能力，提高定位可靠性。
本发明提供的水平定向钻控向系统采用本发明提供的定位方法获得井下施工组件的位置，定位简单有效，可提升施工效率。
附图说明
通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
图1示出了根据本发明实施例的水平定向钻控向系统的结构示意图；
图2示出了根据本发明实施例的水平定向钻控向系统的定位方法的流程图；
图3a和图3b示出了根据本发明实施例的水平定向钻控向系统的旋转磁铁的结构示意图；
图4示出了根据本发明实施例的水平定向钻控向系统的另一种地面磁源的结构示意图。
具体实施方式
以下将参照附图更详细地描述本发明的各种实施例。在各个附图中，相同的元件采用相同或类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
图1示出了根据本发明实施例的水平定向钻控向系统的结构示意图。
如图1所示，本发明实施例的水平定向钻控向系统主要包括井下施工组件10、钻机20、控向装置30和地面磁源40，地面磁源40提供磁场，井下施工组件10通过其中的检测单元12检测自身所处位置的磁场，并将检测的磁场数据传输至地面控向装置30进行处理，获得井下施工组件10的位置和姿态，以确认当前施工状态，并于预设施工路线进行对比，确认进一步的钻进方向，并提供相应的控制信号至钻机20的控制端，控制钻机20对井下施工组件10的驱动控制，调节井下施工组件10在钻头11钻进下的进一步施工方向，保障井下施工组件10按照预期的路线施工，并最终从出土点精确出土，实现由入土点至出土点的地下钻孔的导通施工。其中，对井下施工组件10进行定位时，井下施工组件10为静止状态，井下施工组件10中还包括加速度计等传感器，以获得井下施工组件10的井斜、工具面等参数，具体调节井下施工组件10的姿态。
图2示出了根据本发明实施例的水平定向钻控向系统的定位方法的流程图。
进一步参照图2，本发明实施例的水平定向钻控向系统的定位方法包括：
步骤s01：通过井下施工组件中的磁通门传感器采集获得三轴磁分量。即通过井下施工组件10中的检测单元12获得三轴磁分量，在本实施例中，该检测单元12为磁通门。
步骤s02：对三轴磁分量进行预处理。预处理包括异常值剔除、减去平均值和去除线性趋势项处理。其中，预处理后还进行数字滤波处理，以消除处理电路的系统产生的干扰和环境噪声，提高提供的三轴磁分量的准确性。
步骤s03：根据预处理后的三轴磁分量计算获得实时磁场的和。其中，根据公式
步骤s04：根据实时磁场的和计算获得收敛因子。
其中，在地面磁源为旋转磁铁时，根据公式
在地面磁源为通电螺线管时，根据公式
步骤s05：根据收敛因子移动地面磁源至井下施工组件的正上方。即根据计算获得的收敛因子移动地面磁源40至井下施工组件10的正上方。
其中，在收敛因子
步骤s06：在地面磁源位于井下施工组件的正上方时计算获得井下施工组件至地面磁源的深度。
其中，在地面磁源为旋转磁铁时，根据公式
在地面磁源为通电螺线管时，采用公式
获得井下施工组件10距离地面磁源40的深度后，根据地面磁源40位于井下施工组件10的正上方，可根据地面磁源40的地面位置与井下施工组件10距离地面磁源40的深度确定井下施工组件10的空间位置。其中，定位时，井下施工组件10处于静止状态。
本发明实施例的水平定向钻控向系统控制井下施工组件检测地面磁源的三轴磁场强度，根据三轴磁场强度获得收敛因子，根据收敛因子调节地面磁源至井下施工组件的正上方，在地面磁源位于井下施工组件的正上方时，可以方便地获得地面磁源至井下施工组件的距离，方便地获得井下施工组件距离地面磁源的深度，再根据该深度和地面磁源的地面位置可方便简单地获得井下施工组件的实时位置。其中，相比于传统的根据磁场计算井下施工组件的三轴坐标，本申请无需坐标计算，对井下施工组件的定位方法简单有效，为水平定向钻的施工提供了便利。
图3a和图3b示出了根据本发明实施例的水平定向钻控向系统的旋转磁铁的结构示意图。
参照图3a和图3b，本发明实施例的水平定向钻控向系统的地面磁源40采用的旋转磁铁140包括框架141，框架141顶端设置把手142，地段设置可调节支撑腿143，顶端外部设置有水平仪144，以在使用时调节姿态控制框架141的垂直轴线与地面垂直，进而保障提供的磁场的标准性。
框架141中由底端至顶端还设置有第一轴承145、转轴146、第二轴承147、电机148，转轴146上固定设置有磁体149(永磁铁)，第一轴承145和第二轴承147的外圈与框架141固定连接，内圈与转轴146固定连接，转轴146的顶端与电机148(转动部)连接，以通过电机148驱动转轴146转动，进而带动磁体149绕轴转动，提供旋转磁场。其中，磁体149的南北极与框架141的垂直轴线垂直。其中，该电机148的频率可调，在本实施例中，其可调节频率范围为1hz至6hz。
图4示出了根据本发明实施例的水平定向钻控向系统的另一种地面磁源的结构示意图。
参照图4，本发明实施例的水平定向钻控向系统的另一种地面磁源240包括框架241，框架241的顶端设置有把手242，底端设置有可调节支撑腿243，内部固定设置有螺旋管246和驱动电路245，驱动电路245用于提供螺线管246的驱动电源，且提供的供电为交流电，在框架241的顶端外部还设置有水平仪244和频率调节按钮247。
水平仪244配合可调节支撑腿243，可在放置于地面(或其它稳定平台)使用时调节框架241的垂直轴线与地面的垂直性。该螺旋管246的绕组绕框架241的垂直轴线螺旋设置，使其提供的磁场的南北极与垂直方向平行，频率调节按钮247用于调节驱动电路245的工作模式，调节输出的交流电频率，进而调节该地面磁源240提供的磁场。其中，在本实施例中，驱动电路245输出的交流电的频率的可调范围为1hz至6hz。
其中，在可选实施例中，地面磁源为悬挂式或手提式使用，并保障结构相对中心垂直轴线的对称性，可保障其垂直轴线与地面的垂直性，保障提供的磁场的南北极朝向与地面垂直或平行。
地面磁源的磁场可调，可降低施工现场的其它磁源的磁干扰的影响，例如江上船只通常会有低频干扰并与传统地磁仪器信号接近，提供频率可调的地面磁源，在多种频率的地面磁源磁场下进行定位，可以有效降低施工现场的其它磁源对地面磁源磁场的干扰，保障测量的可靠性。
本发明提供的水平定向钻控向系统包括地面磁源，该地面磁源的南北极朝向与地面垂直或平行；井下施工组件，包括磁通门传感器，可获得井下施工组件所处位置的三轴磁分量；控向装置，用于根据井下施工组件的位置控制井下施工组件的钻进方向。其中，该井下施工组件的定位方法包括，根据井下施工组件所处位置的三轴磁分量及其和的至少一个计算获得收敛因子，以根据收敛因子调节地面磁源的位置，将地面磁源调节至井下施工组件的正上方，然后根据井下施工组件所处位置的磁场强度获得其与地面磁源的距离，并以该距离为井下施工组件距离地面磁源的深度，根据此时的地面磁源的地面位置和该深度确认井下施工组件的位置，其操作简单，无需建立坐标系进行坐标计算，可方便有效地获得井下施工组件的确切位置，为水平定向钻的施工提供了便利。
地面磁源可选为旋转磁铁，该旋转磁铁的南北极朝向与垂直方向垂直，且绕垂直轴旋转，旋转频率可调，可提供多种频率的旋转磁场，可提高提供的磁场对施工现场的其它磁源的抗干扰能力，提高定位的可靠性。
地面磁源可选为通电的螺线管，该通电的螺线管提供的磁场的南北极朝向与垂直方向平行，且该螺线管的供电为频率可调的交流电，可提供多种频率磁场，可提高提供的磁场对施工现场的其它磁源的抗干扰能力，提高定位的可靠性。
依照本发明的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。
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