地下磁导航系统的磁源设计

论文摘要

我国煤层气资源非常丰富,同时,我国煤层气的地质条件又十分复杂。多分支水平井和U型井钻井技术是在国外煤层气钻井技术的基础上,结合中国独特的煤层气储层条件,逐步发展起来的基本适宜国内煤层气储层条件的新兴煤层气开发技术。在实现水平井与目标井连通定向钻进过程中,最后也是最关键的一个环节就是对接中靶,经常需要应用地下磁导航中靶技术,该技术采用磁原理测量钻头与目标靶点间的方位和距离偏差,以期使钻进进入设定的靶区而达到连通目的。本课题采用理论与试验相结合对永磁材料及磁源磁场分布规律进行研究。首先从分子电流理论模型和磁偶极子模型出发,通过推导得出永磁体外空间任意一点的磁场强度计算公式,并利用有限元法对不同形状的永磁体进行模拟得到其周围空间磁场强度的分布规律。然后通过温度对永磁体磁性影响的试验得出磁体磁性随温度的变化关系,结果显示磁体磁场强度值随温度的升高而降低,且磁体磁性随温度的变化关系近似符合B=a-bt1. 69。同时通过磁体与钢材组合模型的磁场衰减试验和环境介质（土与干煤）对磁短节磁性的影响试验,得出了磁短节磁场强度随距离的衰减特性与永磁体和钢铁的组合结构具有相关性,即磁体与钢铁的排列均匀程度、组合方式以及永磁体的最大磁化能力对该组合模型产生的磁场强度大小具有直接的影响,而环境介质对磁短节磁性的影响微小,可以将其忽略。最后设计并加工了出符合RMRS技术指标的磁源装置,通过对磁源旋转对磁场分布的理论分析模拟出Bx、Bz随磁源旋转角度β的变化规律。同时通过近钻头旋转磁场试验得到了验证,得出近钻头旋转磁源产生的磁场信号与距离、方位的关系。以上研究结论对推动国内地下磁导航技术研究具有重要的实际意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景和意义
• 1.2 国内外磁导航系统设计研究现状
• 1.3 磁导航系统设计存在的问题
• 1.4 课题研究的主要内容
• 1.5 本文结构
• 第2章 静磁场理论模型
• 2.1 永磁体分子环流理论
• 2.1.1 安培分子环流假说
• 2.1.2 毕奥-萨伐尔定律与磁感应强度
• 2.1.3 永磁体的分子环流模型
• 2.2 磁偶极子模型
• 2.2.1 库仑定律与磁偶极子
• 2.2.2 磁偶极子模型
• 第3章 永磁体磁场分布及环境影响试验研究
• 3.1 永磁体磁场分布规律的有限元仿真
• 3.1.1 矩形永磁体磁场分布模拟
• 3.1.2 圆柱形永磁磁场分布模拟
• 3.2 永磁材料的技术参数与种类
• 3.2.1 磁特性参数
• 3.2.2 永磁材料的种类
• 3.2.3 Nd-Fe-B 永磁材料
• 3.3 温度对钕铁硼永磁体磁场的影响
• 3.3.1 测量装置简介
• 3.3.2 永磁体的温度稳定性
• 3.3.3 温度对钕铁硼永磁体的影响试验
• 3.3.4 试验结论
• 3.4 磁体与钢材不同组合模型的磁场强度衰减试验
• 3.4.1 钢铁不变，磁体改变的组合模型试验
• 3.4.2 磁体不变，钢铁改变的组合试验
• 3.4.3 磁体与钢铁均不变的组合试验
• 3.5 环境介质对磁短节磁性的影响的试验
• 3.5.1 土介质对磁短节磁场影响的试验
• 3.5.2 干煤介质对磁短节磁场影响的试验
• 第4章 磁源装置的设计及试验
• 4.1 磁源装置概述
• 4.2 磁源装置的设计原理
• 4.2.1 磁源的结构
• 4.2.2 磁源的设计原理
• 4.3 模拟近钻头旋转磁场试验
• 4.3.1 磁源旋转对磁场分布影响的理论分析
• 4.3.2 磁源旋转试验方案的设计
• 4.4 近钻头旋转磁场强度信号分析
• 4.4.1 旋转磁源产生磁场信号与距离的关系
• 4.4.2 磁源产生磁场信号与方位的关系
• 4.5 本章小结
• 第5章 结论与展望
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表的论文
• 致谢