受控定向钻进测量系统三维校正问题研究

论文摘要

目前煤矿坑道钻探正由无控钻进向受控定向钻进发展,涉及煤矿安全的顺煤层瓦斯抽放长钻孔和底板加固、注浆堵水等技术工艺,都需要定向钻进技术的支持。为了提高瓦斯抽放效率和注浆堵水效果,对钻孔轨迹在地下空间的定位精度要求越来越高。如果测斜装备不能提供准确有效的定位参数,钻孔便无法按照设计到达目标位置,将极大的降低瓦斯抽放或注浆堵水的效果,甚至可能发生由于失控而造成的卡钻、断钻等事故,带来巨大的经济损失,甚至威胁施工人员的安全。提高定向钻进测量系统的精度、研究多种误差及其校正方法,是保证定向钻进技术的关键。论文依托国家“十五”科技攻关计划项目中的“煤矿井下瓦斯抽放长钻孔施工装备及工艺的改进完善”专题和国家发改委重大产业技术开发专项“煤矿井下千米瓦斯抽放钻孔施工装备及工艺技术开发”的研究工作,在对国内外测斜技术的研究发展现状进行调研、分析的基础上,根据井下钻进导向的实际需求,针对基于半导体加速度传感器和磁阻传感器的随钻定向测量系统,开展了相应的理论研究、计算方法研究和误差分析研究,提出了一系列误差校正方法,有效提高了系统精度。论文具体介绍了当前国内外测斜技术及空间定位方法的研究现状,介绍了系统的测量原理和空间定位计算方法,并结合总体设计方案,阐明了随钻定向测量系统的结构组成,并对传感器进行了详细介绍;针对系统中可能产生误差的原因进行了详细分析,提出了相应的补偿方案。依照该方案,从硬件和软件两方面对测量系统进行误差校正。考虑到方位角测量环境的特殊性,经过对几种材料的分析比较,选择铍铜作为测量探管支架及外管的材料;对传感器的安装结构进行了优化设计,力求使安装调试后的机械误差最小:针对半导体磁阻传感器,设计了置位/复位硬件电路,解决了由于传感器自身磁累积或磁偏置带来的系统误差:针对硬件上难以纠正的传感器敏感轴不正交和不重合角问题,提出基于变量轮换法和单纯形加速法的优化算法,实现对偏差角度的补偿;针对环境磁场对磁阻传感器的干扰,采用导航系统中常用的磁罗盘误差补偿方法,即最小二乘八位置补偿法和最佳椭圆拟合补偿法,较好的消除了环境磁场干扰带来的误差。实验结果表明,通过采取以上各项措施,经过校正后的系统,倾角误差≤±0.2°,工具面向角和方位角误差≤±1.5°。随钻定向测量系统的抗震性、耐冲击性和稳定性都达到测试要求,数据精度也有明显改善,较好的满足了井下随钻定向测量要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题背景及研究意义
• 1.2 国内外测斜技术发展及趋势
• 1.3 本文的研究思路及主要研究内容
• 2 测量原理及计算方法
• 2.1 定向钻进及其测量原理
• 2.2 钻孔轨迹空间位置
• 2.2.1 地球磁场
• 2.2.2 地球重力场
• 2.2.3 坐标系的建立
• 2.2.4 钻孔轨迹的空间位置
• 2.3 数值计算方程
• 2.3.1 倾角与旋转角计算方程
• 2.3.2 方位角计算方程
• 3 定向钻进测量系统
• 3.1 定向钻进测量系统的组成
• 3.1.1 系统组成
• 3.1.2 测量探管组成
• 3.2 方位传感器
• 3.2.1 磁阻效应传感器
• 3.2.2 HMC系列磁阻传感器
• 3.2.3 三轴磁性传感器HMC2003结构特性
• 3.2.4 三轴磁性传感器HMC2003的工作原理
• 3.2.5 三轴磁性传感器HMC2003的置位/复位特性
• 3.3 倾角传感器
• 3.3.1 倾斜角传感器的发展动态
• 3.3.2 加速度传感器SCA100T结构及特性
• 3.3.3 加速度传感器SCA100T工作原理
• 4 测量系统误差分析
• 4.1 误差的分类
• 4.2 误差分析
• 4.3 姿态信号误差
• 4.3.1 倾角误差引起的方位角误差
• 4.3.2 工具面向角引起的方位角误差
• 4.4 安装误差
• 4.5 环境磁场误差
• 5 测量系统的误差补偿
• 5.1 系统机械安装要求
• 5.1.1 材料选择
• 5.1.2 传感器安装结构设计
• 5.2 传感器校正
• 5.2.1 传感器性能测试
• 5.2.2 磁阻传感器零位及灵敏度校正
• 5.2.3 磁阻传感器复位与置位
• 5.3 安装误差校正
• 5.3.1 坐标轮换法对不正交角的确定
• 5.3.1.1 坐标轮换法基本原理
• 5.3.1.2 不正交角目标函数的建立
• 5.3.1.3 坐标轮换法确定不正交角的实现
• 5.3.2 单纯形加速法对不重合角的确定
• 5.3.2.1 单纯形法基本原理
• 5.3.2.2 不重合角目标函数的建立
• 5.3.2.3 单纯形法确定不重合角的实现
• 5.3.3 方位角数据处理过程
• 5.4 环境磁场误差校正
• 5.4.1 最小二乘八位置补偿法
• 5.4.2 最佳椭圆拟合误差补偿法
• 6 系统测试实验与分析
• 6.1 测试实验系统硬件组成
• 6.2 探管测试实验
• 6.2.1 校验装置及实验方法
• 6.2.2 测量探管角度标定
• 6.3 实验数据及分析
• 6.3.1 传感器滤波叠加前后稳定性比较
• 6.3.2 磁阻传感器零位校正前后数据比较
• 6.3.3 校正后系统测试实验
• 6.3.4 温度实验
• 7 结论和进一步研究的问题
• 7.1 结论
• 7.2 进一步研究的问题
• 参考文献
• 致谢
• 附录