水平定向钻进随钻测量方法及定位技术研究

论文摘要

近年来随着非开挖技术的发展,地下水平定向钻进技术得到越来越广泛的应用。为了实现水平定向钻进中的轨迹监控和精确导向,必须实时获取地下钻头的姿态参数和钻头的空间位置,因而随钻测量和定位技术作为关键测量问题正受到广泛关注和大力研究。作为国家863高科技计划项目“智能水平定向钻进铺管设备”(2003AA430120)和湖南省自然科学基金项目“非开挖水平定向钻进定位和导向新方法的研究”(03JJY3083)的重要研究内容,本论文围绕水平定向钻进中的随钻测量方法和定位技术进行系统深入的研究,并组建具有自主知识产权的导向定位系统。主要工作包括以下几个方面:1.对基于加速度计和磁强计组合进行磁场测量的随钻测量方法进行了研究。针对这种测量中存在的铁磁性钻具的磁性干扰问题,首次提出了利用现有的地磁场数据进行方位角校正的方法。校正后的结果可以不受干扰的影响,大大降低了对钻具的要求,拓宽了随钻测量的应用范围。在此基础上,利用最新的MEMS加速度计和MEMS磁强计构建小巧的随钻测量系统,以满足水平定向钻进要求。2.将基于加速度计和陀螺仪的捷联惯性导航技术应用于水平定向钻进随钻测量,提出基于惯性器件组合的随钻测量方法。在传统的三轴加速度计和三轴陀螺仪姿态测量方法基础上,结合水平定向钻进随钻测量的特点,提出通过减少陀螺仪的配置用单轴或双轴陀螺仪来实现位置、速度和姿态的测量,得出测量模型,进行了误差分析。3.从工程实践的角度出发,介绍了随钻测量过程中倾角和面向角测量的其它方法以及相应的传感器设计。首次提出两种独特的面向角测量方法,光电滚珠式面向角测量和光电编码器式面向角测量,并进行了相应的传感器设计,其结构简单,体积小巧,全固态,可靠性高,能够较好地满足随钻测量的要求。4.在钻头定位及数据传输上,提出基于磁偶极子源的电磁信号传输方法。将通以甚低频电流的螺线管线圈等效为地下磁偶极子发射源,根据其产生的准静态场的规律分布,利用地面接收线圈进行磁场接收的方法实现钻头的无线定位和测量结果的无线传输,实现实时测量。5.首次系统地对基于磁偶极子源的地面定位定深方法进行了研究。在对地下发射线圈磁场充分分析的基础上,提出基于单线圈和45°双线圈的定位方法,对多种定位方式和过程进行了说明。在定位的基础上,提出标定法、双线圈测定法和前后向定位点法等几种深度测量方法。最后对各种定位和测深方法的精度作了分析。6.率先研制了具有自主知识产权的导向定位设备。它包括随钻测量探头,地面定位接收仪,以及基于嵌入式系统的轨迹监控规划软件。此设备能够很好地实现水平定向钻进的定位和导向,不仅填补了国内空白,性能上也接近国外先进水平。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 非开挖技术概述
• 1.1.1 非开挖技术及其应用
• 1.1.2 国外非开挖技术的发展
• 1.1.3 国内非开挖技术的现状
• 1.2 水平定向钻进技术及其现状
• 1.2.1 HDD技术的诞生及施工过程
• 1.2.2 HDD系统的组成及导向机理
• 1.2.3 HDD技术的发展及现状
• 1.2.4 HDD技术的主要优势及应用
• 1.3 随钻测量技术及其研究进展
• 1.3.1 随钻测量技术及其分类
• 1.3.2 随钻测量的信号传输
• 1.3.3 HDD随钻测量的特点
• 1.3.4 HDD导向定位系统的发展
• 1.3.5 HDD导向定位系统的现状
• 1.3.6 国内缺乏导向定位系统的原因
• 1.4 课题研究背景及选题依据
• 1.4.1 HDD 随钻测量和定位技术难题
• 1.4.2 课题选题依据和意义
• 1.5 论文结构安排与特色创新
• 1.5.1 论文结构安排
• 1.5.2 论文主要创新
• 第二章 基于磁场的随钻测量方法研究
• 2.1 定向钻孔轨迹的几何参数描述及姿态测量
• 2.1.1 定向钻孔轨迹的基本要素
• 2.1.2 定向钻孔轨迹的几何参数描述
• 2.1.3 水平定向钻进姿态角度定义
• 2.1.4 随钻姿态测量方法分类
• 2.2 基于三轴加速度计和三轴磁强计的随钻姿态测量方法
• 2.2.1 地理坐标系和钻具坐标系之间的欧拉旋转变换
• 2.2.2 基于加速度计和磁强计的钻具姿态测量方法
• 2.3 钻具干扰磁场下的方位校正方法
• 2.3.1 钻具干扰磁场及其特性
• 2.3.2 直接方位校正方法
• 2.3.3 递推方位校正方法
• 2.3.4 方位校正方法小结
• 2.4 基于加速度计和磁强计的随钻测量系统
• 2.4.1 石英伺服加速度计和磁通门磁强计
• 2.4.2 MEMS 加速度计和 MEMS 磁阻式磁强计
• 2.4.3 基于加速度计和磁强计的随钻测量系统
• 2.4.4 随钻方位测量的实验验证
• 2.5 本章小结
• 第三章 基于陀螺的随钻测量方法研究
• 3.1 基于惯性导航技术的姿态测量概述
• 3.1.1 基于惯性导航技术的姿态测量
• 3.1.2 钻具坐标系与常用参考系
• 3.2 基于三轴陀螺仪的随钻测量方法
• 3.2.1 基于三轴陀螺仪的随钻测量系统
• 3.2.2 基于惯性坐标系的捷联惯导系统机械方程
• 3.2.3 基于地理坐标系的捷联惯导系统机械方程
• 3.3 基于单轴陀螺仪的随钻测量方法
• 3.3.1 基于单轴陀螺仪的随钻测量系统
• 3.3.2 单陀螺随钻测量系统机械方程的改进
• 3.4 基于双轴陀螺仪的随钻测量方法
• 3.4.1 基于双轴陀螺仪的随钻测量系统
• 3.4.2 四元数法在双轴陀螺仪随钻测量系统中的应用
• 3.4.3 四元数法在各参数测量中的计算过程
• 3.5 基于单轴陀螺仪随钻测量的误差分析
• 3.5.1 加速度计和陀螺仪误差描述
• 3.5.2 位置和速度误差
• 3.5.3 姿态角度误差
• 3.5.4 误差状态方程及卡尔曼滤波技术
• 3.6 本章小结
• 第四章 随钻角度测量的其它方法及传感器设计
• 4.1 随钻倾角测量方法及倾角传感器
• 4.1.1 固体摆式倾角测量
• 4.1.2 液体摆式倾角测量
• 4.1.3 气体摆式倾角测量
• 4.2 随钻面向角测量方法及面向角传感器
• 4.2.1 连续式面向角测量
• 4.2.2 离散式面向角测量
• 4.3 光电滚珠式面向角传感器
• 4.3.1 光电滚珠式面向角传感器结构
• 4.3.2 光电滚珠式面向角传感器原型及其特点
• 4.4 光电编码器式面向角传感器
• 4.4.1 多码道光电编码器式面向角传感器
• 4.4.2 单码道光电编码器式面向角传感器
• 4.5 本章小结
• 第五章 基于磁偶极子源的电磁信号传输及螺线管线圈设计
• 5.1 静态磁偶极子的物理模型
• 5.1.1 静态磁偶极子的物理模型
• 5.1.2 静态磁偶极子的磁力线分布
• 5.1.3 静态磁偶极子的等矢位线分布
• 5.2 谐变磁偶极子的物理模型
• 5.2.1 谐变磁偶极子的物理模型
• 5.2.2 谐变磁偶极子的近区场分布
• 5.2.3 谐变磁偶极子电磁场在地层介质中的传输
• 5.3 螺线管线圈的电磁分析及等效为磁偶极子的条件
• 5.3.1 螺线管线圈的静磁场分析
• 5.3.2 螺线管线圈的时谐场分析
• 5.4 带有铁氧体磁芯的螺线管天线设计
• 5.4.1 铁氧体磁芯
• 5.4.2 插入磁芯后螺线管线圈的特性
• 5.4.3 螺线管线圈的等效电感及磁场的发射
• 5.4.4 螺线管线圈对磁场的接收
• 5.4.5 螺线管线圈设计
• 5.5 本章小结
• 第六章 水平定向钻进地下定位定深技术研究
• 6.1 地下发射线圈磁场的空间分布
• 6.1.1 地下发射线圈磁场的空间分布规律
• 6.1.2 发射线圈在竖直面和地面处的磁场分布
• 6.2 基于单线圈的地面定位技术
• 6.2.1 接收发射线圈在竖直面内的定位技术
• 6.2.2 接收发射线圈平行时的定位技术
• 6.2.3 接收发射线圈不平行时的定位技术
• 6.2.4 发射线圈倾斜时的定位技术
• 6.2.5 发射接收线圈成任意角度时的定位技术
• 6.2.6 单线圈定位小结
• 6.3 基于45°双线圈的地面定位技术
• 6.3.1 45°双线圈及其定位点分布
• 6.3.2 45°双线圈在整个水平面内接收的情况
• 6.3.3 45°双线圈绕水平面旋转一定角度的情况
• 6.3.4 发射线圈倾斜时双线圈的定位
• 6.3.5 双线圈定位小结
• 6.4 水平定向钻进深度测量方法
• 6.4.1 标定法深度测量模型
• 6.4.2 二次测定法深度测量模型
• 6.4.3 双线圈法深度测量模型
• 6.4.4 定位点法深度测量模型
• 6.5 水平定向钻进定位定深的精度分析
• 6.5.1 单线圈定位精度
• 6.5.2 45°双线圈定位精度
• 6.5.3 单双线圈定位精度比较
• 6.5.4 深度测量的误差分析
• 6.6 本章小结
• 第七章 水平定向钻进导向定位系统设计
• 7.1 HDD 导向定位系统总体构成
• 7.2 HDD 随钻测量探头设计
• 7.2.1 HDD 随钻测量探头要求
• 7.2.2 HDD 随钻测量探头设计
• 7.2.3 HDD随钻测量探头硬件系统框图
• 7.2.4 角度测量的温度补偿
• 7.2.5 随钻测量数据的调制和传输
• 7.3 HDD 地面定位仪系统设计
• 7.3.1 HDD 地面定位仪
• 7.3.2 HDD地面定位仪硬件系统框图
• 7.4 HDD 轨迹监控软件设计
• 7.5 本章小结
• 第八章 结论与展望
• 8.1 研究结论
• 8.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者攻读博士学位期间发表的论文和获得的成果