地下磁导航系统

论文摘要

传统的地面直井排水降压开采方式开采煤层气单井不但产量低，而且经济效益差。为了解决这个问题，常用的煤层气增产措施是水平井技术。在这项技术中，精确导航钻头钻进将水平井与目标井连通，是煤层气开采时关键技术之一，也是我们目前开采技术发展的一大瓶颈。虽然国外拥有较先进的导航技术，但是由于国外价格昂贵及技术封锁，目前水平井与目标井的精确连通技术，仍是我国目前煤层气开采技术发展的一大难题。本文利用永磁短节产生的磁信号，精确导航钻头钻进，使钻铤钻进靶区，实现直井与水平井的对接连通。本文以库伦定律为基础，建立了磁偶极子模型。从该模型出发，推导得到了磁偶极子在空间任意一点的x，y，z三个方向产生的磁场强度，由此进一步推导出了永磁短节在空间任意一点的x，y，z三个方向的磁场强度；为了滤除夹杂在原始磁信号中的地磁信号和噪声等干扰信号，设计了基于hamming窗的FIR数字滤波器，从而得到了由永磁短节产生的磁信号，为下一步进行角度和距离的测量做准备；在对原始磁信号进行FIR滤波过程中遇到了相位延迟的问题。运用基于波形匹配的端点延拓法消除了磁信号由于FIR滤波产生的相位延迟，很好的解决了这个问题；利用VC++软件编制了人机界面友好，功能全面的FIR数字滤波软件；由磁短节在空间任意一点产生的磁场强度计算公式，采用取极值的方法反演出了距离，井斜角，方位角和磁场强度的关系式；采用最小二乘线性拟合的方法求出了距离和磁场强度计算公式中的待定系数；运用多传感器数据融合技术，将三个传感器采集的数据进行融合，进一步提高了角度和距离测量的精确度。野外试验结果表明：距离测量的最大绝对误差为0.9536，30m之内的角度测量相对误差最大3.4%，30m到40m的相对误差也不超过4%，50m之内的角度测量绝对误差小于0.4度。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 前言
• 1.1 课题研究背景及意义
• 1.2 国内外磁导航系统设计研究现状
• 1.3 地下磁导航系统设计存在的问题
• 1.4 本文研究的主要内容
• 1.5 本文结构
• 第二章 地下磁导航系统理论模型的建立
• 2.1 磁偶极子模型
• 2.1.1 库仑定律与磁偶极子
• 2.1.2 磁偶极子模型
• 2.2 基于磁偶极子模型的正演公式
• 2.2.1 正磁荷和负磁荷的中点为原点的正演公式
• 2.2.2 磁偶极子的中点不在原点上时，位于 z 轴-R 处正演公式
• 2.2.3 对称磁偶极子不在 Z 轴坐标上，在与 Z 轴夹角为θ正演公式
• 2.3 基于磁偶极子模型的磁信号正演波形图
• 2.4 方位角，井斜角，距离的公式推导
• 2.4.1 方位角、井斜角的公式推导
• 2.4.2 距离的公式推导
• 2.5 本章小结
• 第三章 磁信号的 FIR 数字滤波
• 3.1 实验装置简介
• 3.1.1 永磁短节
• 3.1.2 测量永磁短节的磁矢量传感器
• 3.2 磁信号 FIR 滤波器设计
• 3.2.1 设计 FIR 数字滤波器的方法和步骤
• 3.2.2 滤波后信号的信噪比
• 3.3 磁信号 FIR 滤波后相位延迟的消除
• 3.3.1 信号延迟的理论推导
• 3.3.2 信号延迟的 MATLAB 仿真实验及结果分析
• 3.3.3 信号延迟的消除 MATLAB 仿真实验及结果分析
• 3.3.4 Simulink 仿真结果比较
• 3.4 对现场采集的磁信号 FIR 数字滤波
• 3.5 磁信号滤波软件的编制
• 3.6 本章小结
• 第四章 地下磁导航系统信号采集与分析
• 4.1 地面模拟试验
• 4.1.1 试验主要设备技术指标
• 4.1.2 磁矢量传感器简介
• 4.2 野外采集的原始实际信号波形与理论推导波形对比验证
• 4.3 距离和磁场强度的线性关系试验验证
• 4.4 角度的对比验证与角度的多传感器数据融合技术
• 4.4.1 角度的对比验证
• 4.4.2 角度的多传感器据融合
• 4.5 水平方位左右偏向的判定
• 4.5.1 水平方位左右偏向的判定的理论推导
• 4.5.2 水平方位左右偏向的判定的试验验证
• 4.6 井下试验
• 4.7 本章小结
• 第五章 结论与展望
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表的论文
• 致谢