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水平定向鑽進隨鑽測量方法及定位技術研究

近年來隨著非開挖技術的發展,地下水平定向鑽進技術得到越來越廣泛的應用。為了實現水平定向鑽進中的軌跡監控和精確導向,必須實時獲取地下鑽頭的姿態參數和鑽頭的空間位置,因而隨鑽測量和定位技術作為關鍵測量問題正受到廣泛關注和大力研究。作為國家863高科技計劃項目“智能水平定向鑽進鋪管設備” (2003AA430120)和湖南省自然科學基金項目“非開挖水平定向鑽進定位和導向新方法的研究”(03JJY3083)的重要研究內容,本論文圍繞水平定向鑽進中的隨鑽測量方法和定位技術進行係統深入的研究,並組建具有自主知識產權的導向定位係統。        

 主要工作包括以下幾個方麵:

1、對基於加速度計和磁強計組合進行磁場測量的隨鑽測量方法進行了研究。針對這種測量中存在的鐵磁性鑽具的磁性幹擾問題,首次提出了利用現有的地磁場數據進行方位角校正的方法。校正後的結果可以不受幹擾的影響,大大降低了對鑽具的要求,拓寬了隨鑽測量的應用範圍。在此基礎上,利用最新的MEMS加速度計和MEMS磁強計構建小巧的隨鑽測量係統,以滿足水平定向鑽進要求。

2、將基於加速度計和陀螺儀的捷聯慣性導航技術應用於水平定向鑽進隨鑽測量,提出基於慣性器件組合的隨鑽測量方法。在傳統的三軸加速度計和三軸陀螺儀姿態測量方法基礎上,結合水平定向鑽進隨鑽測量的特點,提出通過減少陀螺儀的配置用單軸或雙軸陀螺儀來實現位置、速度和姿態的測量,得出測量模型,進行了誤差分析。

3、角測量,並進行了相應的傳感器設計,其結構簡單,體積小巧,全固態,可靠性高,能夠較好地滿足隨鑽測量的要求。

4、在鑽頭定位及數據傳輸上,提出基於磁偶極子源的電磁信號傳輸方法。將通以甚低頻電流的螺線管線圈等效為地下磁偶極子發射源,根據其產生的準靜態場的規律分布,利用地麵接收線圈進行磁場接收的方法實現鑽頭的無線定位和測量結果的無線傳輸,實現實時測量。

5、首次係統地對基於磁偶極子源的地麵定位定深方法進行了研究。在對地下發射線圈磁場充分分析的基礎上,提出基於單線圈和45°雙線圈的定位方法,對多種定位方式和過程進行了說明。在定位的基礎上,提出標定法、雙線圈測定法和前後向定位點法等幾種深度測量方法。最後對各種定位和測深方法的精度作了分析。

6、率先研製了具有自主知識產權的導向定位設備。它包括隨鑽測量探頭,地麵定位接收儀,以及基於嵌入式係統的軌跡監控規劃軟件。此設備能夠很好地實現水平定向鑽進的定位和導向,不僅填補了國內空白,性能上也接近國外先進水平。


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