（测试计量技术及仪器专业论文）水平定向钻进跟踪导向系统中的定位测深技术的研究.pdf

国防科学技术大学研究生院学位论文 摘要 本文在“ 8 6 3计划” 项 目基金资助下就水平定向钻进跟踪导向系统中的定位 测深关键技术进行研究。主要内容包括: i ，研究了螺线管外的静态场和准静态场的电磁场分布，推导出了螺线 管天线的磁场分布的数学模型。在此基础上，探讨了螺线管天线的 接收模型并作了相关的实验，验证了螺线管磁场分布模型的正确 性 。 2 .探讨了铁氧体磁芯对螺线管磁场分布规律的影响。在此基础_ 匕 探 讨了带磁芯的螺线管天线的设计。 3基于螺线管天线的发射和接收模型，提出了单线圈定位法、双线圈 定位法和多线圈定位法。通过严格的数学推导和计算机仿真实验， 系统分析了它们各自的特点和适用性。 4 .基于接收线圈接收到的信号大小随接收线圈到发射线圈的距离的关 系建立了深度测量模型.研究了定位技术对测深精度的影响。最后 进行了实验研究，结果证明了测深方法的可行性。 5 ，建立了定位测深系统的硬件平台。 在研制的定位测深平台上，针对上述研究内容，进行了大量的实验研究和 计算机仿真分析。结果显示，较好地解决了水平定向钻进过程中钻头定位与深 度测量等关键性技术问题，对于填补国内在高性能的定位与导向仪器方面的空 白具有较重要的意义。 关键词: 水平定向钻进 螺线管 软磁材料 定位 测深 数学模型 仿真 第. 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 abs tract t h e l o c a t i n g a n d d e p t h m e a s u r i n g t e c h n o l o g y o f t h e d i r e c t i o n a l t r a c k s y s t e m o f h o r i z o n t a l d i r e c t io n a l d r il l in g ( h d d ) i s d e v e lo p e d b a s e d o n im b u rs e m e n t o f 8 6 3 p la n s u s t e n t a t io n f u n d . t h e m a i n c o n t e n t s a r e c o v e r e d wi t h a s f o l l o ws : 1 . t h e m a p s o f t h e m a g n e t i c s t a t i c a n d q u a s i - s t a t i c f ie l d s f a r f r o m t h e s o l e n o i d a r e p r o b e d i n t o a n d t h e m a t h e m a t i c a l m o d e l s o f t h e s o le n o i d a n t e n n a a r e a l s o p r o v i d e d , a n d t h e r e c e i v i n g m o d e l o f t h e s o l e n o i d a n t e n n a i s d i s c u s s e d . t h e m a g n e t i c f i e l d s m o d e l i s p r o v e d t o b e t r u e t h r o u g h t h e e x p e r i m e n t s . 2 . t h e c h a r a c t e r i s t ic s o f t h e f e r r i t e s o ft m a g n e t i c m a t e r i a l s a r e p u t i n t o , a s w e l l w i t h t h e e f f e c t o n t h e m a p s o f t h e m a g n e t ic f i e l d s o f t h e s o l e n o i d a n t e n n a w i t h t h e m a g n e t i c c o r e , a n d t h e n t h e d e s i g n o f t h e s o l e n o i d a n t e n n a i s d i s c u s s e d . 3 . b a s e d o n t h e m o d e l s o f t r a n s m i t t i n g a n d r e c e iv i n g o f t h e s o l e n o id a n t e n n a , t h e l o c a t i n g m e t h o d s , b y u s e o f a s i n g le s o l e n o id , d o u b l e s o le n o i d s a n d m u l t i s o l e n o i d s , a r e p r o v i d e d . f r o m s t r i c t c a l c u l a t i o n a n d m a n y s i m u l a t i o n s , t h e f e a t u r e s o f t h o s e a r e a n a l y z e d s y s t e m a t i c a l l y . 4 . b a s e d o n t h a t t h e s ig n a l s t re n g t h , r e c e i v e d 勿t h e s o l e n o i d a n t e n n a i s p r o p o r t i o n a l t o t h e d i s t a n c e b e t w e e n t h e t r a n s m itt e r a n d t h e re c e i v e r , t h e d e p t h m e a s u r i n g m o d e l a n d m e t h o d s a re p u r p o s e d . t h e r e l a t i v e e x p e r i m e n t i s c a r r i e d o u t la s t l y , f r o m w h i c h t h e m e t h o d s a re p r o v e d t o b e a v a i l a b l e . 5 . t h e h a r d w a r e o f t h e l o c a t i n g a n d d e p t h m e a s u r in g s y s t e m i s d e s i g n e d . m a n y e x p e r i m e n t s a n d s i m u l a t i o n s u p o n l o c a t i n g a n d d e p t h m e a s u r i n g a re p r o v i d e d . i t i s p r o v e d t h a t t h e l o c a t i n g a n d d e p t h m e a s u r i n g p r o b l e m o f t h e d i r e c t i o n a l t r a c k s y s t e m o f h d d i s r a v e l e d o u t p re f e r a b l y , a n d i s s i g n i f ie d i n s u p p ly i n g t h e g a p i n t h e l o c a t i n g a n d d e p t h m e a s u r i n g i n s t r u m e n t i n t h e c o u n t r y . k e y w o r d s : h o r iz o n t a l d i r e c t i o n a l d r i l l i n g , s o l e n o i d , s o f t m a g n e t i c m a t e r i a l s , l o c a t i n g , d e p t h m e a s u r i n g , ma t h e m a t i c a l m o d e l , s i m u l a t i o n 第页 国防科学技术大学研究生院学位论文 第一章 绪论 怪 1 . 1 研究背景及课 题来源12 3 - 2 9 1 夸 1 . 1 . 1 非 开 挖技术 概 述 随着全球经济的持续发展、人口的迅速增长和城市化进程的加快，加之人们对环保意识 的增强和对生活质量的关注，在各种地下工程建设中非开挖技术悄然兴起并得到飞 速发展。 现代非开 挖施工技术 ( t r e n c h l e s s t e c h n o l o g y )是7 0 年代末在西 方发达国 家兴 起并 逐渐走向 成熟的新技术，是地下管线施工的一项技术革命。 它是指利用各种岩土钻掘的技术手段， 在 地表不开 沟( 槽) 的条件下铺设、 更换或修复各种地下管线的施工新技术， 即 改传统的 “ 挖槽 铺管与修复 ” 施工方式为 “ 钻孔铺管与修复 ” 。 非开挖技术可用来铺设直径在4 0 m m至2 5 0 0 m m 的各种地下管线， 距离从十几米到几千米。与传统的挖槽施工法相比，非开挖施工技术避免 了 地面“ 开 膛破肚” 和“ 马路拉锁” 现象，具有不影响交通、不破坏环境，施工周期短、 综合施 工成本低、社会效益显著等优点，可广泛用于穿越高速公路、铁跻.建筑物、河流，以 及在 闹市区、古迹保护区、农作物和植被保护区等进行市政、供水、煤气、电力、电讯、石油、 天然气等管线的铺设、更新或修复。 非开 挖技术已 有近百 年的历史， 但从 7 0年 代末刁 开始有真正的 现代非开挖技术。1 9 8 6 年在伦敦成立了国际非开挖技术协会 ( i s t i ) ，约有2 0 多个国家相继成立了国家和地区的 协会， i s t i 每年举办1 -2 次国际性的技术交流会和设备展览会， 至今己举办了2 0 次。 我国 在1 9 9 8 年也成立了非开挖技术协会。 非开挖技术自 正式进入工程施工市场至今，在短短的 2 0余年时间内，以 其独特的技术 优势和广阔的技术前景，日 益得到欧美发达国家的重视和提倡，并取得较好的社会和经济效 益。 如美国克林顿政府在1 9 9 4 财政年 度批准的为 期七年、 投资2 .5 亿美元的 “ 先进的 钻探和 掘进技术国 家计1 9 ( n a d e t -n a t io n a l p r o g r a m f o r a d v a n c e d d r il li n g a n d e x c a v a t io n t e c h n o lo g i e s ) 就把此项技术列入城市基础设 施和建筑业发展规划中， 以 增强美国 在该 领域内 的技术领先和市场竞争优势。 此外， 英国曼彻斯特工业大学、美国路易斯安娜理工大学、德 国 波鸿大学等高等院 校及时适应产业结构调整的需要， 相继设立了非开挖技术专业和相应的 研究机构，以 培养该领域的专业技术人才.由 于地下管线的现状和地层条件的不同，各个国 家所使用的方法各有所侧重。例如，在日本，主要是使用微型隧道施工法来铺设交通拥挤、 道路狭窄的市内污水管道; 在美国，由于石油天然气和通讯工业的发展需要铺设大量的石油 和天然 气输送管道， 其中 要穿 越一些地表障碍物 ( 如河 流、 铁路、 高 速公路等) ， 因而定向 钻 进和导向 钻进施工法的发展极为迅速， 并得到广泛应用。 可以 说目 前非开挖技术己 在西方发 达国 家发展成为 一项政府支持、社会提倡、 企业参与 的新技术产业，成为城市现代化进程中的一项关键技术。 第 吸页 蹦防科学技术人学研究生院学忙论文 第一章绪论 1 1 研究背景及课题来源2 3 啪l 1 1 1 # 开挖技术穰逐 隧着全球经济戆持续发葳、入e 】的迅速璞长墓l 城市亿避稳憋热抉，瓤之人织对环绦意识 的增强和对，土活质量的关注，在各种地下工程建设中非丌挖技术悄然必起并得到飞速发展。 现代非开挖施工技术( t r e n c h t e s st e c h n o l o g y ) 是7 0 第代未程酾方发达国家兴起并逐濒走向 成熟豹新技术，是她下管线施工的一项技术革命。它怒指利硐各种岩士钻掘的技术手段，在 地表疆；开沟( 槽) 的条件下铺设、更换或修复器种地下管线的施工新技术，即渡传统的“挖横 铺管与睡复”施工方式为“钻i l 铺管与修复”。非开挖技术可用束铺设真径在4 0 r a m 至2 5 0 0 r a m 的各种地下管线，距离从十几米到几千米。与传统的挖槽施工法相比，1 玎挖施工技术避免 了遗瑟“歼髓虢j l 圭”和“玛路拉锁”现象，其有不影响交邋、不破坏环境、施工周期短、综合施 工成本低、社会效益照著等优点，可广泛用于穿越高遮公路、铁路、建筑物、河流，以及在 阉市隧、吉遍保护区、农 乍物和棱被保护区等进行市敬、供承、煤气、电力、瞧讯、彳丽l 、 天然气等管线的铺设、更新或修复。 藩弹整技术已有涎吾年懿历变，穗麸弼年代未彳歹 戆霄褰歪鹈糯徒菲 挖按拳。1 9 8 6 年在伦敦成立了国际非开挖技术协会( i s t t ) ，约有20 多个阐家相继成立了圈家和地区的 罄会，l s 玎每年举办l 2 次溺繇毪静技术交流会窝设备震览会，至今已举办了2 0 浚。我国 在1 9 9 8 年也成立了非丌挖技术协会。 嚣拜挖授零謇燕戏送入王程撬工零缓至今，在短缎豹2 0 余年封翔淘，黻蒸独特瀚技术 优势和广阔的技术前景，臼益得到欧奖发达国家的重视和提倡，并取得较好的社会和缀济效 盏。麴美国交赣顿致瘸在1 9 9 4 财政零疫我准瀚力絮七年、投瓷2 。5 钇荚元弱“先送敬锅探秘 掘进技术国家计划”( n a d e t - - n a t i o n a lp r o g r a mf o ra d v a n c e dd r i l l i n ga n de x c a v a t i o n t e c h n o l o g i e s ) 裁把鲍壤技术魏入城露旗础设戆秘建筑妊发聂娥娥中，以增强美溪在浚镁城悫 的技术领先和市场竞争优势。此外灏国曼彻斯特工业大学、荧国路易斯安娜理工大学、德 国波满大学等瘫等院技及时适应产、监络构调整豹震要，褪继设立了j 强挖技本专、监秘娟应涎 研究机构，以培养该领域的专业技术人才。由于地下管线的现状和地屡条件的不同，释个国 家所使用的方法各有所侧重。例如，在日本，生要是馒爆微型隧道施工法寒销没交通雾# 按、 道路狭窄豹市内污水褥道；崧荚国，出于石油天然气和通讯工业的发展需要铺设大量的石油 和天然气输送嚣道，其中要穿越一些地表障碍物( 妇河流、铁路、高速公路等) ，因露定肉铱 进和导向钻进旋工法的发展檄为迅速，并得到广泛应用。 可以说目前非开挖技术已在珏方发达国家发展成为一项政府支持、社会提偶、企q k 参与 的耨技术产业，成为城市现代化进程中的一项关键技术。 蘩l 页 国防科学技术人学研究生院学位论文 1 1 2 水平定向钻进技术的发展现状 水平定向钻进技术一直是非开挖技术领域占据主导地位并且发展最快的一种技术它是 利用水平定向钻机以可控钻孔轨迹的方式，在不同地层和深度进行钻进并通过定位仪导向抵 达设计位置而铺设地下管线的施工方法。施工时，首先利用专门的定向钻机钻出小口径的导 向孔，钻进过程中通过监测和控制手段使钻孔按设计轨迹延伸并从另一端钻出地表，如图 1 1 所示。然后用扩孔钻头将钻孔扩大至所需的口径，最后将待铺设的管线回拖入孔内，见 图1 2 。它具有不阻塞交通、不污染环境、社会经济效益好、可在诸如高速公路、铁路、机 场、河流、建筑物等无法开挖的地方进行施工的特点。 随着钻进方法和设备的完善，交通、环保、法律意识的增强，成本的降低和政府的支持， 圈卜i水甲定向铺进巾的导i g i _ l 施 圈卜2 水甲定i 句钻进巾的扩孔及骨线p i 拖 定向钻进施工近年来不论是在工程占有份额、工程规模和产值方面，都取得了长足的进展。 据资料统计，迄今为止，全世界定向钻进设备制造商已近1 0 0 家，材料供应商约4 0 0 家，相 应的工程承包商有6 0 0 0 - - - 8 0 0 0 家，还有相当数量的咨询公司和科研院所为此服务。定向钻进 施工已经成为一项政府支持、社会提倡、企业参与的新应用技术领域，已经成为发达国家 个新兴的产业。 同时，用定向工艺进行管线铺设的工程量也在不断增加。据估计，仪在美圜和加拿大， 每年用定向钻进工艺铺设的地下管线总长度就达6 1 0 0 2 2 5 0 0 k m 占全部地下管线工程量的 1 0 上。预计2 l 世纪初，将有3 0 - - 4 0 的地下管线会用该技术铺设。此外，山于工艺技术 和设备性能的不断发展和完善，不断涌现出许多新的工程纪录。如1 9 9 9 年最长的管线铺设长 度为1 8 3 l m t2 0 0 2 年2 月中国石油天然气管道第三工程公司完成的钱塘江定向穿越 = 度为 第2 页 因防科学技术人学研究生院学位论文 = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 誊= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = ：= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 2 3 0 8 米( 享径2 7 3 m m ) 创世界穿越缀长纪漾，是迄今为止1 ；j = 界l 二水平定向铺穿越最长的工 程。 与国： 朔比，我阑的菲开挖定向钻进施工还处于起步和推广阶段。只是出于一些硒部的 特殊工程：i 允许开挖铺管，从7 0 年代中后期陆续由地矿部的一些厂家与市政部门合作，共同 研南l 开发少量水平定向钴梳和螺旋铺棍，瓯适应：t 程急需。扶2 0 溅纪8 0 年代中焉期起， 由于不允件开挖铺设地下管线的工程摄只益增多，且熏要性1 1 趋加大不得4 i 通过引i 拉国外 设备进行】莲工，戳解燃j 磊之急。掘不完全统诤，琵潮藏困务王潼豁门已0 进：辩， 挖浚舔共谴 约7 0 台掌，其中价格最高的水平定向钻机为镪台套4 5 0 打美元。 夔羞，螯豹雩l 遴_ 稻工稳蠢芎场静篱簧，氇餐迸了我嚣定羯镰迸设备鹣， 笈和磺翻工 擘，麓 前我囡已，i 不少单位研制出自己的定向钻机并成功投放市场，也涌现j ：“一批专门或兼觜定向 链逶镶警淘熬工垒数。这些念韭不枝楚酸予麓凝技术翔审场豹勇敢者，露量趣获： 稳帝绣中 获得了丰悼的回报，不断发展和壮大了自己。掘对十窳管线铺设施1 ：众业的统计，他们近几 年静税藩翻溜均麓这耍工程遮徐熬3 0 - 5 0 ，这耱毫强缀率遣戏为吸弓l 众多施王企蝗转勰尊开 挖市场的喧簧诱因。 尽管如此，与嚣乡 糨毙，我藿燹论在定囊链进辘二装备，迩是在滚工技术方嚣，黪娃予 较落后的状悫。已开发的定向钻机产品主要为小型定向钻机，品种单一，能力有限，对地层 的适应性差，难以溅足复杂工程施工憋嚣要，大大殴裁了其程因是蕤囊舞场豹痰援。 从某种意义上讲，一个因家地下镥线的人均拥有凝，反映了这个圆家的经济发展水，f 和 人民生活的垮境质量。曩羲，我国最斑鲍j e 窳人均地下管线绷商量尚不足发达国家鲮t 1 0 。 另外，最逝掇中国非开挖技术协会的调查统计，我国每年地下管线铺设中，采用非歼挖技术 铺设的只i 与约o 2 。可见，我国非开挖定向钻进镶管的潜力嚣常匿大。懂褥庆枣的是，虫l ： 政府的重视和环保意识的加强，非开挖定向钻进铺管技术得刘大力支持和提倡，其发展速度 之快令人瞩霞。掘调变统计，我国从1 9 9 7 年至2 0 0 1 午4 年蚓，非玎挖工程鬟秘设餐拥有量 的年增长率均在4 5 以上。2 l 世纪稍，我国处于管道犬发展时期，“西气东输”、“北气南送” 的全颇启动为定向钻进施工技术提供了新的契机，我囤对水平定向钻秽t 及其配套设务的需求 较大。 l 。1 。3 零平定是链遴按寒瓣雯要捷势及应弱 水平定向钻进铺管技术的诞生，鼯致了铺管领域的一次投术性革命，其主要优势为： ( 1 ) 不歼挖路灏，避免开挖辘工对屠民蒂常生活的干砉| | i ，叛及对交通、环境、搿边建 筑的破坏和不良影响，提高了城市建设的文明程度。 ( 2 ) 不歼挖藏童，谈褥冤法歹j ：懿 河浚、建筑、重要交通一l 箴) 秘不宣，f 挖( 生二f 道、 闹市区、古迹、重要场所) 地段的铺管得以实施。 ( 3 ) 惠蠢链逡霹潋接最短靛合璞爨径穿越溪流、灏疆、锾路、公臻、城枣建筑物等， 避免了管道绕行，施工效率高，节约材料消耗降低施工费用，而传统的丌挖施工是无法做 第3 贾 国防科学技术人学研究生院学何论文 到的。 ( 4 ) 水平定向钻进铺管技术可以商精度地控制地下管线的铺设方向、埋深- 实现曲线 钻进，并可使管线绕过地下障碍。 ( 5 ) 有较好的经济效益和社会效益，在可比性相同的情况下，t l ：- j r 挖管线铺设的综合 经济效益和社会效益均低于开挖施工，管径越大、埋深越大时越明显。 由于定向钻进日益成熟的技术和突出的优点，其应用范围不断拓宽，如今不仅应用在非 开挖管线铺设领域，而且可用于地矿、冶金、石油等领域，用来实现地下的地质勘探及资源 开采，还可用于其它一些特殊的地下场合。 在军事领域，定向钻进也有广阔的应用前景，它不仅可以实现复杂条件下军用管线的铺 设，而且可以实现地下危险区域的勘探、信息采集等工作，如穿越繁忙高速公路或河流的军 用光缆的铺设，地下核试验后的坑道区域的土壤数据的自动采集，等等。目前定向钳i 进足实 现上述意图最优的方法。 1 1 4 水平定向钻导向仪器发展的国内外现状 随钻测量是指在钻进的同时连续不断 地检测有关钻孔信息的测量技术，它的实现 是靠定位导向仪器来实现的。定位导向仪器 是水平定向钻机施工的必备设备。在丌钻前， 可用导向仪器对已埋设施进行定点定位，规 划设计一条安全优化的轨迹，避开原有地下 管线与电缆。钻进作业中，可随时跟踪钻头 的位苎竺篓套。竺篓譬头竺雩壁鉴态7 图i - 3 国外儿种典型的导向仪 典型的导向系统由三部分组成：地下传 感发射探头、地面手持式定位跟踪仪和远端监视设备( 地面司钻显示仪) ，如图1 3 所示。 智能地下探头由测量单元、发射线圈、保护单元和电池等组成，完成钻孔倾角、方位角、工 具面向角和温度等参数的检测测得的数据经过微处理器进行处理并编码送给发射电路和发 射线圈，编码信号被调制在高频载波上通过线圈向地表发射电磁波信号。地面手持式定位跟 踪仪在地面上接收发送的电磁波信号根据信号强弱对探头位置进行定位、定深并将地下 探头发送来的角度等各项参数在显示面板上显示出来，远端监视设备通过无线的方式接收数 据并显示，使钻具信息在远端即可观察到，保证司钻人员顺利操作。 国外有一些专门生产导向仪器的公司，他们生产的导向设备基本上垄断了现有的定向钻 进市场。著名的产品如美国d c i ( d i g i t a l c o n t r o l l n c ) 公司的d i g i t r a k m a r k 、e c l i p s e 系列， 英国雷迪( r a d i o d e t e c t i o n ) 公司的r d 3 8 5 、d r i l l t r a c k 系列，美国m c l a u g h l i n 公司的s p o t t e k 系列以及美国d i t c hw i t c h 公司的s u b s i t e 系列等，其中前两公司的产品最为著名，并占据了 大多数的世界市场份额。这些公司的产品经过多年的发展和改进已实现系列化，仪器性能较 第4 页 嗣防科学技术大学研究生院学位论文 好，测量深度范围大，自动化程度高，能满足太多数钻进施工的要求，因而获得广泛的应用。 图内方蕊，我国在导向设备研露方蕊基本处于空囊状态，巴进入市场的导向钻极嬲援的 导向仪全部为进口，鼠价格非常昂贵。以较常用的雷遗公司( r a d i o d c t e c t i o n ) 的产品为例， 其研制的d r i l m 砒kj 歼挖水平钻探导向仪国内售价为2 0 万元人民币，丽且维修不便。 鼯向系统的研铡开发上，溺内只裔极个别单位作了尝试，键都还没有实用纯。目前为止， 国内还没有成熟的导向仪产品。 1 2 定位测深技术研究现状及选题意义 1 2 。1 磅究鬻狡l 麓； 定位测深技术楚农平定囱铁进躐踩导向系统中最核心鲍技术内窑。运用定位与攫4 深技术 实时跟踪钻头在地下的深度和位置分布，以便准确获取钻头轨迹，并岛事先计划好的轨迹进 行比对，出现偏差后。施钻人员进行控制，纠正偏差。 定位铡深豹基本艨理就憝利用螺线管天线发射的电磁场的分布特征，采用一个或多个天 线对眩嗷场j 幸亍接收，判断结算出关乎发射螺线管天线的位置和深度傧息。国外定位测深的 技术舀比较成熟。早期的定位方法比较简单。鲡r d - 3 8 5 采用荦线圈定位，施工人员簧手持 定位仪器，利用专业知识通过来回走动。去搜罨发射天线的位鼹。d i c 公司的m a r ki i i 也需 要藏置入员嘏糖信号的大小和正负撵承去援寻发射天线的位嚣。随着技术的发展，现在国外 水平定向钻导向仪定能的智能化水平比较高。例如r d 3 8 6 ，在其面板上有四个箭头，当定位 仅置予发砉| 天线辩近辩，这霞令箭头簸会显示出发射天线在定位役的盼么方鬣上。d i c 公司 的最新的产品m a r kv ，面板上有一个方块，用来指示发射天线的相对位置。 翟井雩海纹翡涮深技来土矩离不精增大，铡麴m a r kv 繇搿靠测蠢的最大深度是1 3 。7 m ， r d - 3 8 6 配备长距离探棒，最大可测深度达1 5 m 。这些产品都采用了双频模式。在低频噪声 毙较大酶搦会谈蘑较态菝率避行定位溅深；蔼鹭躲矮礞声不大翡场合簸使罐衰减较小豹低频 工作，频率切换非常简单，犬太提高了定位测濒的可靠性。 1 2 2 选题意义 定爱与测深技术怒整令窳平定彝镶进鼯黥簿逡系统孛静关键技拳，瞧是t t 零警定囊链遴跟 踪导向系统的研制”项目的难点。 疆铡遥会申嚣霹馕约定绞彝罢自系统，实现跨越式发震，途裂或越过国努霾类产菇豹技 术水平，有助于打破豳外技术封锁与糖断，改变该类进口仪器一统天下的局面，节约大量外 汇，对于我国嚣舞挖技术的发黢骞极大瓣促送终用。一照国产豹裹挂熬导囊系绕疆制残功， 不但w 以填补国内空囱t 在高性能的鼯向探洌4 技术以及传感器的小型化、智能化和组件化设 计等方霭获褥发明专程，恧熙与企业爨己的水平定向链枧配套，形成凝骞叁主知识产投瓣技 术上领先的产品，走猩同行的前列，必将产生题大的经济和社会效益，对国民经济的发展有 第5 褒 国防科学技术大学研究生院学位论文 二二二二巴巴巴二巴巴巴二二二二二二二二二巴泛巴竺巴二 二 二 二二二巴巴巴巴巴巴巴 巴二二二二二二二二二二巴竺竺二 二二 巴巴巴二巴巴巴巴竺 巴二二二二二 巴竺竺竺竺竺竺竺理 巴竺巴巴巴巴巴巴巴巴竺巴 二竺二二二二二 二 二竺 竺 竺竺 竺竺二 巴二二巴巴巴巴巴巴巴竺 二竺二 二二二竺 二竺 竺竺巴竺竺 竺 竺 二二巴二二巴巴巴巴巴巴巴巴里 二 二二二二 二 二二 二 好， 测量深度范围大，自 动化程度高， 能满足大多数钻进施工的要求， 因而获得广泛的应用。 国内方面， 我国在导向设备研制方面基本处于空白 状态， 巳进入市场的导向钻机所用的 导向仪全部为进口，且价格非常昂贵。以较常用的雷迪公司 ( r a d i o d e t e c ti o n )的产品为例， 其研制的d ri l l t r a c k 非开挖水平钻探导向仪国内售价为2 0 万元人民币，而且维修不便。 导向系统的研制开发上， 国内只有极个别单位作了尝试， 但都还没有实用化。 目前为止， 国内还没有成熟的导向仪产品。 1 .2 定 位 测深技 术 研究 现状 及 选题意义 怪 1 .2 .1 研 究 现 状 120 4 1 1 定位测深技术是水平定向 钻进跟踪导向系统中最核心的技术内 容。 运用定位与测深技术 实时 跟踪 钻头在地下的 深度和位置分 布，以 便准确获取钻头轨迹， 并与事先计划好的轨迹进 行比 对，出 现偏差后， 施钻人员进行控制， 纠正偏差。 定位测深的基本原理就是利用螺线管天线发射的电 磁场的分布特征， 采用一个或多个天 线对电 磁场进行接收， 判断结算出关于发 射螺线管天线的 位置和深度信息。国 外定 位测深的 技术已比 较成熟。早期的定位方法比 较简单。 如r d - 3 8 5 采用单线圈定位， 施工人员要手持 定位仪器， 利用专业知识通过来回 走动， 去搜寻发射天线的 位置。 d i c公司的m a r k i i i 也需 要施工人员根据信号的大小和正负提示去搜寻发射天线的位置。随着技术的发展，现在国外 水平定向 钻导向 仪定 位的智能 化水平比 较高。 例如r d - 3 8 6 ， 在其面板上有四 个箭头， 当定 位 仪置于发射天线附 近时， 这四 个箭头就会显示出 发射天线在定位仪的 什么方位上。 d i c公司 的 最新的 产品m a r k v ， 面板上有一个方块， 用来指示发射天线的 相对位置。 国 外导向 仪的 测深技术上距离不断增大， 例如m a r k v能可靠测量的最大 深度是1 3 . 7 m , r d - 3 8 6 配备长距离探棒， 最大可测深度达1 5 m 。 这些产品都采用了 双频模式。 在低频噪声 比 较大的场合便用较高频率进行定位测深; 而当低频噪声不大的场合就使用衰减较小的低频 工作， 频率切换非常简单， 大大提高了 定位测深的可靠 性。 夸 1 . 2 . 2 选 题 意义 定 位与测深技术是整个水平定向 钻进跟踪导向 系 统中的 关键技术， 也是 水平定向 钻进跟 踪导向系统的 研制” 项目 的难点。 研制适合中国国情的定位和导向 系统，实 现跨越式发展，达到或超过国外同类产品的技 术水平， 有助于打破国 外技术封锁与垄断， 改变该类进口 仪器一统天下的 局面， 节约大量外 汇， 对于我国 非开挖技术的发展有极大的促进作用。 一旦国产的高性能的导向 系统研制成功， 不但可以 填补国内空白， 在高 性能的导向 探测技术以 及 传感器的小型化、智能 化和组件化设 计等方面获得发明专利， 而且与企业自 己的 水平定向 钻机配套， 形成具有自 主知识产权的 技 术 上 领 先的 产品， 走在同 行的 前 列， 必 将 产生巨 大 的经 济和社 会 效益， 对 国民 经济的 发 展 有 第 s页 国防科学技术大学研究生院学位论文 巨 大的促进作用。同时，水平定向钻在国防光缆，电缆的铺设中也有着广泛的用途。 1 . 3本文 研究的 主要内 容 在本课题的研究中，首先进行了 螺线管的静态和交变场的电磁分析， 推导出了 螺线管在 磁准静态场条件下的磁场分布。 在此基础上，建立了 精确的定位测深数学模型，利用这些模 型对定位测深技术进行了深入的研究和探讨。最后给出了定位测深系统的试验平台。 下面分 章节介绍一下主要研究内容: 第一章为绪论，介绍了 “ 水平定向 钻定位测深技术的研究” 的课题来源和背景， 概括了 研 究现状和选题意义. 第二章是对螺线管静态场和交变场的电磁分析， 其中涉及到定位测深技术中的发射和接 收天线的电磁场分析。 第三章研究了 铁氧体软磁材料的 性质和棒状磁芯插入螺线管天线后的 磁场分布， 在此基 础上，探讨了螺线管天线的设计和应用. 第四 章建立了 单线圈定位、 双线圈定 位、多 线圈 定位的数学模型， 研究了 单线圈定位方 法、双线圈定位方法和多线圈定位方法。al t 大量的仿真实验，验证了方法的可行性，探讨 了 单线圈定位方法、双线圈定位方法和多线圈定位方法的 特点和各自 的有效性。 第五章研究了双线圈测深方法和其他一些测深的方法， 通过建立水平定向 钻进钻头测深 模型， 进行了测深的误差分析，最后给出了 一个实验，证明方法的有效性。 第六章介绍了 定位测深实验系统的结 构框图， 对涉及到的一些具体的 功能单元和相关技 术进行了 探讨. 第七章总结了全文的主要观点和研究成果，并对论文的后续研究简单的进行了展望。 第 五页 国防科学技术大学研究生院学位论文 第二章 螺线管天线的电磁分析 歼. 1 螺线管外的 静磁场分析14 3 . 4 4 1 怪 2 . 1 . 1 载流小圆环的静磁场分析 以半径为a的载流圆环的圆心为中心， 建立球坐标系c o = ( r , 9 , 0 ) ， 如图2 - 1 所示. 点p是圆环外一点， 其球坐标为( r , 0 , a ) , 回路上任一线元d l 的球坐标为 ( a ,刁2 , y ) , d l 至 p点的距离为r . 当圆环通电流i ， 线元d l 在p 产生的磁 x 矢 为d a = 些 己 q 4 , r 向是一致的. a = 0 ，则 d d l f . r 其方向和线元电流的方 图2 - 1载流小圆环磁场分析 由于圆环具有对称性， 不妨设 r = v ( r c o s 9 ) + a + ( r s in 0 ) ， 一 2 a ( r s i n b ) c o s y( 2 - 1 ) d l = a 介d l = a d y c o s y y 对圆环积分，有 ( 2 - 2) 月 _ n o l 于a c o s 沁 月=. 丁丁 i i于一=资=台=片一 y w c v r + a 一 t a r s i n b c o s y ( 2 - 3 ) 当p点远离回路时，上述积分可以作近似处理 1 一 + a 一 2 a r sin 0 c o s y r ,11 一 2 aa sin b c o s y ( 2 - 4 ) 应用泰勒级数公式展开，有 + 、占 、1.矛k 一 1一一= t + 1 一 2 旦 s in 9 c o s y a s i n b c o s y r a s i n b c o s y r ( 2 - s ) 则上述积分式表示为 = ijo i f a c o s y ， 万 o r a s i n e c o s y r ( 2 - 6 ) -一一一一一一落 7 一一一一一一一 国防科学技术大学研究生院学位论文 a _ ,u o i q 2 : _ : _ 。 口 一 一 万 . 飞- 1j l l l v 斗r一 ( 2 - 7 ) 圆环的面积s= 恋2y s i n 9=s x r ，则有 a = ,u , i s x r 4 n r ( 2 - 8) 磁感应强度 。 = o x ， = p o- is ( r 2 c o s 。 十 b s in b ) 4 w - ( 2 - 9) 这就是平面载流圆环在较远的地方磁感应强度 的表达式。 定义坐标 c i = ( x , y , 0 ) ， 如图 2 - 2所示， 其中0和球坐标c o = ( r , 0 , 0) 中的0意义相同， x , y是在 0平面内的相互垂直的坐标分量。将式 ( 2 - 8 )的磁感应强度进行坐标变换，则变换矩阵为 s i n b c o s 夕 0 c o s b 一s i n b 0 图2 - 2 坐标变换示意图 那么有 . 飞1.es.j 001 reses.illlll - k x 二r s i n o+b c o s o y=r c o s o一b s i n b ( 2 - 1 0 ) 从而在坐标系c , 中，磁感应强度表达式变为 b 二 3 ,u o i s 4 n r s i n b c o s 介十 衅(2 c o s ， 一 s in e b )y ( 2 - 1 1 ) 这就是磁偶极子在坐标系( x, y ,。 ) 中的表达式. 肚. 1 . 2绷线管外的静磁场分析 将导线绕在骨架上而构成螺线管，如图2 - 3 所示。 在螺线管中通上电流， 其周 围就有磁场产生。螺线管一般由单层和多层的导线绕制，匝数较多.对于绕制成 的偶数层螺线管，其轴向电流两层间的方向相反，产生的磁场相互抵消了;奇数 层的螺线管，轴向的电流也远远的比环形电流要小。因此可以认为，磁场外的磁 场主要由 环形电 流所贡献 3 3 ，如图2 - 4 所示。 - 一一一 ms x一一一一一一一一 国防科学技术大学研究生院学位论文 图2 - 3 姗线管示意图图2 - 4 螺线管电 流分解示惫图 建立 ( x , y , 0 )坐标系，推导长为l ，绕制线径为d的单层密绕螺线管外的 磁场分布，如图2 - 5所示.p点是螺线管外的一点，到螺线管的中心距离为 ; 。与 螺线管的轴向的夹角为b , q点是p 在y轴上投影。 办 是螺线管上的一微分段， 和y 轴交点为t ，其坐标为 ( o , y , m 儿 图2 - 5 螺线管外的磁场 由图可知 叫 = r s in b( 2 - 1 2) r = ip t i 二 v r 2 + y ， 一 l a y c o s b( 2 - 1 3) = 一 n ipq iip t i一 r s i n o r 2 + y 2 一 t ry c o s b ( 2 - 1 4) 当p点距离螺线管较远，忽略螺线管截面积，按照式 ( 2 - 1 1 ) ，对于螺线管的 每一微分段在区间 ( - l / 2 ，十 l / 2 )积分，有 。3/4 s 43 sin s cos )dy i ( 2 - 1 5 ) 口刀r.j% +工 - b 上述积分计算比较复杂。设 一 ? i sin5cosm yr 3y2 ( 2 - 1 6 ) 一一一09 w一一一一一一一一一 国防科学技术大学研究生院学位论文 r 1 y= . 丫 二 ( z c o s s一s i n s ) d v j r r、 一 为 ( 2 - 1 7 ) 将式 ( 2 - 1 2 ) . ( 2 - 1 3 ) . ( 2 - 1 4 )代入式 ( 2 - 1 6 ) .有 r s i n 8 ( r c o s 8 一 y ) 尸+ 夕 2 一 2 r y c o s 8 d y 名.ij% 平l -一 x s in 9 ( c o s 8 一 之 ) ( 2 - 1 8) 书r.% +- -一 因为 y r ，则 + r_ : _ 力 “ _ 。y, r z m u v o v wr一万) x 一 去 而 币 万 节 下 dy (v 一 下 “ 厂 ( 2 - 1 9) 将一 一 一 卫 进行泰勒展开，代入有 1 一 2 之 c o s b 。 _ + s in b (co s ” 一 y )r. 5 y _ 3 5 y 八 蔺1一u十c o s沙十- c o s一 份十 ny 一 火 ( 2 - 2 0) 保留y 的一次项，忽略高次项，则 荃 s in b (c o s ” 一 粤 ) x =j 一 - - 一 . 一 r 一 % (1 + 丝 c o s 8 )d y( 2 - 2 1 ) 对上式积分，得 x ls i n 8 c o s 8 尸 3 5 s i n 9 c o s 旷 1 2 r ( 2 - 2 2 ) 接下来计算另外一部分 c o s t s 一 s i n x s ) d y( 2 - 2 3) 内 1一r 灯八斌j名 +一 一- y 将式 ( 2 - 1 2 ) , ( 2 - 1 3 ) , ( 2 - 1 4 )代入式 ( 2 - 2 3 ) ，有 第 m页 国防科学技术大学研究生院学位论文 ( 2 - 2 4) 对上式变形，则有 2 c o s b 一 s i n s 一 4 y 。 十 2 y i y= ( 2 - 2 5 ) -，一 、，.月了 ， .zy ., y _ _ _ 月 i *一 了一一 u n v 产夕1.eses、 抽1 厂 另.!.% +- 忽 略 y 2 项 ， 有 2 c o s 2 。 一 s in ， _ 业 c o s ) + 2 三 s 一 2 y cos0 i2l r l d y ( 2 - 2 6) 拭j另 +- 一- y 5 对 1一 ， 子 cos b )一进 ” 泰 ” ” 开 ， “ ， 。 一 。 x 。 。 : . z o 4 y . . . n . 。 y x “ u 口 “一. . u v一 u 。 口宁一 了 厂r r ; ( 1 、 亚 c o s 。 十c o s 8 + . . .冲( 2 - 2 7 ) sy-尸 另j另 十- 一一 y 忽略高次项，只保留一次项，则 4 y 2 c o s 。 一 s in ， 一 -c o s o + 2 共 一l i 十 5yr c