【正文】 關(guān)于學(xué)位論文的獨(dú)創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在指導(dǎo)教師指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究工作所取得的成果，論文中有關(guān)資料和數(shù)據(jù)是實(shí)事求是的。 學(xué)位論文作者簽名： 日期： 年 月 日 學(xué)位論文使用授權(quán) 書(shū) 本人完全同意北京航空航天大學(xué)有權(quán)使用本學(xué)位論文 （ 包括但不限于 其印刷版和電子版） ，使用方式包括但不限于 ： 保留學(xué)位論文 ，按規(guī)定 向國(guó)家有關(guān)部門(mén)（機(jī)構(gòu)）送交學(xué)位論文， 以學(xué)術(shù)交流為目的贈(zèng)送和交換 學(xué)位論文 ，允許 學(xué)位論文被查閱 、 借閱 和復(fù)印 ，將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，采用影印、縮印或 其他 復(fù)制手段保存學(xué)位論文。有源交變磁場(chǎng)導(dǎo)向定位方 法是以近鉆頭交變磁場(chǎng)為信號(hào)源，在目標(biāo)靶點(diǎn)處進(jìn)行交變磁場(chǎng)信號(hào)測(cè)量，并采用特定的導(dǎo)向定位算法直接確定鉆頭端與目標(biāo)靶點(diǎn)相對(duì)位置的一種方法。首先介紹了 測(cè)控系統(tǒng)的組成與工作原理， 然后 著重分析了井下儀 子系統(tǒng) 、 地面接口子系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn) 。 關(guān)鍵詞 ： 測(cè)控 系統(tǒng)、 RMRS、 信號(hào)調(diào)理、曼徹斯特碼、 USB接口、 FIFO ii Abstract During the directional drilling of plex structural wells, the direction of the drill should be adjusted real time according to the relative position between drill and target. For example, two wells must be parallel in thermal recovery of heavy oil, while the horizontal well must be butted to the cave well in coal bed gas and salt brine mine exploitation. For the diameter of cave well is minor, sometimes the radius of target area is less than 1 m, only 1/30 of the radius in the mon directional drilling. Consequently, the conventional MWD measuring method has been unable to meet the needs of precise guidelocalization. Active alternating magic fieldoriented positioning method can calculate the relative position between drill and target using alternating magic field as the signal source, and measuring the signal at the target area. Currently in foreign countries, the Rotary Magic Ranging System (RMRS) based on such similar method has been widely used in the field of oil and coal bed methane exploitation, while domestic research for such systems is still in its infancy. The issue originates from the project Magic steerable drilling technology research funded by China Petroleum amp。因此，深入掌握復(fù)雜結(jié)構(gòu)井的開(kāi)發(fā)利用，是 國(guó) 內(nèi)石油工業(yè)的當(dāng)務(wù)之急，在解決 產(chǎn)業(yè)發(fā)展 技術(shù)瓶頸 、提高油氣層 單井產(chǎn)量 和采收率等方面有著重要意義 。為了提高復(fù)雜結(jié)構(gòu)井的開(kāi)采利用率，打破煤層氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展的技術(shù)瓶頸，應(yīng)對(duì)日益增加的開(kāi)采成本及鉆井軌跡精度等需求，國(guó)內(nèi)外提出了開(kāi)展有源交變磁場(chǎng)導(dǎo)向 定位 技術(shù)的研究。因此，本系統(tǒng)創(chuàng)新性地提出 了 利用低頻交變磁場(chǎng)作為 測(cè)量信號(hào) 。 國(guó) 內(nèi)外 有源交變磁場(chǎng)導(dǎo)向 定位 技術(shù)研究現(xiàn) 狀 旋轉(zhuǎn) 磁 測(cè)距系統(tǒng)（ RMRS） 這一概念最早是在 1995 年由美國(guó) Vector Magics LLC公司提出的，隨著兩井對(duì)接技術(shù)服務(wù)的市場(chǎng)需求，到 1999 年該技術(shù)得到了進(jìn)一步發(fā)展并逐漸走向成熟。收購(gòu) Vector Magics LLC 公司后，哈利伯頓公司將獲得此項(xiàng)技術(shù)的所有權(quán)，并提出名為 Spreey Drilling Services 的技術(shù)服務(wù)，該技術(shù)服務(wù)中的動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)測(cè)距系統(tǒng)主要有兩大關(guān)鍵技術(shù)，分別為 MGT（ Magic Guidance Tool）和 RMRS。隨北京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文 3 著定向鉆井技術(shù)應(yīng)用范圍的日益拓展，鉆進(jìn)靶區(qū)面積越來(lái)越小，這對(duì)傳統(tǒng)的中靶測(cè)量技術(shù)提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。 定向鉆井順著煤層的走勢(shì)，大大增加了采氣面積，因而提高了效率。在 20xx 年，美國(guó) 10%的煤層氣井都采用了這項(xiàng)技術(shù)。 在多井聯(lián)合開(kāi)采方面， RMRS 技術(shù)也得以應(yīng)用。導(dǎo)引井即供給井，是鉆入油環(huán)的水平井，可以從垂直主井眼側(cè)鉆出多個(gè)導(dǎo)引分支，進(jìn)入不同油環(huán)，其作用類似于水平的地下管道，而從油藏向地面的生產(chǎn)則由連通井來(lái)完成。為了使射孔距離控制到最佳，必須使用先進(jìn)的定位和測(cè)距修正技術(shù)。 與此同時(shí)，高技術(shù)產(chǎn)業(yè)化“ 十一五 ” 規(guī)劃中明確提出，未來(lái) 15 年我國(guó)將啟動(dòng) 16 個(gè)重大科技專項(xiàng)，其中就包括大第一章 緒論 4 型油氣田及煤層氣開(kāi)發(fā)。多分支水平井集鉆井、完井和增產(chǎn)措施于一體，是開(kāi)發(fā)低壓、低滲煤層的主要手段。 20xx 年 2 月中聯(lián)煤公司完成了 DS01井的鉆井施工。而我國(guó)仍處于緩慢發(fā)展階段。目前我國(guó)尚未掌握此項(xiàng)技術(shù)，只能高價(jià) 購(gòu)買(mǎi)或 租用國(guó)外設(shè)備，制約了煤層氣產(chǎn)業(yè)的發(fā)展， 因此急需開(kāi)展 基于此技術(shù) 的 核心 算法以及相應(yīng)測(cè)控手段的研究 。 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如 圖 4 所示。 測(cè)量接口通過(guò)接口控制單元連接到井下儀器，常用的測(cè)井接口有 聲波 測(cè) 井 接口、碳氧比測(cè) 井 接口、陀螺測(cè)斜接口、 DDL3 組合 測(cè)井 儀接口、自然伽馬能譜測(cè)井接口、第一章 緒論 6 雙側(cè)向測(cè)井接口、密度測(cè)井接口、中子壽命測(cè)井接口等 等。 常用的井下儀器有聲波儀、 CCL 儀、陀螺測(cè)斜儀、碳氧比能譜測(cè)井儀和 RMRS 磁性導(dǎo)向測(cè)量?jī)x等 [11]。 然而 ，常規(guī)導(dǎo)向技術(shù)尚不能完 全滿足 復(fù)雜 結(jié)構(gòu)井鉆井過(guò)程中 的 精確 中靶 需求， 迫切需要新的高精度定位技術(shù)，以支撐煤層氣開(kāi)發(fā)技術(shù)的發(fā)展。 近年來(lái)，雖然光纖陀螺及 MEMS技術(shù)在隨鉆測(cè)量中的研究取得較大進(jìn)展 ， 但此類方法仍然無(wú)法滿足復(fù)雜結(jié)構(gòu)井的高精度導(dǎo)向 定位 需求 , 根本 原因 在于 上述 基于 磁通門(mén)或陀螺與加速度計(jì)組合 構(gòu)成的 常規(guī)隨鉆測(cè)量 系統(tǒng)沒(méi)有 將鉆頭和目標(biāo)靶點(diǎn)耦合為一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，難以避免誤差積累 ，本質(zhì)上屬于開(kāi)環(huán)測(cè)量。 本課題源于 中國(guó)石油化工集團(tuán)部級(jí)課題“磁性導(dǎo)向鉆井技術(shù)研究”項(xiàng)目 ，以實(shí)現(xiàn)國(guó)內(nèi)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的有源交變磁場(chǎng)導(dǎo)向定位系統(tǒng)為目的，研究本系統(tǒng)軟件算法與硬件平臺(tái)的具體實(shí)現(xiàn)。 課題研究的主要內(nèi)容 本課題針對(duì) 油氣田開(kāi)采中定向連通井、水平井等 復(fù)雜結(jié)構(gòu)井的導(dǎo)向定位需求， 主要研究有源 交變 磁場(chǎng) 導(dǎo)向 定位 技術(shù) 所依賴的測(cè)控硬件平臺(tái)的 實(shí)現(xiàn)， 涉及井下數(shù)據(jù)采集與通信電路、電源電路的設(shè)計(jì)，地面 測(cè)控 接口及協(xié)議 的設(shè)計(jì) ， 以及 系統(tǒng) 自身 測(cè)量誤差 的 校正方法 研究等。 然后，設(shè)計(jì)下位機(jī)與井下儀之間、下位機(jī)與上位機(jī)之間的通信接口，并制定高效穩(wěn)定的通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)下位機(jī)的解碼、模擬信號(hào)采樣、 FIFO數(shù)據(jù)緩存 等功能 。 最后， 通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行系統(tǒng)的整體測(cè)試，測(cè)試通過(guò)即可交付樣機(jī)，并給出相應(yīng)的精度指標(biāo)范圍 。 第四章 闡述地面接口系統(tǒng)各 模塊的 具體 實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng) 主要包括源端近 鉆頭磁極系模塊 、司鉆指示控制系統(tǒng)、目標(biāo)端井下 儀 系統(tǒng)、目標(biāo)端地面系統(tǒng)，以及遠(yuǎn)距離傳輸系統(tǒng)， 源端與目標(biāo)端經(jīng)低頻交變磁場(chǎng)耦合，構(gòu)成 一個(gè)完整 的 閉 環(huán) 系統(tǒng) 。 本文所要設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是 目標(biāo)端 系統(tǒng)， 包括井下儀系統(tǒng)與地面系統(tǒng)兩大部分， 其要實(shí)現(xiàn) 的功能是將傳感器測(cè)量單元感應(yīng)出 的電信號(hào)， 在井下經(jīng)過(guò)濾波、放大、采樣、組幀等一系列信號(hào)處理后， 以 曼徹斯特編碼方式 通過(guò)電 纜傳輸?shù)降孛嫦到y(tǒng)。同時(shí)對(duì)電路的可靠性和系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的工藝（包括電路板板材、焊接工藝、電子線路封裝 、系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 等）都有較高的要求。 目標(biāo)端井下系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)及參數(shù) ? 外徑 ： 38mm ? 工作溫度 ： 125℃ ? 工 作壓 強(qiáng)： 100MPa ? 測(cè)量精度 ： ? 井斜 ： 176。從物理位置上可分為地面和井下兩部分，從控制結(jié)構(gòu)上可分為源端和目標(biāo)端。在其另一端，預(yù)留有三 種接口，分別對(duì)應(yīng)數(shù)傳電臺(tái)、公用網(wǎng)絡(luò)和電纜，與較遠(yuǎn)處的源端地面司鉆指示控制系統(tǒng)相連接。筆記本電腦為上位機(jī)，配備人機(jī)交互軟件 ，負(fù)責(zé)信號(hào)的提取、復(fù)原 、顯示及解算 工作 。在鉆井源端有近鉆頭磁場(chǎng)信號(hào)源，以低頻轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)生交變磁場(chǎng)。 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)原則 由于系統(tǒng)工作環(huán)境的特殊和小直徑實(shí)現(xiàn)的困難，必須確定方案設(shè)計(jì)的原則，以保證性能和指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。本文設(shè)計(jì)的導(dǎo)向系統(tǒng)屬于工程應(yīng)用產(chǎn)品，可靠性設(shè)計(jì)原則必須貫徹在設(shè)計(jì)、 實(shí)驗(yàn) 和生產(chǎn)的全過(guò)程。 井下儀 作為工作在井下高溫高壓環(huán)境下的系統(tǒng)，散熱是個(gè)難題，如果電路本身功耗大，那么系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量無(wú)法散發(fā)出去，致使溫度越來(lái)越高，勢(shì)北京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文 13 必影響系統(tǒng)的可靠工作。 由于 井下儀 系統(tǒng)的外徑僅僅為 38mm，內(nèi)置空間 較小，在電路設(shè)計(jì)上不但要關(guān)心元器件 的長(zhǎng)寬尺寸，還應(yīng)該注意 器件 的 高 度。 圖 8 近鉆頭磁鋼短節(jié)實(shí)物圖 目標(biāo)端井下系統(tǒng) 設(shè)計(jì)方案 系統(tǒng)的重點(diǎn)在于井下系統(tǒng)，其 單元 結(jié)構(gòu)如 圖 9 所示。由于數(shù)據(jù)傳輸采用曼碼有線傳輸，目標(biāo)端井下系統(tǒng)的頂部結(jié)構(gòu)為馬籠頭接單芯電纜。 傳感器艙 ② ：由一組（ 3 個(gè)）加速度計(jì)，一組（ 3 個(gè)）高靈敏度交流磁通門(mén)組成。通過(guò)航空 多芯電纜將處理后的數(shù)字信號(hào)經(jīng)單芯電纜傳送至探測(cè)地面系統(tǒng)。12V（ 300mA）四組直流低壓。主要負(fù)責(zé)為井下儀器供電，接收井下曼碼數(shù)據(jù)并解碼，測(cè)井模擬信號(hào)采樣，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與顯示，通過(guò) USB 接口與上位機(jī) 進(jìn)行 通信等。 采用了大容量數(shù) 據(jù)的 FIFO 緩沖技術(shù)， 以適應(yīng)數(shù)據(jù)波特率提升后的地面接口交互需求。第三 章 井下儀系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 與 實(shí)現(xiàn) 16 第 三 章 井下儀系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 與 實(shí)現(xiàn) 井下儀按功能 劃分 為 傳感器 測(cè)量短節(jié) 、 數(shù)據(jù)采集與通信短節(jié) 和 電源短節(jié) 三 部分 。以上直流信號(hào)用于解算探管自身的姿態(tài)信息，交流信號(hào)則用于解算鉆頭與目標(biāo)端的相對(duì)位置偏移。這些信息量經(jīng)過(guò)解算，可求出源端鉆鋌相對(duì)于目標(biāo)端的空間位置信息，從而 實(shí)現(xiàn) 導(dǎo)向定位。目前使用的 MWD 探管中的磁通門(mén)能夠提供的最大數(shù)據(jù)信號(hào)是 1Guass，其提供的分辨率為 1nT，根據(jù) 實(shí)驗(yàn) 結(jié)果發(fā)現(xiàn) ， 對(duì)于當(dāng)前磁鋼，如要達(dá)到 50 米的測(cè)量范圍，需要提供至少 的分辨率。 北京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文 17 10 15 20 25 30 35 40 45 501 E 30 . 0 10 . 11 信號(hào)幅度 (mV)距離 (m) H x H y H zGE_17510 20 30 40 50 60 70 80 90 1001E 3110AOM 35 A 信號(hào)幅度 (mV)距離 (m) H x H y H z10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 601E 3110 信號(hào)幅度 (mV)距離 (m) H x H y H zPh i5 02( a ) 國(guó) 內(nèi) 某 型 傳 感 器 探 管 信 號(hào) 幅 度隨 距 離 變 化 關(guān) 系( b ) G E 傳 感 器 探 管 信 號(hào) 幅 度隨 距 離 變 化 關(guān) 系( c ) A Z I M U T H 傳 感 器 探 管 信 號(hào) 幅 度隨 距 離 變 化 關(guān) 系 圖 12 三支傳感器探管信號(hào)幅度隨距離變化關(guān)系對(duì)比 在地面實(shí)驗(yàn)中，對(duì)國(guó)產(chǎn) 50mm? 、 GE、 AZIMUTH 等 型號(hào) 探管 的多項(xiàng)性能進(jìn)行了對(duì)比 ， 包括信號(hào)幅度隨距離變化關(guān)系、信號(hào)頻率分布和波形正弦度等。綜合以上因素考慮 ，本系統(tǒng)最終選用 AZIMUTH 探管作為傳感器測(cè)量單元。 井斜重復(fù)性 +/ Deg 方位 5186。 因此該單元包括對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波、放大等處理的信號(hào)調(diào)理電路，實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換的 A/D 采樣電路，對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)第三 章 井下儀系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 與 實(shí)現(xiàn) 18 行組幀、編碼以及實(shí)現(xiàn)增益控制的 DSP 控制電路， 進(jìn)行 發(fā) 碼的通信驅(qū)動(dòng)電路，以及必要的外圍輔助電路等。如何實(shí)現(xiàn) 這 10 路信號(hào)的采集，在數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì)上也存在兩種選擇： ① 只使用 1 個(gè)采