【正文】 集通道，通過模擬開關(guān)對該通道時分復(fù)用。綜合以上考慮 ，本系統(tǒng)選擇 16 位同步采樣芯片 AD7656進(jìn)行 10 個通道的同步采樣，其采樣率為 。又由于 磁通門交流信號是確定源端鉆頭與目標(biāo)靶點相對位置的重要參量，而傳感器感應(yīng)出的磁通門信號非常微弱，且易受環(huán)境噪聲的干擾，因此信號不可直接送入 A/D 采樣，必須經(jīng)過帶通濾波和無失真放大等信號處理環(huán)節(jié)，提取出解算所需要的交流信號 。其 A0、 A1 管腳為可編程增益控制端，與 TMS320F2809 的GPIO 口相連。 則有 1 0 .52LLLf HzRC??? () 1 52HHHf HzRC??? () 此為 RC 濾波網(wǎng)絡(luò)的 基本約束條件 ， 再根據(jù)實際電路設(shè)計要求選取合適的 R、 C 參數(shù)。 圖 17 是 信號調(diào)理電路交流通道的幅頻響應(yīng)仿真曲線，圖中可見系統(tǒng) 1dB 帶寬為 , 3dB 帶寬為 ，系統(tǒng)增益在 之間較為平坦，具有良好的通帶特性。 圖 15 是 在 Proteus 7 環(huán)境中 的信號 調(diào)理電路 仿真設(shè)計，圖中用一級運算放大電路 U1和一級電壓跟隨器 U3 模擬 OP2177 的功能 ，用電壓跟隨器 U2 模擬 增益為 1 時的PGA204BU， 其它無源濾波電路與原理圖一致，然后分別進(jìn)行了信號的時域、頻域仿真以及噪聲頻譜的仿真。 C747uFR810kR510KC81uFR3R490KR7100KIXC91uF15V+15V+15VC21uFOUT A1IN A2+IN A3V4+IN B5IN B6OUT B7V+8U1OP2177AIX10R1100KC310uFR2100KC510uFDIXAIXoutAD_AIXoutC1347uFR1210kVo11NC2NC3VIN4VIN+5VosADJ6VosADJ7V8Vo29REF10Vo11Fdb12V+13DGND14A015A116U2PGA204BUR951k15VC171uF+15VC121uFA1A0AIXoutC1410uFR13200kAIX10C1110uFR1010KC151uFR1110KC161uFR610KC101uFC410uFC610uFC1+15V 圖 14 磁通門 X 軸信號調(diào)理電路 直流通道通過二階無源低通電路實現(xiàn)隔直，要求截止頻率 0Pf Hz? ，因此需要選用盡可能大的電容 ，本設(shè)計中采用兩個電容并聯(lián)的方式來獲取更大的容值。 交變磁場信號的頻率一般在 之間，且傳感器端會有 33Hz 的固有干擾，因此帶通濾波器的設(shè)計要滿足信號通帶要求，并保證過渡帶較窄，可在 33Hz 處增益衰減北京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文 19 20dB 以上。由于交流磁信號幅度與距離的 3 次方成反比，所以 目標(biāo)端與源端相距 越遠(yuǎn)，交流磁信號 的幅度很小，而當(dāng)距離較近時，幅度很大， 信號幅值動態(tài)范圍較寬， 因此，需要設(shè)計專門的程控 增益放大電路，來滿足不同距離時三路交流磁信號的調(diào)理，以便得到 A/D 采樣所要求的幅值 。 使用前一種方案 時，由于元器件數(shù)目少，電路結(jié)構(gòu)簡單， 可滿足小尺寸設(shè)計原則，但考慮到本系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸量大且不間斷，時分復(fù)用必然導(dǎo)致數(shù)據(jù)組幀效率較低，造成系統(tǒng)傳輸速率受限于 A/D 轉(zhuǎn)換速率，加大了 A/D 芯片的負(fù)擔(dān)。在提供信號的傳感器中，需要測量的參數(shù)有三個加速度計測得的重力加速度三分量信息、三個磁傳感器 測得的三分量直流磁場信息和三分量交流磁場信息。井斜重復(fù)性 +/ Deg 動態(tài)磁工具面角 +/ Deg 數(shù)據(jù)采集 與通信 短節(jié) 設(shè)計 傳感器測量 短節(jié) 將 要采集的物理信息 轉(zhuǎn)換為 模擬電壓 信號 ，并送入數(shù)據(jù)采集與通信短節(jié) 。 圖 13 AZIMUTH AOM35A 傳感器短節(jié) 表 1 AZIMUTH 傳感器 MWD 性能指標(biāo) 指標(biāo) 范圍 單位 井斜精度 +/ Deg 井斜重復(fù)性 +/ Deg 工具面角 /旋轉(zhuǎn) 5186。通過分析信號頻率分布和波形正弦度， 發(fā)現(xiàn)GE 探管的頻響特性和穩(wěn)定性最好 。 由于傳感器井下探管在國內(nèi)外均有產(chǎn)品，且設(shè)計過程必須同測量的原理、結(jié)構(gòu)、與工 藝等綜合一起考慮，才能設(shè)計出符合要求的井下探管，所以在本文中沒有涉及傳感器探管的設(shè)計工藝問題，也就是擬采用傳統(tǒng) MWD 中的探管短節(jié)構(gòu)成本系統(tǒng)的傳感器單元。 井下測量探管與 MWD 測量探管基本相同， 測量探管除了與 MWD 儀器一樣測量目標(biāo)端井眼的井斜、方位、場強外 ， 還要測量來自源端旋轉(zhuǎn)磁短節(jié)的交變磁通量，根據(jù)交變磁通量來計算源端和目標(biāo)端的空間距離。 數(shù)據(jù)采集與通信 短節(jié) 為 CPU 測控電路板， 作為井下儀子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、通信 單元 ，以 TMS320F2809 為嵌入式 CPU，完成信號的調(diào)理、采樣與編碼 等 。傳感器 測量 短節(jié) 為 傳 感器探管，帶有 3 軸加速度傳感器、 3 軸磁通門傳感器，部分帶有溫度傳感器。其次介紹系統(tǒng)總體 方案與設(shè)計原則，并重點 闡述 了井下儀子系統(tǒng)與地面接口子系統(tǒng)的總體 框架 與物理結(jié)構(gòu) 。主要創(chuàng)新點有： 針對有源交變磁場導(dǎo)向定位系統(tǒng)的連續(xù)測量需求，打破原陀螺測斜系統(tǒng)的點測模式， 改變地面接口與井下儀的通信方式，由原來的半雙工通信改邊為單工通信，由井下儀向地面上傳數(shù)據(jù)，取消了地面向井下儀下發(fā)指令的環(huán)節(jié)，整合了系統(tǒng)資源并 提高 了通訊效率。 馬籠頭 ⑤ ：通過單芯電纜將目標(biāo)端井下儀和目標(biāo)端地面系統(tǒng)的絞車可靠連接，實現(xiàn)目標(biāo)端井下系統(tǒng)上下自由行進(jìn)。由地面獲得交流電壓轉(zhuǎn)換為直流高壓經(jīng)電源艙的變換后，得到目標(biāo)端井下儀所需的 177。所得到的數(shù)據(jù)通過航空多芯電纜與電路艙連接。 減震定位裝置 ① ：由金屬機械結(jié)構(gòu)構(gòu)成，安裝在目標(biāo)端井下儀的最前端，它具有定位和減震作用。 溫 度 傳 感 器3 軸 加 速 度 傳 感 器3 軸 高 靈 敏 度磁 通 門 傳 感 器多 路A / D 采 集電 路C P U通 信驅(qū) 動電 路傳 感 器 測 量 單 元數(shù) 據(jù) 采 集 單 元數(shù) 據(jù) 通 信 單 元交 、 直 流信 號 調(diào) 理電 路單芯電纜供 電 單 元 圖 9 目標(biāo)端 井下儀 單元 結(jié)構(gòu) 組成 第二 章 有源交變磁場導(dǎo)向 定位測控系統(tǒng) 設(shè)計 方案 14 目標(biāo)端井 下系統(tǒng)除具備常規(guī)的連續(xù)測斜功能之外，還具有高靈敏度磁探測功能，該系統(tǒng)由減震定位裝置 ① 、傳感器艙 ② 、 CPU 艙 ③ 、 電源艙 ④ 、 馬籠頭 ⑤ 這五 部分組成 [13]，如 圖 10 所示。鉆鋌內(nèi)橫縱交叉并排嵌入 5 組相同特性的強磁鋼，通過旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)可形成交變的磁場源。為了降低功耗， 需考慮 管芯熱設(shè)計，通過版圖的合理布局使芯片表面溫度盡可能均勻分布，防 止出現(xiàn)局部的過熱點。這些可靠性設(shè)計方法在系統(tǒng)設(shè)計過程中的應(yīng)用主要表現(xiàn)在器件的選型、電路設(shè)計、 PCB 布局布線等方面。 產(chǎn)品性能的先進(jìn)性是至關(guān)重要的，而可靠性是先進(jìn)性得以持久保持的保證。此外，探管還可提供用于解算井下儀自身姿態(tài)的直流信號。井下第二 章 有源交變磁場導(dǎo)向 定位測控系統(tǒng) 設(shè)計 方案 12 儀主 要由傳感器探管、 CPU 控制板和直流電源板組成，實現(xiàn)信號的采集、調(diào)理，以及與下位機的曼碼通信等功能。 如 圖 6 可見， 有源交變磁場導(dǎo)向定位 測控系統(tǒng)位于目標(biāo)端。 有源交變磁場導(dǎo)向定位測控系統(tǒng)C P U傳感器測量單元數(shù)據(jù)采集單元數(shù)據(jù)通信單元地面數(shù)據(jù)接口地面司鉆指示單元源端目標(biāo)端電 源源端交變磁場源數(shù)傳電臺 / 公用網(wǎng)絡(luò) /電纜通信接口數(shù)據(jù)解算人機交互圖像顯示接口控制地面解算交互平臺 圖 6 有源交變磁場導(dǎo)向系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意圖 源端磁極系產(chǎn)生磁場源，目標(biāo)端井下系統(tǒng)主要有傳感器測量單元、數(shù)據(jù)采集單元、CPU、數(shù)據(jù)通信單元以及電源等模塊組成， CPU 是整個井下系統(tǒng)的核心，它接收到井下發(fā)來的命令，控制數(shù) 據(jù)采集模塊完成對傳感器以及溫度的信號采集，并將采集的信號編碼后通過單芯電纜傳送到地面系統(tǒng)，經(jīng)計算機解算即可得出所需的源端井、目標(biāo)井的傾斜角、方位角、工具面 等角度信息，以及源端鉆鋌距離目標(biāo)端靶區(qū)的東西偏移、南北偏移、 垂直 偏移等距離信息。 ? 工具面 ： 176。而電路板也需 制作成細(xì)長條形，所以元器件布局 將受 到限制，一些信號的走線將不得不加長，這些加長的信號線所帶來的干擾將不能低估，這樣就對電路的設(shè)計和實現(xiàn)提出了較高的要求 ，需 滿足 電磁兼容性設(shè)計 ，盡可能降低電磁干擾 。 由于工作環(huán)境特殊，系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)有一定困難，體現(xiàn)在電子線路設(shè)計上要重點考慮以下問題： 1. 由于 井下儀 系統(tǒng)需要工作在深度大于 3000 米的井下，一般油井下的溫度可達(dá)125℃ 以上、壓力可超過 100Mpa。 目標(biāo)端井下系統(tǒng) 有 高靈敏度磁傳感器 ，可 捕獲 該交變磁場信號 ，目標(biāo)端井下系統(tǒng)還攜帶有加速度傳感器，與磁傳感器配合使用，可測得 用于解算 目標(biāo) 端井下儀姿態(tài) 信息 的數(shù)據(jù) ，這與常規(guī)連續(xù)測斜儀的測量方法一致。 在論文的最后， 總結(jié) 了系統(tǒng)的優(yōu)缺點，指出了不足之處，并提出了改進(jìn)意見。 第二章 提出 有源交變磁場導(dǎo)向 測控 系統(tǒng) 的 總體設(shè)計方案 。接著進(jìn)行地面模擬實驗，根據(jù)實驗結(jié)果進(jìn)行分析總結(jié)，不斷修補系統(tǒng)缺陷。 主要研究內(nèi)容如下：首先， 設(shè)計系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框架，完成功能劃分和接 口定義，明確各子系統(tǒng)的功能和實現(xiàn)手段 。 本課題的研究， 能夠 解決 煤層氣產(chǎn)業(yè)單井產(chǎn)量和采收率低 這一難題，提高復(fù)雜結(jié)構(gòu)井的開采利用率，打破煤層氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展的技術(shù)瓶頸，應(yīng)對日益增加的開采成本及鉆井軌跡精度等需求， 突破國外技術(shù)封鎖 ， 為解決國家重大科技專項“大型油氣田及煤層氣開發(fā)”的瓶頸問題提供了必要硬件技術(shù)支撐，對于實現(xiàn)我國自主知識產(chǎn)權(quán)的 RMRS 高精度導(dǎo)向定位系統(tǒng)具有重 要的意義 。 低頻交變磁場可以在地 層中傳播，能夠?qū)⒛繕?biāo)靶點和鉆頭耦合為閉環(huán)系統(tǒng)，利用磁信息進(jìn)行空間 定位 導(dǎo)向。而 在煤層氣開發(fā)和可溶性鹽鹵礦開采中，需將水平井和洞穴井對接連通，構(gòu)成水平對接連通井， 但是 洞穴井直 徑較小，靶區(qū)半徑甚至不超過 1米，僅為常規(guī)定向鉆井靶區(qū)半徑的 1/30。 課題來源及意義 課題來源 目前， 為了 緩解我國 緊缺的 能源 供應(yīng)，我國加快 了 對復(fù)雜結(jié)構(gòu)井的開發(fā)利用，以尋求提高油井 單井產(chǎn)量和采收率 的方法。 ? 井下 儀 負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)，然后將 采集到的數(shù)據(jù)傳送到井上 。數(shù)控測井軟件系統(tǒng)的大部分軟件也包含其中 ， 主要完成對下位機系統(tǒng)各個接口的管理和控制，并實現(xiàn)測井?dāng)?shù)據(jù)的處理、顯示、存儲、打印和回放等功能。數(shù)控測井系統(tǒng)通常由四部分組成：上位機、下位機、數(shù)控測井支撐系統(tǒng)和井下儀。然而，目前我國的煤層氣勘探開發(fā)和科技投入過低而且分散，尤其是一些關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)備目前我國還不具備。多分支水平井是煤層氣高效開發(fā)方式的發(fā)展趨勢，該技術(shù)的普遍應(yīng)用必將為煤層氣的勘探開發(fā)帶來突破性進(jìn)展，在我國掀起開發(fā)煤層氣的熱潮 [10]。 20xx 年廊坊分院組織施工的武 M11 羽狀水平井順利完鉆，該井垂深達(dá) 900m，是世界最深的一口煤層氣羽狀水平井。多分支水平井技術(shù)可有效解決上述問題，以此為核心的定向鉆井技術(shù)已經(jīng)成為我國煤層氣開采的主要手段，精確導(dǎo)向定位是該技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵 [7]。 SWGS 引導(dǎo)連通井的鉆井方向，當(dāng)與引導(dǎo)井的空間距離接近 60 米時，啟動引導(dǎo)井中的 RMRS 測量，測量結(jié)果給出傳感器和旋轉(zhuǎn)磁源 之間的相對位置，引導(dǎo)鉆頭鉆向目標(biāo)。在鉆連通導(dǎo)引井的過程中需攻克的一個技術(shù)難點就是提高定位準(zhǔn)確度。這些產(chǎn)油帶的產(chǎn)量都很小，不適宜單獨開采。據(jù)美國某鉆探公司的統(tǒng)計，采用橫井采氣比傳統(tǒng)的單一豎井采氣的初期產(chǎn)量可高出 10 倍，氣井的生產(chǎn)壽命也會增加。而悉尼的一家公司在 20xx年成功地利用這一技術(shù)在地下 600m 深處開出了一口商業(yè)用煤層氣井。在土耳其貝帕扎里天然堿礦采集鹵鉆井工程中，利用 RMRS 技術(shù)針對 26 對 U 形井組實施中靶導(dǎo)航作業(yè)，取得了 100%的中靶率 [3]。到目前為止， MGT 和 RMRS已在全世界的大部分 SAGD 井中得以廣泛應(yīng)用。目前，全世界范圍內(nèi)， RMRS 技術(shù)用于開采煤層氣已實施作業(yè)超過 200 次，用于SAGD 井開采實施作業(yè)超過 400 次。 有源交變磁場導(dǎo)向技術(shù)可應(yīng)用于各種定向鉆井工程，包括：（ 1）連通井（ 2）定向井防碰技術(shù)（ 3）在土木工程建設(shè)如河流穿越工程中作為導(dǎo)向工具（ 4）為平行井段分離提供控制技術(shù)（特別是在 SAGD 重油產(chǎn)區(qū)） 。 另外， 傳統(tǒng)的無源磁場導(dǎo)向技術(shù)主要利用地磁場信息進(jìn)行井跡測量，而地磁場信號的抗干擾能力低，直接影響測量精度。 另一方面，為緩解我國能源緊缺狀況，煤層氣產(chǎn)業(yè)受到社會廣泛關(guān)注。復(fù)雜結(jié)構(gòu)井包括水