【正文】 ......................................................... 16 傳感器測(cè)量短節(jié)選型 .................................................................................................... 16 數(shù)據(jù)采集與通信短節(jié)設(shè)計(jì) ............................................................................................ 17 信號(hào)調(diào)理電路 .................................................... 18 A/D 采集電路 ..................................................... 22 CPU 選型與控制電路設(shè)計(jì) ............................................ 25 通信電路與協(xié)議 ................................................... 30 溫度傳感器電路設(shè)計(jì) ............................................... 35 外圍輔助電路 .................................................... 36 電源短節(jié)設(shè)計(jì) ................................................................................................................ 38 本章小結(jié) ........................................................................................................................ 39 第四章 地面接口系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí) 現(xiàn) ..................................................................................... 40 地面接口系統(tǒng)結(jié)構(gòu) ........................................................................................................ 40 地面接口系統(tǒng)單元模塊設(shè)計(jì) ........................................................................................ 40 曼碼接收調(diào)理電路 ................................................. 41 FPGA 解碼單元固件設(shè)計(jì) ............................................. 43 C8051F340 固件設(shè)計(jì) ............................................... 49 本章小結(jié) ........................................................................................................................ 54 第五章 場(chǎng)地實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題及解決辦法 ......................................................................... 55 iv 場(chǎng)地實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介 ................................................................................................................ 55 實(shí)驗(yàn)裝置及場(chǎng)地 ................................................... 55 實(shí)驗(yàn)方案 ........................................................ 56 實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題及解決辦法 ........................................................................................ 57 井下儀調(diào)理電路改進(jìn) ............................................... 57 井下儀調(diào)理電路誤差補(bǔ)償 ........................................... 60 發(fā)碼電路噪聲的消除 ............................................... 64 數(shù)據(jù)采集與通信板地層的布局 ........................................ 64 本章小結(jié) ........................................................................................................................ 65 結(jié) 論 ................................................................................................................................... 66 參考文獻(xiàn) ................................................................................................................................. 67 攻讀碩士學(xué)位 期間取得的學(xué)術(shù)成果 ..................................................................................... 70 致 謝 ................................................................................................................................... 71 北京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 第一章 緒 論 課題背景介紹 有源交變磁場(chǎng)導(dǎo)向 定位 技術(shù)的提出 在當(dāng)代石油工業(yè)中，復(fù)雜結(jié)構(gòu)井的開發(fā)利用是國(guó)際公認(rèn)的前沿與關(guān)鍵性技術(shù)之一 。目前國(guó)外基于此類方法的旋轉(zhuǎn)磁測(cè)距系統(tǒng) (RMRS, Rotary Magic Ranging System)已經(jīng)廣泛應(yīng)用在油氣田和煤層氣開發(fā)領(lǐng)域，而國(guó)內(nèi) 對(duì)于此類系統(tǒng)的研發(fā) 尚 處于起步 階段。盡我所知，除文中已經(jīng)加以標(biāo)注和致謝外，本論文不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫的研究成果，也不包含本人或他人為獲得北京航空航天大學(xué)或其它 教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或 學(xué)歷 證書而使用過(guò)的材料。 學(xué)位論文作者簽名： 日期： 年 月 日 指導(dǎo)教師簽名： 日期： 年 月 日 i 摘 要 在復(fù)雜結(jié)構(gòu)井定向鉆井過(guò)程中，需要根據(jù)鉆頭與目標(biāo)靶點(diǎn)的相對(duì)位置實(shí)時(shí)調(diào)整鉆頭鉆進(jìn)方向。 有源交變磁場(chǎng)導(dǎo)向定位測(cè)控系統(tǒng)的 研制 ，將為 具有 我國(guó) 自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的 有源交變磁場(chǎng)導(dǎo)向定位方 法 提供必要的硬件支撐， 在 國(guó)內(nèi) 大型 油氣田和煤層氣開采中 發(fā)揮重要作用 。 另一方面，為緩解我國(guó)能源緊缺狀況，煤層氣產(chǎn)業(yè)受到社會(huì)廣泛關(guān)注。 有源交變磁場(chǎng)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)） 。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。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。這些產(chǎn)油帶的產(chǎn)量都很小，不適宜單獨(dú)開采。 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(shí)，啟動(dòng)引導(dǎo)井中的 RMRS 測(cè)量，測(cè)量結(jié)果給出傳感器和旋轉(zhuǎn)磁源 之間的相對(duì)位置，引導(dǎo)鉆頭鉆向目標(biāo)。 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。然而，目前我國(guó)的煤層氣勘探開發(fā)和科技投入過(guò)低而且分散，尤其是一些關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)備目前我國(guó)還不具備。數(shù)控測(cè)井軟件系統(tǒng)的大部分軟件也包含其中 ， 主要完成對(duì)下位機(jī)系統(tǒng)各個(gè)接口的管理和控制，并實(shí)現(xiàn)測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)的處理、顯示、存儲(chǔ)、打印和回放等功能。 課題來(lái)源及意義 課題來(lái)源 目前， 為了 緩解我國(guó) 緊缺的 能源 供應(yīng)，我國(guó)加快 了 對(duì)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。 低頻交變磁場(chǎng)可以在地 層中傳播，能夠?qū)⒛繕?biāo)靶點(diǎn)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。 主要研究?jī)?nèi)容如下：首先， 設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)手段 。 第二章 提出 有源交變磁場(chǎng)導(dǎo)向 測(cè)控 系統(tǒng) 的 總體設(shè)計(jì)方案 。 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(chǎng)信號(hào) ，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(cè)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(cè)斜儀的測(cè)量方法一致。而電路板也需 制作成細(xì)長(zhǎng)條形，所以元器件布局 將受 到限制，一些信號(hào)的走線將不得不加長(zhǎng)，這些加長(zhǎng)的信號(hào)線所帶來(lái)的干擾將不能低估，這樣就對(duì)電路的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)提出了較高的要求 ，需 滿足 電磁兼容性設(shè)計(jì) ，盡可能降低電磁干擾 。 有源交變磁場(chǎng)導(dǎo)向定位測(cè)控系統(tǒng)C P U傳感器測(cè)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(chǎng)源數(shù)傳電臺(tái) / 公用網(wǎng)絡(luò) /電纜通信接口數(shù)據(jù)解算人機(jī)交互圖像顯示接口控制地面解算交互平臺(tái) 圖 6 有源交變磁場(chǎng)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(chǎng)源，目標(biāo)端井下系統(tǒng)主要有傳感器測(cè)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(gè)井下系統(tǒng)的核心，它接收到井下發(fā)來(lái)的命令，控制數(shù) 據(jù)采集模塊完成對(duì)傳感器以及溫度的信號(hào)采集，并將采集的信號(hào)編碼后通過(guò)單芯電纜傳送到地面系統(tǒng)，經(jīng)計(jì)算機(jī)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。井下第二 章 有源交變磁場(chǎng)導(dǎo)向 定位測(cè)控系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 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(shí)現(xiàn)信號(hào)的采集、調(diào)理，以及與下位機(jī)的曼碼通信等功能。 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。為了降低功耗， 需考慮 管芯熱設(shè)計(jì)，通過(guò)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(guò)熱點(diǎn)。 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(dòng)電 路傳 感 器 測(cè) 量 單 元數(shù) 據(jù) 采 集 單 元數(shù) 據(jù) 通 信 單 元交 、 直 流信 號(hào) 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(chǎng)導(dǎo)向 定位測(cè)控系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 方案 14 目標(biāo)端井 下系統(tǒng)除具備常規(guī)的連續(xù)測(cè)斜功能之外，還具有高靈敏度磁探測(cè)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。所得到的數(shù)據(jù)通過(guò)航空多芯電纜與電路艙連接。 馬籠頭 ⑤ ：通過(guò)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(shí)現(xiàn)目標(biāo)端井下系統(tǒng)上下自由行進(jìn)。其次介紹系統(tǒng)總體 方案與設(shè)計(jì)原則，并重點(diǎn) 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) 。 數(shù)據(jù)采集與通信 短節(jié) 為 CPU 測(cè)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(hào)的調(diào)理、采樣與編碼 等 。 由于傳感器井下探管在國(guó)內(nèi)外均有產(chǎn)品，且設(shè)計(jì)過(guò)程必須同測(cè)量的原理、結(jié)構(gòu)、與工 藝等綜合一起考慮，才能設(shè)計(jì)出符合要求的井下探管，所以在本文中沒(méi)有涉及傳感器探管的設(shè)計(jì)工藝問(wèn)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。