【正文】 9 0 kR 1 11 .8 7 kC41 0 0 nv2v132674U1O P 7 7 A PR21 0 0 k 圖 15 信號調(diào)理電路 仿真驗(yàn)證 圖 16 信號調(diào)理電路時域仿真 北京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文 21 圖 17 信號調(diào)理電路頻域仿真 圖 18 信號調(diào)理電路輸出噪聲頻譜仿真 圖 16 為輸入信號頻率為 時所對應(yīng)的電路時域仿真圖，可見輸出信號幅度與輸入信號幅度之比約為 10 倍，滿足信號的放大要求。 交流通道 中采用二階 無源 帶通濾波電路，要求 3dB 截止頻率 Hz? ,且5Hf Hz? 。 信號調(diào)理電路 傳感器測量單元中磁通門傳感器所感應(yīng)出的電信號既包含了源磁場的交變信號又包含了直流地磁信號 [15]，由于二者在上位機(jī)解算時各有所用， 因此需將它們分離開來。除了加表和磁通門 9 路模擬信號外，還有溫度共 10 種模擬信號。 井斜精度 +/ Deg 工具面角 /旋轉(zhuǎn) 5186。需要指出的是，本系統(tǒng)需要磁通門具有較高的頻響特性和靈敏度，以敏感微弱的交變磁場信號，而傳統(tǒng) MWD 要求磁通門的穩(wěn)定性較高。 傳感 器測量 短節(jié)選型 該單元包括 3 軸石英撓性加速度計，用以測量目標(biāo)井中的重力加速度信息；同時還有 3 軸高靈敏度磁傳感 器，用以測量磁信息 [16]，該磁信息包含直流和交流兩部分，可通過后級的信號調(diào)理電路實(shí)現(xiàn) 交 、直 流 信息分離 。下面將 具體 介紹 有源交變磁場導(dǎo)向定位測控系統(tǒng) 各 子模塊的設(shè)計與關(guān)鍵技術(shù)的 實(shí)現(xiàn)。 目標(biāo)端地面接口箱設(shè)計方案 圖 11 為地面接口箱 的結(jié)構(gòu)圖，地面接口箱包括井下儀供電單元、 FPGA 解碼單元、微處理器單元與顯示單元等。 CPU 艙 ③ ：由 CPU 控制、數(shù)據(jù)采集電路和通信電路組成，完成對來自電路艙的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、控制及井下系統(tǒng)與地面系統(tǒng)之間的通訊等功能。 C P U 艙 電 源 艙傳 感 器 艙減 震 定 位 裝 置 馬 籠 頭單 芯 電 纜連 接 頭 圖 10 井下 儀 系統(tǒng) 實(shí)體 結(jié)構(gòu)圖 目標(biāo)端井下系統(tǒng)尺寸：外徑為 ，內(nèi)經(jīng) ，長度 1754，電路外徑 Φ37，電路長度 1504（單位： mm）。 3．小尺寸設(shè)計原則 。在提高產(chǎn)品性能的同時，不斷提高其可靠性以減少故障和延長壽命，才能提高產(chǎn)品的可用性和可信性。 C P U 艙 電 源 艙單 芯 電 纜U S B 總 線地 面 接 口 箱傳 感 器 艙便 攜 電 腦井 下 儀加 重 桿 圖 7 樣機(jī)結(jié)構(gòu) 圖 在實(shí)際應(yīng)用中，本系統(tǒng)架設(shè)于鉆井目標(biāo)端，井下儀下放至井下目標(biāo)靶點(diǎn)。該系統(tǒng)和井下系統(tǒng)之間主要依靠絞車和單芯電纜連接。 3. 這是一個工程設(shè)計，因此必須解決穩(wěn)定性 、 可靠性等工程問題 ， 在井下調(diào)理電路信噪比，地面解碼系統(tǒng)誤碼率等方面均有較高的要求 。 將 井下儀 傳感器捕獲的交變磁場信息以及地磁場 、加速度 、溫度 信息，一起通過單 芯電纜上傳至地 面系統(tǒng)，由地面系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的解算、處理和顯示， 得到源端磁極系的空間位置信息， 從而 對源端鉆 鋌的走向精確定位，再將相關(guān)的信息由數(shù)傳電臺、 無線局域網(wǎng) 等通訊工具傳輸至 源端的司鉆指示設(shè)備， 司鉆指示控制系統(tǒng)接收由目標(biāo)端地面系統(tǒng)發(fā)送來的數(shù)據(jù)，指揮鉆機(jī)、鉆桿及鉆頭按探測數(shù)據(jù)導(dǎo)向行進(jìn)， 以控制源端鉆 鋌 向目標(biāo)方向前進(jìn)。 第三章 闡述井下儀系統(tǒng)各模塊的具體實(shí)現(xiàn) 。其次， 研究井下儀系統(tǒng)各子單元的實(shí)現(xiàn)方案，包括 信號 調(diào)理 單元、 數(shù)據(jù)采集單元、 數(shù)據(jù)通信單元 、供電單元 等，并布線制版，進(jìn)行板級功能測試 。 因此，國內(nèi) 開展 了 有源交變磁場導(dǎo)向 定位 技術(shù) 的 研究 。另一方面，國內(nèi)也加大了 對煤層氣開發(fā)領(lǐng)域的投入 。 ? 下位機(jī)系統(tǒng)主要 由通用測井接口和 各種測量接口 或?qū)Ｓ脺y井接口 組成。有源 交變 磁 場 導(dǎo)向定位方法是煤層氣開發(fā)中引導(dǎo)水平井與洞穴井連通的北京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文 5 關(guān)鍵技術(shù)。 20xx 年底山西晉城大寧煤礦完成 DNP0 DNP02兩口羽狀水平井，每口井的日產(chǎn)氣量約為 2~3 萬方。 近年來，我國 也 加大 了 煤層氣地面開發(fā)和井下抽采力度 。為了解決這個問題，殼牌文萊公司（ BSP）首次應(yīng)用了一種創(chuàng)新的連通 導(dǎo)引井（ CC）技術(shù)。美國的一些煤礦企業(yè)為了礦井安全和開采煤層氣也熱衷采用定向鉆井技術(shù)。 磁性接頭生產(chǎn)井蒸汽井信號接收器信號傳感器生產(chǎn)井蒸汽井磁性接頭 圖 1 MGT 技術(shù)（左）與 RMRS 技術(shù) （右） 貯油層頂部熱油流入井內(nèi)蒸汽流向分界面并凝聚注入蒸汽一對水平井冷凝油不斷排出貯油層底部 圖 2 蒸汽助推重力驅(qū)油 技術(shù)（ SAGD） 在定向鉆井過程中，經(jīng)常需要應(yīng)用導(dǎo)航中靶技術(shù)，以期使鉆進(jìn)進(jìn)入設(shè)定的靶區(qū)。國外 實(shí)踐表明，有源交變磁場導(dǎo)向技術(shù)能第一章 緒論 2 夠?qū)崿F(xiàn)直徑小于 1m的靶區(qū)導(dǎo)航要求，具有較高的精確度 [3]。然而，目前該產(chǎn)業(yè)還處在探索和發(fā)展期，缺乏精確導(dǎo)向鉆井核心技術(shù)，煤層氣單井 產(chǎn)量和采收率 普遍較 低。 目前， 系統(tǒng)樣機(jī) 研制成功 ，并通過了地面模擬實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證， 達(dá)到 預(yù)期 設(shè)計 指標(biāo) ， 已交付 勝利油田鉆井 工藝研究 院 。如稠油熱采中要求兩井 保持平行， 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，由于洞穴井直徑較小，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， 因此，常規(guī)隨鉆測量 方法 已無法滿足精確導(dǎo)向定位需求。 中圖分類號： TP73 論 文 編 號 ： 10006SY0902536 碩 士 學(xué) 位 論 文 有源 交變磁場 導(dǎo)向 定位測控系統(tǒng) 設(shè)計與實(shí)現(xiàn) Design of A Measure and Control System for Active Alternating Magic SignalOriented Positioning A Dissertation Submitted for the Degree of Master Candidate: Qi Chengyu Supervisor: Shi Xiaofeng School of Electronic and Information Engineering Beihang University, Beijing, China 碩 士 學(xué) 位 論 文 (有源交變磁場導(dǎo)向 定位測控系統(tǒng) 設(shè)計 與實(shí)現(xiàn) ) 作者姓名 申請學(xué)位級別 指導(dǎo)教師姓名 職 稱 學(xué)科專業(yè) 研究方向 學(xué)習(xí)時間自 年 月 日 起至 年 月 日 止 論文提交日期 年 月 日 論文答辯日期 年 月 日 學(xué)位授予單位 學(xué)位授予日期 年 月 日 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。有源交變磁場導(dǎo)向定位方 法是以近鉆頭交變磁場為信號源，在目標(biāo)靶點(diǎn)處進(jìn)行交變磁場信號測量，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)相對位置的一種方法。 關(guān)鍵詞 ： 測控 系統(tǒng)、 RMRS、 信號調(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。為了提高復(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，國內(nèi)外提出了開展有源交變磁場導(dǎo)向 定位 技術(shù)的研究。 國 內(nèi)外 有源交變磁場導(dǎo)向 定位 技術(shù)研究現(xiàn) 狀 旋轉(zhuǎn) 磁 測距系統(tǒng)（ RMRS） 這一概念最早是在 1995 年由美國 Vector Magics LLC公司提出的，隨著兩井對接技術(shù)服務(wù)的市場需求，到 1999 年該技術(shù)得到了進(jìn)一步發(fā)展并逐漸走向成熟。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)面積越來越小，這對傳統(tǒng)的中靶測量技術(shù)提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。在 20xx 年，美國 10%的煤層氣井都采用了這項(xiàng)技術(shù)。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)則由連通井來完成。 與此同時，高技術(shù)產(chǎn)業(yè)化“ 十一五 ” 規(guī)劃中明確提出，未來 15 年我國將啟動 16 個重大科技專項(xiàng)，其中就包括大第一章 緒論 4 型油氣田及煤層氣開發(fā)。 20xx 年 2 月中聯(lián)煤公司完成了 DS01井的鉆井施工。目前我國尚未掌握此項(xiàng)技術(shù)，只能高價 購買或 租用國外設(shè)備，制約了煤層氣產(chǎn)業(yè)的發(fā)展， 因此急需開展 基于此技術(shù) 的 核心 算法以及相應(yīng)測控手段的研究 。 測量接口通過接口控制單元連接到井下儀器，常用的測井接口有 聲波 測 井 接口、碳氧比測 井 接口、陀螺測斜接口、 DDL3 組合 測井 儀接口、自然伽馬能譜測井接口、第一章 緒論 6 雙側(cè)向測井接口、密度測井接口、中子壽命測井接口等 等。 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)，以支撐煤層氣開發(fā)技術(shù)的發(fā)展。 本課題源于 中國石油化工集團(tuán)部級課題“磁性導(dǎo)向鉆井技術(shù)研究”項(xiàng)目 ，以實(shí)現(xiàn)國內(nèi)自主知識產(chǎn)權(quán)的有源交變磁場導(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的具體實(shí)現(xiàn)。 然后，設(shè)計下位機(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、模擬信號采樣、 FIFO數(shù)據(jù)緩存 等功能 。 第四章 闡述地面接口系統(tǒng)各 模塊的 具體 實(shí)現(xiàn)。 本文所要設(shè)計的重點(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量單元感應(yīng)出 的電信號， 在井下經(jīng)過濾波、放大、采樣、組幀等一系列信號處理后， 以 曼徹斯特編碼方式 通過電 纜傳輸?shù)降孛嫦到y(tǒng)。 目標(biāo)端井下系統(tǒng)設(shè)計指標(biāo)及參數(shù) ? 外徑 ： 38mm ? 工作溫度 ： 12