【正文】 5℃ ? 工 作壓 強(qiáng)： 100MPa ? 測量精度 ： ? 井斜 ： 176。在其另一端，預(yù)留有三 種接口，分別對應(yīng)數(shù)傳電臺、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。在鉆井源端有近鉆頭磁場信號源，以低頻轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生交變磁場。本文設(shè)計的導(dǎo)向系統(tǒng)屬于工程應(yīng)用產(chǎn)品，可靠性設(shè)計原則必須貫徹在設(shè)計、 實驗 和生產(chǎn)的全過程。 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)計上不但要關(guān)心元器件 的長寬尺寸，還應(yīng)該注意 器件 的 高 度。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。通過航空 多芯電纜將處理后的數(shù)字信號經(jīng)單芯電纜傳送至探測地面系統(tǒng)。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，測井模擬信號采樣，數(shù)據(jù)存儲與顯示，通過 USB 接口與上位機(jī) 進(jìn)行 通信等。第三 章 井下儀系統(tǒng) 設(shè)計 與 實現(xiàn) 16 第 三 章 井下儀系統(tǒng) 設(shè)計 與 實現(xiàn) 井下儀按功能 劃分 為 傳感器 測量短節(jié) 、 數(shù)據(jù)采集與通信短節(jié) 和 電源短節(jié) 三 部分 。這些信息量經(jīng)過解算，可求出源端鉆鋌相對于目標(biāo)端的空間位置信息，從而 實現(xiàn) 導(dǎo)向定位。 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 信號幅度 (mV)距離 (m) H x H y H zPh i5 02( a ) 國 內(nèi) 某 型 傳 感 器 探 管 信 號 幅 度隨 距 離 變 化 關(guān) 系( b ) G E 傳 感 器 探 管 信 號 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 幅 度隨 距 離 變 化 關(guān) 系 圖 12 三支傳感器探管信號幅度隨距離變化關(guān)系對比 在地面實驗中，對國產(chǎn) 50mm? 、 GE、 AZIMUTH 等 型號 探管 的多項性能進(jìn)行了對比 ， 包括信號幅度隨距離變化關(guān)系、信號頻率分布和波形正弦度等。 井斜重復(fù)性 +/ Deg 方位 5186。如何實現(xiàn) 這 10 路信號的采集，在數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計上也存在兩種選擇： ① 只使用 1 個采集通道，通過模擬開關(guān)對該通道時分復(fù)用。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 。 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 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。 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。 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)。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) 。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 。 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(qiáng)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。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。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。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。 減震定位裝置 ① ：由金屬機(jī)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。鉆鋌內(nèi)橫縱交叉并排嵌入 5 組相同特性的強(qiáng)磁鋼，通過旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)可形成交變的磁場源。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。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。 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。 ? 工具面 ： 176。 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。 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。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。 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 。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。 ? 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)控測井系統(tǒng)通常由四部分組成：上位機(jī)、下位機(jī)、數(shù)控測井支撐系統(tǒng)和井下儀。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]。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]。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。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。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]。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。 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。復(fù)雜結(jié)構(gòu)井包括水平井、大位移井、多分支井和原井再鉆等新型油井， 可 對油氣藏 實施高效 立體式開發(fā) [1]。 本課題源于 中 國石油化工集團(tuán) “磁性導(dǎo)向鉆井技術(shù)研究”資助項目 。 與我一同工作的同志對研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作出了明確的說明。 保密學(xué)位論文在解密后的使用授權(quán)同上。在高效、可靠的測控與通信協(xié)議基礎(chǔ)上， 成功設(shè)計出增益范圍達(dá) 80dB 的 寬動態(tài)范圍信號 調(diào)理 電路 ， 以 TMS320F2809為核心的數(shù)據(jù)采集與通信電路 等 ， 突破了 基于 FPGA 的 高速曼碼解碼器及 其 I2C 接口，高波特率 數(shù)據(jù) 的 FIFO 緩沖 ， 下位機(jī)與上位機(jī)之間 的 USB 接口 設(shè)計 等 多項 技術(shù) 難點，并給出了針對電路自身所引入測量誤差的校正補償參數(shù)。 現(xiàn)代幾何導(dǎo)向鉆井技術(shù)正是適應(yīng)復(fù)雜結(jié)構(gòu)井的需要而在近年有了很大進(jìn)展，但仍難以滿足高可靠 、 高精度 、 抗干擾的需 求。 由于 其信號幅度和相位均是隨時間變化的， 不同軸向上的 相位差和幅度關(guān)系是分析 的 著眼點， 因此，該信號 不易受 地磁場等 其他 因素干擾， 同時可 避免靜磁場磁力線平行時無法獲取信號的問題， 且 不 會被井下儀 套管屏蔽 。其中，前者結(jié)合 MWD 技術(shù)，且有效距離范圍僅為 25m；而RMRS 技術(shù)可不依靠 MWD技術(shù)，且有效距離范圍可達(dá) 80m。澳大利亞目前有 17 個煤礦用定向鉆井技術(shù)排放井內(nèi)瓦斯，以確保安全生產(chǎn)。殼牌公司位于文萊的 Seria 油田擁有大量的產(chǎn)油帶，呈相互交錯分布。 Vector Magics LLC 公司開發(fā)的兩項先進(jìn)的 定向和測距技術(shù) ——單電纜導(dǎo)向系統(tǒng)（ SWGS）和旋轉(zhuǎn)電磁測距系統(tǒng)（ RMRS）解決了上述問題。煤層氣多分支水平井工藝集成了煤層造洞穴、兩井對接、隨鉆地質(zhì)導(dǎo)向、水平分支井、欠平衡鉆井等多項先進(jìn)的鉆井技術(shù)，具有技術(shù)含量高和鉆井風(fēng)險大的特點。煤層氣開發(fā)是一項高投入、高風(fēng)險、高技術(shù)的產(chǎn)業(yè)，要掌握其基本賦存規(guī)律和開發(fā)技術(shù)，必須有巨大的前期投入和先進(jìn)儀器設(shè)備。 上 位 機(jī)控 制 接 口供 電系 統(tǒng)通 訊 總 線顯 示 器主 計 算 機(jī)（ 含 系 統(tǒng) 軟 件 ）打 印 機(jī) 和 示波 器 等模 擬接 口測 量接 口 1測 量接 口 N下 位 機(jī)井 下 儀測 井 電 纜井 下儀 1井 下儀 2井 下儀 N 圖 4 數(shù)控測井系統(tǒng)結(jié)構(gòu) ? 上位機(jī)系統(tǒng)主要以工控機(jī) （ 或便攜電腦 ） 為中心，輔助以打印機(jī)等外部設(shè)備。 有源交變磁場導(dǎo)向定位系統(tǒng)繼承了數(shù)控測井系統(tǒng)的基礎(chǔ)架構(gòu)， 本課題借助 我教研室在數(shù)控測井領(lǐng)域的豐富經(jīng)驗與成熟技術(shù)， 在磁性導(dǎo)向 鉆井技術(shù) 領(lǐng)域開展 自主化的 創(chuàng)新 性研究 。 北京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文 7 在 復(fù)雜結(jié)構(gòu)井 軌跡控制與引導(dǎo)中， 為減小導(dǎo)向定位誤差， 提高中靶精度， 亟待開展從目標(biāo)靶點引導(dǎo)鉆頭鉆進(jìn)的高精度導(dǎo)向定位新方法研究。結(jié)合我教研室在測井領(lǐng)域的豐富經(jīng)驗與成熟技術(shù)，研制 技術(shù) 完全 自主化的測控系統(tǒng)樣機(jī)， 實現(xiàn)高精度的空間引導(dǎo)。 論文 結(jié)構(gòu)安排 全文共分 六 章，安排如下： 第一章 是 緒論部分 ， 首先簡要介紹 有源交變磁場導(dǎo)向 定位 技術(shù)以及國內(nèi)外發(fā)展概況， 指出了研究有源交變磁場導(dǎo)向系統(tǒng)的必要性， 從而引出本文的主要研究內(nèi)容 。 司 鉆 指 示 控 制 系 統(tǒng)數(shù) 傳 電 臺 、 公 用 網(wǎng) 絡(luò) 、 電 纜目 標(biāo) 端 地 面 系 統(tǒng)絞 車（ 單 芯 電 纜 ）電 源 單 元采 集 、 通 信 單 元傳 感 器 單 元目標(biāo)端井下系統(tǒng)遠(yuǎn) 距 離 傳 輸 系 統(tǒng)源 端 井 下 系 統(tǒng) 圖 5 有源 交變磁場導(dǎo)向 定位 系統(tǒng) 示意圖 源端 井下 系統(tǒng)的核心是 近鉆頭短節(jié) ，內(nèi)置 磁極系模塊， 測井過程中隨鉆頭 低頻 旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生 交變的 磁場 。 2. 井下儀 系統(tǒng)在徑向上有非常嚴(yán)格的限制，其設(shè)計指標(biāo) 要達(dá)到 38mm，所以設(shè)計實現(xiàn)可選用 電子元器件范圍進(jìn)一步縮小，不但要耐高溫，還要足夠小。本課題主要研究目標(biāo)端測控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)。測控接口箱為下位機(jī)，在上位機(jī)與井下儀之間提供數(shù)據(jù)接口，將測量數(shù)據(jù)通過 USB 總線傳送給筆記本電腦。 1. 可靠性設(shè)計原則 。要從根本上解決問題，除了提高元器件的溫限外，還必須盡可能的減小功耗，降低發(fā)熱量。由于井眼直徑很小，只有幾十毫米，所以井下系統(tǒng)各單元的電子線路都應(yīng)做到小直徑小尺寸，同時井下工作環(huán)境惡劣，這在 工作 溫度、 穩(wěn)定性 等方面都必須達(dá)到一定要求 。用來獲取加速度信息、磁場信息等井下原始數(shù)據(jù)。通過航空多芯電纜向各個單元供電。 本章小結(jié) 本章首先介紹 有源交變磁場導(dǎo)向 系統(tǒng) 的功能需求，指出目標(biāo)端井下系統(tǒng)的設(shè)計指標(biāo)及參數(shù)。一般有技術(shù)成熟的傳感器探管可供直接使用，如美國通用電氣公司、國內(nèi)西安儀器廠等 設(shè)計 的產(chǎn)品。 因此 高靈敏度磁通門傳感器是關(guān)鍵器件。以下 為 該傳感器的實物圖及性能指標(biāo)。 在 本 單元中， 數(shù)據(jù)采集部分是 井下 系統(tǒng)能否取得準(zhǔn)確可靠數(shù)據(jù)的關(guān)鍵。 數(shù)據(jù)采集單元的難點在于 3路磁通門信號的 信息處理環(huán)節(jié)，包括 交直流 信號的分離、程控增益放大電 路設(shè)計以及噪聲抑制 。通過 DSP 軟件編程，判斷信號強(qiáng)度的大小，在信號強(qiáng)度超出閾值時 ，進(jìn)行增益的切換，實現(xiàn)自動增益調(diào)節(jié)。另外系統(tǒng)