【正文】 通過(guò) DSP 軟件編程，判斷信號(hào)強(qiáng)度的大小，在信號(hào)強(qiáng)度超出閾值時(shí) ，進(jìn)行增益的切換，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增益調(diào)節(jié)。 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。 因此 高靈敏度磁通門(mén)傳感器是關(guān)鍵器件。 本章小結(jié) 本章首先介紹 有源交變磁場(chǎng)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(jì)指標(biāo)及參數(shù)。用來(lái)獲取加速度信息、磁場(chǎng)信息等井下原始數(shù)據(jù)。要從根本上解決問(wèn)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。測(cè)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(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò) USB 總線傳送給筆記本電腦。 2. 井下儀 系統(tǒng)在徑向上有非常嚴(yán)格的限制，其設(shè)計(jì)指標(biāo) 要達(dá)到 38mm，所以設(shè)計(jì)實(shí)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。 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(jiǎn)要介紹 有源交變磁場(chǎng)導(dǎo)向 定位 技術(shù)以及國(guó)內(nèi)外發(fā)展概況， 指出了研究有源交變磁場(chǎng)導(dǎo)向系統(tǒng)的必要性， 從而引出本文的主要研究?jī)?nèi)容 。 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(kāi)展從目標(biāo)靶點(diǎn)引導(dǎo)鉆頭鉆進(jìn)的高精度導(dǎo)向定位新方法研究。 上 位 機(jī)控 制 接 口供 電系 統(tǒng)通 訊 總 線顯 示 器主 計(jì) 算 機(jī)（ 含 系 統(tǒng) 軟 件 ）打 印 機(jī) 和 示波 器 等模 擬接 口測(cè) 量接 口 1測(cè) 量接 口 N下 位 機(jī)井 下 儀測(cè) 井 電 纜井 下儀 1井 下儀 2井 下儀 N 圖 4 數(shù)控測(cè)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。煤層氣多分支水平井工藝集成了煤層造洞穴、兩井對(duì)接、隨鉆地質(zhì)導(dǎo)向、水平分支井、欠平衡鉆井等多項(xiàng)先進(jìn)的鉆井技術(shù)，具有技術(shù)含量高和鉆井風(fēng)險(xiǎn)大的特點(diǎn)。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(cuò)分布。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。 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(mǎn)足高可靠 、 高精度 、 抗干擾的需 求。 保密學(xué)位論文在解密后的使用授權(quán)同上。 本課題源于 中 國(guó)石油化工集團(tuán) “磁性導(dǎo)向鉆井技術(shù)研究”資助項(xiàng)目 。 另外， 傳統(tǒng)的無(wú)源磁場(chǎng)導(dǎo)向技術(shù)主要利用地磁場(chǎng)信息進(jìn)行井跡測(cè)量，而地磁場(chǎng)信號(hào)的抗干擾能力低，直接影響測(cè)量精度。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(duì) 26 對(duì) U 形井組實(shí)施中靶導(dǎo)航作業(yè)，取得了 100%的中靶率 [3]。在鉆連通導(dǎo)引井的過(guò)程中需攻克的一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)就是提高定位準(zhǔn)確度。多分支水平井是煤層氣高效開(kāi)發(fā)方式的發(fā)展趨勢(shì)，該技術(shù)的普遍應(yīng)用必將為煤層氣的勘探開(kāi)發(fā)帶來(lái)突破性進(jìn)展，在我國(guó)掀起開(kāi)發(fā)煤層氣的熱潮 [10]。 ? 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 。 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(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， 突破國(guó)外技術(shù)封鎖 ， 為解決國(guó)家重大科技專(zhuān)項(xiàng)“大型油氣田及煤層氣開(kāi)發(fā)”的瓶頸問(wèn)題提供了必要硬件技術(shù)支撐，對(duì)于實(shí)現(xiàn)我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的 RMRS 高精度導(dǎo)向定位系統(tǒng)具有重 要的意義 。 在論文的最后， 總結(jié) 了系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，指出了不足之處，并提出了改進(jìn)意見(jiàn)。 ? 工具面 ： 176。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(hào)。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(guò)旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)可形成交變的磁場(chǎng)源。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。傳感器 測(cè)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(mén)傳感器，部分帶有溫度傳感器。通過(guò)分析信號(hào)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 。 使用前一種方案 時(shí)，由于元器件數(shù)目少，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 可滿(mǎn)足小尺寸設(shè)計(jì)原則，但考慮到本系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸量大且不間斷，時(shí)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)。 圖 15 是 在 Proteus 7 環(huán)境中 的信號(hào) 調(diào)理電路 仿真設(shè)計(jì)，圖中用一級(jí)運(yùn)算放大電路 U1和一級(jí)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(shí)的PGA204BU， 其它無(wú)源濾波電路與原理圖一致，然后分別進(jìn)行了信號(hào)的時(shí)域、頻域仿真以及噪聲頻譜的仿真。又由于 磁通門(mén)交流信號(hào)是確定源端鉆頭與目標(biāo)靶點(diǎn)相對(duì)位置的重要參量，而傳感器感應(yīng)出的磁通門(mén)信號(hào)非常微弱，且易受環(huán)境噪聲的干擾，因此信號(hào)不可直接送入 A/D 采樣，必須經(jīng)過(guò)帶通濾波和無(wú)失真放大等信號(hào)處理環(huán)節(jié)，提取出解算所需要的交流信號(hào) 。 井斜重復(fù)性 +/ Deg 方位 5186。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。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。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。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。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。 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)。 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 。 然而 ，常規(guī)導(dǎo)向技術(shù)尚不能完 全滿(mǎn)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。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 。 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(zhuān)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)。在 20xx 年，美國(guó) 10%的煤層氣井都采用了這項(xiàng)技術(shù)。 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。 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。 中圖分類(lèi)號(hào)： TP73 論 文 編 號(hào) ： 10006SY0902536 碩 士 學(xué) 位 論 文 有源 交變磁場(chǎng) 導(dǎo)向 定位測(cè)控系統(tǒng) 設(shè)計(jì)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(chǎng)導(dǎo)向 定位測(cè)控系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 與實(shí)現(xiàn) ) 作者姓名 申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別 指導(dǎo)教師姓名 職 稱(chēng) 學(xué)科專(zhuān)業(yè) 研究方向 學(xué)習(xí)時(shí)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。 目前， 系統(tǒng)樣機(jī) 研制成功 ，并通過(guò)了地面模擬實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證， 達(dá)到 預(yù)期 設(shè)計(jì) 指標(biāo) ， 已交付 勝利油田鉆井 工藝研究 院 。國(guó)外 實(shí)踐表明，有源交變磁場(chǎng)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]。美國(guó)的一些煤礦企業(yè)為了礦井安全和開(kāi)采煤層氣也熱衷采用定向鉆井技術(shù)。 近年來(lái)，我國(guó) 也 加大 了 煤層氣地面開(kāi)發(fā)和井下抽采力度 。有源 交變 磁 場(chǎng) 導(dǎo)向定位方法是煤層氣開(kāi)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)。另一方面，國(guó)內(nèi)也加大了 對(duì)煤層氣開(kāi)發(fā)領(lǐng)域的投入 。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(hào) 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(jí)功能測(cè)試 。 將 井下儀 傳感器捕獲的交變磁場(chǎng)信息以及地磁場(chǎng) 、加速度 、溫度 信息，一起通過(guò)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(duì)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(tái)、 無(wú)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(lái)的數(shù)據(jù)，指揮鉆機(jī)、鉆桿及鉆頭按探測(cè)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)。該系統(tǒng)和井下系統(tǒng)之間主要依靠絞車(chē)和單芯電纜連接。在提高產(chǎn)品性能的同時(shí)，不斷提高其可靠性以減少故障和延長(zhǎng)壽命，才