【正文】 通過 DSP 軟件編程，判斷信號強度的大小，在信號強度超出閾值時 ，進行增益的切換，實現(xiàn)自動增益調(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)。用來獲取加速度信息、磁場信息等井下原始數(shù)據(jù)。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。測控接口箱為下位機，在上位機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。 2. 井下儀 系統(tǒng)在徑向上有非常嚴格的限制，其設(shè)計指標(biāo) 要達到 38mm，所以設(shè)計實現(xiàn)可選用 電子元器件范圍進一步縮小，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 。 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)鉆頭鉆進的高精度導(dǎo)向定位新方法研究。 上 位 機控 制 接 口供 電系 統(tǒng)通 訊 總 線顯 示 器主 計 算 機（ 含 系 統(tǒng) 軟 件 ）打 印 機 和 示波 器 等模 擬接 口測 量接 口 1測 量接 口 N下 位 機井 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) ? 上位機系統(tǒng)主要以工控機 （ 或便攜電腦 ） 為中心，輔助以打印機等外部設(shè)備。煤層氣多分支水平井工藝集成了煤層造洞穴、兩井對接、隨鉆地質(zhì)導(dǎo)向、水平分支井、欠平衡鉆井等多項先進的鉆井技術(shù)，具有技術(shù)含量高和鉆井風(fēng)險大的特點。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。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 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展，但仍難以滿足高可靠 、 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 國石油化工集團 “磁性導(dǎo)向鉆井技術(shù)研究”資助項目 。 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。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]。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。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)帶來突破性進展，在我國掀起開發(fā)煤層氣的熱潮 [10]。 ? 井下 儀 負責(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 。 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，并提出了改進意見。 ? 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。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)鉆進可形成交變的磁場源。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。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 。 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 芯片的負擔(dān)。 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，然后分別進行了信號的時域、頻域仿真以及噪聲頻譜的仿真。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 。 井斜重復(fù)性 +/ Deg 方位 5186。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。主要負責(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 進行 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。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)計的重點是 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)。 然后，設(shè)計下位機與井下儀之間、下位機與上位機之間的通信接口，并制定高效穩(wěn)定的通信協(xié)議，實現(xiàn)下位機的解碼、模擬信號采樣、 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。目前我國尚未掌握此項技術(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 。 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，其中就包括大第一章 緒論 4 型油氣田及煤層氣開發(fā)。在 20xx 年，美國 10%的煤層氣井都采用了這項技術(shù)。 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)得到了進一步發(fā)展并逐漸走向成熟。 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。 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)下獨立進行研究工作所取得的成果，論文中有關(guān)資料和數(shù)據(jù)是實事求是的。 目前， 系統(tǒng)樣機 研制成功 ，并通過了地面模擬實驗驗證， 達到 預(yù)期 設(shè)計 指標(biāo) ， 已交付 勝利油田鉆井 工藝研究 院 。國外 實踐表明，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]。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)。 近年來，我國 也 加大 了 煤層氣地面開發(fā)和井下抽采力度 。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)。另一方面，國內(nèi)也加大了 對煤層氣開發(fā)領(lǐng)域的投入 。其次， 研究井下儀系統(tǒng)各子單元的實現(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，進行板級功能測試 。 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、鉆桿及鉆頭按探測數(shù)據(jù)導(dǎo)向行進， 以控制源端鉆 鋌 向目標(biāo)方向前進。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。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