【正文】 能提高產(chǎn)品的可用性和可信性。 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(zhǎng)度 1754，電路外徑 Φ37，電路長(zhǎng)度 1504（單位： mm）。 目標(biāo)端地面接口箱設(shè)計(jì)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。 傳感 器測(cè)量 短節(jié)選型 該單元包括 3 軸石英撓性加速度計(jì)，用以測(cè)量目標(biāo)井中的重力加速度信息；同時(shí)還有 3 軸高靈敏度磁傳感 器，用以測(cè)量磁信息 [16]，該磁信息包含直流和交流兩部分，可通過(guò)后級(jí)的信號(hào)調(diào)理電路實(shí)現(xiàn) 交 、直 流 信息分離 。 井斜精度 +/ Deg 工具面角 /旋轉(zhuǎn) 5186。 信號(hào)調(diào)理電路 傳感器測(cè)量單元中磁通門傳感器所感應(yīng)出的電信號(hào)既包含了源磁場(chǎng)的交變信號(hào)又包含了直流地磁信號(hào) [15]，由于二者在上位機(jī)解算時(shí)各有所用， 因此需將它們分離開來(lái)。 R11 0 kR31 0 kC11uC24 7 u 1 5 V+ 1 5 Vs o u r c eR61 0 kR71 0 kC91uC 1 04 7 uR81 0 kR92 0 0 KC 1 11uC 1 21 0 u32674U2O P 7 7 A P 1 5 V+ 1 5 VV o u tV o u tp u tV i n p u tR51 0 kC31u32674U3O P 7 7 A P 1 5 V+ 1 5 VR49 0 kR 1 11 .8 7 kC41 0 0 nv2v132674U1O P 7 7 A PR21 0 0 k 圖 15 信號(hào)調(diào)理電路 仿真驗(yàn)證 圖 16 信號(hào)調(diào)理電路時(shí)域仿真 北京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文 21 圖 17 信號(hào)調(diào)理電路頻域仿真 圖 18 信號(hào)調(diào)理電路輸出噪聲頻譜仿真 圖 16 為輸入信號(hào)頻率為 時(shí)所對(duì)應(yīng)的電路時(shí)域仿真圖，可見輸出信號(hào)幅度與輸入信號(hào)幅度之比約為 10 倍，滿足信號(hào)的放大要求。 第二種方案雖然采集通道數(shù)較多，但信息采集速率大大提升 ， 可使后級(jí) DSP 的高速信息處理能力得以充分發(fā)揮，保證了井下信息的實(shí)時(shí)獲取。而 根據(jù) 圖（ c） 數(shù)據(jù) 顯示 ， AZIMUTH AOM35A 的靈敏度最高， 在距離磁場(chǎng)源 70 多米時(shí)仍有明顯的周期信號(hào)，在 50 米以內(nèi)，雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系下的信號(hào)幅度與距離之間線性關(guān)系保持良好，因此該探管 在相同磁場(chǎng)源的條件下可 實(shí)現(xiàn)最遠(yuǎn)測(cè)距 。 3 軸加速度傳感器產(chǎn)生 3 路直流信號(hào)， 3 軸磁通門傳感器產(chǎn)生的信號(hào)通過(guò)調(diào)理電路后，可分離為3 路直流和 3 路交流信號(hào)。5V（ 400mA）、 177。該方案的優(yōu)點(diǎn)是，無(wú)需發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，因此 功耗小，也較為經(jīng)濟(jì)，而且鉆頭設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單可行。交、直流信號(hào)經(jīng)調(diào)理后進(jìn)行 A/D 采樣，再經(jīng)曼徹斯特編碼由單 芯電纜傳送到接口箱，接口箱進(jìn)行數(shù)據(jù)解碼并通過(guò) USB 接口交給上位機(jī)處理，解算出井下儀自身姿態(tài)，以及鉆頭與目標(biāo)靶點(diǎn)的相對(duì)位置。 ? 測(cè)距精度： ? 測(cè)量距離 5m~15m范圍內(nèi)， 誤差 ?5%； ? 測(cè)量距離 15m~45m內(nèi)， 誤差 ?8%； ? 最大有效工作范圍 ： 40m~50m ? 電纜通訊：常規(guī)測(cè)井單芯電纜，允許最大電纜長(zhǎng)度 : 7km 北京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文 11 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 系統(tǒng)總體 結(jié)構(gòu) 方案 有源旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)導(dǎo)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方案如 圖 6 所示，對(duì)應(yīng) 圖 5 的物理模型。 北京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文 9 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 系統(tǒng) 功能需求 系統(tǒng)概述 有源交變磁場(chǎng)導(dǎo)向定位系統(tǒng)的物理模型（針對(duì)連通井）如 圖 5 所示。 樣機(jī)研制成功后，可投入生產(chǎn)使用，在國(guó)民生產(chǎn)生活方面具有一定的應(yīng)用 價(jià)值。井下 儀通常由傳感器、信號(hào) 測(cè)量與采集設(shè)備、 供電系統(tǒng)、電纜切換單元 等部分 組成。 目前美國(guó)、加拿大、澳大利亞等國(guó)家 在 應(yīng)用多分支水平井開采煤層氣 方面 取得了良好效益。普通的井眼監(jiān)測(cè)儀器（如隨鉆測(cè)量 MWD 和 陀螺測(cè)斜儀 Gyroes）不能準(zhǔn)確地完成軌跡控制并達(dá)到近距離射孔的要求。實(shí)踐證明， RMRS 旋轉(zhuǎn)磁測(cè)距中靶系統(tǒng)成熟、可靠，具有較高精度，可實(shí)現(xiàn)小靶區(qū)高精度中靶的目的。 低頻交變磁場(chǎng)（ ~5Hz）不同于高頻電磁波，其穿透力強(qiáng)，且其工作條件不受鉆井液的限制，在氣體、泡沫、充氣泥漿和其它非常規(guī)鉆井液中均能工作，可滿足連通井、平行井、多分支水平井等特殊鉆井工藝的高精度導(dǎo)向定位需求。 針對(duì) 上述 定向連通井、 稠油熱采 平行井 等 在鉆進(jìn)中的精確導(dǎo)向 定位 需求，提出了一種基于 有源交變磁場(chǎng)導(dǎo)向定位方 法 的測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) 方案 。 學(xué)位論文作者簽名： 日期： 年 月 日 學(xué)位論文使用授權(quán) 書 本人完全同意北京航空航天大學(xué)有權(quán)使用本學(xué)位論文 （ 包括但不限于 其印刷版和電子版） ，使用方式包括但不限于 ： 保留學(xué)位論文 ，按規(guī)定 向國(guó)家有關(guān)部門（機(jī)構(gòu)）送交學(xué)位論文， 以學(xué)術(shù)交流為目的贈(zèng)送和交換 學(xué)位論文 ，允許 學(xué)位論文被查閱 、 借閱 和復(fù)印 ，將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，采用影印、縮印或 其他 復(fù)制手段保存學(xué)位論文。因此，深入掌握復(fù)雜結(jié)構(gòu)井的開發(fā)利用，是 國(guó) 內(nèi)石油工業(yè)的當(dāng)務(wù)之急，在解決 產(chǎn)業(yè)發(fā)展 技術(shù)瓶頸 、提高油氣層 單井產(chǎn)量 和采收率等方面有著重要意義 。收購(gòu) Vector Magics LLC 公司后，哈利伯頓公司將獲得此項(xiàng)技術(shù)的所有權(quán)，并提出名為 Spreey Drilling Services 的技術(shù)服務(wù)，該技術(shù)服務(wù)中的動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)測(cè)距系統(tǒng)主要有兩大關(guān)鍵技術(shù)，分別為 MGT（ Magic Guidance Tool）和 RMRS。 在多井聯(lián)合開采方面， RMRS 技術(shù)也得以應(yīng)用。多分支水平井集鉆井、完井和增產(chǎn)措施于一體，是開發(fā)低壓、低滲煤層的主要手段。 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如 圖 4 所示。 近年來(lái)，雖然光纖陀螺及 MEMS技術(shù)在隨鉆測(cè)量中的研究取得較大進(jìn)展 ， 但此類方法仍然無(wú)法滿足復(fù)雜結(jié)構(gòu)井的高精度導(dǎo)向 定位 需求 , 根本 原因 在于 上述 基于 磁通門或陀螺與加速度計(jì)組合 構(gòu)成的 常規(guī)隨鉆測(cè)量 系統(tǒng)沒有 將鉆頭和目標(biāo)靶點(diǎn)耦合為一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，難以避免誤差積累 ，本質(zhì)上屬于開環(huán)測(cè)量。 最后， 通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行系統(tǒng)的整體測(cè)試，測(cè)試通過(guò)即可交付樣機(jī)，并給出相應(yīng)的精度指標(biāo)范圍 。同時(shí)對(duì)電路的可靠性和系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的工藝（包括電路板板材、焊接工藝、電子線路封裝 、系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 等）都有較高的要求。筆記本電腦為上位機(jī)，配備人機(jī)交互軟件 ，負(fù)責(zé)信號(hào)的提取、復(fù)原 、顯示及解算 工作 。 井下儀 作為工作在井下高溫高壓環(huán)境下的系統(tǒng)，散熱是個(gè)難題，如果電路本身功耗大，那么系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量無(wú)法散發(fā)出去，致使溫度越來(lái)越高，勢(shì)北京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文 13 必影響系統(tǒng)的可靠工作。 傳感器艙 ② ：由一組（ 3 個(gè)）加速度計(jì)，一組（ 3 個(gè)）高靈敏度交流磁通門組成。 采用了大容量數(shù) 據(jù)的 FIFO 緩沖技術(shù)， 以適應(yīng)數(shù)據(jù)波特率提升后的地面接口交互需求。目前使用的 MWD 探管中的磁通門能夠提供的最大數(shù)據(jù)信號(hào)是 1Guass，其提供的分辨率為 1nT，根據(jù) 實(shí)驗(yàn) 結(jié)果發(fā)現(xiàn) ， 對(duì)于當(dāng)前磁鋼，如要達(dá)到 50 米的測(cè)量范圍，需要提供至少 的分辨率。 因此該單元包括對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波、放大等處理的信號(hào)調(diào)理電路，實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換的 A/D 采樣電路，對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)第三 章 井下儀系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 與 實(shí)現(xiàn) 18 行組幀、編碼以及實(shí)現(xiàn)增益控制的 DSP 控制電路， 進(jìn)行 發(fā) 碼的通信驅(qū)動(dòng)電路，以及必要的外圍輔助電路等。其 A0、 A1 管腳為可編程增益控制端，與 TMS320F2809 的GPIO 口相連。 C747uFR810kR510KC81uFR3R490KR7100KIXC91uF15V+15V+15VC21uFOUT A1IN A2+IN A3V4+IN B5IN B6OUT B7V+8U1OP2177AIX10R1100KC310uFR2100KC510uFDIXAIXoutAD_AIXoutC1347uFR1210kVo11NC2NC3VIN4VIN+5VosADJ6VosADJ7V8Vo29REF10Vo11Fdb12V+13DGND14A015A116U2PGA204BUR951k15VC171uF+15VC121uFA1A0AIXoutC1410uFR13200kAIX10C1110uFR1010KC151uFR1110KC161uFR610KC101uFC410uFC610uFC1+15V 圖 14 磁通門 X 軸信號(hào)調(diào)理電路 直流通道通過(guò)二階無(wú)源低通電路實(shí)現(xiàn)隔直，要求截止頻率 0Pf Hz? ，因此需要選用盡可能大的電容 ，本設(shè)計(jì)中采用兩個(gè)電容并聯(lián)的方式來(lái)獲取更大的容值。在提供信號(hào)的傳感器中，需要測(cè)量的參數(shù)有三個(gè)加速度計(jì)測(cè)得的重力加速度三分量信息、三個(gè)磁傳感器 測(cè)得的三分量直流磁場(chǎng)信息和三分量交流磁場(chǎng)信息。 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，所以在本文中沒有涉及傳感器探管的設(shè)計(jì)工藝問題，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。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) 。所得到的數(shù)據(jù)通過(guò)航空多芯電纜與電路艙連接。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)。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。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 。 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 。 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。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。 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。這些產(chǎn)油帶的產(chǎn)量都很小，不適宜單獨(dú)開采。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。 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。 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。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。 過(guò)去的測(cè)井系統(tǒng)中，高頻電磁波（ 2MHz 以上）是應(yīng)用于隨鉆電阻率測(cè)量的重要手段，具有受地層水礦化度影響較小的特點(diǎn)，但受泥質(zhì)含量和圍巖的影響卻非常大，在非均勻介質(zhì)中衰減快，相位變化明顯，所測(cè)電導(dǎo)率和介電常數(shù)都會(huì)發(fā)生頻散的現(xiàn)象 [2]， 給數(shù)據(jù)的分析和解 算帶來(lái)了不小的困難。 RMRS 作為一種主動(dòng)物探磁測(cè)技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)直徑小于 1m 的靶區(qū)的導(dǎo)航要求，具有較高的精確度。連通井即生產(chǎn)井，可以連接多口導(dǎo)引井，安裝生產(chǎn)設(shè)施后即可實(shí)現(xiàn)聯(lián)合開采。與此同時(shí)，華北油田與美國(guó) CDX 天然氣國(guó)際有限公司、長(zhǎng)慶油田、遼河油田、遠(yuǎn)東能源等國(guó)內(nèi)外企業(yè)都已啟動(dòng)了羽狀水平井開發(fā)煤層氣的項(xiàng)目 [9]。 ? 數(shù)控測(cè)井支撐環(huán)境是數(shù)控測(cè)井得以實(shí)現(xiàn)的支持部分，它主要由絞車、測(cè)井模擬電纜（單芯電纜、七芯電纜）、深度編碼器、張力傳感器、磁記號(hào)器、井下儀器供電電源、上位機(jī)和下位機(jī)供電電源等組成。 課題意義 本課題將航空航天導(dǎo)航技術(shù)與石油鉆井技術(shù)相結(jié)合，有源引導(dǎo)技術(shù)與