【正文】 能提高產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 實體 結構圖 目標端井下系統尺寸：外徑為 ，內經 ，長度 1754，電路外徑 Φ37，電路長度 1504（單位： mm）。 目標端地面接口箱設計方案 圖 11 為地面接口箱 的結構圖，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理電路實現 交 、直 流 信息分離 。 井斜精度 +/ Deg 工具面角 /旋轉 5186。 信號調理電路 傳感器測量單元中磁通門傳感器所感應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]，由于二者在上位機解算時各有所用， 因此需將它們分離開來。 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 信號調理電路 仿真驗證 圖 16 信號調理電路時域仿真 北京航空航天大學碩士學位論文 21 圖 17 信號調理電路頻域仿真 圖 18 信號調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。 第二種方案雖然采集通道數較多，但信息采集速率大大提升 ， 可使后級 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時獲取。而 根據 圖（ c） 數據 顯示 ， AZIMUTH AOM35A 的靈敏度最高， 在距離磁場源 70 多米時仍有明顯的周期信號，在 50 米以內，雙對數坐標系下的信號幅度與距離之間線性關系保持良好，因此該探管 在相同磁場源的條件下可 實現最遠測距 。 3 軸加速度傳感器產生 3 路直流信號， 3 軸磁通門傳感器產生的信號通過調理電路后，可分離為3 路直流和 3 路交流信號。5V（ 400mA）、 177。該方案的優(yōu)點是，無需發(fā)電機驅動，因此 功耗小，也較為經濟，而且鉆頭設計相對簡單可行。交、直流信號經調理后進行 A/D 采樣，再經曼徹斯特編碼由單 芯電纜傳送到接口箱，接口箱進行數據解碼并通過 USB 接口交給上位機處理，解算出井下儀自身姿態(tài)，以及鉆頭與目標靶點的相對位置。 ? 測距精度： ? 測量距離 5m~15m范圍內， 誤差 ?5%； ? 測量距離 15m~45m內， 誤差 ?8%； ? 最大有效工作范圍 ： 40m~50m ? 電纜通訊：常規(guī)測井單芯電纜，允許最大電纜長度 : 7km 北京航空航天大學碩士學位論文 11 系統總體方案設計 系統總體 結構 方案 有源旋轉磁場導向系統的結構方案如 圖 6 所示，對應 圖 5 的物理模型。 北京航空航天大學碩士學位論文 9 第 二 章 有源交變磁場導向 定位測控 系統設計 方案 系統 功能需求 系統概述 有源交變磁場導向定位系統的物理模型（針對連通井）如 圖 5 所示。 樣機研制成功后，可投入生產使用，在國民生產生活方面具有一定的應用 價值。井下 儀通常由傳感器、信號 測量與采集設備、 供電系統、電纜切換單元 等部分 組成。 目前美國、加拿大、澳大利亞等國家 在 應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)測儀器（如隨鉆測量 MWD 和 陀螺測斜儀 Gyroes）不能準確地完成軌跡控制并達到近距離射孔的要求。實踐證明， RMRS 旋轉磁測距中靶系統成熟、可靠，具有較高精度，可實現小靶區(qū)高精度中靶的目的。 低頻交變磁場（ ~5Hz）不同于高頻電磁波，其穿透力強，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向定位需求。 針對 上述 定向連通井、 稠油熱采 平行井 等 在鉆進中的精確導向 定位 需求，提出了一種基于 有源交變磁場導向定位方 法 的測控系統設計 方案 。 學位論文作者簽名： 日期： 年 月 日 學位論文使用授權 書 本人完全同意北京航空航天大學有權使用本學位論文 （ 包括但不限于 其印刷版和電子版） ，使用方式包括但不限于 ： 保留學位論文 ，按規(guī)定 向國家有關部門（機構）送交學位論文， 以學術交流為目的贈送和交換 學位論文 ，允許 學位論文被查閱 、 借閱 和復印 ，將學位論文的全部或部分內容編入有關數據庫進行檢索，采用影印、縮印或 其他 復制手段保存學位論文。因此，深入掌握復雜結構井的開發(fā)利用，是 國 內石油工業(yè)的當務之急，在解決 產業(yè)發(fā)展 技術瓶頸 、提高油氣層 單井產量 和采收率等方面有著重要意義 。收購 Vector Magics LLC 公司后，哈利伯頓公司將獲得此項技術的所有權，并提出名為 Spreey Drilling Services 的技術服務，該技術服務中的動態(tài)磁場測距系統主要有兩大關鍵技術，分別為 MGT（ Magic Guidance Tool）和 RMRS。 在多井聯合開采方面， RMRS 技術也得以應用。多分支水平井集鉆井、完井和增產措施于一體，是開發(fā)低壓、低滲煤層的主要手段。 系統結構示意圖如 圖 4 所示。 近年來，雖然光纖陀螺及 MEMS技術在隨鉆測量中的研究取得較大進展 ， 但此類方法仍然無法滿足復雜結構井的高精度導向 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組合 構成的 常規(guī)隨鉆測量 系統沒有 將鉆頭和目標靶點耦合為一個閉環(huán)系統，難以避免誤差積累 ，本質上屬于開環(huán)測量。 最后， 通過現場實驗進行系統的整體測試，測試通過即可交付樣機，并給出相應的精度指標范圍 。同時對電路的可靠性和系統實現的工藝（包括電路板板材、焊接工藝、電子線路封裝 、系統結構 等）都有較高的要求。筆記本電腦為上位機，配備人機交互軟件 ，負責信號的提取、復原 、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，散熱是個難題，如果電路本身功耗大，那么系統產生的熱量無法散發(fā)出去，致使溫度越來越高，勢北京航空航天大學碩士學位論文 13 必影響系統的可靠工作。 傳感器艙 ② ：由一組（ 3 個）加速度計，一組（ 3 個）高靈敏度交流磁通門組成。 采用了大容量數 據的 FIFO 緩沖技術， 以適應數據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據信號是 1Guass，其提供的分辨率為 1nT，根據 實驗 結果發(fā)現 ， 對于當前磁鋼，如要達到 50 米的測量范圍，需要提供至少 的分辨率。 因此該單元包括對信號進行濾波、放大等處理的信號調理電路，實現模數轉換的 A/D 采樣電路，對采樣數據進第三 章 井下儀系統 設計 與 實現 18 行組幀、編碼以及實現增益控制的 DSP 控制電路， 進行 發(fā) 碼的通信驅動電路，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 軸信號調理電路 直流通道通過二階無源低通電路實現隔直，要求截止頻率 0Pf Hz? ，因此需要選用盡可能大的電容 ，本設計中采用兩個電容并聯的方式來獲取更大的容值。在提供信號的傳感器中，需要測量的參數有三個加速度計測得的重力加速度三分量信息、三個磁傳感器 測得的三分量直流磁場信息和三分量交流磁場信息。 由于傳感器井下探管在國內外均有產品，且設計過程必須同測量的原理、結構、與工 藝等綜合一起考慮，才能設計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計工藝問題，也就是擬采用傳統 MWD 中的探管短節(jié)構成本系統的傳感器單元。其次介紹系統總體 方案與設計原則，并重點 闡述 了井下儀子系統與地面接口子系統的總體 框架 與物理結構 。所得到的數據通過航空多芯電纜與電路艙連接。為了降低功耗， 需考慮 管芯熱設計，通過版圖的合理布局使芯片表面溫度盡可能均勻分布，防 止出現局部的過熱點。井下第二 章 有源交變磁場導向 定位測控系統 設計 方案 12 儀主 要由傳感器探管、 CPU 控制板和直流電源板組成，實現信號的采集、調理，以及與下位機的曼碼通信等功能。而電路板也需 制作成細長條形，所以元器件布局 將受 到限制，一些信號的走線將不得不加長，這些加長的信號線所帶來的干擾將不能低估，這樣就對電路的設計和實現提出了較高的要求 ，需 滿足 電磁兼容性設計 ，盡可能降低電磁干擾 。 第二章 提出 有源交變磁場導向 測控 系統 的 總體設計方案 。 低頻交變磁場可以在地 層中傳播，能夠將目標靶點和鉆頭耦合為閉環(huán)系統，利用磁信息進行空間 定位 導向。數控測井軟件系統的大部分軟件也包含其中 ， 主要完成對下位機系統各個接口的管理和控制，并實現測井數據的處理、顯示、存儲、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 900m，是世界最深的一口煤層氣羽狀水平井。這些產油帶的產量都很小，不適宜單獨開采。到目前為止， MGT 和 RMRS已在全世界的大部分 SAGD 井中得以廣泛應用。 另一方面，為緩解我國能源緊缺狀況，煤層氣產業(yè)受到社會廣泛關注。 學位論文作者簽名： 日期： 年 月 日 指導教師簽名： 日期： 年 月 日 i 摘 要 在復雜結構井定向鉆井過程中，需要根據鉆頭與目標靶點的相對位置實時調整鉆頭鉆進方向。目前國外基于此類方法的旋轉磁測距系統 (RMRS, Rotary Magic Ranging System)已經廣泛應用在油氣田和煤層氣開發(fā)領域，而國內 對于此類系統的研發(fā) 尚 處于起步 階段。 過去的測井系統中，高頻電磁波（ 2MHz 以上）是應用于隨鉆電阻率測量的重要手段，具有受地層水礦化度影響較小的特點，但受泥質含量和圍巖的影響卻非常大，在非均勻介質中衰減快，相位變化明顯，所測電導率和介電常數都會發(fā)生頻散的現象 [2]， 給數據的分析和解 算帶來了不小的困難。 RMRS 作為一種主動物探磁測技術，能夠實現直徑小于 1m 的靶區(qū)的導航要求，具有較高的精確度。連通井即生產井，可以連接多口導引井，安裝生產設施后即可實現聯合開采。與此同時，華北油田與美國 CDX 天然氣國際有限公司、長慶油田、遼河油田、遠東能源等國內外企業(yè)都已啟動了羽狀水平井開發(fā)煤層氣的項目 [9]。 ? 數控測井支撐環(huán)境是數控測井得以實現的支持部分，它主要由絞車、測井模擬電纜（單芯電纜、七芯電纜）、深度編碼器、張力傳感器、磁記號器、井下儀器供電電源、上位機和下位機供電電源等組成。 課題意義 本課題將航空航天導航技術與石油鉆井技術相結合，有源引導技術與