【文章內容簡介】 四章闡述地面接口系統(tǒng)各模塊的具體實現。第五章介紹本系統(tǒng)在場地實驗中所暴露出的問題以及解決辦法。在論文的最后，總結了系統(tǒng)的優(yōu)缺點，指出了不足之處，并提出了改進意見。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(tǒng)設計方案 系統(tǒng)功能需求 系統(tǒng)概述有源交變磁場導向定位系統(tǒng)的物理模型（針對連通井）如 圖 5 所示。本系統(tǒng)主要包括源端近鉆頭磁極系模塊、司鉆指示控制系統(tǒng)、目標端井下儀系統(tǒng)、目標端地面系統(tǒng)，以及遠距離傳輸系統(tǒng)，源端與目標端經低頻交變磁場耦合，構成一個完整的閉環(huán)系統(tǒng)。司鉆指示控制系統(tǒng)數傳電臺 、 公用網絡 、 電纜目標端地面系統(tǒng)絞車（ 單芯電纜 ）電源單元采集 、 通信單元傳感器單元目標端井下系統(tǒng)遠距離傳輸系統(tǒng)源端井下系統(tǒng)圖 5 有源交變磁場導向定位系統(tǒng)示意圖源端井下系統(tǒng)的核心是近鉆頭短節(jié)，內置磁極系模塊，測井過程中隨鉆頭低頻旋轉，產生交變的磁場。目標端井下系統(tǒng)有高靈敏度磁傳感器，可捕獲該交變磁場信號，目標端井下系統(tǒng)還攜帶有加速度傳感器，與磁傳感器配合使用，可測得用于解算目標端井下儀姿態(tài)信息的數據，這與常規(guī)連續(xù)測斜儀的測量方法一致。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)進行數據的解算、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，再將相關的信息由數傳電臺、無線局域網等通訊工具傳輸至源端的司鉆指示設備，司鉆指示控制系統(tǒng)接收由目標端地面系統(tǒng)發(fā)送來的數據，指揮鉆機、鉆桿及鉆頭按探測數據導向行進，以控制源端鉆鋌向目標方向前進。本文所要設計的重點是目標端系統(tǒng)，包括井下儀系統(tǒng)與地面系統(tǒng)兩大部分，其要實現的功能是將傳感器測量單元感應出的電信號，在井下經過濾波、放大、采樣、組第二章 有源交變磁場導向定位測控系統(tǒng)設計方案10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到地面系統(tǒng)。地面系統(tǒng)對井下傳上傳的數據進行解析與處理，得到交變磁場導向所需要的參數值。由于工作環(huán)境特殊，系統(tǒng)設計實現有一定困難，體現在電子線路設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125℃以上、壓力可超過 100Mpa。因此就對元器件的選擇提出了較高的要求，至少要求達到軍品級，滿足功耗小、溫升小的需求。同時對電路的可靠性和系統(tǒng)實現的工藝（包括電路板板材、焊接工藝、電子線路封裝、系統(tǒng)結構等）都有較高的要求。2. 井下儀系統(tǒng)在徑向上有非常嚴格的限制，其設計指標要達到 38mm，所以設計實現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。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。3. 這是一個工程設計，因此必須解決穩(wěn)定性、可靠性等工程問題，在井下調理電路信噪比，地面解碼系統(tǒng)誤碼率等方面均有較高的要求。 目標端井下系統(tǒng)設計指標及參數? 外徑：38mm? 工作溫度： 125℃? 工作壓強： 100MPa? 測量精度：? 井斜： 176。? 方位： 176。? 工具面： 176。? 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(tǒng)總體方案設計 系統(tǒng)總體結構方案有源旋轉磁場導向系統(tǒng)的結構方案如 圖 6 所示，對應 圖 5 的物理模型。從物理位置上可分為地面和井下兩部分，從控制結構上可分為源端和目標端。本課題主要研究目標端測控系統(tǒng)的設計與實現。圖 6 有源交變磁場導向系統(tǒng)整體結構示意圖源端磁極系產生磁場源，目標端井下系統(tǒng)主要有傳感器測量單元、數據采集單元、CPU、數據通信單元以及電源等模塊組成，CPU 是整個井下系統(tǒng)的核心，它接收到井下發(fā)來的命令，控制數據采集模塊完成對傳感器以及溫度的信號采集，并將采集的信號編碼后通過單芯電纜傳送到地面系統(tǒng)，經計算機解算即可得出所需的源端井、目標井的傾斜角、方位角、工具面等角度信息，以及源端鉆鋌距離目標端靶區(qū)的東西偏移、南北偏移、垂直偏移等距離信息。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。在其另一端，預留有三種接口，分別對應數傳電臺、公用網絡和電纜，與較遠處的源端地面司鉆指示控制系統(tǒng)相連接。最后由司鉆指示單元通過各種遠程數據傳輸方式接收來自目標井解算的數據，并對數據進行顯示，再通過司鉆控制工作人員操控司鉆系統(tǒng)，控制井下目標端鉆頭進行方向上的糾正與造斜。如 圖 6 可見，有源交變磁場導向定位測控系統(tǒng)位于目標端。該測控系統(tǒng)自上而下包括筆記本電腦、地面測控接口箱和井下儀三部分，如 圖 7。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。測控接口箱為下位機，在上位機與井下儀之間提供數據接口，將測量數據通過 USB 總線傳送給筆記本電腦。第二章 有源交變磁場導向定位測控系統(tǒng)設計方案12井下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。C P U 艙 電源艙單芯電纜U S B 總線地 面 接 口 箱傳感器艙便 攜 電 腦井 下 儀加重桿圖 7 樣機結構圖在實際應用中，本系統(tǒng)架設于鉆井目標端，井下儀下放至井下目標靶點。在鉆井源端有近鉆頭磁場信號源，以低頻轉速轉動，產生交變磁場。井下儀內的傳感器探管可捕獲該交變磁場，并將其轉換為交流電信號。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。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。 系統(tǒng)總體設計原則由于系統(tǒng)工作環(huán)境的特殊和小直徑實現的困難，必須確定方案設計的原則，以保證性能和指標的實現。1. 可靠性設計原則。產品性能的先進性是至關重要的，而可靠性是先進性得以持久保持的保證。在提高產品性能的同時，不斷提高其可靠性以減少故障和延長壽命，才能提高產品的可用性和可信性。本文設計的導向系統(tǒng)屬于工程應用產品，可靠性設計原則必須貫徹在設計、實驗和生產的全過程?？煽啃栽O計的方法有降額設計、簡化設計、余度設計、電磁兼容設計、耐環(huán)境設計和熱設計等。這些可靠性設計方法在系統(tǒng)設計過程中的應用主要表現在器件的選型、電路設計、PCB 布局布線等方面。2．低功耗設計原則。井下儀作為工作在井下高溫高壓環(huán)境下的系統(tǒng)，散熱是個難題，如果電路本身功耗大，那么系統(tǒng)產生的熱量無法散發(fā)出去，致使溫度越來越高，北京航空航天大學碩士學位論文13勢必影響系統(tǒng)的可靠工作。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。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。3．小尺寸設計原則。由于井下儀系統(tǒng)的外徑僅僅為 38mm，內置空間較小，在電路設計上不但要關心元器件的長寬尺寸，還應該注意器件的高度。 源端近鉆頭磁鋼短節(jié)設計源端磁鋼短節(jié)為測控系統(tǒng)提供信號源，其實物模型如 圖 8 所示。鉆鋌內橫縱交叉并排嵌入 5 組相同特性的強磁鋼，通過旋轉鉆進可形成交變的磁場源。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。圖 8 近鉆頭磁鋼短節(jié)實物圖 目標端井下系統(tǒng)設計方案系統(tǒng)的重點在于井下系統(tǒng)，其單元結構如 圖 9 所示。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到一定要求。溫度傳感器3 軸加速度傳感器3 軸高靈敏度磁通門傳感器多路A / D 采集電路 C P U通信驅動電路傳感器測量單元數據采集單元數據通信單元交 、 直流信號調理電路單芯電纜供電單元圖 9 目標端井下儀單元結構組成第二章 有源交變磁場導向定位測控系統(tǒng)設計方案14目標端井下系統(tǒng)除具備常規(guī)的連續(xù)測斜功能之外，還具有高靈敏度磁探測功能，該系統(tǒng)由減震定位裝置①、傳感器艙②、CPU 艙③、電源艙④、馬籠頭⑤這五部分組成 [13]，如 圖 10 所示。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)實體結構圖目標端井下系統(tǒng)尺寸：外徑為 ，內經 ，長度 1754，電路外徑 Φ37，電路長度 1504（單位：mm） 。由于數據傳輸采用曼碼有線傳輸，目標端井下系統(tǒng)的頂部結構為馬籠頭接單芯電纜。儀器從上到下分為三個部分，依次是電源艙、CPU 艙和傳感器艙，為便于安裝調試，電源板與數據采集與通信板之間的連接采用瑞士 LEMO公司生產的直插連接器，數據采集與通信板與傳感器探管之間的連接方式采用 15 芯梯形頭結構。減震定位裝置①：由金屬機械結構構成，安裝在目標端井下儀的最前端，它具有定位和減震作用。它與目標端井下儀外殼以機械方式連接。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。用來獲取加速度信息、磁場信息等井下原始數據。所得到的數據通過航空多芯電纜與電路艙連接。CPU 艙③：由 CPU 控制、數據采集電路和通信電路組成，完成對來自電路艙的數據進行采集、控制及井下系統(tǒng)與地面系統(tǒng)之間的通訊等功能。通過航空多芯電纜將處理后的數字信號經單芯電纜傳送至探測地面系統(tǒng)。電源艙④：其作用是為目標端井下系統(tǒng)提供多組電壓。由地面獲得交流電壓轉換為直流高壓經電源艙的變換后，得到目標端井下儀所需的177。5V（400mA） 、177。12V（ 300mA）四組直流低壓。通過航空多芯電纜向各個單元供電。馬籠頭⑤：通過單芯電纜將目標端井下儀和目標端地面系統(tǒng)的絞車可靠連接，實現目標端井下系統(tǒng)上下自由行進。 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。主要負責為井下儀器供電，接收井下曼碼數據并解碼，測井模擬信號采樣，數據存儲與顯示，通過 USB 接口與上位機進行通信等。北京航空航天大學碩士學位論文15井下儀供電單元F P G A 解碼單元井下儀供電電壓單芯電纜片上A / D轉換器井下儀供電電流C C L 信號張力傳感器磁標記傳感器顯示單元上位機U S B接口F I F O 緩沖區(qū)S M B u s 接口C I P 5 1 內核微處理器單元C 8 0 5 1 F 3 4 0圖 11 地面接口箱單元結構組成本方案借助我教研室在測井系統(tǒng)設計中的成熟經驗，在現有技術的基礎上，對原陀螺測斜地面接口箱進行了專用化改進和技術創(chuàng)新，使之成為有源交變磁場導向定位系統(tǒng)的專用地面接口。主要創(chuàng)新點有：針對有源交變磁場導向定位系統(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據，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。本方案采用 FPGA 硬件解碼方式，對井下儀上傳的曼徹斯特編碼數據進行解碼并存儲，分擔了 MCU 的工作量，使數據傳輸波特率由原 提升到，滿足了大容量數據測量的要求。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。 本章小結本章首先介紹有源交變磁場導向系統(tǒng)的功能需求，指出目標端井下系統(tǒng)的設計指標及參數。其次介紹系統(tǒng)總體方案與設計原則，并重點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構。下面將具體介紹有源交變磁場導向定位測控系統(tǒng)各子模塊的設計與關鍵技術的實現。第三章 井下儀系統(tǒng)設計與實現16第三章 井下儀系統(tǒng)設計與實現井下儀按功能劃分為傳感器測量短節(jié)、數據采集與通信短節(jié)和電源短節(jié)三部分。電源短節(jié)為直流電源電路，為井下儀其它單元模塊提供電源供應。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。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。以上直流信號用于解算探管自身的姿態(tài)信息，交流信號則用于解算鉆頭與目標端的相對位置偏移。一般有技術成熟的傳感器探管可供直接使用，如美國通用電氣公司、國內西安儀器廠等設計的產品。數據采集與通信短節(jié)為CPU 測控電路板，作為井下儀子系統(tǒng)的數據采集、通信單元，以 TMS320F2809 為嵌入式 CPU，完成信號的調理、采樣與編碼等。 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。這些信息量經過解算，可求出源端鉆鋌相對于目標端的空間位置信息，從而實現導向定位。另外，此測量單元還包括溫度傳感器，可將溫度轉換為電壓信號，可直接送入 A/D 轉換器進行處理。井下測量探管與 MWD 測量探管基本相同，測