【正文】 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(jiàn)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。 交流通道 中采用二階 無(wú)源 帶通濾波電路，要求 3dB 截止頻率 Hz? ,且5Hf Hz? 。 圖 14 為磁通門 X 軸信號(hào)調(diào)理電路圖，調(diào)理電路首先進(jìn)行磁通門信號(hào)的交直流分離，直流信號(hào)直接進(jìn)入 A/D 采樣，交流信號(hào)濾波后由運(yùn)放 OP2177 放大 10 倍 ，后接可編程增益運(yùn)放 PGA204BU，該運(yùn)放有 10 103 四檔增益可選，因此該調(diào)理電路最高增益為 10000 倍，即 80dB。 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(kāi)來(lái)。 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。除了加表和磁通門 9 路模擬信號(hào)外，還有溫度共 10 種模擬信號(hào)。本單元 的設(shè)計(jì)任務(wù)是 對(duì)電信號(hào)進(jìn)行處理，完成信號(hào)從模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換， 并選用抗干擾能力強(qiáng)的碼型將井下測(cè)得數(shù)據(jù)發(fā)送到地面接口設(shè)備。 井斜精度 +/ Deg 工具面角 /旋轉(zhuǎn) 5186。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 。需要指出的是，本系統(tǒng)需要磁通門具有較高的頻響特性和靈敏度，以敏感微弱的交變磁場(chǎng)信號(hào)，而傳統(tǒng) MWD 要求磁通門的穩(wěn)定性較高。由三軸高靈敏度交流磁傳感器配合低頻交直流隔離電路才能獲得有效的交流量。 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 。 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)。下面將 具體 介紹 有源交變磁場(chǎng)導(dǎo)向定位測(cè)控系統(tǒng) 各 子模塊的設(shè)計(jì)與關(guān)鍵技術(shù)的 實(shí)現(xiàn)。 本方案采用 FPGA 硬件解碼方式，對(duì)井下儀上傳的曼徹斯特編碼數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼并存儲(chǔ)，分擔(dān)了 MCU 的工作量，使數(shù)據(jù)傳輸波特率由原 提升到 ，滿足了大容量數(shù)據(jù)測(cè)量的要求。 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。5V（ 400mA）、 177。 CPU 艙 ③ ：由 CPU 控制、數(shù)據(jù)采集電路和通信電路組成，完成對(duì)來(lái)自電路艙的數(shù)據(jù)進(jìn)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。它與目標(biāo)端井下儀外殼以機(jī)械方式連接。 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）。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。 3．小尺寸設(shè)計(jì)原則 。 2．低功耗設(shè)計(jì)原則 。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，才能提高產(chǎn)品的可用性和可信性。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。 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(jī)結(jié)構(gòu) 圖 在實(shí)際應(yīng)用中，本系統(tǒng)架設(shè)于鉆井目標(biāo)端，井下儀下放至井下目標(biāo)靶點(diǎn)。該測(cè)控系統(tǒng)自上而下 包括筆記本電腦、地面測(cè)控 接口箱和井下儀三部分，如 圖 7。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。 ? 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。 3. 這是一個(gè)工程設(shè)計(jì)，因此必須解決穩(wěn)定性 、 可靠性等工程問(wèn)題 ， 在井下調(diào)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 。因此就對(duì)元器件的選擇提出了較高的要求，至少要求達(dá)到軍品級(jí)，滿足功耗小、溫升小的需求。 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)。 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。 第三章 闡述井下儀系統(tǒng)各模塊的具體實(shí)現(xiàn) 。同時(shí)，開(kāi)展系統(tǒng)測(cè)量誤差研究，最大限度地降低 硬件電路自身對(duì)測(cè)量精度的影響，完成電路測(cè)量的標(biāo)定刻度，并提供軟件誤差補(bǔ)償需要的校準(zhǔn)系數(shù)。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 。 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。 因此，國(guó)內(nèi) 開(kāi)展 了 有源交變磁場(chǎng)導(dǎo)向 定位 技術(shù) 的 研究 ?；诘卮艑?dǎo)向的連續(xù)測(cè)斜系統(tǒng)雖然定位精度較高但易受干擾，其完好性不足 ； 慣性導(dǎo)航存在時(shí)間積分漂移誤差， 因而 基于慣導(dǎo) 技術(shù)的速率陀螺測(cè)斜系統(tǒng) 也 不能滿足高精度導(dǎo)向 定位 需求 。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 。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。 ? 下位機(jī)系統(tǒng)主要 由通用測(cè)井接口和 各種測(cè)量接口 或?qū)Ｓ脺y(cè)井接口 組成。上位機(jī)和下位機(jī)位于地面之上， 主要通過(guò)串口、并口或 USB 總線等接口實(shí)現(xiàn)通訊，而下位機(jī)和井下儀器則通過(guò)單芯電纜連接，數(shù)控測(cè)井系統(tǒng)支撐環(huán)境則是數(shù)控測(cè)井得以實(shí)現(xiàn)的支持部分。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)。 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(kāi)采煤層氣 方面 取得了良好效益。 20xx 年底山西晉城大寧煤礦完成 DNP0 DNP02兩口羽狀水平井，每口井的日產(chǎn)氣量約為 2~3 萬(wàn)方。 磁 性 接 頭水平井洞穴井信 號(hào) 接 收 器 圖 3 煤層氣定向連通井 多分支水平井是指在主水平井眼的兩側(cè)不同位置分別側(cè)鉆出多個(gè)水平分支井眼，也可以在分支上繼續(xù)鉆二級(jí)分支，因其形 狀像羽毛，國(guó)外也將其稱為羽狀水平井等 [8]。 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 。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。為了解決這個(gè)問(wèn)題，殼牌文萊公司（ BSP）首次應(yīng)用了一種創(chuàng)新的連通 導(dǎo)引井（ CC）技術(shù)。根據(jù)對(duì)某些項(xiàng)目的估算，運(yùn)用定向鉆井技術(shù)采集煤層氣的內(nèi)部回報(bào)率為 15%~18%，明顯高于傳統(tǒng)豎井采集法約 3%的回報(bào)率。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)。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。 磁性接頭生產(chǎn)井蒸汽井信號(hào)接收器信號(hào)傳感器生產(chǎn)井蒸汽井磁性接頭 圖 1 MGT 技術(shù)（左）與 RMRS 技術(shù) （右） 貯油層頂部熱油流入井內(nèi)蒸汽流向分界面并凝聚注入蒸汽一對(duì)水平井冷凝油不斷排出貯油層底部 圖 2 蒸汽助推重力驅(qū)油 技術(shù)（ SAGD） 在定向鉆井過(guò)程中，經(jīng)常需要應(yīng)用導(dǎo)航中靶技術(shù)，以期使鉆進(jìn)進(jìn)入設(shè)定的靶區(qū)。 Vector Magics 的專利技術(shù)一直被視為精確井眼定位的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) [5]， 20xx 年，哈利伯頓鉆井與地層評(píng)價(jià)分公司收購(gòu)了 Vector Magics LLC 公司的財(cái)產(chǎn)及業(yè)務(wù)，以提高其蒸汽助推 重力驅(qū)油 （ SAGD）技術(shù)服務(wù)能力 [6]。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]。 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。然而，目前該產(chǎn)業(yè)還處在探索和發(fā)展期，缺乏精確導(dǎo)向鉆井核心技術(shù)，煤層氣單井 產(chǎn)量和采收率 普遍較 低。 目前國(guó)外在復(fù)雜結(jié)構(gòu)井方面的研究趨于成熟，而國(guó)內(nèi)尚處于起步 階段。 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 。 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 。如稠油熱采中要求兩井 保持平行， 而在煤層氣開(kāi)發(fā)和可溶性 鹽鹵礦開(kāi)采中，需將水平井和洞穴井對(duì)接連通，構(gòu)成水平對(duì)接連通井，由于洞穴井直徑較小，靶區(qū)半徑甚至不超過(guò) 1 米，僅為常規(guī)定向鉆井靶區(qū)半徑的 1/30， 因此，常規(guī)隨鉆測(cè)量 方法 已無(wú)法滿足精確導(dǎo)向定位需求。 若有不實(shí)之處，本人愿意承擔(dān)相關(guān)法律責(zé)任。 中圖分類號(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 學(xué)科專業(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