有源交變磁場導向定位測控系統設計與實現碩士學位論文(完整版)

　　

【正文】 9 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。 交流通道 中采用二階 無源 帶通濾波電路，要求 3dB 截止頻率 Hz? ,且5Hf Hz? 。 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。除了加表和磁通門 9 路模擬信號外，還有溫度共 10 種模擬信號。 井斜精度 +/ Deg 工具面角 /旋轉 5186。需要指出的是，本系統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信號，而傳統 MWD 要求磁通門的穩定性較高。 傳感 器測量 短節選型 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 。下面將 具體 介紹 有源交變磁場導向定位測控系統 各 子模塊的設計與關鍵技術的 實現。 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。 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、控制及井下系統與地面系統之間的通訊等功能。 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）。 3．小尺寸設計原則 。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。 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，本系統架設于鉆井目標端，井下儀下放至井下目標靶點。該系統和井下系統之間主要依靠絞車和單芯電纜連接。 3. 這是一個工程設計，因此必須解決穩定性 、 可靠性等工程問題 ， 在井下調理電路信噪比，地面解碼系統誤碼率等方面均有較高的要求 。 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，由地面系統進行數據的解算、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， 司鉆指示控制系統接收由目標端地面系統發送來的數據，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。 第三章 闡述井下儀系統各模塊的具體實現 。其次， 研究井下儀系統各子單元的實現方案，包括 信號 調理 單元、 數據采集單元、 數據通信單元 、供電單元 等，并布線制版，進行板級功能測試 。 因此，國內 開展 了 有源交變磁場導向 定位 技術 的 研究 。另一方面，國內也加大了 對煤層氣開發領域的投入 。 ? 下位機系統主要 由通用測井接口和 各種測量接口 或專用測井接口 組成。有源 交變 磁 場 導向定位方法是煤層氣開發中引導水平井與洞穴井連通的北京航空航天大學碩士學位論文 5 關鍵技術。 20xx 年底山西晉城大寧煤礦完成 DNP0 DNP02兩口羽狀水平井，每口井的日產氣量約為 2~3 萬方。 近年來，我國 也 加大 了 煤層氣地面開發和井下抽采力度 。為了解決這個問題，殼牌文萊公司（ BSP）首次應用了一種創新的連通 導引井（ CC）技術。美國的一些煤礦企業為了礦井安全和開采煤層氣也熱衷采用定向鉆井技術。 磁性接頭生產井蒸汽井信號接收器信號傳感器生產井蒸汽井磁性接頭 圖 1 MGT 技術（左）與 RMRS 技術 （右） 貯油層頂部熱油流入井內蒸汽流向分界面并凝聚注入蒸汽一對水平井冷凝油不斷排出貯油層底部 圖 2 蒸汽助推重力驅油 技術（ SAGD） 在定向鉆井過程中，經常需要應用導航中靶技術，以期使鉆進進入設定的靶區。國外 實踐表明，有源交變磁場導向技術能第一章 緒論 2 夠實現直徑小于 1m的靶區導航要求，具有較高的精確度 [3]。然而，目前該產業還處在探索和發展期，缺乏精確導向鉆井核心技術，煤層氣單井 產量和采收率 普遍較 低。 目前， 系統樣機 研制成功 ，并通過了地面模擬實驗驗證， 達到 預期 設計 指標 ， 已交付 勝利油田鉆井 工藝研究 院 。如稠油熱采中要求兩井 保持平行， 而在煤層氣開發和可溶性 鹽鹵礦開采中，需將水平井和洞穴井對接連通，構成水平對接連通井，由于洞穴井直徑較小，靶區半徑甚至不超過 1 米，僅為常規定向鉆井靶區半徑的 1/30， 因此，常規隨鉆測量 方法 已無法滿足精確導向定位需求。 中圖分類號： TP73 論 文 編 號 ： 10006SY0902536 碩 士 學 位 論 文 有源 交變磁場 導向 定位測控系統 設計與實現 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 位 論 文 (有源交變磁場導向 定位測控系統 設計 與實現 ) 作者姓名 申請學位級別 指導教師姓名 職 稱 學科專業 研究方向 學習時間自 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 學位授予單位 學位授予日期 年 月 日 關于學位論文的獨創性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在指導教師指導下獨立進行研究工作所取得的成果，論文中有關資料和數據是實事求是的。有源交變磁場導向定位方 法是以近鉆頭交變磁場為信號源，在目標靶點處進行交變磁場信號測量，并采用特定的導向定位算法直接確定鉆頭端與目標靶點相對位置的一種方法。 關鍵詞 ： 測控 系統、 RMRS、 信號調理、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。為了提高復雜結構井的開采利用率，打破煤層氣產業發展的技術瓶頸，應對日益增加的開采成本及鉆井軌跡精度等需求，國內外提出了開展有源交變磁場導向 定位 技術的研究。 國 內外 有源交變磁場導向 定位 技術研究現 狀 旋轉 磁 測距系統（ RMRS） 這一概念最早是在 1995 年由美國 Vector Magics LLC公司提出的，隨著兩井對接技術服務的市場需求，到 1999 年該技術得到了進一步發展并逐漸走向成熟。隨北京航空航天大學碩士學位論文 3 著定向鉆井技術應用范圍的日益拓展，鉆進靶區面積越來越小，這對傳統的中靶測量技術提出了嚴峻的挑戰。在 20xx 年，美國 10%的煤層氣井都采用了這項技術。導引井即供給井，是鉆入油環的水平井，可以從垂直主井眼側鉆出多個導引分支，進入不同油環，其作用類似于水平的地下管道，而從油藏向地面的生產則由連通井來完成。 與此同時，高技術產業化“ 十一五 ” 規劃中明確提出，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。 20xx 年 2 月中聯煤公司完成了 DS01井的鉆井施工。目前我國尚未掌握此項技術，只能高價 購買或 租用國外設備，制約了煤層氣產業的發展， 因此急需開展 基于此技術 的 核心 算法以及相應測控手段的研究 。 測量接口通過接口控制單元連接到井下儀器，常用的測井接口有 聲波 測 井 接口、碳氧比測 井 接口、陀螺測斜接口、 DDL3 組合 測井 儀接口、自然伽馬能譜測井接口、第一章 緒論 6 雙側向測井接口、密度測井接口、中子壽命測井接口等 等。 然而 ，常規導向技術尚不能完 全滿足 復雜 結構井鉆井過程中 的 精確 中靶 需求， 迫切需要新的高精度定位技術，以支撐煤層氣開發技術的發展。 本課題源于 中國石油化工集團部級課題“磁性導向鉆井技術研究”項目 ，以實現國內自主知識產權的有源交變磁場導向定位系統為目的，研究本系統軟件算法與硬件平臺的具體實現。 然后，設計下位機與井下儀之間、下位機與上位機之間的通信接口，并制定高效穩定的通信協議，實現下位機的解碼、模擬信號采樣、 FIFO數據緩存 等功能 。 第四章 闡述地面接口系統各 模塊的 具體 實現。 本文所要設計的重點是 目標端 系統， 包括井下儀系統與地面系統兩大部分， 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。 目標端井下系統設計指標及參數 ? 外徑 ： 38mm ? 工作溫度 ： 12