1、中图分类号：TP73论 文 编 号 ：10006SY0902536硕 士 学 位 论 文有源交变磁场导向定位测控系统设计与实现作 者 姓 名 亓 成 宇学 科 专 业 信息与通信工程指 导 教 师 史 晓 锋培 养 院 系 电子信息工程学院Design of A Measure and Control System for Active Alternating Magnetic Signal-Oriented Positioning A Dissertation Submitted for the Degree of MasterCandidate: Qi ChengyuSupervisor:
2、 Shi XiaofengSchool of Electronic and Information EngineeringBeihang University, Beijing, China中图分类号：TP73论 文 编 号 ： 10006SY0902536硕 士 学 位 论 文(有源交变磁场导向定位测控系统设计与实现)作者姓名 申请学位级别指导教师姓名 职 称学科专业 研究方向学习时间自 年 月 日 起至 年 月 日 止论文提交日期 年 月 日 论文答辩日期 年 月 日学位授予单位 学位授予日期 年 月 日关于学位论文的独创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工
3、作所取得的成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外，本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得北京航空航天大学或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。学位论文作者签名： 日期： 年 月 日学位论文使用授权书本人完全同意北京航空航天大学有权使用本学位论文（包括但不限于其印刷版和电子版） ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门（机构）送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、
4、借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。保密学位论文在解密后的使用授权同上。学位论文作者签名： 日期： 年 月 日指导教师签名： 日期： 年 月 日i摘 要在复杂结构井定向钻井过程中，需要根据钻头与目标靶点的相对位置实时调整钻头钻进方向。如稠油热采中要求两井保持平行，而在煤层气开发和可溶性盐卤矿开采中，需将水平井和洞穴井对接连通，构成水平对接连通井，由于洞穴井直径较小，靶区半径甚至不超过 1 米，仅为常规定向钻井靶区半径的 1/30，因此，常规随钻测量方法已无法满足精确导向定位需求。有源交变磁场导向定位方法是以近钻头交变磁场为信号
5、源，在目标靶点处进行交变磁场信号测量，并采用特定的导向定位算法直接确定钻头端与目标靶点相对位置的一种方法。目前国外基于此类方法的旋转磁测距系统(RMRS, Rotary Magnetic Ranging System)已经广泛应用在油气田和煤层气开发领域，而国内对于此类系统的研发尚处于起步阶段。本课题源于中国石油化工集团“磁性导向钻井技术研究”资助项目。针对上述定向连通井、稠油热采平行井等在钻进中的精确导向定位需求，提出了一种基于有源交变磁场导向定位方法的测控系统设计方案。首先介绍了测控系统的组成与工作原理，然后着重分析了井下仪子系统、地面接口子系统的具体实现。在高效、可靠的测控与通信协议基础
6、上，成功设计出增益范围达 80dB 的宽动态范围信号调理电路，以TMS320F2809 为核心的数据采集与通信电路等，突破了基于 FPGA 的高速曼码解码器及其 I2C 接口，高波特率数据的 FIFO 缓冲，下位机与上位机之间的 USB 接口设计等多项技术难点，并给出了针对电路自身所引入测量误差的校正补偿参数。有源交变磁场导向定位测控系统的研制，将为具有我国自主知识产权的有源交变磁场导向定位方法提供必要的硬件支撑，在国内大型油气田和煤层气开采中发挥重要作用。目前，系统样机研制成功，并通过了地面模拟实验验证，达到预期设计指标，已交付胜利油田钻井工艺研究院。关键词：测控系统、RMRS、信号调理、曼
7、彻斯特码、USB 接口、FIFOiiAbstractDuring the directional drilling of complex 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 w
8、ell 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 common directional drilling. Consequently, the conventional MWD measuring method has been
9、 unable to meet the needs of precise guide-localization. Active alternating magnetic field-oriented positioning method can calculate the relative position between drill and target using alternating magnetic field as the signal source, and measuring the signal at the target area. Currently in foreign
10、 countries, the Rotary Magnetic 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 - “Magnetic steerable drilling technol
11、ogy research“ funded by China Petroleum & Chemical Group. Aiming at the accurate direction in the drilling of parallel wells and combination wells, a measure and control system based on the method mentioned above is developed. The components and working principle is described in the first place. Aft
12、erwards the design of underground instrument and aground interface subsystem is mainly analyzed. Based on the efficient and reliable protocol, the wide dynamic range signal conditioning circuit of which gain can be up to 80dB，and the data acquisition and communication controlled by TMS320F2809 are i
13、mplemented. Meanwhile, many technical difficulties are broken, such as the FPGA-based high-speed Manchester code decoder and its I2C interface, a FIFO buffer for high baud rate data, the USB interface between lower computer and upper computer, etc. In addition, the compensation parameters for measur
14、ement error generated by circuit itself are given.The development for this measure and control system will provides the necessary hardware support for magnetic field-oriented positioning method with self-owned intellectual property rights, and plays an important role in domestic exploitation of oil
15、and coal bed methane. Currently, the prototype for this system has been developed successfully, and delivered to Shengli Drilling Technology Research Institute. It has passed the verification of ground simulation experiment, and reached the expected design specifications.Key words: Measure and Contr
16、ol System, RMRS, Signal Conditioning, Manchester code, USB Interface, FIFOiii目 录第一章 绪 论 11.1 课题背景介绍 11.1.1 有源交变磁场导向定位技术的提出 .11.1.2 国内外有源交变磁场导向定位技术研究现状 .21.1.3 数控测井系统简介 .51.2 课题来源及意义 61.2.1 课题来源 .61.2.2 课题意义 .71.3 课题研究的主要内容 71.4 论文结构安排 8第二章 有源交变磁场导向定位测控系统设计方案 92.1 系统功能需求 92.1.1 系统概述 .92.1.2 目标端井下系统设计
17、指标及参数 102.2 系统总体方案设计 112.2.1 系统总体结构方案 112.2.2 系统总体设计原则 122.2.3 源端近钻头磁钢短节设计 132.2.4 目标端井下系统设计方案 132.2.5 目标端地面接口箱设计方案 142.3 本章小结 15第三章 井下仪系统设计与实现 .163.1 传感器测量短节选型 163.2 数据采集与通信短节设计 173.2.1 信号调理电路 183.2.2 A/D 采集电路 .223.2.3 CPU 选型与控制电路设计 .253.2.4 通信电路与协议 303.2.5 温度传感器电路设计 353.2.6 外围辅助电路 363.3 电源短节设计 383
18、.4 本章小结 39第四章 地面接口系统设计与实现 .404.1 地面接口系统结构 404.2 地面接口系统单元模块设计 404.2.1 曼码接收调理电路 .414.2.2 FPGA 解码单元固件设计 434.2.3 C8051F340 固件设计 .494.3 本章小结 54第五章 场地实验发现的问题及解决办法 .55iv5.1 场地实验简介 555.1.1 实验装置及场地 555.1.2 实验方案 565.2 实验发现的问题及解决办法 575.2.1 井下仪调理电路改进 575.2.2 井下仪调理电路误差补偿 605.2.3 发码电路噪声的消除 645.2.4 数据采集与通信板地层的布局 6
19、45.3 本章小结 65结 论 .66参考文献 .67攻读硕士学位期间取得的学术成果 .69致 谢 .70北京航空航天大学硕士学位论文1第一章 绪 论1.1 课题背景介绍1.1.1 有源交变磁场导向定位技术的提出在当代石油工业中，复杂结构井的开发利用是国际公认的前沿与关键性技术之一。复杂结构井包括水平井、大位移井、多分支井和原井再钻等新型油井，可对油气藏实施高效立体式开发 1。目前国外在复杂结构井方面的研究趋于成熟，而国内尚处于起步阶段。因此，深入掌握复杂结构井的开发利用，是国内石油工业的当务之急，在解决产业发展技术瓶颈、提高油气层单井产量和采收率等方面有着重要意义。现代几何导向钻井技术正是适
20、应复杂结构井的需要而在近年有了很大进展，但仍难以满足高可靠、高精度、抗干扰的需求。另一方面，为缓解我国能源紧缺状况，煤层气产业受到社会广泛关注。然而，目前该产业还处在探索和发展期，缺乏精确导向钻井核心技术，煤层气单井产量和采收率普遍较低。为了提高复杂结构井的开采利用率，打破煤层气产业发展的技术瓶颈，应对日益增加的开采成本及钻井轨迹精度等需求，国内外提出了开展有源交变磁场导向定位技术的研究。过去的测井系统中，高频电磁波（2MHz 以上）是应用于随钻电阻率测量的重要手段，具有受地层水矿化度影响较小的特点，但受泥质含量和围岩的影响却非常大，在非均匀介质中衰减快，相位变化明显，所测电导率和介电常数都会
21、发生频散的现象 2，给数据的分析和解算带来了不小的困难。另外，传统的无源磁场导向技术主要利用地磁场信息进行井迹测量，而地磁场信号的抗干扰能力低，直接影响测量精度。低频交变磁场（0.5Hz5Hz）不同于高频电磁波，其穿透力强，且其工作条件不受钻井液的限制，在气体、泡沫、充气泥浆和其它非常规钻井液中均能工作，可满足连通井、平行井、多分支水平井等特殊钻井工艺的高精度导向定位需求。因此，本系统创新性地提出了利用低频交变磁场作为测量信号。由于其信号幅度和相位均是随时间变化的，不同轴向上的相位差和幅度关系是分析的着眼点，因此，该信号不易受地磁场等其他因素干扰，同时可避免静磁场磁力线平行时无法获取信号的问题
22、，且不会被井下仪套管屏蔽。有源交变磁场导向技术可应用于各种定向钻井工程，包括：（1）连通井（2）定向井防碰技术（3）在土木工程建设如河流穿越工程中作为导向工具（4）为平行井段分离提供控制技术（特别是在 SAGD 重油产区） 。国外实践表明，有源交变磁场导向技第一章 绪论2术能够实现直径小于 1m 的靶区导航要求，具有较高的精确度 3。1.1.2 国内外有源交变磁场导向定位技术研究现状旋转磁测距系统（RMRS）这一概念最早是在 1995 年由美国 Vector Magnetics LLC 公司提出的，随着两井对接技术服务的市场需求，到 1999 年该技术得到了进一步发展并逐渐走向成熟。作为主动磁
23、测系统，RMRS 技术在定向钻井、开采煤层气、打连通井、基于 SAGD 技术的平行井、控制井喷、地质勘探和固体水溶采矿等领域 4得到了广泛应用。目前，全世界范围内，RMRS 技术用于开采煤层气已实施作业超过 200次，用于 SAGD 井开采实施作业超过 400 次。Vector Magnetics 的专利技术一直被视为精确井眼定位的行业标准 5，2007 年，哈利伯顿钻井与地层评价分公司收购了 Vector Magnetics LLC 公司的财产及业务，以提高其蒸汽助推重力驱油（SAGD）技术服务能力 6。收购 Vector Magnetics LLC 公司后，哈利伯顿公司将获得此项技术的所有
24、权，并提出名为 Spreey Drilling Services 的技术服务，该技术服务中的动态磁场测距系统主要有两大关键技术，分别为 MGT（Magnetic Guidance Tool）和 RMRS。其中，前者结合 MWD 技术，且有效距离范围仅为 25m；而 RMRS 技术可不依靠 MWD 技术，且有效距离范围可达 80m。到目前为止，MGT和 RMRS 已在全世界的大部分 SAGD 井中得以广泛应用。图 1 MGT 技术（左）与 RMRS 技术（右）贮 油 层 顶 部热 油 流入 井 内蒸 汽 流 向 分 界 面并 凝 聚注 入 蒸 汽一 对水 平 井冷 凝 油 不 断 排 出贮 油
25、层 底 部图 2 蒸汽助推重力驱油技术（SAGD）在定向钻井过程中，经常需要应用导航中靶技术，以期使钻进进入设定的靶区。北京航空航天大学硕士学位论文3随着定向钻井技术应用范围的日益拓展，钻进靶区面积越来越小，这对传统的中靶测量技术提出了严峻的挑战。RMRS 作为一种主动物探磁测技术，能够实现直径小于 1m 的靶区的导航要求，具有较高的精确度。在土耳其贝帕扎里天然碱矿采集卤钻井工程中，利用 RMRS 技术针对 26 对 U 形井组实施中靶导航作业，取得了 100%的中靶率 3。实践证明，RMRS 旋转磁测距中靶系统成熟、可靠，具有较高精度，可实现小靶区高精度中靶的目的。定向钻井顺着煤层的走势，大
26、大增加了采气面积，因而提高了效率。澳大利亚目前有 17 个煤矿用定向钻井技术排放井内瓦斯，以确保安全生产。而悉尼的一家公司在2000 年成功地利用这一技术在地下 600m 深处开出了一口商业用煤层气井。美国的一些煤矿企业为了矿井安全和开采煤层气也热衷采用定向钻井技术。在 2000 年，美国 10%的煤层气井都采用了这项技术。由于这项技术的逐步发展，美国和澳大利亚部分企业的煤层气产量都得到了提高。据美国某钻探公司的统计，采用横井采气比传统的单一竖井采气的初期产量可高出 10 倍，气井的生产寿命也会增加。根据对某些项目的估算，运用定向钻井技术采集煤层气的内部回报率为 15%18%，明显高于传统竖井
27、采集法约3%的回报率。在多井联合开采方面，RMRS 技术也得以应用。壳牌公司位于文莱的 Seria 油田拥有大量的产油带，呈相互交错分布。这些产油带的产量都很小，不适宜单独开采。为了解决这个问题，壳牌文莱公司（BSP）首次应用了一种创新的连通-导引井（CC）技术。导引井即供给井，是钻入油环的水平井，可以从垂直主井眼侧钻出多个导引分支，进入不同油环，其作用类似于水平的地下管道，而从油藏向地面的生产则由连通井来完成。连通井即生产井，可以连接多口导引井，安装生产设施后即可实现联合开采。在钻连通- 导引井的过程中需攻克的一个技术难点就是提高定位准确度。普通的井眼监测仪器（如随钻测量 MWD 和陀螺测斜
28、仪 Gyroes）不能准确地完成轨迹控制并达到近距离射孔的要求。为了使射孔距离控制到最佳，必须使用先进的定位和测距修正技术。Vector Magnetics LLC 公司开发的两项先进的定向和测距技术单电缆导向系统（SWGS）和旋转电磁测距系统（RMRS）解决了上述问题。 SWGS 引导连通井的钻井方向，当与引导井的空间距离接近 60 米时，启动引导井中的 RMRS 测量，测量结果给出传感器和旋转磁源之间的相对位置，引导钻头钻向目标。近年来，我国也加大了煤层气地面开发和井下抽采力度。与此同时，高技术产业化“十一五”规划中明确提出，未来 15 年我国将启动 16 个重大科技专项，其中就包第一章
29、绪论4括大型油气田及煤层气开发。事实上，我国从上个世纪 80 年代初就已开始涉足煤层气开发，然而，该产业的发展仍较为缓慢，面临的一个突出问题就是单井产量低，导致成本太高，难以形成工业规模。多分支水平井技术可有效解决上述问题，以此为核心的定向钻井技术已经成为我国煤层气开采的主要手段，精确导向定位是该技术应用的关键 7。磁性接头水平井洞穴井信号接收器图 3 煤层气定向连通井多分支水平井是指在主水平井眼的两侧不同位置分别侧钻出多个水平分支井眼，也可以在分支上继续钻二级分支，因其形状像羽毛，国外也将其称为羽状水平井等 8。多分支水平井集钻井、完井和增产措施于一体，是开发低压、低渗煤层的主要手段。煤层气
30、多分支水平井工艺集成了煤层造洞穴、两井对接、随钻地质导向、水平分支井、欠平衡钻井等多项先进的钻井技术，具有技术含量高和钻井风险大的特点。2005 年廊坊分院组织施工的武 M1-1 羽状水平井顺利完钻，该井垂深达 900m，是世界最深的一口煤层气羽状水平井。2005 年底山西晋城大宁煤矿完成 DNP01、DNP02两口羽状水平井，每口井的日产气量约为 23 万方。2006 年 2 月中联煤公司完成了DS-01 井的钻井施工。与此同时，华北油田与美国 CDX 天然气国际有限公司、长庆油田、辽河油田、远东能源等国内外企业都已启动了羽状水平井开发煤层气的项目 9。多分支水平井是煤层气高效开发方式的发展
31、趋势，该技术的普遍应用必将为煤层气的勘探开发带来突破性进展，在我国掀起开发煤层气的热潮 10。目前美国、加拿大、澳大利亚等国家在应用多分支水平井开采煤层气方面取得了良好效益。而我国仍处于缓慢发展阶段。煤层气开发是一项高投入、高风险、高技术的产业，要掌握其基本赋存规律和开发技术，必须有巨大的前期投入和先进仪器设备。然而，目前我国的煤层气勘探开发和科技投入过低而且分散，尤其是一些关键技术和北京航空航天大学硕士学位论文5设备目前我国还不具备。有源交变磁场导向定位方法是煤层气开发中引导水平井与洞穴井连通的关键技术。目前我国尚未掌握此项技术，只能高价购买或租用国外设备，制约了煤层气产业的发展，因此急需开
32、展基于此技术的核心算法以及相应测控手段的研究。1.1.3 数控测井系统简介石油测井技术的发展经历了模拟记录阶段、数字测井阶段、数控测井阶段、成像测井阶段等，目前的测井系统以数控测井平台为主，辅以成像测井显示手段。数控测井系统通常由四部分组成：上位机、下位机、数控测井支撑系统和井下仪。上位机和下位机位于地面之上，主要通过串口、并口或 USB 总线等接口实现通讯，而下位机和井下仪器则通过单芯电缆连接，数控测井系统支撑环境则是数控测井得以实现的支持部分。系统结构示意图如 图 4 所示。上 位 机控 制 接 口供 电系 统通 讯 总 线显 示 器主 计 算 机（ 含 系 统 软 件 ）打 印 机 和
33、示波 器 等模 拟接 口测 量接 口 1测 量接 口 N下 位 机井 下 仪测 井 电 缆井 下仪 1井 下仪 2井 下仪 N图 4 数控测井系统结构 上位机系统主要以工控机（或便携电脑）为中心，辅助以打印机等外部设备。数控测井软件系统的大部分软件也包含其中，主要完成对下位机系统各个接口的管理和控制，并实现测井数据的处理、显示、存储、打印和回放等功能。 下位机系统主要由通用测井接口和各种测量接口或专用测井接口组成。测量接第一章 绪论6口通过接口控制单元连接到井下仪器，常用的测井接口有声波测井接口、碳氧比测井接口、陀螺测斜接口、DDL3 组合测井仪接口、自然伽马能谱测井接口、双侧向测井接口、密度
34、测井接口、中子寿命测井接口等等。 数控测井支撑环境是数控测井得以实现的支持部分，它主要由绞车、测井模拟电缆（单芯电缆、七芯电缆） 、深度编码器、张力传感器、磁记号器、井下仪器供电电源、上位机和下位机供电电源等组成。 井下仪负责采集数据，然后将采集到的数据传送到井上。井下仪通常由传感器、信号测量与采集设备、供电系统、电缆切换单元等部分组成。常用的井下仪器有声波仪、CCL 仪、陀螺测斜仪、碳氧比能谱测井仪和 RMRS 磁性导向测量仪等 11。有源交变磁场导向定位系统继承了数控测井系统的基础架构，本课题借助我教研室在数控测井领域的丰富经验与成熟技术，在磁性导向钻井技术领域开展自主化的创新性研究。1.
35、2 课题来源及意义1.2.1 课题来源目前，为了缓解我国紧缺的能源供应，我国加快了对复杂结构井的开发利用，以寻求提高油井单井产量和采收率的方法。另一方面，国内也加大了对煤层气开发领域的投入。然而，常规导向技术尚不能完全满足复杂结构井钻井过程中的精确中靶需求，迫切需要新的高精度定位技术，以支撑煤层气开发技术的发展。目前大多数随钻测量方案是基于敏感地球重力场的加速度计和敏感地磁场的磁通门传感器的组合，在常规导向钻井中，靶区半径一般约为 30 米，上述组合能够满足需求，而在煤层气开发中的对接连通井，稠油热采中的成对平行井，以及可溶性盐卤矿开采井等复杂结构井钻井过程中，对高精度导向定位技术提出了较高要
36、求，如稠油热采中要求两井平行且间距保持固定。而在煤层气开发和可溶性盐卤矿开采中，需将水平井和洞穴井对接连通，构成水平对接连通井，但是洞穴井直径较小，靶区半径甚至不超过 1 米，仅为常规定向钻井靶区半径的 1/30。基于地磁导向的连续测斜系统虽然定位精度较高但易受干扰，其完好性不足；惯性导航存在时间积分漂移误差，因而基于惯导技术的速率陀螺测斜系统也不能满足高精度导向定位需求。近年来，虽然光纤陀螺及 MEMS 技术在随钻测量中的研究取得较大进展，但此类方法仍然无法满足复杂结构井的高精度导向定位需求, 根本原因在于上述基于磁通门或陀螺与加速度计组合构北京航空航天大学硕士学位论文7成的常规随钻测量系统
37、没有将钻头和目标靶点耦合为一个闭环系统，难以避免误差积累，本质上属于开环测量。在复杂结构井轨迹控制与引导中，为减小导向定位误差，提高中靶精度，亟待开展从目标靶点引导钻头钻进的高精度导向定位新方法研究。低频交变磁场可以在地层中传播，能够将目标靶点和钻头耦合为闭环系统，利用磁信息进行空间定位导向。因此，国内开展了有源交变磁场导向定位技术的研究。本课题源于中国石油化工集团部级课题“磁性导向钻井技术研究”项目，以实现国内自主知识产权的有源交变磁场导向定位系统为目的，研究本系统软件算法与硬件平台的具体实现。1.2.2 课题意义本课题将航空航天导航技术与石油钻井技术相结合，有源引导技术与传统磁导向技术相结
38、合，常规测井技术与随钻测量技术相结合，同时解决惯性导航精度低、磁导向抗干扰能力低、常规测井时间滞后、随钻测井传输速率低等问题，实现交变磁场小信号的提取与采集，以及大容量、高速率的数据传输。本课题的研究，能够解决煤层气产业单井产量和采收率低这一难题，提高复杂结构井的开采利用率，打破煤层气产业发展的技术瓶颈，应对日益增加的开采成本及钻井轨迹精度等需求，突破国外技术封锁，为解决国家重大科技专项“大型油气田及煤层气开发”的瓶颈问题提供了必要硬件技术支撑，对于实现我国自主知识产权的RMRS 高精度导向定位系统具有重要的意义。样机研制成功后，可投入生产使用，在国民生产生活方面具有一定的应用价值。1.3 课
39、题研究的主要内容本课题针对油气田开采中定向连通井、水平井等复杂结构井的导向定位需求，主要研究有源交变磁场导向定位技术所依赖的测控硬件平台的实现，涉及井下数据采集与通信电路、电源电路的设计，地面测控接口及协议的设计，以及系统自身测量误差的校正方法研究等。结合我教研室在测井领域的丰富经验与成熟技术，研制技术完全自主化的测控系统样机，实现高精度的空间引导。主要研究内容如下：首先，设计系统的整体结构框架，完成功能划分和接口定义，明确各子系统的功能和实现手段。其次，研究井下仪系统各子单元的实现方案，包括信号调理单元、数据采集单元、数据通信单元、供电单元等，并布线制版，进行板级功能测试。然后，设计下位机与
40、井下仪之间、下位机与上位机之间的通信接口，并制第一章 绪论8定高效稳定的通信协议，实现下位机的解码、模拟信号采样、FIFO数据缓存等功能。再者，搭建测试平台，对整个测控系统进行软硬件联调，使系统各模块间通讯正常，实现基本导向定位功能。接着进行地面模拟实验，根据实验结果进行分析总结，不断修补系统缺陷。同时，开展系统测量误差研究，最大限度地降低硬件电路自身对测量精度的影响，完成电路测量的标定刻度，并提供软件误差补偿需要的校准系数。最后，通过现场实验进行系统的整体测试，测试通过即可交付样机，并给出相应的精度指标范围。1.4 论文结构安排全文共分六章，安排如下：第一章是绪论部分，首先简要介绍有源交变磁
41、场导向定位技术以及国内外发展概况，指出了研究有源交变磁场导向系统的必要性，从而引出本文的主要研究内容。第二章提出有源交变磁场导向测控系统的总体设计方案。第三章阐述井下仪系统各模块的具体实现。第四章阐述地面接口系统各模块的具体实现。第五章介绍本系统在场地实验中所暴露出的问题以及解决办法。在论文的最后，总结了系统的优缺点，指出了不足之处，并提出了改进意见。北京航空航天大学硕士学位论文9第二章 有源交变磁场导向定位测控系统设计方案2.1 系统功能需求2.1.1 系统概述有源交变磁场导向定位系统的物理模型（针对连通井）如 图 5 所示。本系统主要包括源端近钻头磁极系模块、司钻指示控制系统、目标端井下仪
42、系统、目标端地面系统，以及远距离传输系统，源端与目标端经低频交变磁场耦合，构成一个完整的闭环系统。司钻指示控制系统数传电台 、 公用网络 、 电缆目标端地面系统绞车（ 单芯电缆 ）电源单元采集 、 通信单元传感器单元目标端井下系统远距离传输系统源端井下系统图 5 有源交变磁场导向定位系统示意图源端井下系统的核心是近钻头短节，内置磁极系模块，测井过程中随钻头低频旋转，产生交变的磁场。目标端井下系统有高灵敏度磁传感器，可捕获该交变磁场信号，目标端井下系统还携带有加速度传感器，与磁传感器配合使用，可测得用于解算目标端井下仪姿态信息的数据，这与常规连续测斜仪的测量方法一致。将井下仪传感器捕获的交变磁场
43、信息以及地磁场、加速度、温度信息，一起通过单芯电缆上传至地面系统，由地面系统进行数据的解算、处理和显示，得到源端磁极系的空间位置信息，从而对源端钻铤的走向精确定位，再将相关的信息由数传电台、无线局域网等通讯工具传输至源端的司钻指示设备，司钻指示控制系统接收由目标端地面系统发送来的数据，指挥钻机、钻杆及钻头按探测数据导向行进，以控制源端钻铤向目标方向前进。本文所要设计的重点是目标端系统，包括井下仪系统与地面系统两大部分，其要实现的功能是将传感器测量单元感应出的电信号，在井下经过滤波、放大、采样、组第二章 有源交变磁场导向定位测控系统设计方案10帧等一系列信号处理后，以曼彻斯特编码方式通过电缆传输
44、到地面系统。地面系统对井下传上传的数据进行解析与处理，得到交变磁场导向所需要的参数值。由于工作环境特殊，系统设计实现有一定困难，体现在电子线路设计上要重点考虑以下问题：1. 由于井下仪系统需要工作在深度大于 3000 米的井下，一般油井下的温度可达125以上、压力可超过 100Mpa。因此就对元器件的选择提出了较高的要求，至少要求达到军品级，满足功耗小、温升小的需求。同时对电路的可靠性和系统实现的工艺（包括电路板板材、焊接工艺、电子线路封装、系统结构等）都有较高的要求。2. 井下仪系统在径向上有非常严格的限制，其设计指标要达到 38mm，所以设计实现可选用电子元器件范围进一步缩小，不但要耐高温
45、，还要足够小。而电路板也需制作成细长条形，所以元器件布局将受到限制，一些信号的走线将不得不加长，这些加长的信号线所带来的干扰将不能低估，这样就对电路的设计和实现提出了较高的要求，需满足电磁兼容性设计，尽可能降低电磁干扰。3. 这是一个工程设计，因此必须解决稳定性、可靠性等工程问题，在井下调理电路信噪比，地面解码系统误码率等方面均有较高的要求。2.1.2 目标端井下系统设计指标及参数 外径：38mm 工作温度： 125 工作压强： 100MPa 测量精度： 井斜： 0.15 方位： 0.40 工具面： 0.5 测距精度： 测量距离 5m15m 范围内，误差 5%； 测量距离 15m45m 内，误
46、差 8%； 最大有效工作范围： 40m50m 电缆通讯：常规测井单芯电缆，允许最大电缆长度: 7km北京航空航天大学硕士学位论文112.2 系统总体方案设计2.2.1 系统总体结构方案有源旋转磁场导向系统的结构方案如 图 6 所示，对应 图 5 的物理模型。从物理位置上可分为地面和井下两部分，从控制结构上可分为源端和目标端。本课题主要研究目标端测控系统的设计与实现。图 6 有源交变磁场导向系统整体结构示意图源端磁极系产生磁场源，目标端井下系统主要有传感器测量单元、数据采集单元、CPU、数据通信单元以及电源等模块组成，CPU 是整个井下系统的核心，它接收到井下发来的命令，控制数据采集模块完成对传
47、感器以及温度的信号采集，并将采集的信号编码后通过单芯电缆传送到地面系统，经计算机解算即可得出所需的源端井、目标井的倾斜角、方位角、工具面等角度信息，以及源端钻铤距离目标端靶区的东西偏移、南北偏移、垂直偏移等距离信息。该系统和井下系统之间主要依靠绞车和单芯电缆连接。在其另一端，预留有三种接口，分别对应数传电台、公用网络和电缆，与较远处的源端地面司钻指示控制系统相连接。最后由司钻指示单元通过各种远程数据传输方式接收来自目标井解算的数据，并对数据进行显示，再通过司钻控制工作人员操控司钻系统，控制井下目标端钻头进行方向上的纠正与造斜。如 图 6 可见，有源交变磁场导向定位测控系统位于目标端。该测控系统
48、自上而下包括笔记本电脑、地面测控接口箱和井下仪三部分，如 图 7。笔记本电脑为上位机，配备人机交互软件，负责信号的提取、复原、显示及解算工作。测控接口箱为下位机，在上位机与井下仪之间提供数据接口，将测量数据通过 USB 总线传送给笔记本电脑。第二章 有源交变磁场导向定位测控系统设计方案12井下仪主要由传感器探管、CPU 控制板和直流电源板组成，实现信号的采集、调理，以及与下位机的曼码通信等功能。C P U 舱 电源舱单芯电缆U S B 总线地 面 接 口 箱传感器舱便 携 电 脑井 下 仪加重杆图 7 样机结构图在实际应用中，本系统架设于钻井目标端，井下仪下放至井下目标靶点。在钻井源端有近钻头
49、磁场信号源，以低频转速转动，产生交变磁场。井下仪内的传感器探管可捕获该交变磁场，并将其转换为交流电信号。此外，探管还可提供用于解算井下仪自身姿态的直流信号。交、直流信号经调理后进行 A/D 采样，再经曼彻斯特编码由单芯电缆传送到接口箱，接口箱进行数据解码并通过 USB 接口交给上位机处理，解算出井下仪自身姿态，以及钻头与目标靶点的相对位置。2.2.2 系统总体设计原则由于系统工作环境的特殊和小直径实现的困难，必须确定方案设计的原则，以保证性能和指标的实现。1. 可靠性设计原则。产品性能的先进性是至关重要的，而可靠性是先进性得以持久保持的保证。在提高产品性能的同时，不断提高其可靠性以减少故障和延长寿命，才能提高产品的可用性和可信性。本文设计的导向系统属于工程应用产品，可靠性设计原则必须贯彻在设计、实验和生产的全过程。可靠性设计的方法有降额设计、简化设计、余度设计、电磁兼容设计、耐环境设计和热设计等。这些可靠性设计方法在系统设计过程中的应用主要表现在器件的选型、电路设计、PCB 布局布线等方面。2低功耗设计原则。井下仪作为工作
