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Design of A Measure and Control System for Active Alternating Magnetic Signal-Oriented Positioning A Dissertation Submitted for the Degree of MasterCandidate: Qi ChengyuSupervisor: Shi XiaofengSchool of Electronic and Information Enginee
2、ringBeihang University, Beijing, China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
3、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、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
4、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 Magnet
5、ic 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
6、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、曼彻斯特码、USB 接口、FIFOiiAbstractDuring the directional drilling of complex structural wells, the
7、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 t
8、he 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 unable to meet the needs of precise guide-localization. Active alternating magnetic field-
9、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 countries, the Rotary Magnetic Ranging System (RMRS) based on such similar method has been
10、 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 technology research“ funded by China Petroleum & Chemical Group. Aiming at the accurate direction
11、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. Afterwards the design of underground instrument and aground interface subsystem is mainly anal
12、yzed. 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 implemented. Meanwhile, many technical difficulties are broken, such as the FPGA-based high-
13、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 measurement error generated by circuit itself are given.The development for this measure and cont
14、rol 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 and coal bed methane. Currently, the prototype for this system has been developed successfu
15、lly, 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 Control System, RMRS, Signal Conditioning, Manchester code, USB Interface, FIFOiii目 录第一章 绪 论 .11
16、.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.
17、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 .383.4 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
18、.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 .645.3 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
19、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
20、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
21、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，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
22、（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
23、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
24、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 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。
