有源交变磁场导向定位测控系统设计与实现.doc

中图分类号：中图分类号：TP73 论论文文编编号号 ：10006SY0902536 硕 士 学 位 论 文 有源交变磁场导向定位测控系统有源交变磁场导向定位测控系统 设计与实现设计与实现 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 Master Candidate: Qi Chengyu Supervisor: Shi Xiaofeng School of Electronic and Information Engineering Beihang University, Beijing, China 中图分类号：中图分类号：TP73 论论文文编编号号 ： 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、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、曼彻斯特码、USB接口、FIFO ii Abstract During 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 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 common directional drilling. Consequently, the conventional MWD measuring method has been 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 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 technology research“ funded by China Petroleum if(max3(IXFullFlag, IYFullFlag, IZFullFlag) 20) /切换到较低的增益档位 if(max3(IXEmptFlag, IYEmptFlag, IZEmptFlag) 64 字节，则向 USB 端点 1 装入 64 字节数据，接着 HEAD 后 移 64 字节，否则向 USB 端点 1 装入 TAIL-HEAD 字节数据，HEAD 移至 TAIL 处；当 队首指针超前于队尾指针时，若 FIFOSIZE-HEAD 64 字节，则向 USB 端点 1 装入 64 字节数据， HEAD 后移 64 字节，否则向 USB 端点 2 装入 FIFOSIZE-HEAD 字节数据， HEAD 移至 FIFO 起始地址处。 N 读FIFO函数入口 返回主函数 获取队首Head、队 尾指针Tail Head=Tail 向USB端点装入 64字节填充字 Y HeadTail 向USB端点装入 64字节数据 Head后移64字节 向USB端点装入 Tail-Head字节数据 Head移至Tail处 FIFO_Size-Head64 向USB端点装入 64字节数据 Head后移64字节 向USB端点装入 FIFO_Size-Head 字节数据 Head移至FIFO 起始地址 Head-Tail64 YN YNYN 图图 51 读读 FIFO 函数流程图函数流程图 FIFO 空满状态的处理非常重要，协议规定在下位机接收不到传输指令时，若 FIFO 缓存溢出则返回到 FIFO 首地址继续填充数据，将原数据覆盖。而一旦数据传输 启动后，由于读 FIFO 操作的速度远远快于写操作，因此在单片机正常运作下 FIFO 不 会出现溢出的情况。若数据溢出则会丢失数据，此时可判定单片机出现异常，须断电 检查。 北京航空航天大学硕士学位论文 55 4.3 本章小结 有源交变磁场导向定位测控系统的地面接口经陀螺测斜接口箱改造而来，采用了 交变磁场导向定位专用的通讯协议和固件流程，并嵌入了 FPGA 解码模块，实现了大 容量、高速率的数据传输，系统误码率小于 10-5。本章重点介绍了曼码接收调理电路、 FPGA 解码模块固件设计，以及 C8051F340 主控制器的固核设计。模拟信号采样模块、 深度处理模块及显示模块技术较成熟，均沿用了原陀螺测斜接口箱的现有资源，节约 了开发周期。 第五章 场地实验发现的问题及解决办法 56 第五章 场地实验发现的问题及解决办法 从 2010 年 9 月至 2011 年 9 月，在系统样机研发过程中共进行了七次地面模拟实 验，均在东营胜利油田钻井工艺研究院进行。本章将对实验装置及实验方法做简要介 绍，并着重阐述场地实验中所发现的问题，以及针对这些问题对系统软硬件所做的改 进和调整。 5.1 场地实验简介 5.1.1 实验装置及场地 图图 52 有源交变磁场导向定位系统地面实验装置图有源交变磁场导向定位系统地面实验装置图 实验装置如图 52 所示，包括源端磁短节小车，目标端探管小车和数据采集系统。 其中源端磁短节小车负责激发交变磁场，转速范围为 0600rpm，目标探管小车为井下 仪提供井斜、工具面角可调的固定夹具。数据采集系统即有源交变磁场导向定位系统 的地面部分，包括地面接口箱和笔记本电脑，负责数据的接收、解算与显示。 实验场地如图 53 所示，场地铺设室外轨道和定位点，其中轨道部分为东西向单轨 道，利用铆钉进行间隔 1 米的定位，轨道总长度 48 米。定位点装置包括 24 个间隔 1 米的南北向定位点和以轨道零点为圆心，半径 12 米的 15 度等间隔的 6 个定位点。将 源端小车与目标端小车均放置于主测试通道上可以模拟连通井定向钻进过程、将源端 小车放置于主测试通道，目标端小车放置于辅测试通道，可以模拟平行井钻进过程。 磁短节小车 目标端探管小车 数据 采集 系统 北京航空航天大学硕士学位论文 57 绿地 主测试通道：长度45m 宽度6m 25m 5m 45m5m 6m 5m 1m 15m 说明： 1、无磁轨道 长度45米 2、 为距离定位标志，间隔1m，定位精度1cm 3、 为角度定位标志，间隔15度，定位精度1度 4、主测试通道和辅测试通道平整度不低于1cm 5、 为磁接头台架，具有两个旋转自由度，带激光对准功能 采用十字定位 15度等角度间隔 1m 辅测试通道：长度25m 宽度5m 图图 53 地面模拟实验场地示意图地面模拟实验场地示意图 为模拟钻进过程，需移动磁短节和目标探管的相对位置关系，磁短节小车利用两 个激光探头进行定位，其中水平激光探头保证磁短节的方位角和轨道对齐，垂直激光 探头保证磁短节小车在设定的东西向定位点上；目标探管小车的激光探头保证目标探 管位于设定的定位点上。 5.1.2 实验方案 场地实验有两个主要目的，一是为了验证系统样机的可行性和可靠性，即硬件验 证，二是为了验证导向定位算法的正确性，即软件验证。 对于硬件验证，涉及的实验内容有信号波形与噪声的观察、曼码与 CAN 总线两种 通信方式的效果对比、传感器探管的频响实验等。对于软件验证，则主要分两个步骤 进行：首先进行磁矩系数的标定；然后在完成磁矩系数标定的基础上，就可以将源端 磁短节小车和标探管分别放置于任意两个确定的定位点处，进行数据的采集，从而解 算其相对距离并与设定位置进行对比。本次实验中相对设置分为两种情况进行,一是没 有南北偏移的情况,即目标探管和源端磁钢位于一条直线上，均位于东西方向的轨道上， 实验中，固定源端磁钢位置于定位点零点，仅调整目标探管在东西方向轨道上的位置； 另一种情况是源端磁钢固定在东西向轨道的定位点上，而目标探管放置在南北向的定 位点上，其相对位置存在南北偏移和东西偏移。图 54 为模拟连通井工况的实验场景。 第五章 场地实验发现的问题及解决办法 58 图图 54 模拟连通井实验的工作场景模拟连通井实验的工作场景 5.2 实验发现的问题及解决办法 5.2.1 井下仪调理电路改进 1.电路结构改进电路结构改进 -VS 4 +IN 3 OUTPUT 6 -IN 2 REF 5 RG 1 +VS 7 RG 8 U9 AD620SQ_883B AIX C81 0.1uF C80 0.1uF +12V -12V R55 5.49K AmpAIX10 OUT A 1 -IN A 2 +IN A 3 V- 4 +IN B 5 -IN B 6 OUT B 7 V+ 8 U11 OP2177 +12V -12V -IN1 C900.1uF C75 0.1uF IX OUT A 1 -IN A 2 +IN A 3 V- 4 +IN B 5 -IN B 6 OUT B 7 V+ 8 U17 OP2177 +12V -12V C1100.1uF C970.1uF IXOUT IXOUT VR2 100K C83 220uF/16V DIX1-IN1 R73 4.7K R7215K R84 15K R7115K AIX DIX1 R64 51K R60 30K DIX DIX1 DIX1 C87 220uF/16V 图图 55 原信号调理电路原信号调理电路 图 55 为旧版井下仪 10 倍增益通道的信号调理电路。原调理电路用到了 AD620 与 OP2177。AD620 为增益可变运放，可通过改变外接电阻实现增益调节，在本电路中作 为 10 倍和 1000 倍增益的基本放大器。OP2177 在本电路中作为积分器、电压跟随器以 及加法器使用，主要实现交直流信号的分离。原调理电路只提供 10 倍/1000 倍固定增 益。 2010 年 9 月 26 日-30 日，本系统在定位轨道上进行了第一次地面实验。主要目的 是利用 CAN 总线和旧版井下仪电路（10 倍/1000 倍固定增益调理电路）采集第一手相 对位置关系数据，验证数据采集系统的测量范围，评估传感器探管的敏感范围，初步 北京航空航天大学硕士学位论文 59 评价定位算法。 实验发现，在旧版井下仪电路中，固定的 10 倍与 1000 倍增益不足以满足实际测 量需求，需增加更高的增益档位，以满足更远距离(大于 20 米)的信号测量，但是相应 地也会增加 A/D 采集通道数，因此，考虑采用自动增益放大电路以节约通道数量。另 外 10 倍/1000 倍放大电路的交直流分离电路存在一些问题，主要表现是在 1000 倍增益 的通道仍存在直流分量，导致极小的直流分量放大 1000 倍时极易出现饱和现象。 针对以上问题，提出了一种新的调理电路设计方案，采用多级无源 RC 滤波器37 实现交直流信号的分离，并通过可编程增益运放 PGA204 实现多级放大倍数的程控切 换。电路拓扑如图 56 所示。经实验验证，本设计的交直流分离效果很好，在 10000 倍 增益下也不会出现饱和现象，且程控增益放大方案切实可行，能够满足系统测量距离 以内的信号放大需求，并节约了信号采集电路的体积。 2.零漂抑制零漂抑制 在 2011 年 3 月 21 日-22 日的地面实验中发现，在经上述方法改进后的电路的输出 信号中存在较严重的漂移现象，混入了低频噪声，影响解算精度。原因是电路自身的 噪声放大后叠加在有用信号上，造成了信号在零基准点附近的上下波动。这一实验结 果将影响后续的数据处理工作，因此需要设法消除该现象。 经对比实验验证，运放输出端出现低频率（小于 0.5Hz）的漂移是因为运放的输入 噪声经放大后叠加在了有用信号上。由于运放的输入端存在使其工作在线性放大区的 偏置电流，不可避免地会叠加噪声电流，当噪声电流流经大电阻时，会产生一定的电 压波动，此为导致低频漂移现象的主要因素。因此在保证带宽的前提下，需尽可能地 降低运放输入端电阻，本电路最终选用 10K 电阻(图中 R5、R11)，另一方面，滤波网 络参数的调整将影响系统增益，因此需要通过调整 R1 或 R2 的参数，增大 OP2177 的 放大倍数进行增益补偿。经调整，可将增益为 80dB 时的运放输出漂移噪声限制在幅值 10mV 以内。调整方案如图 56 和表 7 所示。 图 57（左）为电路调整前后的实测频响对比，可见信号带宽稍有展宽，但增益有 所衰减，改进后增益最大值为 19.3dB 左右。有两种方法可以达到理想情况要求的 20dB。一是硬件电路上的调整，即通过调整 R1 阻值，换为比 1.87K 稍小如 1.86K 的电 阻，使最大增益上升至 20dB，优点是软件上无需调整，缺点是阻值选择困难，而且频 带内其他频点的增益不一定是 20dB；另一种方法是采用软件频响补偿的方法进行补偿， 优点是方法灵活，对硬件电路的兼容性较好，缺点是需要对每一个通道进行增益-频响 第五章 场地实验发现的问题及解决办法 60 补偿。考虑到硬件电路的兼容性，采用软件补偿的方案进行处理。 C2 10uF R5 51k 一一一一一一一 R3 10K C3 1uF R1 5K R2 90K R4 100K IX C4 1uF -12V +12V +12V C1 1uF OUT A 1 -IN A 2 +IN A 3 V- 4 +IN B 5 -IN B 6 OUT B 7 V+ 8 U1 OP2177 AIX10 R9 100K C11 10uF R10 100K C12 10uF DIX AIXout AD_AIXout C7 10uF R11 51k 一一一一一一一 Vo1 1 NC 2 NC 3 VIN- 4 VIN+ 5 VosADJ 6 VosADJ 7 V- 8 Vo2 9 REF 10 Vo 11 Fdb 12 V+ 13 DGND 14 A0 15 A1 16 U2 PGA204BU R6 51k -12V C13 1uF +12V C6 1uF A1 A0 AIXout C8 10uF R12 200k 一一一一一一一 一一一一一一一一 AIX10 C5 10uF R7 10K C9 1uF R8 10K C10 1uF 一一一一一一(一一一一)0.1% R37 10K C40 1uF C41 10uF C42 10uF C? 0.1uF 调整处 图图 56 交流信号调理电路改进交流信号调理电路改进 表表 7 器件参数调整器件参数调整 器件标号原参数现参数 C2、C710uF 独石电容47uF BP 电解电容 R5、R1151K 精度 1%10K 精度 1% R15K 精度万分之二 5ppm1.87K 精度万分之五 15ppm 图 57（右）为实测电路频响与仿真频响曲线的对比，可见除实测增益较仿真增益 略有衰减，实测频响与理论曲线能够较好的吻合。3dB 实际带宽为 0.25Hz- 6.5Hz，33Hz 处增益在 0dB 以下，仍满足设计要求。 0.1110100 0 5 10 15 20 25 30 Gain(dB) Frequency(Hz) Original Gain Improved Gain 0.1110100 0 5 10 15 20 25 30 Gain(dB) Frequency(Hz) Real Gain Simulated Gain 电路调整前后实测频响对比 电路调整后实测频响增益与仿真结果对比 图图 57 交流信号调理电路的频率响应交流信号调理电路的频率响应 用 Agilent DSO7054A (500 MHz 带宽，4 GSa/s 采样率)示波器进行电路改进前后的 通道对比实验。电路在 10000 倍增益档位下的对比结果见下图。 北京航空航天大学硕士学位论文 61 图图 58 交流信号调理电路改进前后噪声对比交流信号调理电路改进前后噪声对比 图图 59 交流信号调理电路改进前后信号波形对比交流信号调理电路改进前后信号波形对比 由此可见，放大 10000 倍的噪声幅值由原来的 100mV 降至 10mV 左右，信号的漂 移得到有效控制，改进效果明显。 5.2.2 井下仪调理电路误差补偿 1.幅频响应曲线测绘过程幅频响应曲线测绘过程 信号的幅频响应曲线是滤波放大电路设计的关键指标，测绘实际的幅频响应曲线， 可以与仿真频响曲线对比，验证实际电路设计的正确性，并为电路的改进以及误差校 正提供可靠依据。本文采用标准正弦信号源作为输入信号，测量调理电路的输出信号， 得到幅频响应曲线。测绘方案如下： （1）保证输入信号源的幅度和系统增益档位不变，改变信号源的频率。频率范 i U 围从 0.2Hz 到 40Hz，以覆盖所有的关键频率点。每改变一组频率，记录下当前频率和 相应输出信号的幅值。 0 U （2）根据公式计算出增益，建立频率与增益之间的映射关系， 0 20 lg(/) i GainUU 得到固定增益档位下的幅频响应曲线。 （3）改变增益档位，重复上述方法测得不同增益档位下的幅频响应曲线。 2.幅频响应曲线补偿方法幅频响应曲线补偿方法 测控系统对测量精度要求较高，因此要尽可能减少误差来源。系统的误差主要来 源于参与解算的信号幅度，只要参与解算的信号无限地接近原始信号，即可将误差降 第五章 场地实验发现的问题及解决办法 62 低到最小。而原始信号经过本系统时，进行了放大、滤波等一系列处理，并叠加了噪 声。所以如何准确地复原信号成为误差校正的关键环节。由图可见，信号通过本系统 的幅频响应曲线在通频带内并不平坦，因而通带内的增益不能简单地用定值表示。为 降低误差，需对频响曲线进行精确测绘，使通带内的不同频率与相应增益对应，然后 通过软件系数校正，精确地恢复原始信号的幅度。 在 2011 年 4 月 11 日-12 日的实验中发现，在 PGA204 相邻增益档位切换过程中， 并非严格的 10 倍关系，由于器件的非线性因素，档位每提高 10 倍，增益将会有一定 程度的衰减。所以 4 个增益档位下的频响曲线并不一致，需要针对不同的增益量程进 行不同的频响曲线补偿。因此，需对可编程运放 PGA204 的四个增益档位进行精确标 定，并在软件中采取了分量程频响补偿，以尽可能地降低电路自身带来的测量误差。 为了方便对比四个增益档位的频率响应一致性，将测得的四档频响曲线进行归一化处 理，结果如图 60 所示。 0.1110 8 10 12 14 16 18 20 22 Gain(dB) Frequency(Hz) Gain=10000 Gain=1000 Gain=100 Gain=10 图图 60 归一化的四档位幅频响应曲线归一化的四档位幅频响应曲线 以上频响曲线均在信号源输入为 514uV，考虑数据采集与通信板等效负载时测得 的结果。 经上述标定实验测量，可得出以下结论： (1) 随着增益档位的增大，归一化后的信号增益逐级衰减，但 10 倍增益曲线与 10000 倍增益曲线之间的衰减不会超过 1dB。 (2) 在输入信号频率固定、幅度变化时，输出信号的幅度在小范围地无规律波动， 北京航空航天大学硕士学位论文 63 平均值与频响曲线上相应点吻合。因此，将忽略信号幅度对幅频响应曲线的影响，可 认为同一增益档位的幅频响应曲线不随频率而变化。 综上所述，在信号复原的系数校正过程中，需考虑增益档位和信号频率两个因素， 对经不同增益放大以及频率不同的信号进行相应的系数补偿。系数补偿的办法是将 4 个增益档位的实测频响曲线分别进行多项式拟合，得到频响曲线的数学表达式，即可 计算特定频率下的准确增益。再用实测信号的幅度，除以当前信号频率下的放大倍数， 得到原始信号的真实值38。 软件中采用分段拟合的方式，进行 5 阶以内的多项式拟合，以下示例是 4 号数据 采集与通信板 10 倍增益档位下频响曲线的拟合结果。其中为输入信号频率，k 为当 0 f 前频率所对应的实际放大倍数与理想放大倍数之比： 1、当5Hz 时 0 f (5.3) 2354 0000 0.9730.046460.019630.0014433.613 10kffff 以上多项式中各项的系数即为 4 号板的误差校正的补偿参数。在井下仪进行实际 测井之前，需对每支数据采集与通信电路进行标定，得到各自的补偿参数表，加载到 上位机软件中，实现电路自身的误差校正。 3.误差校正效果对比误差校正效果对比 在 2011 年 4 月 11 日-12 日的地面实验之前，未考虑增益档位的更换引入的误差， 仅依据一条频率响应曲线进行误差校正。之后加入了增益档位判断，针对不同的档位 选用不同的频响曲线参与校正。用两种校正方案对模拟连通井实验的数据进行解算， 效果对比如下表所示。 连通井实验主要考察源端与目标端的东西偏移，实验中以 2 米为间隔，从 2 米到 40 米定点测量源端与目标端的东西偏移。由表 8 可见，考虑增益档位因素的方案误差 相对较小。 第五章 场地实验发现的问题及解决办法 64 表表 8 参数调整前后实验数据解算结果对比参数调整前后实验数据解算结果对比 NorthWestUpNorthWestUp -2.9857-1.9171.0417-2.8937-1.85791.0097 -3.1626-4.10990.9396-3.0677-3.990.9126 -3.2311-6.18430.9252-3.1294-5.99230.8976 -3.3042-8.35360.9809-3.2052-8.10310.9514 -3.3287-10.4941.0675-3.2289-10.17951.0355 -3.3425-12.60011.1611-3.241-12.18151.1133 -3.3702-14.72051.2873-3.3765-14.26641.2308 -3.3453-16.96721.3693-3.2298-16.38071.3219 -3.4621-19.06251.4037-3.3434-18.40291.3546 -3.5327-21.12461.352-3.4645-20.48741.3557 -3.7572-23.5331.5067-3.6591-22.67831.4205 -3.8983-25.78051.4357-3.8254-24.82191.3123 -4.1141-27.9241.3362-4.1337-26.78591.127 -5.0621-30.04151.4261-5.459-28.57460.8559 -4.6943-32.44691.0518-5.805-31.0368-0.461 -4.3766-35.9391-1.7305-5.4819-33.8761-1.0425 -5.8555-38.24-2.525-6.997-36.2864-1.705 -5.5825-40.6333-3.3996-7.0368-37.6531-3.4896 -6.2815-41.4149-3.2622-4.5991-40.1063-3.8958 -6.5908-45.4667-3.4507-4.1168-41.0747-5.3442 单频响曲线拟合解算偏移结果 四频响曲线拟合解算偏移结果 传感器频响特性可侧面反映系统频响测绘工作的正确性。地面实验分别对管径为 和的两支传感器探管进行了频响曲线标定。实验方法如下：将目标端与28mm50mm 源端的位置固定，改变信号频率，用软件进行信号复原，得到经误差校正后的原始信 号，即为传感器探管的输出信号。由此得到不同频率下探管输出信号的幅度，绘制出 频响特性曲线。结果如图 61 所示，可见探管三轴的频响曲线均较平缓，在通28mm 带内受频率影响较小，因此探管的频响特性更好。28mm 0123456789 0 100 200 300 400 500 Amplitude(mV) Frequency(Hz) Phi28-GE X Y Z 0123456789 0 100 200 300 400 500 600 700 Amplitude(mV) Frequency(Hz) Phi50 X Y Z 图图 61 GE-与国产与国产-两支探管的频响特性两支探管的频响特性28mm50mm 北京航空航天大学硕士学位论文 65 5.2.3 发码电路噪声的消除 在 2010 年 12 月 14 日-16 日进行的场地实验中，进行了曼码通信方案的初次实验， 脱离了原来的 CAN 总线通信。在用软件对利用曼码传输方案采集的信号进行处理时， 发现信号中叠加了 5Hz 的固定频率噪声，如图 62(a)所示。 经分析，该噪声是由发码电路引入的。原通信协议规定，200ms 发送一个通信帧， 帧与帧之间有一定的时间间隔，频率即 5Hz。这种时有时无的发码，使得发码电路对 信号参考地造成了耦合干扰，因此新协议规定帧与帧之间无间隔，以实现连续发码。 根据协议修改 DSP 发码中断程序后，该问题得以解决。 012345678910 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4x 10 -4 S V 012345678910 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 x 10 -4 012345678910 0 1 2 3 4 5 6 7 x 10 -6 frequency (Hz) 012345678910 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8x 10 -6 frequency (Hz) Time(s)Time(s) Amplitude(V) Amplitude(V) Amplitude(V) Amplitude(V) Frequency(Hz)Frequency(Hz) a) 叠加了5Hz噪声的信号时域波形b) 消除了5Hz噪声的信号时域波形 c) 叠加了5Hz噪声的信号频谱d) 消除了5Hz噪声的信号频谱 图图 62 消除消除 5HZ 噪声前后信号时域频域对比噪声前后信号时域频域对比 对比图 62 中的（c）和（d） ，可见改进之后 5Hz 频率分量明显消失，成功消除了 此噪声干扰，并且由于取消了发码间隔，使得发码效率进一步提高。 5.2.4 数据采集与通信板地层的布局 由于信号调理电路部分改动较大，需制做新的数据采集与通信版。考虑到电路板 上同时存在模拟信号与数字信号，而数字信号可能会通过地线对模拟信号产生干扰， 所以存在模拟地与数字地的设计问题39。在旧版电路中，模拟地与数字地的布线与过 孔布局较混乱，隔离效果并不理想，因此新版电路对数字地与模拟地的布局进行了优 第五章 场地实验发现的问题及解决办法 66 化，尽量降低数字地对模拟地的干扰。 图图 63 数据采集与通信板的地层布局数据采集与通信板的地层布局 新版电路采用六层板设计，包含 4 个信号层、1 个电源层和 1 个地层。电源层与地 层位于中间，上下各有 2 个信号层。地层以护沟为界分为数字区和模拟区，如图 63 所 示，模拟区部分主要为信号调理电路，数字区主要为数据通信电路。两片 A/D 芯片 AD7656 横跨护沟40，其 GND 与 AGND 引脚分布在护沟两侧，并通过电感相连，抑 制数字地上的高频干扰。 5.3 本章小结 本章重点介绍了系统设计过程中所遇到的问题和解决办法，成功设计出符合实际 测量要求的井下仪调理电路改进方案，并解决了新调理电路零漂抑制、误差校正等技 术难点。另外，本文还介绍了消除曼码发码电路所引入干扰的方法，以及数据采集通 信板中地平面布局的优化方法等。经过前后共七次的场地实验，系统样机逐渐成型， 性能不断提高，电路刻度标定工作趋于完善，充分验证了有源交变磁场导向定位测控 系统的可行性。 北京航空航天大学硕士学位论文 67 结 论 针对定向连通井、SAGD 平行井等复杂结构井的精确中靶需求，本文提出了有源 交变磁场导向定位测控系统的设计方案，为有源交变磁场导向定位算法的实现提供了 技术自主化的硬件平台。 本文从课题背景、系统总体方案、井下仪设计、地面接口设计，以及试验中遇到 的问题及解决办法五个部分，对本测控系统的设计进行了详细介绍，结合理论研究与 现场实验，给出了一套切实可行的系统实现方案。经过一年多的课题研究，目前已研 制出有源交变磁场导向定位系统样机 2 套，交付山东胜利油田钻井院，并顺利通过地 面实验验证。地面实验数据显示，目前系统样机在源端距目标端 40 米内的测量数据误 差较小可用，达到国外同等水平，满足设计指标要求。此外，本系统较国外系统还有 以下优势： 1、国外同类设备的信号增益档位仅有两个，且档位的切换需在上位机软件中手动 设置。本系统采用 4 个增益档位，由井下仪 CPU 自动切换，使得工作人员能够更方便 地观察测井数据的细节。 2、国外设备的地面接口箱与便携电脑之间采用无线调制解调器配合串口的通讯方 式。但在实际测井中，为了既能给井下仪供电，同时又能方便地观察测井数据，地面 接口箱与电脑相距并不远。本系统则采用 USB 总线接口，增强了系统的通用性。 3、国外设备的软件带有加密狗，每次上井均需缴纳高昂的服务费用。本系统突破 国外技术封锁，仪器成本较低，降低了国内复杂结构井开发领域在设备上的经费投入。 目前，样机虽通过地面实验验证，但由于井位问题还未进行井下作业试验。因此 本课题下一步的工作重点是结合井下试验的结果，进一步完善样机性能，使样机更加 稳定、可靠，成功实现井下作业，达到高精度导向定位需求，并加快其产品化。对下 一步的工作，有几点建议： 1、目前数据采集与通信电路中的某些器件工作温度为 85，如部分电容、 PGA204BU 等，需寻求高温器件替代方案，使井下仪系统的工作温度提升到 125， 进一步满足高温井位的测井需要。 2、进行井下仪电路结构化改版，以适应电路舱的结构设计，使井下仪更加稳固， 增强其可靠性。 3、可通过加强源磁场和提高传感器电路的分辨率等方式，进一步提升导向定位有 北京航空航天大学硕士学位论文 68 效距离。 北京航空航天大学硕士学位论文 69 参考文献 1 李琪, 何华灿, 张绍槐. 复杂地质条件下复杂结构井的钻井优化方案研究J. 石油学 报, 2004, 25(4): 80 2 刘四新. 电磁波测井的现状和发展趋势J. 地球物理学进展, 2004, 19(2): 237 3 胡汉月, 陈庆寿. 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