有源交变磁场导向定位测控系统设计与实现硕士学位论文(编辑修改稿)

有源交变磁场导向定位测控系统设计与实现硕士学位论文(编辑修改稿)内容摘要：

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。 磁性接头生产井蒸汽井信号接收器信号传感器生产井蒸汽井磁性接头 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。 随北京航空航天大学硕士学位论文 3 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 20xx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 20xx 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 Magics 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，其中就包括大第一章 绪论 4 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。 20xx 年廊坊分院组织施工的武 M11 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。 20xx 年底山西晋城大宁煤矿完成 DNP0 DNP02两口羽状水平井，每口井的日产气量约为 2~3 万方。 20xx 年 2 月中联煤公司完成了 DS01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北京航空航天大学硕士学位论文 5 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， 因此急需开展 基于此技术 的 核心 算法以及相应测控手段的研究。 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 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、第一章 绪论 6 双侧向测井接口、密度测井接口、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。 课题来源及意义 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 构成的 常规随钻测量 系统没有 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。 北京航空航天大学硕士学位论文 7 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。 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。 课题研究的主要内容 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，设计下位机与井下仪之间、下位机与上位机之间的通信接口，并制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，实现基本导第一章 绪论 8 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。 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。