余　勇,梁華慶,史　超,吳志永,高德利

(中國石油大學(北京)油氣資源與探測國家重點實驗室，北京　102249)

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鄰井距離隨鉆電磁探測系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

余勇,梁華慶,史超,吳志永,高德利

(中國石油大學(北京)油氣資源與探測國家重點實驗室，北京102249)

鄰井距離隨鉆探測是精細控制復雜結構井井眼軌跡的關鍵技術之一;基于旋轉磁場測距原理，研制了鄰井距離隨鉆電磁探測系統(tǒng);該系統(tǒng)以安裝在鉆頭后方的磁短節(jié)作為交變磁場發(fā)生器，位于鄰井中的三軸磁場傳感器作為信號接收器;針對磁場信號低頻微弱特性，研制了低噪聲、窄通頻帶、高精度數(shù)據(jù)采集電路；采用改進的DFT譜峰法，自動跟蹤鎖定井下三軸磁場信號，濾除其它頻率的雜波和噪聲，精確提取出信號的幅值；采用曼碼通信將井下數(shù)據(jù)傳至地面儀，地面儀據(jù)此計算出鄰井之間的距離和方位，引導鉆進作業(yè);室外測試和現(xiàn)場試驗表明，所研制的鄰井距離探測系統(tǒng)，最大有效測距距離可達50 m，可以滿足SAGD雙水平井和煤層氣連通井的鉆井工程實際需求。

鄰井距離探測；隨鉆測量；旋轉磁場測距；微弱信號采集與處理

0　引言

復雜結構井是以水平井為基本特征的系列井型，包括雙水平井、多分支井、連通井、U型井及多功能組合井等，是高效開發(fā)低滲透、非常規(guī)及海洋等復雜油氣田的先進井型[1-3]。而高精度井間隨鉆測距是復雜結構井精確導向、準確中靶的關鍵技術之一。目前國外研制的井間隨鉆測距儀器主要有旋轉磁場井間測距系統(tǒng)RMRS(rotating magnet ranging system)和磁場定位導向工具MGT(magnetic guidance tool)，但其核心技術被嚴格保密和壟斷，相關的文獻資料很少，而且油田測試服務費用非常昂貴，嚴重制約了復雜結構井在我國油氣田開發(fā)中的推廣應用。各大石油公司都迫切希望開發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權的高性價比的井間隨鉆測距導向系統(tǒng)。為此，中國石油大學(北京)油氣資源與探測國家重點實驗室在國家“十一五”、“十二五”科技重大專項的資助下，對鄰井距離隨鉆電磁探測技術，從測量原理、磁定位信號的產(chǎn)生、井下電磁探測儀，到磁測距導向算法等方面展開了系統(tǒng)的研究，研制成功的鄰井距離隨鉆電磁探測系統(tǒng)已應用于鉆井現(xiàn)場，取得了很好的應用實效，打破了國外公司在該領域的技術壟斷。

1　鄰井距離隨鉆電磁探測原理

圖1　鄰井距離隨鉆電磁探測系統(tǒng)在連通井中的測量原理

圖1所示為鄰井距離隨鉆電磁探測系統(tǒng)應用于連通井中的測量原理[3]。系統(tǒng)由磁短節(jié)(磁信標)、井下電磁測量探管和地面儀組成。磁短節(jié)固定在正鉆井鉆頭后方，隨鉆具一起旋轉產(chǎn)生交變磁場；井下電磁測量探管放在已鉆井中，用于測量磁短節(jié)產(chǎn)生的三軸交變磁場信號，并將測量的數(shù)據(jù)上傳至地面儀，地面儀據(jù)此計算出探管與磁短節(jié)之間的距離和方位，引導鉆進方向，實現(xiàn)兩井連通。

2　鄰井距離隨鉆電磁探測系統(tǒng)結構設計

2.1磁短節(jié)的結構設計

磁短節(jié)由安裝在無磁鉆鋌中的橫向排列的多個永磁體組成，位于鉆頭后方，與鉆具一同旋轉產(chǎn)生交變磁場，是鄰井距離隨鉆電磁探測系統(tǒng)的信號源[4]。

2.2電磁測量探管的結構設計

電磁測量探管的結構[4]如圖2所示，其作用是采集磁短節(jié)產(chǎn)生的磁信號，并將采集到的數(shù)據(jù)通過電纜傳輸?shù)降孛鎯x進行處理，計算出鄰井距離。

圖2　電磁測量探管的結構示意圖

所設計的磁短節(jié)永磁體的表面磁場強度約為5 000高斯，在50米之外磁場強度已衰減到10-8高斯數(shù)量級，傳統(tǒng)的磁通門傳感器無法探測到如此微弱的信號。為此選用高性能的井下三軸磁場傳感器MAG-03MSL70，將交變磁場信號轉換成交變電壓信號。要計算兩口井的相對距離和方位，還需要測得探管所處位置的井斜角、方位角和溫度。在探管中，選用進口的Model544傳感器，其中的三軸加速度傳感器來測量井斜角，三軸磁通門傳感器來測量方位角，溫度傳感器來測量溫度。

3　三軸磁場信號采集電路設計

3.1采集電路總體方案

理論研究和實際測量表明，探管中三軸磁場傳感器輸出的信號具有以下特點：一是信號幅度隨傳播距離的3次方急速衰減；二是信號頻率會隨著鉆頭轉速的改變而變化，頻率范圍在1～4 Hz。

根據(jù)信號上述特點，設計了信號采集電路總體方案。采集系統(tǒng)主要由模擬信號放大濾波電路、A/D轉換電路和微處理器電路構成，如圖3所示。

圖3　信號采集電路框圖

前置放大濾波電路將模擬輸入信號放大至合適的范圍，并濾除1～4 Hz之外的各種噪聲。ADC 模數(shù)轉換電路完成對三路模擬信號的同步高精度采樣，轉換后的數(shù)字信號通過通信接口傳到井下通信板，通信板匯集三軸傳感器數(shù)據(jù)以及其他信息后，通過電纜采用曼碼方式傳至地面。

3.2模擬信號放大濾波電路設計

在微弱信號的檢測電路中，第一級電路的噪聲系數(shù)必須足夠小，應選用超低噪聲、低漂移的放大器作為前置放大級[5-6]。三軸交變磁場傳感器輸出的信號極其微弱，且傳感器的內(nèi)阻也較大，不利于提取有用信號，因此前置放大電路選用噪聲低、共模抑制比高的儀表放大器，能有效地放大有用信號。

與前置放大電路相連的是八階Butterworth帶通濾波器。該濾波器在中心頻率2 Hz處有一個平坦的增益響應，同時從通帶到阻帶有一個陡峭的過渡區(qū)[7]。濾波器幅頻響應如圖4所示，通帶為1～4 Hz，在10 Hz處阻帶衰減>40 dB，可以有效地濾除噪聲，提高信噪比。

圖4　八階帶通濾波器幅頻響應曲線

由于接收信號的動態(tài)范圍大，為了提高儀器的測量精度及輸入動態(tài)范圍，在電路中加入了程控放大電路模塊。程控放大電路是將信號放大到A/D量化的最佳區(qū)間，以提高儀器的動態(tài)范圍和靈敏度。

程控放大器可以通過微處理器直接控制，改變其放大倍數(shù)，可控放大倍數(shù)為1、10、100和1 000。根據(jù)實際輸入的模擬信號大小，電路總的可控放大倍數(shù)為30～30 000倍。

3.3ADC與微控制器接口設計

A/D轉換電路主要是由A/D芯片AD7734組成。AD7734 是美國AD 公司推出的多通道24 位模數(shù)轉換芯片，適合低頻高精度A/ D 轉換器。片內(nèi)差分輸入通道，能把傳感器的小信號變成串行數(shù)據(jù)輸出。由于這種模數(shù)轉換芯片是采用Σ-Δ技術，所以受環(huán)境噪聲的影響比較小,是工業(yè)和過程控制中的理想選擇。

這種轉換器能以20 kHz 或更高的速度對模擬輸入信號進行連續(xù)采樣，采樣速率為MCLKIN/ 512 (由主時鐘MCLKIN 決定，一般為10 MHz) 。采樣信號經(jīng)Σ-ΔADC轉換成數(shù)字信號，該信號經(jīng)數(shù)字濾波后，以確定的速率更新24位數(shù)據(jù)輸出至寄存器。在本設計中AD7734 的輸入范圍-5～5 V，有效數(shù)據(jù)16 位，其每一位轉換為實際信號約為152 μV。

4　曼碼通信電路設計

采用曼徹斯特編碼，通過測井電纜實現(xiàn)井下與地面之間的數(shù)據(jù)和命令的準確、穩(wěn)定、可靠的傳輸。通信系統(tǒng)工作時，發(fā)送的數(shù)據(jù)要按照一定的格式編碼后發(fā)出。傳輸?shù)挠行?shù)據(jù)是16位，且必須給數(shù)據(jù)添加相應的同步信息，以保證系統(tǒng)的正確接收。同時，為了保證通信的可靠性，還為數(shù)據(jù)添加了一位冗余，即，一位奇偶校驗位。發(fā)送的數(shù)據(jù)幀格式如圖6。

圖6　曼徹斯特編碼幀格式

數(shù)據(jù)同步頭由3個半位時鐘的低電平和3個半位時鐘的高電平構成；數(shù)據(jù)為16位數(shù)據(jù)，采用大端模式(即高位在前，低位在后)，數(shù)‘1’由半位時鐘的高電平和半位時鐘的低電平表示，數(shù)‘0’由半位時鐘的低電平和半位時鐘的高電平表示；校驗位為偶校驗(即當每幀數(shù)據(jù)‘1’的個數(shù)為偶數(shù)時該位為‘1’，編碼為從高電平到低平跳變；當每幀數(shù)據(jù)‘0’的個數(shù)為奇數(shù)時該位為‘0’，編碼為從低電平到高電平跳變)。

曼徹斯特編碼功能通過定時器控制，在單片機的兩個I/O口上產(chǎn)生相應的高低電平來實現(xiàn)。運放的兩個輸入端分別為PH、PL。當PH=1、PL=0時，編碼電路發(fā)送出高電平；當PH=0、PL=1時，編碼電路發(fā)送出低電平。通過單片機控制兩輸入端的電平高低實現(xiàn)編碼，然后，經(jīng)過功率放大器放大后調(diào)制到電纜上。這樣就實現(xiàn)了編碼。

曼徹斯特碼的解碼采用軟件和硬件結合方式，具體說來將接收到的電纜上的信號經(jīng)微分電路、放大電路、比較電路后，得到規(guī)則的窄方波信號，然后由單片機進行解碼。

5　數(shù)字信號濾波算法的研究

雖然采用自制的硬件采集濾波電路可以有效地濾除1～4 Hz以外的噪聲和干擾，極大地提高了信噪比。但在1～4 Hz以內(nèi)還含有其它頻率的雜波和噪聲，為能精確地提取出三軸信號的幅值，還需在軟件算法上進一步濾除電路通帶內(nèi)(1～4 Hz)的雜波和噪聲，得到純凈的三軸磁場信號。

離散傅里葉變換(DFT)是頻譜分析常用的方法，檢測過程中截取正弦信號的若干個周期，信號DFT幅度譜的最大值Xmax和正弦信號幅值A滿足關系式Xmax=A×N/2(N為信號長度)，幅度譜的最大值對應的頻率即為正弦信號的頻率。只要在1～4 Hz范圍內(nèi)找到幅度譜最大值，即可檢測出井下交變磁場正弦信號的幅值和頻率[8]。但傳統(tǒng)DFT是對數(shù)字信號的連續(xù)頻譜在整個數(shù)字頻率范圍內(nèi)進行等間隔均勻采樣。對于RMRS這樣的窄帶信號而言，假設經(jīng)過通帶為1～4 Hz的帶通濾波電路后，選取采樣頻率為50 Hz，那么有用信號頻段只占到整個數(shù)字頻率的不足1/10，這意味著DFT將有9/10以上的采集點分布在無用頻率段，不僅造成極大的浪費，而且在數(shù)據(jù)量較短的條件下，頻率采樣間隔較大，很難實現(xiàn)高的頻率分辨率，進而無法精確鎖定有用信號頻率，導致信號幅度檢測的誤差較大。

為此對DFT法進行改進,將DFT的頻率采樣點聚集在有用的0～5 Hz窄帶內(nèi)，這樣，與傳統(tǒng)的DFT譜峰法相比，信號頻率的檢測精度可提高10倍，信號峰值檢測的最大相對誤差也相應的降至原有的1/10以下。

6　系統(tǒng)測試結果與分析

圖9　提取的三軸信號峰峰值隨距離變化曲線

在完成了系統(tǒng)聯(lián)調(diào)后，對其進行野外測試。圖7、8分別為磁短節(jié)距離電磁測量探管20米，50米時A/D 采集的原始時域信號、信號DFT的幅度譜以及經(jīng)過改進的DFT濾波算法處理后信號的時域波形。隨著距離的增加，信號幅值急速減小，而噪聲逐步加大。

圖7　距離20米測試結果

圖8　距離50米測試結果圖7、圖8左右兩邊曲線縱坐標及圖9縱坐標為AD轉換后的值，乘10除以65536可得到電壓V。

圖9為經(jīng)數(shù)字信號處理后檢測出的三軸信號峰峰值隨距離變化的曲線，信號峰峰值基本上是和距離的立方成反比，與理論分析吻合較好。實際應用中，根據(jù)檢測出的三軸信號大小，依據(jù)相關算法[10]，即可求出磁短節(jié)相對于探管的距離和方位。

7　結束語

本文基于旋轉磁場測距原理，研制了鄰井距離隨鉆電磁探測系統(tǒng)。在深入分析待測信號特點的基礎上，設計了信號采集電路，實現(xiàn)了三軸磁場信號的高精度采樣。采用改進的DFT譜峰法，自動跟蹤鎖定井下三軸磁場信號，濾除其它頻率的雜波和噪聲，有效地解決強干擾大噪聲背景下微弱的磁場信號的檢測問題。試驗表明，所設計的系統(tǒng)有效測距范圍可達50米以上，所研制的系統(tǒng)已在新疆18組SAGD雙水平井磁導向鉆井中得以成功應用，鄰井距離測控指標均達到了現(xiàn)場鉆進導向的要求，打破了國外公司在該領域的技術壟斷。

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Design and Implementation of Electromagnetic Detection System for Distance of Adjacent Wells

Yu Yong,Liang Huaqing,Shi Chao,Wu Zhiyong,Gao Deli

(State Key Laboratory of Petroleum Resources and Prospecting,China University of Petroleum (Beijing), Beijing102249，China)

Adjacent wells distance measurement while drilling is one of the key technologies to fine-grained control of complex structures wellbore trajectory. Based on the principle of rotating magnet ranging,an electromagnetic adjacent well detection system while drilling is developed. A magnetic short section is designed and installed behind the drill bit to generate the alternating magnetic field,a tri-axial magnetic field sensor is located in the adjacent well as a signal receiver,and a low-noise,narrow pass band,high-precision data acquisition circuit is developed to detect the weak low-frequency magnetic field signal. A filtering method based on the modified DFT peak spectrum value is proposed to track the alternating magnetic frequency accuratly and extract the magnetic amplitude precisely. The Manchester code communication is used to transmit the downhole data to the surface instrument. The surface instrument calculates the distance and orientation between adjacent wells and guides drilling operations. The outdoor and field tests showed that the maximum measurement distance range of the developed system is up to 50 meters,which can meet the actual demand of drilling engineering.

adjacent well distance measurement; MWD; rotating magnetic field ranging; weak signal acquisition and processing

1671-4598(2016)04-0036-03DOI：10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.04.011

TP23

A

2015-10-09；

2015-11-17。

國家科技重大專項(2011ZX05009-005)。

余勇(1990-)，男，湖北宜城人，碩士研究生，主要從事信號檢測與石油儀器方面的研究。