顏肖平，梁華慶，王志博，王 龍，曹旭東

(中國石油大學(北京)信息科學與工程學院，北京 102249)

0 引言

在鉆井過程中，如果正鉆井附近存在已鉆井(注水井、油井等)，已鉆井的金屬套管受到地磁場磁化作用或自身具有剩磁，會在地層中產(chǎn)生磁化磁場[1-2]，該磁場疊加在地磁場上，從而引起正鉆井井眼中地磁的異常。在正鉆井中，利用高精度磁場測量系統(tǒng)測量此種異常磁場，通過分析計算異常地磁的幅度與方向，即可確定正鉆井與鄰近已鉆井的距離與方位[3-4]，并據(jù)此修正鉆進井眼軌跡設計，以避免井眼相碰或?qū)崿F(xiàn)井眼聯(lián)通。

由于套管產(chǎn)生的磁化磁場強度非常微弱，并以測距的三次方急速衰減，前期研究顯示，當測距超過5 m時其強度已衰減至0.1 nT以下，僅為地磁場強度的1/500 000[5-6]，因此對磁場測量系統(tǒng)的采樣分辨率要求很高。雖然目前應用的隨鉆測量系統(tǒng)(MWD)均含有測量地磁強度單元，但其磁場分辨率通常大于10 nT，無法滿足測距的高精度要求[7]。此外，隨鉆測量系統(tǒng)處在井下高溫、高振動的惡劣工作環(huán)境，對測量系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性也提出了更高要求[8-9]。

鑒于上述，在“十三五”國家科技重大專項的資助下，研制了一套井下高溫環(huán)境中、地磁場強干擾背景下，極微弱磁信號的高精度測量系統(tǒng)，為MWD系統(tǒng)提供及時準確的定位導向數(shù)據(jù)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與方案設計

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計

磁場測量系統(tǒng)作為單獨的測量工具安裝在正鉆井的井下鉆柱組合中。由于需要測量外部磁場，測量工具所處位置鉆鋌的材質(zhì)必須采用無磁特種鋼，磁場測量系統(tǒng)以總成形式安裝在承壓密封的無磁合金鋼筒內(nèi)，此鋼筒位于鉆鋌內(nèi)部中心，兩者之間的空隙用于內(nèi)循環(huán)泥漿。

測量系統(tǒng)的電路固定于鋼筒內(nèi)部鋁骨架上，外徑必須控制在50 mm以內(nèi)，并根據(jù)系統(tǒng)設計需求及電池倉的大小確定總長度，系統(tǒng)總成結(jié)構(gòu)的3D模型如圖1所示。同時，鋁骨架兩端裝配PEEK減震環(huán)，外部安裝薄壁鋁筒，電路測試完畢之后采用高溫硅膠灌封，提高系統(tǒng)的抗震能力。

圖1 磁場隨鉆測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及方案設計示意圖

1.2 系統(tǒng)方案設計

如圖1所示，正鉆井的井眼附近地層中存在相鄰井套管，在正鉆井中測量系統(tǒng)測量的磁信號包含地磁及套管的磁化磁場。隨著距離或者相對方位的變化，磁化磁場幅度也會變化或改變方向，但地磁場幅度與方向保持不變，從而可根據(jù)不同深度點測量得到的總磁場矢量變化梯度來確定兩者之間距離及方位。

磁場隨鉆測量系統(tǒng)主要包含：三軸正交高精度磁通門傳感器及驅(qū)動電路、三通道高精度磁信號采集及控制電路、隔離電源模塊、供電和總線通訊電路及電池倉附屬配置。系統(tǒng)利用磁通門傳感器轉(zhuǎn)換磁場強度為電壓信號，利用采集及控制電路進行信號濾波、ADC數(shù)字化及相關幅度提取，通過通訊總線傳輸數(shù)據(jù)至MWD工具或地面測試系統(tǒng)，數(shù)據(jù)也可以存儲于Flash芯片中，在測后井口地面通過數(shù)據(jù)接口讀取存儲數(shù)據(jù)。為了提高磁信號采集電路的信號采樣精度及抗干擾能力，測量系統(tǒng)采用隔離型電源模塊以隔離與外部總線的電氣連接，電源與測量電路反面安裝，防止外部電源及通訊信號噪聲耦合至測量電路。

系統(tǒng)內(nèi)部安裝電池模塊作為備用電流源，可實現(xiàn)系統(tǒng)獨立工作及不間斷供電測量。電池的電壓一般低于總線供電電壓，如總線上具有電源供電則優(yōu)先使用總線電源。

2 測量電路設計

測量系統(tǒng)的設計指標：磁場強度分辨率為0.1 nT，有效測量精度下溫度不低于125 ℃，最高運行溫度為150 ℃。在分析噪聲源的基礎上，從傳感器選型、芯片選型、濾波電路設計、ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換、LDO電源穩(wěn)壓等關鍵部分進行篩選和設計優(yōu)化。

三軸測量電路框圖如圖2所示，Y、Z軸的濾波、采集電路與X軸相同。

圖2 磁場測量電路框圖

2.1 噪聲分析與抑制方法

電路系統(tǒng)存在外部噪聲和內(nèi)部噪聲，外部噪聲指電磁脈沖、電源紋波等以電壓/電流方式輻射或耦合至測量電路的干擾噪聲，內(nèi)部噪聲為輸入端電壓/電流噪聲、熱噪聲、閃爍噪聲、散粒噪聲、隨機噪聲等[10-11]。假定這些噪聲存在無相關性，則輸出噪聲可表示為

(1)

式中：VnT為總輸出噪聲，V；eR為熱噪聲，V；en為輸入端電壓噪聲，V；in為輸入端電流噪聲，A；Rs為輸入源等效電阻，Ω；Vn(Rex)為外部電壓噪聲，V；Gn為噪聲增益。

熱噪聲又可表示為

(2)

式中：k為玻爾茲曼常量，k=1.38×10-23J/K；T為絕對溫度，K；R為等效電阻，Ω；B為帶寬范圍，Hz。

如何抑制噪聲影響，需要針對式(1)及式(2)所示的各噪聲源進行針對處理。為降低外部電壓噪聲，需做好電路電磁屏蔽、模擬與數(shù)字地隔離、優(yōu)化布線等措施。對于內(nèi)部噪聲抑制，則需采用選取低噪聲水平的傳感器與運算放大器、使用低噪聲電阻及減小阻值、盡量減少噪聲源的數(shù)量等手段[12]。

2.2 高溫傳感器選型

2.3 信號濾波處理

運用LT Spice電路仿真軟件對以上兩級低通濾波電路進行性能仿真，結(jié)果如圖3所示。由于磁信號的電壓范圍為±10 V，ADC芯片的測量量程為±2.5 V，因此濾波電路之后設計有幅度衰減電路，滿足磁場強度±100 μT測量范圍。

(a)

(b)

2.4 高精度ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換

根據(jù)采樣分辨率、SNR等關鍵參數(shù)選型，系統(tǒng)選用了ADS1282HPW芯片，此芯片為32位∑-Δ型ADC，具有31位的有效分辨率[15]，性能指標為：信噪比(SNR)為130 dB(250 SPS)，總諧波失真(THD)為-122 dB，積分非線性(INL)為0.5 ppm(1 ppm=10-6)，采樣比為250～4 000 SPS，測量量程為±2.5 V，溫度范圍為-55～210 ℃，性能可滿足應用環(huán)境[16]。

為防止3個通道的信號互相串擾，系統(tǒng)為每個通道單獨配置一個模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，利用復用的SPI總線配置ADC芯片和讀取轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，同時采用耐溫150 ℃的ARM數(shù)字信號處理器，提取磁信號幅度值后上傳至通訊總線。

2.5 電源穩(wěn)壓處理電路

由于總線上供電電源存在波動及外部電磁干擾[17]，為進一步降低測量電路的電源紋波噪聲，測量電路先采用開關電源完成雙路±15 V電源轉(zhuǎn)換輸出，后利用超低噪聲線性穩(wěn)壓器(LDO)濾除電源紋波。LDO穩(wěn)壓器具有均方根值不超過0.8 μV的超低噪聲(10 Hz～100 kHz)，最終輸出±12 V、±2.5 V穩(wěn)壓電源，提高了系統(tǒng)供電的抗干擾能力。

3 系統(tǒng)性能測試

經(jīng)過不斷完善優(yōu)化，已完成測量電路的設計及制作，并進行了相關性能測試及分析。測量系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及電路實物如圖4所示。

圖4 磁場隨鉆測量系統(tǒng)總成實物圖

3.1 信號采樣精度及線性度測試

首先，對ADS1282進行轉(zhuǎn)換精度測試。將3路ADC的信號輸入引腳接地，檢測芯片在輸入接地情況下的采樣分辨率，采樣頻率為10 Hz，共采集1 000個數(shù)據(jù)點。結(jié)果顯示，信號幅度標準差約為0.71 μV，ADC采樣有效位數(shù)達到22位。

其次，進行信號輸入端噪聲水平測試。將信號輸入端接地，檢測低通濾波電路至ADC采集通道的固有噪聲水平。測試結(jié)果顯示，信號輸入端在增益歸一化后的噪聲幅度標準差約為2.59 μV。由于Mag-610L幅度轉(zhuǎn)換比例為1 nT∶0.1 mV，在0.1 nT磁場分辨率指標下需要的電壓幅度分辨率為10 μV，因此固有噪聲水平到達設計要求。

最后，檢驗ADC轉(zhuǎn)換線性度。采用直流形式輸入電壓信號至采集電路信號輸入端，檢驗及標定輸入信號ADC轉(zhuǎn)換線性度。測試結(jié)果圖5所示，X、Y、Z通道的線性擬合優(yōu)度系數(shù)R2分別為：0.997 1、0.996 1、0.999 2，線性度符合要求。

圖5 輸入信號ADC轉(zhuǎn)換線性度測試曲線

3.2 高溫環(huán)境下測量分辨率測試

為檢驗測量系統(tǒng)的溫度性能，利用電熱恒溫箱 (DGG-9053A)對采集電路加溫測試，溫度范圍為室溫(約25 ℃)～125 ℃。測試過程分為2步：第一步，采用采集電路的信號輸入端接地方式，檢驗電路自身固有噪聲水平受溫度的影響程度；第二步，信號輸入端連接溫箱外部的1.5 V直流電壓信號。依次記錄以上2步測量的幅度偏移量及標準差。

測試結(jié)果如圖6所示。

(a)信號幅度隨溫度漂移曲線

(b)幅度標準差隨溫度變化曲線圖6 測量系統(tǒng)溫度實驗測量結(jié)果

圖6(a)顯示了隨溫度上升信號測量幅度的漂移量(圖中曲線已減去直流偏置)，對比2種連接方式，兩者的變化趨勢相反，但幅度相對漂移量相似，常溫～125 ℃的漂移量約0.8 mV，測量系統(tǒng)也可以據(jù)此測試方法對漂移量進行溫度補償[18]。圖6(b)顯示了隨溫度增高信號測量幅度的標準差變化趨勢。在接地情況下，隨著溫度上升，幅度標準差在2.7 μV左右波動，但在接入1.5 V電壓信號后，隨著溫度增高，標準差大幅增加，在125 ℃時標準差已增長至10 μV左右。相比于熱噪聲理論值，噪聲增長幅度偏大，原因在于隨著溫度上升恒溫箱供電功率增大，對連接外部1.5 V信號線纜的電磁輻射干擾也不斷增強，從而影響了測量電路的噪聲水平，由于實際高溫環(huán)境中在不存在此種情況，因此實際的噪聲幅度應低于此測試值。

3.3 無磁環(huán)境下磁場分辨率測試

由于地面環(huán)境中存在地磁波動及電磁干擾，因此利用磁場屏蔽裝置來檢驗磁場測量系統(tǒng)的整體噪聲水平及磁場幅度分辨率。測試方案如圖7所示，將Mag-610L放入磁場屏蔽裝置，相關電路外部放置，測量數(shù)據(jù)通過RS232串口上傳至測試軟件。

圖7 磁屏蔽實驗裝置及測試方案示意圖

數(shù)據(jù)采樣頻率設為10 Hz，單次采樣1 000數(shù)據(jù)點，重復3次，得到的三軸磁場的直流偏置幅度值及其標準差如表1所示，結(jié)果表明，三軸磁場幅度的標準差均低于0.1 nT，達到設計要求。

表1 磁屏蔽測試三軸磁場強度值及其標準差 nT

4 結(jié)束語

本文從分析噪聲源及可行的抑制方法著手，在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、高溫器件選型、信號濾波與高精度ADC轉(zhuǎn)換、電源穩(wěn)壓處理等方面進行設計和優(yōu)化以實現(xiàn)高溫高精度磁場隨鉆測量。測試結(jié)果表明，ADC采樣有效位數(shù)可達22位，在25～125 ℃度范圍內(nèi)，采集電路的固有噪聲水平低于10 μV，無磁環(huán)境測試結(jié)果表明三軸磁場信號輸入端強度測量分辨率達到0.1 nT設計指標，滿足高溫下測距的測量精度需求。同時，所研制的測量系統(tǒng)還需不斷地通過現(xiàn)場應用和改進以提高可靠性，更好地服務于鉆井工程需求。