鄰井距離隨鉆電磁探測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

余　勇,梁華慶,史　超,吳志永,高德利

(中國(guó)石油大學(xué)(北京)油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京　102249)

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鄰井距離隨鉆電磁探測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

余勇,梁華慶,史超,吳志永,高德利

(中國(guó)石油大學(xué)(北京)油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京102249)

鄰井距離隨鉆探測(cè)是精細(xì)控制復(fù)雜結(jié)構(gòu)井井眼軌跡的關(guān)鍵技術(shù)之一;基于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)測(cè)距原理，研制了鄰井距離隨鉆電磁探測(cè)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(chǎng)發(fā)生器，位于鄰井中的三軸磁場(chǎng)傳感器作為信號(hào)接收器;針對(duì)磁場(chǎng)信號(hào)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(jìn)的DFT譜峰法，自動(dòng)跟蹤鎖定井下三軸磁場(chǎng)信號(hào)，濾除其它頻率的雜波和噪聲，精確提取出信號(hào)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(jì)算出鄰井之間的距離和方位，引導(dǎo)鉆進(jìn)作業(yè);室外測(cè)試和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，所研制的鄰井距離探測(cè)系統(tǒng)，最大有效測(cè)距距離可達(dá)50 m，可以滿(mǎn)足SAGD雙水平井和煤層氣連通井的鉆井工程實(shí)際需求。

鄰井距離探測(cè)；隨鉆測(cè)量；旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)測(cè)距；微弱信號(hào)采集與處理

0　引言

復(fù)雜結(jié)構(gòu)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(kāi)發(fā)低滲透、非常規(guī)及海洋等復(fù)雜油氣田的先進(jìn)井型[1-3]。而高精度井間隨鉆測(cè)距是復(fù)雜結(jié)構(gòu)井精確導(dǎo)向、準(zhǔn)確中靶的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前國(guó)外研制的井間隨鉆測(cè)距儀器主要有旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)井間測(cè)距系統(tǒng)RMRS(rotating magnet ranging system)和磁場(chǎng)定位導(dǎo)向工具M(jìn)GT(magnetic guidance tool)，但其核心技術(shù)被嚴(yán)格保密和壟斷，相關(guān)的文獻(xiàn)資料很少，而且油田測(cè)試服務(wù)費(fèi)用非常昂貴，嚴(yán)重制約了復(fù)雜結(jié)構(gòu)井在我國(guó)油氣田開(kāi)發(fā)中的推廣應(yīng)用。各大石油公司都迫切希望開(kāi)發(fā)出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高性?xún)r(jià)比的井間隨鉆測(cè)距導(dǎo)向系統(tǒng)。為此，中國(guó)石油大學(xué)(北京)油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在國(guó)家“十一五”、“十二五”科技重大專(zhuān)項(xiàng)的資助下，對(duì)鄰井距離隨鉆電磁探測(cè)技術(shù)，從測(cè)量原理、磁定位信號(hào)的產(chǎn)生、井下電磁探測(cè)儀，到磁測(cè)距導(dǎo)向算法等方面展開(kāi)了系統(tǒng)的研究，研制成功的鄰井距離隨鉆電磁探測(cè)系統(tǒng)已應(yīng)用于鉆井現(xiàn)場(chǎng)，取得了很好的應(yīng)用實(shí)效，打破了國(guó)外公司在該領(lǐng)域的技術(shù)壟斷。

1　鄰井距離隨鉆電磁探測(cè)原理

圖1　鄰井距離隨鉆電磁探測(cè)系統(tǒng)在連通井中的測(cè)量原理

圖1所示為鄰井距離隨鉆電磁探測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用于連通井中的測(cè)量原理[3]。系統(tǒng)由磁短節(jié)(磁信標(biāo))、井下電磁測(cè)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(zhuǎn)產(chǎn)生交變磁場(chǎng)；井下電磁測(cè)量探管放在已鉆井中，用于測(cè)量磁短節(jié)產(chǎn)生的三軸交變磁場(chǎng)信號(hào)，并將測(cè)量的數(shù)據(jù)上傳至地面儀，地面儀據(jù)此計(jì)算出探管與磁短節(jié)之間的距離和方位，引導(dǎo)鉆進(jìn)方向，實(shí)現(xiàn)兩井連通。

2　鄰井距離隨鉆電磁探測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1磁短節(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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

2.2電磁測(cè)量探管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電磁測(cè)量探管的結(jié)構(gòu)[4]如圖2所示，其作用是采集磁短節(jié)產(chǎn)生的磁信號(hào)，并將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)電纜傳輸?shù)降孛鎯x進(jìn)行處理，計(jì)算出鄰井距離。

圖2　電磁測(cè)量探管的結(jié)構(gòu)示意圖

所設(shè)計(jì)的磁短節(jié)永磁體的表面磁場(chǎng)強(qiáng)度約為5 000高斯，在50米之外磁場(chǎng)強(qiáng)度已衰減到10-8高斯數(shù)量級(jí)，傳統(tǒng)的磁通門(mén)傳感器無(wú)法探測(cè)到如此微弱的信號(hào)。為此選用高性能的井下三軸磁場(chǎng)傳感器MAG-03MSL70，將交變磁場(chǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)換成交變電壓信號(hào)。要計(jì)算兩口井的相對(duì)距離和方位，還需要測(cè)得探管所處位置的井斜角、方位角和溫度。在探管中，選用進(jìn)口的Model544傳感器，其中的三軸加速度傳感器來(lái)測(cè)量井斜角，三軸磁通門(mén)傳感器來(lái)測(cè)量方位角，溫度傳感器來(lái)測(cè)量溫度。

3　三軸磁場(chǎng)信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)

3.1采集電路總體方案

理論研究和實(shí)際測(cè)量表明，探管中三軸磁場(chǎng)傳感器輸出的信號(hào)具有以下特點(diǎn)：一是信號(hào)幅度隨傳播距離的3次方急速衰減；二是信號(hào)頻率會(huì)隨著鉆頭轉(zhuǎn)速的改變而變化，頻率范圍在1～4 Hz。

根據(jù)信號(hào)上述特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了信號(hào)采集電路總體方案。采集系統(tǒng)主要由模擬信號(hào)放大濾波電路、A/D轉(zhuǎn)換電路和微處理器電路構(gòu)成，如圖3所示。

圖3　信號(hào)采集電路框圖

前置放大濾波電路將模擬輸入信號(hào)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(zhuǎn)換電路完成對(duì)三路模擬信號(hào)的同步高精度采樣，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)通過(guò)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(guò)電纜采用曼碼方式傳至地面。

3.2模擬信號(hào)放大濾波電路設(shè)計(jì)

在微弱信號(hào)的檢測(cè)電路中，第一級(jí)電路的噪聲系數(shù)必須足夠小，應(yīng)選用超低噪聲、低漂移的放大器作為前置放大級(jí)[5-6]。三軸交變磁場(chǎng)傳感器輸出的信號(hào)極其微弱，且傳感器的內(nèi)阻也較大，不利于提取有用信號(hào)，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(hào)。

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(gè)平坦的增益響應(yīng)，同時(shí)從通帶到阻帶有一個(gè)陡峭的過(guò)渡區(qū)[7]。濾波器幅頻響應(yīng)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(yīng)曲線

由于接收信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍大，為了提高儀器的測(cè)量精度及輸入動(dòng)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(hào)放大到A/D量化的最佳區(qū)間，以提高儀器的動(dòng)態(tài)范圍和靈敏度。

程控放大器可以通過(guò)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(shí)際輸入的模擬信號(hào)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(shè)計(jì)

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

這種轉(zhuǎn)換器能以20 kHz 或更高的速度對(duì)模擬輸入信號(hào)進(jìn)行連續(xù)采樣，采樣速率為MCLKIN/ 512 (由主時(shí)鐘MCLKIN 決定，一般為10 MHz) 。采樣信號(hào)經(jīng)Σ-ΔADC轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，該信號(hào)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(shè)計(jì)中AD7734 的輸入范圍-5～5 V，有效數(shù)據(jù)16 位，其每一位轉(zhuǎn)換為實(shí)際信號(hào)約為152 μV。

4　曼碼通信電路設(shè)計(jì)

采用曼徹斯特編碼，通過(guò)測(cè)井電纜實(shí)現(xiàn)井下與地面之間的數(shù)據(jù)和命令的準(zhǔn)確、穩(wěn)定、可靠的傳輸。通信系統(tǒng)工作時(shí)，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(yīng)的同步信息，以保證系統(tǒng)的正確接收。同時(shí)，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(yàn)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(gè)半位時(shí)鐘的低電平和3個(gè)半位時(shí)鐘的高電平構(gòu)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(shí)鐘的高電平和半位時(shí)鐘的低電平表示，數(shù)‘0’由半位時(shí)鐘的低電平和半位時(shí)鐘的高電平表示；校驗(yàn)位為偶校驗(yàn)(即當(dāng)每幀數(shù)據(jù)‘1’的個(gè)數(shù)為偶數(shù)時(shí)該位為‘1’，編碼為從高電平到低平跳變；當(dāng)每幀數(shù)據(jù)‘0’的個(gè)數(shù)為奇數(shù)時(shí)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(guò)定時(shí)器控制，在單片機(jī)的兩個(gè)I/O口上產(chǎn)生相應(yīng)的高低電平來(lái)實(shí)現(xiàn)。運(yùn)放的兩個(gè)輸入端分別為PH、PL。當(dāng)PH=1、PL=0時(shí)，編碼電路發(fā)送出高電平；當(dāng)PH=0、PL=1時(shí)，編碼電路發(fā)送出低電平。通過(guò)單片機(jī)控制兩輸入端的電平高低實(shí)現(xiàn)編碼，然后，經(jīng)過(guò)功率放大器放大后調(diào)制到電纜上。這樣就實(shí)現(xiàn)了編碼。

曼徹斯特碼的解碼采用軟件和硬件結(jié)合方式，具體說(shuō)來(lái)將接收到的電纜上的信號(hào)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(hào)，然后由單片機(jī)進(jìn)行解碼。

5　數(shù)字信號(hào)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?xún)?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(hào)的幅值，還需在軟件算法上進(jìn)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(chǎng)信號(hào)。

離散傅里葉變換(DFT)是頻譜分析常用的方法，檢測(cè)過(guò)程中截取正弦信號(hào)的若干個(gè)周期，信號(hào)DFT幅度譜的最大值Xmax和正弦信號(hào)幅值A(chǔ)滿(mǎn)足關(guān)系式Xmax=A×N/2(N為信號(hào)長(zhǎng)度)，幅度譜的最大值對(duì)應(yīng)的頻率即為正弦信號(hào)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(cè)出井下交變磁場(chǎng)正弦信號(hào)的幅值和頻率[8]。但傳統(tǒng)DFT是對(duì)數(shù)字信號(hào)的連續(xù)頻譜在整個(gè)數(shù)字頻率范圍內(nèi)進(jìn)行等間隔均勻采樣。對(duì)于RMRS這樣的窄帶信號(hào)而言，假設(shè)經(jīng)過(guò)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(hào)頻段只占到整個(gè)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(diǎn)分布在無(wú)用頻率段，不僅造成極大的浪費(fèi)，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(shí)現(xiàn)高的頻率分辨率，進(jìn)而無(wú)法精確鎖定有用信號(hào)頻率，導(dǎo)致信號(hào)幅度檢測(cè)的誤差較大。

為此對(duì)DFT法進(jìn)行改進(jìn),將DFT的頻率采樣點(diǎn)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(hào)頻率的檢測(cè)精度可提高10倍，信號(hào)峰值檢測(cè)的最大相對(duì)誤差也相應(yīng)的降至原有的1/10以下。

6　系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果與分析

圖9　提取的三軸信號(hào)峰峰值隨距離變化曲線

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

圖7　距離20米測(cè)試結(jié)果

圖8　距離50米測(cè)試結(jié)果圖7、圖8左右兩邊曲線縱坐標(biāo)及圖9縱坐標(biāo)為AD轉(zhuǎn)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(hào)處理后檢測(cè)出的三軸信號(hào)峰峰值隨距離變化的曲線，信號(hào)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(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)檢測(cè)出的三軸信號(hào)大小，依據(jù)相關(guān)算法[10]，即可求出磁短節(jié)相對(duì)于探管的距離和方位。

7　結(jié)束語(yǔ)

本文基于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)測(cè)距原理，研制了鄰井距離隨鉆電磁探測(cè)系統(tǒng)。在深入分析待測(cè)信號(hào)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了信號(hào)采集電路，實(shí)現(xiàn)了三軸磁場(chǎng)信號(hào)的高精度采樣。采用改進(jìn)的DFT譜峰法，自動(dòng)跟蹤鎖定井下三軸磁場(chǎng)信號(hào)，濾除其它頻率的雜波和噪聲，有效地解決強(qiáng)干擾大噪聲背景下微弱的磁場(chǎng)信號(hào)的檢測(cè)問(wèn)題。試驗(yàn)表明，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)有效測(cè)距范圍可達(dá)50米以上，所研制的系統(tǒng)已在新疆18組SAGD雙水平井磁導(dǎo)向鉆井中得以成功應(yīng)用，鄰井距離測(cè)控指標(biāo)均達(dá)到了現(xiàn)場(chǎng)鉆進(jìn)導(dǎo)向的要求，打破了國(guó)外公司在該領(lǐng)域的技術(shù)壟斷。

[1] 沈忠厚,黃洪春,高德利. 世界鉆井技術(shù)新進(jìn)展及發(fā)展趨勢(shì)分析[J]. 中國(guó)石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2009 ,33(4): 64-70.

[2] 宗艷波,張軍,史曉鋒,等. 基于旋轉(zhuǎn)磁偶極子的鉆井軌跡高精度導(dǎo)向定位方法[J],石油學(xué)報(bào),2011,32(2): 335-339.

[3] Oskarsen R T，Wright J W. Rotating magnetic ranging service and single wire guidance tool facilitates in efficient downhole well connections [J]. SPE/IADC 119420,2009.

[4] 高德利，孫東奎，吳志永，等.一種鄰井距離隨鉆電磁探測(cè)系統(tǒng)[P]. 200910210076.6，2009-11-04.

[5] 戴逸松. 微弱信號(hào)檢測(cè)方法及儀器[M]. 北京: 國(guó)防工業(yè)出版社,1994.

[6] Leach X W. Fundamentals of low noise analog circuit design [J]. IEEE proceeding,1994，82(10): 1515-1538.

[7] 遠(yuǎn)坂俊昭.測(cè)量電子電路設(shè)計(jì)—濾波器篇[M]. 彭軍,譯.北京:科學(xué)出版社,2006.

[8] 梁華慶,耿敏. 一種用于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)井間測(cè)距的頻變信號(hào)消噪方法及裝置. 201210165021.X[P].2012-05-25.

[9] 梁華慶,耿敏，時(shí)東海，等. 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)井間隨鉆測(cè)距導(dǎo)向系統(tǒng)中微弱頻變信號(hào)的檢測(cè)方法[J].中國(guó)石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)2013,37(4): 83-87.

[10] 高德利,刁斌斌,張輝. 一種用于鄰井距離隨鉆電磁探測(cè)的計(jì)算方法. 200910210079.X[P].2009-11-04.

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(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)(2011ZX05009-005)。

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