基于MC9S12XEP100的旋轉(zhuǎn)磁場定向測距系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　摘要：針對傳統(tǒng)基于地磁導(dǎo)向的連續(xù)測斜系統(tǒng)易受干擾以及慣性導(dǎo)航的陀螺測斜系統(tǒng)具有積分漂移誤差，難以滿足連通井導(dǎo)向定位高精度測量的需求，提出一種基于旋轉(zhuǎn)磁場閉環(huán)定向測距的系統(tǒng)方案，完成了該系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)以及遠(yuǎn)距離通訊協(xié)議設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了地面實(shí)驗(yàn)。該測距系統(tǒng)由地面系統(tǒng)和井下系統(tǒng)組成;其中，井下系統(tǒng)用于數(shù)據(jù)的采集、地面系統(tǒng)用于數(shù)據(jù)接收和命令傳輸，系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)采用曼切斯特碼傳輸以提高精度降低誤碼率。試驗(yàn)表明，在鉆頭靠近目標(biāo)井70m，可檢測到有效信號;在50m范圍內(nèi)，可以控制測量精度在5%。

　　引言

　　隨著石油勘探技術(shù)的不斷發(fā)展和復(fù)雜井的廣泛應(yīng)用，地層結(jié)構(gòu)變得越來越復(fù)雜^[1]。作為復(fù)雜井重要支撐技術(shù)之一——隨鉆測量，在復(fù)雜的地層結(jié)構(gòu)中受到國內(nèi)外鉆井行業(yè)的高度關(guān)注。隨鉆測量系統(tǒng)中井眼軌跡的控制精度直接關(guān)系到連通井井眼對接的成敗，而控制井眼軌跡的關(guān)鍵在于井眼運(yùn)動(dòng)軌跡的高精度測量^[2]。但是，傳統(tǒng)單一井眼進(jìn)行軌跡預(yù)測的隨鉆測量設(shè)備難以滿足時(shí)下復(fù)雜地層中高精度、強(qiáng)抗干擾的要求^[3-4]。

　　為了減小連通井中井眼連通定位誤差，進(jìn)一步提高測量精度，需要研究作業(yè)井與目標(biāo)井導(dǎo)向定位的新方法。國內(nèi)外先后開展了其方法的研究，一方面，論證了靜態(tài)磁場模型難以直接用于精確定位^[5-6]以及開環(huán)系統(tǒng)在測量過程中具有一定的累積誤差^[7];另一方面，對于閉環(huán)動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)磁場測量方法：A.F.Kuckes^[8]等人提出了基于旋轉(zhuǎn)磁場測距系統(tǒng)(RMRS)，論證其在50m范圍內(nèi)具有較好的效果;胡漢月、宗艷波、AI-Khodhori^[9-11]等人驗(yàn)證了該方法用于水平井的對接連通的可行性等。

　　因此，為了測量作業(yè)井與目標(biāo)井的相對位置和相對角度，提出了一種基于旋轉(zhuǎn)磁場定向測距的方案。通過建立基于動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)磁偶極子模型，完成了井下測量和井上通訊的硬件電路的設(shè)計(jì)以及上下板之間的通訊協(xié)議和軟件的開發(fā)。最后，通過地面實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該方案的可行性。

　　1 磁測距系統(tǒng)原理

　　連通井旋轉(zhuǎn)磁場導(dǎo)向測距系統(tǒng)由地面系統(tǒng)和井下系統(tǒng)組成。其中，地面系統(tǒng)包括地面軟件與上位機(jī)、測井絞車;井下系統(tǒng)分為磁工裝和磁測量裝置。磁工裝用于產(chǎn)生一個(gè)交變磁場源;磁測量裝置用于獲取在作業(yè)井鉆頭處的磁場，測量信號借助測井絞車通過電纜傳輸?shù)降孛孢M(jìn)行解碼處理;最后，傳輸?shù)缴衔粰C(jī)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算處理，得到距離和角度。