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摘要：针对传统基于地磁导向的连续测斜系统易受干扰以及惯性导航的陀螺测斜系统具有积分漂移误差，难以满足连通井导向定位高精度测量的需求，提出一种基于旋转磁场闭环定向测距的系统方案，完成了该系统的硬件电路设计、软件设计以及远距离通讯协议设计，并进行了地面实验。该测距系统由地面系统和井下系统组成；其中，井下系统用于数据的采集、地面系统用于数据接收和命令传输，系统之间数据采用曼切斯特码传输以提高精度降低误码率。试验表明，在钻头靠近目标井70m，可检测到有效信号；在50m范围内，可以控制测量精度在5%。本文网络版地址：http：// www.eepw.com.cn/article/248895.htm
关键词：连通井；旋转磁场导向；定向测距；曼切斯特码
DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2014.6.010
随着石油勘探技术的不断发展和复杂井的广泛应用，地层结构变得越来越复杂[1]。作为复杂井重要支撑技术之一——随钻测量，在复杂的地层结构中受到国内外钻井行业的高度关注。随钻测量系统中井眼轨迹的控制精度直接关系到连通井井眼对接的成败，而控制井眼轨迹的关键在于井眼运动轨迹的高精度测量[2]。但是，传统单一井眼进行轨迹预测的随钻测量设备难以满足时下复杂地层中高精度、强抗干扰的要求[3-4]。
为了减小连通井中井眼连通定位误差，进一步提高测量精度，需要研究作业井与目标井导向定位的新方法。国内外先后开展了其方法的研究，一方面，论证了静态磁场模型难以直接用于精确定位[5-6]以及开环系统在测量过程中具有一定的累积误差[7]；另一方面，对于闭环动态旋转磁场测量方法：A.F.Kuckes[8]等人提出了基于旋转磁场测距系统（RMRS），论证其在50m范围内具有较好的效果；胡汉月、宗艳波、AI-Khodhori[9-11]等人验证了该方法用于水平井的对接连通的可行性等。
因此，为了测量作业井与目标井的相对位置和相对角度，提出了一种基于旋转磁场定向测距的方案。通过建立基于动态旋转磁偶极子模型，完成了井下测量和井上通讯的硬件电路的设计以及上下板之间的通讯协议和软件的开发。最后，通过地面实验验证该方案的可行性。
1 磁测距系统原理
连通井旋转磁场导向测距系统由地面系统和井下系统组成。其中，地面系统包括地面软件与上位机、测井绞车；井下系统分为磁工装和磁测量装置。磁工装用于产生一个交变磁场源；磁测量装置用于获取在作业井钻头处的磁场，测量信号借助测井绞车通过电缆传输到地面进行解码处理；最后，传输到上位机进行相关运算处理，得到距离和角度。
2 硬件电路设计
系统硬件由井下测量系统和地面通信系统组成，其设计框图如图2所示。上位机（PC）通过串口发送命令给地面通信系统；地面通信系统接收到命令后，通过1553通讯协议将接收到的命令转发到井下测量系统；井下测量系统接收到地面通信系统，按照通讯协议进行相应处理，处理完成后返回相应数据包至地面通讯系统。正常工作采用1553协议通讯，地面通信系统和井下测量系统以曼彻斯特码进行数据传输；调试时采样串口通信协议。地面通信系统接收完井下传输的数据，将其转发给上位机PC处理。
2.1 井上系统
井上系统在上位机和井下测量系统中起承上启下的作用。一方面用于转发上位机命令；另一方面用于接收井下数据并进行解码操作。其电路包括以MC9S12XEP100为核心的单片机最小系统和以HD6408为核心的编解码电路、信号加载和解调电路。其中，编码信号加载至总线以及从总线上解调出曼彻斯特码的电路如图3所示。虚线左边的电路用于将HD6408编解码芯片产生的编码信号BZO加载至总线LINE；右边电路由两个带通滤波器组成，用于从总线LINE上解调出曼切斯特码信号UDI，送入HD6408进行解码操作。如图3所示。
2.2 井下测量系统
井下测量电路包括：电源模块、测量模块、信号调理电路、A/D转换、通信电路。电源模块采用24V直流电压输入，经过LP2951稳压和滤波后得到15V、12V和5V；测量模块包括磁场、重力加速度和温度信号的测量；信号调理电路将测量的信号进行滤波和放大处理，降低噪声干扰；A/D模块采用24位高精度芯片AD7734将滤波放大后的数据进行模数转换；通信电路主要包括RS232（调试）和1553通信。
磁场测量采用三个正交的MS-0 3 A R型高精度磁通门传感器以Fs=200Hz的频率对其采样；加速度传感器采用Honeywell的QA-T160。由于采集的磁场信号比较微弱（nT级）并且混有噪音，须进行滤波降噪和放大处理。采集的磁场信号其干扰是高频部分，设计采用截止频率分别为6Hz和4Hz低通滤波器进行处理；并将滤波后对信号进行放大，其电路如图5所示，U10A及其前部分组成截止频率为6Hz的低通滤波器，U10B为电压跟随器。信号调理完成后，采用A/D转换电路对模拟信号进行转换；并将转化后的数字信号送入MC9S12XEP100单片机进行相关处理。CPU处理完成后，将信号输出进行编码，其电路如图4所示。
3 软件设计
3.1 通信协议
系统正常工作采用1553协议通过单芯电缆进行数据传输。上位机下传命令如表1所示，主要包括交直流量采集、状态设置、状态查询、通讯握手和停止采集等命令。下位机数据上传格式，采用数据帧长度、数据包、帧校验的形式，其中数据包包含交直流量、状态查询、状态等。如表1。
3.2 井上系统软件流程图
结合1553协议和井上通信系统的功能进行软件开发，其工作流程图如图5所示。首先，系统关闭中断，对PLL、PWM、SCI、PORT、编解码等模块进行初始化，完成初始化工作后开启中断；其次，等待中断，当检测到串口中断时，进行相应的中断处理。系统主要有两大中断：第一，中断20用于转发上位机发送的命令，其中0306命令之后包含状态设置数据包（13Bit）的接收，接收完成后对其进行编码并转发至井下测量系统；中断14用于接收井下系统返回的数据包。数据包在接收完成之后对其进行解码并转发至上位机。最后，清除相关设置，循环等待中断。如图5。 3.3 井下测量软件流程图
井下测量系统主要功能是按照井下系统命令完成相关测量、设置和查询，其流程图如图6所示。系统在完成相关初始化工作之后，进入中断等待；当产生串口中断时，判断是否为命令码，如果为命令码0x03，则接收控制码，否则继续等待。接着，查询是否是1553规定的控制码，如果是则执行相应的操作（如命令码03、控制码04，则进行直流量数据采集），完成相关操作之后根据1553协议返回相应的数据包。最后，清除相应设置，等待下一次中断。
3.4 地面试验
参照动态磁偶极子模型，建立地面试验装置。首先，模拟磁工装，产生交变磁场。在ANSYS电磁仿真的基础上选用温度性能最优的N42SH永磁铁进行设计。为了模拟井下实验中，磁工装短节安装在作业井钻头和螺杆钻具间且永磁体的南北极垂直于钻头的钻井方向，钻头带动永磁体旋转的状态。地面实验采用步进电机带动磁工装短节对其姿态进行调节，根据需要可以控制不同的转速。本次试验以492rad/s的速度进行旋转，产生一个中心频率为1Hz的交变磁场源；其次，数据采集系统。为了便于模拟不同角度和距离的数据采集，利用台架固定测量装置中探管的位置，通过移动磁工装来调节磁工装与探管间的角度和距离。试验在60mX30m的场地上进行，设置测量装置放大倍数为100或200，以5m为基准，移动磁工装进行测量，得到测量点x、y、z三轴的坐标，通过计算得到测量的距离及相对误差，如表2，其中，磁工装与测量装置间的实际距离利用激光器进行定位。由表可知，在50m范围内，测量距离误差在5%以内，超过50m误差急剧增大。如表2。
4 结束语
基于动态磁偶极子模型，提出了以钻头为坐标原点的三维旋转磁场定向测距系统方案。结合动态系统模型完成了基于MC9S12XEP100的旋转磁场定向测距系统硬件设计，制定了井上通讯板和井下测量板之间的通讯协议、软件的设计。搭建地面模拟实验平台，实验结果表明，在50m测量范围内，距离误差在5%以内，满足系统设计需求。为了进一步验证系统的可行性和测量的准确性，有待进行井下测量实验，以进一步改进改进和优化系统。
参考文献：
[1]闫向宏.随钻测井声波传输特性数值模拟研究[D].北京：中国石油大学，2010
[2]张绍槐.现代导向钻井技术的新进展及发展方向[J].石油学报，2003，24（3）：82-85，89
[3]Macmillan S，Mekay A，Grindrod S.Confidence Limits Associated with Values of the Earth’s Magnetic Field Used for Directional Drilling[C].SPE Drilling & Completion，2009，25（2）：230-238.
[4]Pech E，Mintchev M P.Observability Analysis for INS Alignment in Horizontal Drilling [J].IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement，2007，56（5）：1935-1945
[5]胡汉月，陈庆寿.RMRS在水平井钻进中靶作业中的应用[J].地质与勘探，2008，44（6）：90-93
[6]Marschner U，Fischer W J.Indirect Measurement of a Bar Magnet Position Using a Hall Sensor Array[J].IEEE Transactions on Magnetics，2007，43（6）：2728-2730
[7]宗艳波，张军，史晓锋，等.基于旋转磁偶极子的钻井轨迹高精度导向定位方法[J].石油学报，2011，32（2）：1-5
[8]Kuckes A F.Rotating magnet for distance and direction meansurements from a first borehole to a second borehole：US，5589775[P].1996-11-31
[9]胡汉月，向军文，刘海翔，等.SmartMag定向中靶系统工业实验研究[J].探矿工程，2010，37（4）：6-10
[10]宗艳波.旋转磁场定向测距随钻测量仪的研制与实验[J].石油钻探技术，2012，40（6）：110-114
[11]AI-Khodhori S， AI-Riyami H， Holweg P， et al.Connector conductor wells technology in Brunei Shell petroleum： achieving high profitability through Multi-well bores and Down-hole connections[R].SPE 111441，2008
关键词：连通井；旋转磁场导向；定向测距；曼切斯特码
DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2014.6.010
随着石油勘探技术的不断发展和复杂井的广泛应用，地层结构变得越来越复杂[1]。作为复杂井重要支撑技术之一——随钻测量，在复杂的地层结构中受到国内外钻井行业的高度关注。随钻测量系统中井眼轨迹的控制精度直接关系到连通井井眼对接的成败，而控制井眼轨迹的关键在于井眼运动轨迹的高精度测量[2]。但是，传统单一井眼进行轨迹预测的随钻测量设备难以满足时下复杂地层中高精度、强抗干扰的要求[3-4]。
为了减小连通井中井眼连通定位误差，进一步提高测量精度，需要研究作业井与目标井导向定位的新方法。国内外先后开展了其方法的研究，一方面，论证了静态磁场模型难以直接用于精确定位[5-6]以及开环系统在测量过程中具有一定的累积误差[7]；另一方面，对于闭环动态旋转磁场测量方法：A.F.Kuckes[8]等人提出了基于旋转磁场测距系统（RMRS），论证其在50m范围内具有较好的效果；胡汉月、宗艳波、AI-Khodhori[9-11]等人验证了该方法用于水平井的对接连通的可行性等。
因此，为了测量作业井与目标井的相对位置和相对角度，提出了一种基于旋转磁场定向测距的方案。通过建立基于动态旋转磁偶极子模型，完成了井下测量和井上通讯的硬件电路的设计以及上下板之间的通讯协议和软件的开发。最后，通过地面实验验证该方案的可行性。
1 磁测距系统原理
连通井旋转磁场导向测距系统由地面系统和井下系统组成。其中，地面系统包括地面软件与上位机、测井绞车；井下系统分为磁工装和磁测量装置。磁工装用于产生一个交变磁场源；磁测量装置用于获取在作业井钻头处的磁场，测量信号借助测井绞车通过电缆传输到地面进行解码处理；最后，传输到上位机进行相关运算处理，得到距离和角度。
2 硬件电路设计
系统硬件由井下测量系统和地面通信系统组成，其设计框图如图2所示。上位机（PC）通过串口发送命令给地面通信系统；地面通信系统接收到命令后，通过1553通讯协议将接收到的命令转发到井下测量系统；井下测量系统接收到地面通信系统，按照通讯协议进行相应处理，处理完成后返回相应数据包至地面通讯系统。正常工作采用1553协议通讯，地面通信系统和井下测量系统以曼彻斯特码进行数据传输；调试时采样串口通信协议。地面通信系统接收完井下传输的数据，将其转发给上位机PC处理。
2.1 井上系统
井上系统在上位机和井下测量系统中起承上启下的作用。一方面用于转发上位机命令；另一方面用于接收井下数据并进行解码操作。其电路包括以MC9S12XEP100为核心的单片机最小系统和以HD6408为核心的编解码电路、信号加载和解调电路。其中，编码信号加载至总线以及从总线上解调出曼彻斯特码的电路如图3所示。虚线左边的电路用于将HD6408编解码芯片产生的编码信号BZO加载至总线LINE；右边电路由两个带通滤波器组成，用于从总线LINE上解调出曼切斯特码信号UDI，送入HD6408进行解码操作。如图3所示。
2.2 井下测量系统
井下测量电路包括：电源模块、测量模块、信号调理电路、A/D转换、通信电路。电源模块采用24V直流电压输入，经过LP2951稳压和滤波后得到15V、12V和5V；测量模块包括磁场、重力加速度和温度信号的测量；信号调理电路将测量的信号进行滤波和放大处理，降低噪声干扰；A/D模块采用24位高精度芯片AD7734将滤波放大后的数据进行模数转换；通信电路主要包括RS232（调试）和1553通信。
磁场测量采用三个正交的MS-0 3 A R型高精度磁通门传感器以Fs=200Hz的频率对其采样；加速度传感器采用Honeywell的QA-T160。由于采集的磁场信号比较微弱（nT级）并且混有噪音，须进行滤波降噪和放大处理。采集的磁场信号其干扰是高频部分，设计采用截止频率分别为6Hz和4Hz低通滤波器进行处理；并将滤波后对信号进行放大，其电路如图5所示，U10A及其前部分组成截止频率为6Hz的低通滤波器，U10B为电压跟随器。信号调理完成后，采用A/D转换电路对模拟信号进行转换；并将转化后的数字信号送入MC9S12XEP100单片机进行相关处理。CPU处理完成后，将信号输出进行编码，其电路如图4所示。
3 软件设计
3.1 通信协议
系统正常工作采用1553协议通过单芯电缆进行数据传输。上位机下传命令如表1所示，主要包括交直流量采集、状态设置、状态查询、通讯握手和停止采集等命令。下位机数据上传格式，采用数据帧长度、数据包、帧校验的形式，其中数据包包含交直流量、状态查询、状态等。如表1。
3.2 井上系统软件流程图
结合1553协议和井上通信系统的功能进行软件开发，其工作流程图如图5所示。首先，系统关闭中断，对PLL、PWM、SCI、PORT、编解码等模块进行初始化，完成初始化工作后开启中断；其次，等待中断，当检测到串口中断时，进行相应的中断处理。系统主要有两大中断：第一，中断20用于转发上位机发送的命令，其中0306命令之后包含状态设置数据包（13Bit）的接收，接收完成后对其进行编码并转发至井下测量系统；中断14用于接收井下系统返回的数据包。数据包在接收完成之后对其进行解码并转发至上位机。最后，清除相关设置，循环等待中断。如图5。 3.3 井下测量软件流程图
井下测量系统主要功能是按照井下系统命令完成相关测量、设置和查询，其流程图如图6所示。系统在完成相关初始化工作之后，进入中断等待；当产生串口中断时，判断是否为命令码，如果为命令码0x03，则接收控制码，否则继续等待。接着，查询是否是1553规定的控制码，如果是则执行相应的操作（如命令码03、控制码04，则进行直流量数据采集），完成相关操作之后根据1553协议返回相应的数据包。最后，清除相应设置，等待下一次中断。
3.4 地面试验
参照动态磁偶极子模型，建立地面试验装置。首先，模拟磁工装，产生交变磁场。在ANSYS电磁仿真的基础上选用温度性能最优的N42SH永磁铁进行设计。为了模拟井下实验中，磁工装短节安装在作业井钻头和螺杆钻具间且永磁体的南北极垂直于钻头的钻井方向，钻头带动永磁体旋转的状态。地面实验采用步进电机带动磁工装短节对其姿态进行调节，根据需要可以控制不同的转速。本次试验以492rad/s的速度进行旋转，产生一个中心频率为1Hz的交变磁场源；其次，数据采集系统。为了便于模拟不同角度和距离的数据采集，利用台架固定测量装置中探管的位置，通过移动磁工装来调节磁工装与探管间的角度和距离。试验在60mX30m的场地上进行，设置测量装置放大倍数为100或200，以5m为基准，移动磁工装进行测量，得到测量点x、y、z三轴的坐标，通过计算得到测量的距离及相对误差，如表2，其中，磁工装与测量装置间的实际距离利用激光器进行定位。由表可知，在50m范围内，测量距离误差在5%以内，超过50m误差急剧增大。如表2。
4 结束语
基于动态磁偶极子模型，提出了以钻头为坐标原点的三维旋转磁场定向测距系统方案。结合动态系统模型完成了基于MC9S12XEP100的旋转磁场定向测距系统硬件设计，制定了井上通讯板和井下测量板之间的通讯协议、软件的设计。搭建地面模拟实验平台，实验结果表明，在50m测量范围内，距离误差在5%以内，满足系统设计需求。为了进一步验证系统的可行性和测量的准确性，有待进行井下测量实验，以进一步改进改进和优化系统。
参考文献：
[1]闫向宏.随钻测井声波传输特性数值模拟研究[D].北京：中国石油大学，2010
[2]张绍槐.现代导向钻井技术的新进展及发展方向[J].石油学报，2003，24（3）：82-85，89
[3]Macmillan S，Mekay A，Grindrod S.Confidence Limits Associated with Values of the Earth’s Magnetic Field Used for Directional Drilling[C].SPE Drilling & Completion，2009，25（2）：230-238.
[4]Pech E，Mintchev M P.Observability Analysis for INS Alignment in Horizontal Drilling [J].IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement，2007，56（5）：1935-1945
[5]胡汉月，陈庆寿.RMRS在水平井钻进中靶作业中的应用[J].地质与勘探，2008，44（6）：90-93
[6]Marschner U，Fischer W J.Indirect Measurement of a Bar Magnet Position Using a Hall Sensor Array[J].IEEE Transactions on Magnetics，2007，43（6）：2728-2730
[7]宗艳波，张军，史晓锋，等.基于旋转磁偶极子的钻井轨迹高精度导向定位方法[J].石油学报，2011，32（2）：1-5
[8]Kuckes A F.Rotating magnet for distance and direction meansurements from a first borehole to a second borehole：US，5589775[P].1996-11-31
[9]胡汉月，向军文，刘海翔，等.SmartMag定向中靶系统工业实验研究[J].探矿工程，2010，37（4）：6-10
[10]宗艳波.旋转磁场定向测距随钻测量仪的研制与实验[J].石油钻探技术，2012，40（6）：110-114
[11]AI-Khodhori S， AI-Riyami H， Holweg P， et al.Connector conductor wells technology in Brunei Shell petroleum： achieving high profitability through Multi-well bores and Down-hole connections[R].SPE 111441，2008