旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)井間測(cè)距信號(hào)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

時(shí)東海，梁華慶，史 超

（中國(guó)石油大學(xué)（北京）地球物理與信息工程學(xué)院，北京 1 02249）

我國(guó)剩余的石油和天然氣儲(chǔ)量大多屬于低品位或難動(dòng)用資源，其開發(fā)難度越來(lái)越大，還有煤層氣開發(fā)問(wèn)題，都對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)井技術(shù)提出越來(lái)越高的迫切需求。為了提高采收率，雙水平井、連通井、U型井、多功能組合井及叢式井等復(fù)雜結(jié)構(gòu)井在我國(guó)正大力推廣。而高精度導(dǎo)向定位技術(shù)是實(shí)現(xiàn)這些現(xiàn)代復(fù)雜結(jié)構(gòu)井鉆井的關(guān)鍵技術(shù)。利用對(duì)電磁場(chǎng)/磁場(chǎng)源的三維磁場(chǎng)矢量的測(cè)量來(lái)判斷測(cè)量點(diǎn)與發(fā)射源的空間距離的引導(dǎo)設(shè)備在國(guó)外已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，但其核心技術(shù)都被保密和壟斷。雖然我國(guó)近年來(lái)開展了大量的磁場(chǎng)測(cè)距導(dǎo)向技術(shù)的研究工作，但無(wú)論是在測(cè)量理論方面還是在檢測(cè)技術(shù)方面與國(guó)外還存在著較大差距，實(shí)際裝備研制尚處于初步階段[1-4]。文中針對(duì)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)測(cè)距導(dǎo)向系統(tǒng)RMRS （Rotating Magnet Ranging System）中電磁干擾強(qiáng)、信號(hào)微弱的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了低噪聲、大動(dòng)態(tài)范圍、超低頻、窄通頻帶、高精度數(shù)據(jù)采集電路，為實(shí)現(xiàn)井間距離的精確測(cè)量奠定基礎(chǔ)。

1 RMRS信號(hào)采集系統(tǒng)

1.1 RMRS信號(hào)特點(diǎn)

理論研究和實(shí)際測(cè)量表明，RMRS的磁場(chǎng)信號(hào)具有以下3個(gè)特點(diǎn)：

1）信號(hào)微弱，信號(hào)幅度隨傳播距離的三次方急速衰減。當(dāng)距離從幾米增加至50 m時(shí)，信號(hào)幅度從幾千nT急速衰減至幾nT；

2）信號(hào)是超低頻、窄帶、頻變的信號(hào)，其頻率會(huì)隨著鉆頭轉(zhuǎn)速的改變而變化，頻率變化范圍在2.0～4.0 Hz；

3）信號(hào)中含有大量電磁干擾和噪聲，當(dāng)測(cè)量距離超過(guò)30 m之后，有用信號(hào)已被干擾和噪聲所淹沒(méi)。

1.2 RMRS信號(hào)采集系統(tǒng)的組成

根據(jù)RMRS信號(hào)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)采集系統(tǒng)，其主要由三軸磁場(chǎng)傳感器（Mag-03MSL70）、前置交流提取電路、濾波放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路和曼切斯特碼通信電路構(gòu)成，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 RMRS信號(hào)采集系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of the RMRS signal acquisition system

各模塊作用為：三軸磁場(chǎng)傳感器將磁場(chǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)；前置交流放大器和Butterworth低通濾波器將磁場(chǎng)傳感器輸出的超低頻微弱信號(hào)轉(zhuǎn)換為模數(shù)轉(zhuǎn)換器能測(cè)量電信號(hào)，本文信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)體現(xiàn)了其重要作用；模數(shù)轉(zhuǎn)化電路將模擬電信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)；曼切斯特碼通信模塊將數(shù)字信號(hào)通過(guò)測(cè)井電纜從井下傳輸?shù)降孛嬗?jì)算機(jī)，然后進(jìn)行信號(hào)處理與分析。

2 調(diào)理電路設(shè)計(jì)

2.1 Mag-03MSL70簡(jiǎn)介

Mag-03MSL70是英國(guó)Bartington Instruments公司生成的三軸磁通門磁場(chǎng)傳感器，它具有高性能磁通門探頭，可以對(duì)三軸磁場(chǎng)Bx、By和Bz進(jìn)行高精度測(cè)量，磁場(chǎng)測(cè)量范圍為0～±70 uT，其對(duì)應(yīng)的輸出模擬電壓范圍為 0 ～±10 V，即對(duì)應(yīng)關(guān)系為0.143 mV/nT，其噪聲水平在1 Hz時(shí)小于6pT rms/

2.2 前置交流放大電路設(shè)計(jì)

由于Mag-03MSL70模擬輸出信號(hào)為靜止的地磁場(chǎng)和交變的RMRS信號(hào)的疊加，在使用Mag-03MSL70測(cè)量超低頻的RMRS信號(hào)時(shí)，其第一級(jí)前置交流放大電路至關(guān)重要。在本級(jí)電路中采用帶增益的正反饋型多極點(diǎn)有源高通濾波放大電路，如圖2所示，既可以去掉地磁場(chǎng)直流分量，又可以有效的放大有用信號(hào)。其中考慮到運(yùn)放偏置電流的影響，R1、R2取值應(yīng)小一些，這樣也可減小系統(tǒng)噪聲[5-6]。

圖2 前置交流放大電路Fig.2 Front AC amplifier circuit

2.3 Butterworth低通濾波器設(shè)計(jì)

為了有效提取超低頻2.0～5.0 Hz的有用信號(hào)，抑制高頻干擾，提高信噪比，選用6階Butterworth低通濾波器，由三級(jí)2階正反饋型低通濾波器構(gòu)成，如圖3所示。

2階正反饋型低通濾波器的優(yōu)點(diǎn)是輸入阻抗大，輸出阻抗小，增益易調(diào)節(jié)，通帶平坦[7]。其傳遞函數(shù)為

電路中決定頻率的RC值的大小不會(huì)影響到Q值，同時(shí)Q值決定增益，即調(diào)整增益即可調(diào)整Q值[8]。

圖3 正反饋型低通濾波器Fig.3 Positive feedback type low-pass filter

由歸一化表計(jì)算出濾波器元器件參數(shù)后，根據(jù)電阻標(biāo)稱確定各電阻大小，其中 R7=681 kΩ、R11=5.83 kΩ、R15=14.7 kΩ，在制作PCB板時(shí)應(yīng)注意，決定增益的電阻應(yīng)使用高精密電阻，在使用前最好使用高精度萬(wàn)用表測(cè)量其參數(shù)，這樣才能保證做出的實(shí)際濾波器和設(shè)計(jì)濾波器保持一致。

表1 巴特沃斯低通濾波器歸一化表Tab.1 Butterworth low-pass filter normalized table

用頻率響應(yīng)分析儀PSM1700對(duì)所設(shè)計(jì)的電路的幅頻特性進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果如圖4所示。其在通帶1.7～5.8 Hz范圍內(nèi)具有非常平坦的響應(yīng)，增益為38 dB；而0.1 Hz以下信號(hào)的增益為-5 dB，相對(duì)與通帶信號(hào)衰減了43 dB；而50 Hz以上信號(hào)的增益為-22 dB，相對(duì)與通帶信號(hào)衰減了60 dB。達(dá)到了預(yù)定的設(shè)計(jì)要求。

圖4 電路的幅頻特性Fig.4 Amplitude-frequency characteristics of the circuit

3 采集系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果與分析

3.1 測(cè)試電路

用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生頻率為2.0 Hz的正弦信號(hào)作為采集系統(tǒng)的輸入信號(hào)。分別用納伏表（Model 2182A Nanovoltmeter）和所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)采集該輸入信號(hào)的峰峰值，測(cè)試系統(tǒng)的采集精度，測(cè)量結(jié)果列于表2中。由表可見，采集系統(tǒng)測(cè)量誤差小于2%，可以滿足實(shí)際測(cè)量需求。

3.2 系統(tǒng)室外測(cè)試

在完成了RMRS信號(hào)采集系統(tǒng)聯(lián)調(diào)后，對(duì)其進(jìn)行室外測(cè)試。用電機(jī)帶動(dòng)自制的磁短節(jié)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生頻率約為1.8 Hz的磁場(chǎng)信號(hào)，在Mag-03MSL70傳感器與磁短節(jié)相距15、20、25、30、35、40、45 m時(shí)，分別用24位高精度采集儀 DP240和自制的采集電路采集此磁場(chǎng)信號(hào)。圖5～7所示分別為15、30、40 m時(shí)采集的信號(hào)與處理的結(jié)果。圖中（a）為采集儀DP240采集的X、Y、Z三軸磁場(chǎng)信號(hào)的時(shí)域波形，（b）為自制的采集電路采集的三軸磁場(chǎng)信號(hào)的時(shí)域波形，（c）為對(duì)應(yīng)（b）中信號(hào)的頻譜，（d）是經(jīng)過(guò)進(jìn)一步數(shù)字信號(hào)處理后的三軸磁場(chǎng)信號(hào)的時(shí)域波形。

表2 采集板測(cè)試結(jié)果Tab.2 Acquisition board test results

由圖可見，自制的采集電路可以有效地濾除1～5 Hz以外的噪聲和干擾，極大地提高了信噪比；隨著距離的增加，信號(hào)幅值急速減小，而噪聲逐步加大；經(jīng)過(guò)數(shù)字信號(hào)處理后，進(jìn)一步濾除了硬件電路通帶內(nèi)（1～5 Hz）其它頻率的雜波和噪聲，得到純凈的磁場(chǎng)信號(hào)。

實(shí)測(cè)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的RMRS信號(hào)采集系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)5～50 m距離的可靠測(cè)量。

圖5 15米測(cè)試結(jié)果Fig.5 Test results at 15 meters

圖6 30米測(cè)試結(jié)果Fig.6 Test results at 30 meters

圖7 40米測(cè)試結(jié)果Fig.7 Test results at 40 meters

4 結(jié)束語(yǔ)

文中在深入分析RMRS信號(hào)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了RMRS信號(hào)采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了3軸磁場(chǎng)信號(hào)的高精度采樣，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)的采集系統(tǒng)有效測(cè)距范圍達(dá)50 m，可以滿足SAGD雙水平井和煤層氣連通井的鉆井工程實(shí)際需求。

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