基于MC9S12XEP100的旋轉磁場定向測距系統設計

摘要：針對傳統基于地磁導向的連續測斜系統易受干擾以及慣性導航的陀螺測斜系統具有積分漂移誤差，難以滿足連通井導向定位高精度測量的需求，提出一種基于旋轉磁場閉環定向測距的系統方案，完成了該系統的硬件電路設計、軟件設計以及遠距離通訊協議設計，并進行了地面實驗。該測距系統由地面系統和井下系統組成；其中，井下系統用于數據的采集、地面系統用于數據接收和命令傳輸，系統之間數據采用曼切斯特碼傳輸以提高精度降低誤碼率。試驗表明，在鉆頭靠近目標井70m，可檢測到有效信號；在50m范圍內，可以控制測量精度在5%。本文網絡版地址：http：// www.eepw.com.cn/article/248895.htm

關鍵詞：連通井；旋轉磁場導向；定向測距；曼切斯特碼

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2014.6.010

隨著石油勘探技術的不斷發展和復雜井的廣泛應用，地層結構變得越來越復雜[1]。作為復雜井重要支撐技術之一——隨鉆測量，在復雜的地層結構中受到國內外鉆井行業的高度關注。隨鉆測量系統中井眼軌跡的控制精度直接關系到連通井井眼對接的成敗，而控制井眼軌跡的關鍵在于井眼運動軌跡的高精度測量[2]。但是，傳統單一井眼進行軌跡預測的隨鉆測量設備難以滿足時下復雜地層中高精度、強抗干擾的要求[3-4]。

為了減小連通井中井眼連通定位誤差，進一步提高測量精度，需要研究作業井與目標井導向定位的新方法。國內外先后開展了其方法的研究，一方面，論證了靜態磁場模型難以直接用于精確定位[5-6]以及開環系統在測量過程中具有一定的累積誤差[7]；另一方面，對于閉環動態旋轉磁場測量方法：A.F.Kuckes[8]等人提出了基于旋轉磁場測距系統（RMRS），論證其在50m范圍內具有較好的效果；胡漢月、宗艷波、AI-Khodhori[9-11]等人驗證了該方法用于水平井的對接連通的可行性等。

因此，為了測量作業井與目標井的相對位置和相對角度，提出了一種基于旋轉磁場定向測距的方案。通過建立基于動態旋轉磁偶極子模型，完成了井下測量和井上通訊的硬件電路的設計以及上下板之間的通訊協議和軟件的開發。最后，通過地面實驗驗證該方案的可行性。

1 磁測距系統原理

連通井旋轉磁場導向測距系統由地面系統和井下系統組成。其中，地面系統包括地面軟件與上位機、測井絞車；井下系統分為磁工裝和磁測量裝置。磁工裝用于產生一個交變磁場源；磁測量裝置用于獲取在作業井鉆頭處的磁場，測量信號借助測井絞車通過電纜傳輸到地面進行解碼處理；最后，傳輸到上位機進行相關運算處理，得到距離和角度。

2 硬件電路設計

系統硬件由井下測量系統和地面通信系統組成，其設計框圖如圖2所示。上位機（PC）通過串口發送命令給地面通信系統；地面通信系統接收到命令后，通過1553通訊協議將接收到的命令轉發到井下測量系統；井下測量系統接收到地面通信系統，按照通訊協議進行相應處理，處理完成后返回相應數據包至地面通訊系統。正常工作采用1553協議通訊，地面通信系統和井下測量系統以曼徹斯特碼進行數據傳輸；調試時采樣串口通信協議。地面通信系統接收完井下傳輸的數據，將其轉發給上位機PC處理。

2.1 井上系統

井上系統在上位機和井下測量系統中起承上啟下的作用。一方面用于轉發上位機命令；另一方面用于接收井下數據并進行解碼操作。其電路包括以MC9S12XEP100為核心的單片機最小系統和以HD6408為核心的編解碼電路、信號加載和解調電路。其中，編碼信號加載至總線以及從總線上解調出曼徹斯特碼的電路如圖3所示。虛線左邊的電路用于將HD6408編解碼芯片產生的編碼信號BZO加載至總線LINE；右邊電路由兩個帶通濾波器組成，用于從總線LINE上解調出曼切斯特碼信號UDI，送入HD6408進行解碼操作。如圖3所示。

2.2 井下測量系統

井下測量電路包括：電源模塊、測量模塊、信號調理電路、A/D轉換、通信電路。電源模塊采用24V直流電壓輸入，經過LP2951穩壓和濾波后得到15V、12V和5V；測量模塊包括磁場、重力加速度和溫度信號的測量；信號調理電路將測量的信號進行濾波和放大處理，降低噪聲干擾；A/D模塊采用24位高精度芯片AD7734將濾波放大后的數據進行模數轉換；通信電路主要包括RS232（調試）和1553通信。

磁場測量采用三個正交的MS-0 3 A R型高精度磁通門傳感器以Fs=200Hz的頻率對其采樣；加速度傳感器采用Honeywell的QA-T160。由于采集的磁場信號比較微弱（nT級）并且混有噪音，須進行濾波降噪和放大處理。采集的磁場信號其干擾是高頻部分，設計采用截止頻率分別為6Hz和4Hz低通濾波器進行處理；并將濾波后對信號進行放大，其電路如圖5所示，U10A及其前部分組成截止頻率為6Hz的低通濾波器，U10B為電壓跟隨器。信號調理完成后，采用A/D轉換電路對模擬信號進行轉換；并將轉化后的數字信號送入MC9S12XEP100單片機進行相關處理。CPU處理完成后，將信號輸出進行編碼，其電路如圖4所示。

3 軟件設計

3.1 通信協議

系統正常工作采用1553協議通過單芯電纜進行數據傳輸。上位機下傳命令如表1所示，主要包括交直流量采集、狀態設置、狀態查詢、通訊握手和停止采集等命令。下位機數據上傳格式，采用數據幀長度、數據包、幀校驗的形式，其中數據包包含交直流量、狀態查詢、狀態等。如表1。

3.2 井上系統軟件流程圖

結合1553協議和井上通信系統的功能進行軟件開發，其工作流程圖如圖5所示。首先，系統關閉中斷，對PLL、PWM、SCI、PORT、編解碼等模塊進行初始化，完成初始化工作后開啟中斷；其次，等待中斷，當檢測到串口中斷時，進行相應的中斷處理。系統主要有兩大中斷：第一，中斷20用于轉發上位機發送的命令，其中0306命令之后包含狀態設置數據包（13Bit）的接收，接收完成后對其進行編碼并轉發至井下測量系統；中斷14用于接收井下系統返回的數據包。數據包在接收完成之后對其進行解碼并轉發至上位機。最后，清除相關設置，循環等待中斷。如圖5。

3.3 井下測量軟件流程圖

井下測量系統主要功能是按照井下系統命令完成相關測量、設置和查詢，其流程圖如圖6所示。系統在完成相關初始化工作之后，進入中斷等待；當產生串口中斷時，判斷是否為命令碼，如果為命令碼0x03，則接收控制碼，否則繼續等待。接著，查詢是否是1553規定的控制碼，如果是則執行相應的操作（如命令碼03、控制碼04，則進行直流量數據采集），完成相關操作之后根據1553協議返回相應的數據包。最后，清除相應設置，等待下一次中斷。

3.4 地面試驗

參照動態磁偶極子模型，建立地面試驗裝置。首先，模擬磁工裝，產生交變磁場。在ANSYS電磁仿真的基礎上選用溫度性能最優的N42SH永磁鐵進行設計。為了模擬井下實驗中，磁工裝短節安裝在作業井鉆頭和螺桿鉆具間且永磁體的南北極垂直于鉆頭的鉆井方向，鉆頭帶動永磁體旋轉的狀態。地面實驗采用步進電機帶動磁工裝短節對其姿態進行調節，根據需要可以控制不同的轉速。本次試驗以492rad/s的速度進行旋轉，產生一個中心頻率為1Hz的交變磁場源；其次，數據采集系統。為了便于模擬不同角度和距離的數據采集，利用臺架固定測量裝置中探管的位置，通過移動磁工裝來調節磁工裝與探管間的角度和距離。試驗在60mX30m的場地上進行，設置測量裝置放大倍數為100或200，以5m為基準，移動磁工裝進行測量，得到測量點x、y、z三軸的坐標，通過計算得到測量的距離及相對誤差，如表2，其中，磁工裝與測量裝置間的實際距離利用激光器進行定位。由表可知，在50m范圍內，測量距離誤差在5%以內，超過50m誤差急劇增大。如表2。

4 結束語

基于動態磁偶極子模型，提出了以鉆頭為坐標原點的三維旋轉磁場定向測距系統方案。結合動態系統模型完成了基于MC9S12XEP100的旋轉磁場定向測距系統硬件設計，制定了井上通訊板和井下測量板之間的通訊協議、軟件的設計。搭建地面模擬實驗平臺，實驗結果表明，在50m測量范圍內，距離誤差在5%以內，滿足系統設計需求。為了進一步驗證系統的可行性和測量的準確性，有待進行井下測量實驗，以進一步改進改進和優化系統。

參考文獻：

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[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]胡漢月，向軍文，劉海翔，等.SmartMag定向中靶系統工業實驗研究[J].探礦工程，2010，37（4）：6-10

[10]宗艷波.旋轉磁場定向測距隨鉆測量儀的研制與實驗[J].石油鉆探技術，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