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%。本文網(wǎng)絡(luò)版地址：http：// www.eepw.com.cn/article/248895.htm

關(guān)鍵詞：連通井；旋轉(zhuǎn)磁場導(dǎo)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(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。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件由井下測量系統(tǒng)和地面通信系統(tǒng)組成，其設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。上位機(jī)（PC）通過串口發(fā)送命令給地面通信系統(tǒng)；地面通信系統(tǒng)接收到命令后，通過1553通訊協(xié)議將接收到的命令轉(zhuǎn)發(fā)到井下測量系統(tǒng)；井下測量系統(tǒng)接收到地面通信系統(tǒng)，按照通訊協(xié)議進(jìn)行相應(yīng)處理，處理完成后返回相應(yīng)數(shù)據(jù)包至地面通訊系統(tǒng)。正常工作采用1553協(xié)議通訊，地面通信系統(tǒng)和井下測量系統(tǒng)以曼徹斯特碼進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；調(diào)試時采樣串口通信協(xié)議。地面通信系統(tǒng)接收完井下傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，將其轉(zhuǎn)發(fā)給上位機(jī)PC處理。

2.1 井上系統(tǒng)

井上系統(tǒng)在上位機(jī)和井下測量系統(tǒng)中起承上啟下的作用。一方面用于轉(zhuǎn)發(fā)上位機(jī)命令；另一方面用于接收井下數(shù)據(jù)并進(jìn)行解碼操作。其電路包括以MC9S12XEP100為核心的單片機(jī)最小系統(tǒng)和以HD6408為核心的編解碼電路、信號加載和解調(diào)電路。其中，編碼信號加載至總線以及從總線上解調(diào)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(chǎn)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(diào)出曼切斯特碼信號UDI，送入HD6408進(jìn)行解碼操作。如圖3所示。

2.2 井下測量系統(tǒng)

井下測量電路包括：電源模塊、測量模塊、信號調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換、通信電路。電源模塊采用24V直流電壓輸入，經(jīng)過LP2951穩(wěn)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(diào)理電路將測量的信號進(jìn)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(shù)據(jù)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換；通信電路主要包括RS232（調(diào)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(jìn)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(shè)計(jì)采用截止頻率分別為6Hz和4Hz低通濾波器進(jìn)行處理；并將濾波后對信號進(jìn)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(diào)理完成后，采用A/D轉(zhuǎn)換電路對模擬信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換；并將轉(zhuǎn)化后的數(shù)字信號送入MC9S12XEP100單片機(jī)進(jìn)行相關(guān)處理。CPU處理完成后，將信號輸出進(jìn)行編碼，其電路如圖4所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 通信協(xié)議

系統(tǒng)正常工作采用1553協(xié)議通過單芯電纜進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。上位機(jī)下傳命令如表1所示，主要包括交直流量采集、狀態(tài)設(shè)置、狀態(tài)查詢、通訊握手和停止采集等命令。下位機(jī)數(shù)據(jù)上傳格式，采用數(shù)據(jù)幀長度、數(shù)據(jù)包、幀校驗(yàn)的形式，其中數(shù)據(jù)包包含交直流量、狀態(tài)查詢、狀態(tài)等。如表1。

3.2 井上系統(tǒng)軟件流程圖

結(jié)合1553協(xié)議和井上通信系統(tǒng)的功能進(jìn)行軟件開發(fā)，其工作流程圖如圖5所示。首先，系統(tǒng)關(guān)閉中斷，對PLL、PWM、SCI、PORT、編解碼等模塊進(jìn)行初始化，完成初始化工作后開啟中斷；其次，等待中斷，當(dāng)檢測到串口中斷時，進(jìn)行相應(yīng)的中斷處理。系統(tǒng)主要有兩大中斷：第一，中斷20用于轉(zhuǎn)發(fā)上位機(jī)發(fā)送的命令，其中0306命令之后包含狀態(tài)設(shè)置數(shù)據(jù)包（13Bit）的接收，接收完成后對其進(jìn)行編碼并轉(zhuǎn)發(fā)至井下測量系統(tǒng)；中斷14用于接收井下系統(tǒng)返回的數(shù)據(jù)包。數(shù)據(jù)包在接收完成之后對其進(jìn)行解碼并轉(zhuǎn)發(fā)至上位機(jī)。最后，清除相關(guān)設(shè)置，循環(huán)等待中斷。如圖5。

3.3 井下測量軟件流程圖

井下測量系統(tǒng)主要功能是按照井下系統(tǒng)命令完成相關(guān)測量、設(shè)置和查詢，其流程圖如圖6所示。系統(tǒng)在完成相關(guān)初始化工作之后，進(jìn)入中斷等待；當(dāng)產(chǎn)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(xù)等待。接著，查詢是否是1553規(guī)定的控制碼，如果是則執(zhí)行相應(yīng)的操作（如命令碼03、控制碼04，則進(jìn)行直流量數(shù)據(jù)采集），完成相關(guān)操作之后根據(jù)1553協(xié)議返回相應(yīng)的數(shù)據(jù)包。最后，清除相應(yīng)設(shè)置，等待下一次中斷。

3.4 地面試驗(yàn)

參照動態(tài)磁偶極子模型，建立地面試驗(yàn)裝置。首先，模擬磁工裝，產(chǎn)生交變磁場。在ANSYS電磁仿真的基礎(chǔ)上選用溫度性能最優(yōu)的N42SH永磁鐵進(jìn)行設(shè)計(jì)。為了模擬井下實(shí)驗(yàn)中，磁工裝短節(jié)安裝在作業(yè)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(zhuǎn)的狀態(tài)。地面實(shí)驗(yàn)采用步進(jìn)電機(jī)帶動磁工裝短節(jié)對其姿態(tài)進(jìn)行調(diào)節(jié)，根據(jù)需要可以控制不同的轉(zhuǎn)速。本次試驗(yàn)以492rad/s的速度進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生一個中心頻率為1Hz的交變磁場源；其次，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。為了便于模擬不同角度和距離的數(shù)據(jù)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(diào)節(jié)磁工裝與探管間的角度和距離。試驗(yàn)在60mX30m的場地上進(jìn)行，設(shè)置測量裝置放大倍數(shù)為100或200，以5m為基準(zhǔn)，移動磁工裝進(jìn)行測量，得到測量點(diǎn)x、y、z三軸的坐標(biāo)，通過計(jì)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(shí)際距離利用激光器進(jìn)行定位。由表可知，在50m范圍內(nèi)，測量距離誤差在5%以內(nèi)，超過50m誤差急劇增大。如表2。

4 結(jié)束語

基于動態(tài)磁偶極子模型，提出了以鉆頭為坐標(biāo)原點(diǎn)的三維旋轉(zhuǎn)磁場定向測距系統(tǒng)方案。結(jié)合動態(tài)系統(tǒng)模型完成了基于MC9S12XEP100的旋轉(zhuǎn)磁場定向測距系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，制定了井上通訊板和井下測量板之間的通訊協(xié)議、軟件的設(shè)計(jì)。搭建地面模擬實(shí)驗(yàn)平臺，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在50m測量范圍內(nèi)，距離誤差在5%以內(nèi)，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求。為了進(jìn)一步驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性和測量的準(zhǔn)確性，有待進(jìn)行井下測量實(shí)驗(yàn)，以進(jìn)一步改進(jìn)改進(jìn)和優(yōu)化系統(tǒng)。

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