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随钻测斜仪中传感器补偿及信号处理技术研究 摘要 随钻测量技术是一种集钻井、测井、自动控制、新材料等多学科为一体的高新技术。传感器测 量数据精度的提高可以保证整个随钻测斜仪所采集的观测资料精确可靠。 针对现场的实际需求，本文设计了随钻测斜仪的地下探管部分，该部分质量的好坏直接影响后 继系统的工作状态及井眼轨迹控制的精度和水平。本文主要完成随钻测量过程中对传感器加速 度传感器、磁通门传感器进行信号处理、补偿等任务。传感器的选择实现了国产化，在满足现场测 量精度要求的同时，生产成本大大降低，同时缩短生产周期。提出了随钻测斜仪的设计方案、硬件 组成及单片机控制的原理框图，设计了信号采集及信号处理电路选频放大、相敏检波、积分滤 波等模块i 选用合理的元器件实现串口通讯、单片机监控、电压电源转换电路的设计。提出了一种 基于窗函数法的实时数字低通滤波器的设计方法并设计了随钻测斜仪的软件系统，实现传感器数据 的采集、补偿，滤波等功能。软硬件的调试与纽装，为提高设计、运行和管理水平提供理论依据。 通过大量实验验证了本文的补偿方法及所设计的信号处理软硬件实现方案合理，测量精度达到本文 所提出的精度指标，满足现场测量的需要。 关键词：随钻测量；传感器补偿；信号采集；信号处理；实时滤波 l l r e s e a r c ho nc o m p e n s a t i o no fs e n s o r sa n ds i g n a lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g yi nm w d m e a s u r ew h i l ed r i u i n g _ 4 l 、dt e c h n o l o g yi sa na d v a n c e dt e c h n o l o g yc o l l e c t i n gm o r es u b j e c t sa sa b o d ys u c h 鸹w e l ld r i l l i n g , w e l ll o g g i n g , a u t o m a t i cc o n t r o l ，n e wm a t e r i a l ，e t c t h ei m p r o v e m e n to f m e a s u r i n gs e n s o rd a t ap r e c i s i o n c a na s s u r ei n f o r m a t i o nc o l l e c t i n gb yt h em w ds y s t e me x a c t l ya n d c r e d i b l y i nv i e wo fa c t u a ld e m a n di nt h es c e n e , t h eu n d e r g r o u n dp i p ep a r to fm w dh a sb e e nd e s i g n e d ，t h e q u a l i wo ft h i sp a r t d i r e c t l yi n f l u e n c ea c t i v es t a t u so fa f t e rs y s t e ma n dt h ep r e c i s i o na n dl e v e lo fh o l e t r a j e c t o r yc o n t r 0 1 d a t aa c q u i s i t i o n ，s i g n a lp r o c e s s i n g ，c o m p e n s a t i o no ft h es e n s o r - a c c e l e r o m e t e ra n dt h e f l u x g a t e $ e o s o rh a v eb e e nm a i n l yc o m p l e t e di nt h em e a s u r e m e n tp r o c e s so fd r i l l i n g t h ec h o i c eo fs e n s o r h a sr e a l i z e dt h en a t i o n a l i z a t i o n ，t h ed e s i g nc o s th a sb e e nr e d u c e dg r e a t l ya n dt h ep r o d u c t i o nc y c l eh a sb e e n r e d u c e ds i m u l t a n e o u s l yw h i l et h er e q u e s to fs u r v e yp r e c i s i o nh a sb e e ns a t i s f i e di nt h es i t e t h ed e s i g n s c h e m eo fm w d ，h a r d w a r ec o m p o s i t i o na n dt h ep r i n c i p l ef r a m eo fm c ue n n t m lh a v eb e e np r o p o s e d s o m em o d u l e so fs i g n a la c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n gh a v eb e e nd e s i g n e ds u c ha ss e l e c t e d f r e q u e n c y a m p l i f i e r , p h a s e - s e n s i t i v ed e t e c t o ra n di n t e g r a lf i l t e r am e t h o do fd e s i g n i n gr e a l - t i m ed i g i t a ll o w - p a s s f i l t e rb a s e do l lh a sb e e np r o p o s e da n dt h es o f t w a r es y s t e mo fm w dh a sb e e nd e s i g n e dt or e a l i z et h e f u n c t i o n so fa c q u i s i t i o n ，c o m p e n s a t i o na n df i l t e rt ot h es e n s o rd a t a t h ed e b u g g i n ga n dt h ea s s e m b l yo f s o f t w a r ea n dh a r d w a r ep r o v i d et h et h e o r yb a s i sf o ri m p r o v i n gt h el e v e lo fd e s i g n ，t h em o v e m e n ta n dt h e m a n a g e m e n t c o n f i r m e ds o f t w a r ea n dh a r d w a r er e a l i z a t i o np l a no ft h es i g n a lp r o c e s s i n ga n dt h e c o m p e n s a t i n gm e t h o d sd e s i g n e di nt h ea r t i c l et ob er e a s o n a b l et h r o u g ht h em a s s i v ee x p e r i m e n t s t h e m e a s u r i n ga c c u r a c ya c h i e v e dt h ep r e c i s i o nt a r g e tp r o p o s e di nt h i sa r t i c l e ，a n ds a t i s f i e dt h es u r v e yn e e di n m es i t e k e yw o r d s ：m w d ；s e n s o r sc o m p e n s a t i o n ；s i g n a la c q u i s i t i o n ；s i g n a lp r o c e s s i n g ；r e a l - t i m ef i l t e r i i i 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的研究成 果据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经发表或撰 写过的研究成果对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说 明并表示谢意 作者签名：燃日期：塑3 。多 学位论文使用授权声明 本人完全了解大庆石油学院有关保留，使用学位论文的规定，学校有权保留学位 论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版。有权将学位论文用 于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅有权将学位论文的内容 编入有关数据库进行检索有权将学位论文的标题和摘要汇编出版保密的学位论文 在解密后适用本规定 学位论文作者签名：弓姆趔鲮导师签名： 日期：) 一7 歹 日期：铅刃罗步 随钻测斜仪中传感器补偿及信号处理技术研究 创瓤点摘要 i 、实现了随钻测斜仪传感器的国产化。在满足现场测量精度要求的同时，设计成本大大降低， 同时可缩短生产周期。 2 、设计了m w d 井下探管部分，完成了对加速度传感器、磁通门传感器所测信号的处理及其 补偿，独立设计了硬件电路并开发了配套的软件系统。实现方案准确合理，补偿及信号处理的效果 好。 大庆石油学院顾研究生学位论文 引言 一、课题研究的背景及意义 2 1 世纪石油能源勘探技术继续发展，石油定向钻探技术所需的随钻测量技术，国 外称之为m w d m e a s u r e w h i l e d r i l l i n g 技术，要向孔底和地面双向通信双向控制的 自动化技术发展i l j 。随钻测量技术是一种集钻井、测井、自动控制、新材料等多学科为 一体的高新技术。该技术可以在使用电缆工具测井很困难甚至不可能的环境下进行测 量；可以使用井下信息传输系统在钻井过程中随时向地面发送实时决策信息，使司钻能 根据井下实际地质特征控制钻具钻出最优化的井眼轨迹体3 4 l 。 目前，随钻测井已经成为大斜度井、水平井和小眼井的侧钻多分支井油藏评价的重 要手段，是定向井的关键技术之- - 1 5 1 。近年来，随钻测井及其相关技术发展迅速，应用 领域不断扩大，特别是在钻井工程及储层评价领域，前景十分广阔。随钻测井的数据更 真实、更及时，精度更高，满足了石油天然气工业对测井技术的特殊需要 6 , q 。 测量技术与自动控制水平的高低，是衡量一个国家科学技术现代化程度的重要标 志1 8 j 。传感器技术是实现随钻测量与自动控制的重要环节。在随钻测斜仪中，传感器被 作为一次仪表定位，其主要特征是能准确传递和检测出某一形态的信息，并将其转换成 另一形态的信息1 9 ”j 。 传感器是指那些对被测对象的某一确定的信息具有感受( 或响应) 与检出功能，并 使之按照一定规律转换成与之对应的可输出信号的元器件或装置。如果没有传感器对被 测的原始信息进行准确可靠的捕获和转换，一切准确的测试与控制都将无法实现，即使 最现代化的电子计算机，没有准确的信息( 或转换可靠的数据) 不失真的输入，也将无 法充分发挥其应有的作用1 1 l ，1 2 l ，】。目前随钻测量中所使用的高精度传感器都从国外引 进，所以，传感器的国产化，将大大提高性价比，是未来随钻测量的发展趋势。 有线随钻测斜仪对于井下钻具来讲是一个十分有效的实时监测系统。它能随时给定 向井工作者提供井斜、方位、工具面和井底温度等参数，使定向井工作者随时能了解井 下钻具的去向和工作姿态，便于控制井眼轨迹1 1 4 1 5 l 。它主要由三大部分组成：地面仪器 部分、井下仪器部分和信号传输载体( 电缆) 。地面仪器包括计算机、打印终端和司钻 读出器。井下仪器主要由探管构成。井下探管中的重力加速度计和磁通门测得井眼的倾 角和方位及井下钻具的工具面，温度传感器测得井底的温度，电缆为井下仪器供电并同 时作为信号通道，把井下探管得到的信号传输给地面计算机，地面计算机对这些信号进 行处理，并以数字形式显示出来，提供给定向井工作者。其中，井下仪器部分将确保所 采集的观测资料精确可靠i ”l 。 随着现场总线、自动控制的发展，要求智能传感器具有高精度和高稳定性，而传感 引言 器由于对温度敏感及具有非线性误差等各种因素的影响，因此，为了达到提高传感器精 度改善传感器稳定性的目的，必须对传感器的非线性特性进行线性化处理与非线性化补 偿【1 7 1 。目前，非线性补偿处理的方法很多，主要有传感器特性的近似线性化、插值法补 偿法、电路补偿法等方法【1 8 1 9 】。无论是用硬件的方法还是用软件的方法对传感器的非线 性进行补偿，归纳起来都是对传感元件输出的信号进行处理，是一种后续补偿手段。把 多个相同类型或不同类型的传感器所提供的局部观察量加以综合，消除信息之间的冗余 和矛盾，利用信息互补，形成对环境的相对完全一致的感知描述，从而提高随钻测量系 统决策快速性和正确性，以及规划的科学性1 2 0 ，2 1 1 。它避免了单一传感器的局限性，可以 获取更多信息，充分利用了多源数据的互补性，得出更为准确、可靠的结论，可以有效 地提高信息处理的质量。传感器信号精度的提高可以保证整个随钻测量仪所采集的观测 资料精确可靠，具有很好的实际意义和价值。 本文针对现场的实际需求，设计了随钻测斜仪地下探管部分，实现了传感器选择的 国产化，给出了传感器补偿算法，设计了信号处理硬件实现方案。大量实验数据表明， 性能指标满足要求，同时大大降低了设计成本，缩短了生产时间，确保了随钻测井的数 据真实可靠。 二、国内外研究现状 几十年来，随钻测井技术的发展并不是一帆风顺的，它与工业技术的发展息息相关， 也同人们的认识和应用水平有着直接关系。正是在2 0 世纪8 0 - 9 0 年代，随钻测井技术 才得到了迅猛的发展与推广，各种“随钻”技术似乎已经成为石油勘探开发新技术的一 种代名词1 2 2 “。作为仪器开发商的服务公司的研发实力和服务能力得以显著的加强，基 本形成了“三雄争霸”的局面，他们是s c h i l u m b e r g c r 、h a l l i b u r t o n 和b a k e rh u g h e s 公 司。当前，国外的井下环空压力、钻压、扭矩随钻测量技术日趋成熟i 卅。在该项技术中 所牵涉到的传感器的各方面指标都有了很大的提高( 更能适应数千米深井下的恶劣环 境) ，而且一些新型传感器也用在近钻头的测试中，信号处理原理已经成熟，处理效果 理想。m w d 测井系统是当代的最新技术之一，a n a d r i l l 利用了s c h l y m b e r g e r 的测井技 术，开发出性能稳定、资料齐全的m w d 系统，代表了当今m w d 的最高水平瞄，矧。 国内对m w d 技术的研究一直在进行，但全面研究开发尚处于初级阶段，在近钻头 的测试中同时测量钻头侧向力以及采用新型传感器的研究尚未开展。国内研究有关随钻 测井测量、近钻头地质参数测量、解释及工程应用的文章，多应用国外实例，国内还 未开始大规模应用m 矧。 在国内，随钻测井技术的重要性及其潜在的经济价值，其实也早就为测井界所瞩目。 早在1 9 6 5 年玉门测井公司的梦龙，尚海筹和王和元等人就已从事了一些基础性的研究， 并对随钻测斜仪进行了尝试，其他油田也做过类似的工作，但终因当时技术条件的限制 未能奏效。时至今日，国内研究m w d 技术领域的厂商和研究所屈指可数。西安石油勘 2 夫庆石油学院硕t 研究生学位论文 探仪器总厂拥有h a l l i b u r t o n 公司b g d 型m w d 的全套生产线，并成功推出了自己的产 品。大港定向井公司研制的m w d 仪器已成功进行了多口井的作业。虽然已经推出了我 国自己的随钻测斜仪，但核心传感器加速度传感器、磁通门传感器均采用国外高精 度传感器，对其精度补偿算法尚在研究阶段【2 9 , 3 0 , 3 1 1 。 所以，在满足现场测量精度的同时，传感器的国产化，将大大提高随钻测斜仅的性 价比，缩短生产时间及维修周期。 三、主要研究内容 “随钻测斜仪中传感器补偿及信号处理技术研究”主要完成随钻测量过程中对传感 器加速度传感器、磁通门传感器数据进行采集、处理、补偿等任务。其对数据处理 的质量的好坏会直接影响到后继系统的工作状态。该部分配合地面仪器可以大大提高井 眼轨迹控制的精度和水平。 根据目前国内外测斜技术及其测斜系统发展的实际状况，本文采用性能较好的电子 器件，研究并建立采集与发送信号、传输与处理数据的监控测斜系统模型，并通过软硬 件的调试与组装，微机仿真，为提高设计、运行和管理水平提供理论依据。 本文主要研究内容包括以下几个方面： 1 ) 设计了随钻测斜仪的实现方案，整体的设计思路及工作原理。 2 ) 实现了传感器选择的国产化，在满足现场测量精度要求的同时，设计成本大大 降低，同时缩短生产周期。 3 ) 分析了随钻测斜仪所存在的误差，并提出解决方案，通过合理的数学方法及大 量实验选出合适的补偿算法。 4 ) 设计一种基于窗函数法的实时数字低通滤波器。 5 ) 实现了硬件设计方案及单片机控制各个芯片的原理框图。设计了信号采集及信 号处理电路一选频放大、相敏检波、积分滤波等模块。 6 ) 实现了随钻测斜仪的软件系统，完成传感器数据的采集、补偿、滤波等功能， 各部分的功能以软件设计步骤或流程图说明。 7 ) 在天津大港油田定向井公司研究所弱磁校验间进行大量实验。实验表明，本文 的补偿方法及所设计的软硬件实现方案合理，测量精度达到本文所提出的精度指标，满 足现场测量的需要。 1 系统总体设计及数学模型 1 系统总体设计及数学模型 1 1 系统功能 本文实现随钻测斜仪中传感器信号处理及补偿部分的设计。随钻测斜仪可在不中断 钻井过程的条件下准确、可靠、实时地测量各种钻井参数( 井斜、方位等) ，使定向人 员便于控制井眼轨迹。这样钻出的井眼轨迹圆滑，井身质量好，减少了因井身质量茇而 造成的钻井事故【3 2 1 。 随钻测斜系统的系统结构图如图卜l 所示。 图卜1 随钻测斜系统结构图 f i g 1 一it h ef r a m e w o r ko fm w d 井下探管部分由于采用了单片机，增强了系统的控制作用，减化外围电路的元器件 设计，电路可靠性能提高，从而使整个系统的可靠性大大提高由于各部分均为模块化 设计，其系统便于维修。 ； m w d 探管是利用重力加速度传感器和磁通门传感器对井眼轨迹参数进行测定的嘲。 采用石英饶性加速度计和高精度磁通门，在三维空间对井身轨迹进行连续、实时测量， 并实现数据处理功能。井下探管将加速度计、磁通门等传感器信号进行处理，通过电缆 将井斜、方位、工具面等数据传输到地面数控系统，进行记录输出。图卜2 为本系统的 原理框图。 以前的随钻测斜仪中，采用三轴加速度计或两轴加速度计。两轴加速度计，g 必 须通过g 一g ；+ g ；来推出。无论任何情况，g 相对来说是定值。两轴加速度计已 满足大部分场合的应用。但三轴系统比：轴系统有以下三个优越性【3 4 l ： 1 ) 并斜计算中，两轴系统的计算精度一直不变。两轴加速度计系统中从井斜o o 开 始精度逐渐交差。7 0 0 井斜是误差极限，一旦井斜角变大，测量结果已超出精度范围， 4 大庆石油学院硕i 研究生学位论文 无法在现场中应用。 ( 2 ) 水平钻井过程要确定弯接头的方向必须用到三轴加速度计的随钻测斜仪。 ( 3 ) 三轴加速度计系统还可以防止因温度变化引起的误差。 r 。 图卜2 系统的原理框图 f i g 1 2 t h ep r i n c i p l ef r a m eo fs y s t e m 因此，本系统采用三轴加速度计，以提高测量精度。探管由测量和记录磁性参数的 b l 、b ，、磁通门传感器，测量和记录中立参数的g ，g ，g ：加速度计传感器，测量井 下温度t 的温度传感器以及它们各自的放大电路，模数转换电路，二次电源等组成。 井下仪器的重力加速度计和磁通门的x 、y 、z 方向与井下仪器的x 、y 、z 轴方向一致。 加速度传感器采用3 个成9 0 。互相垂直的加速度计( 既，g ，g ：) 的测量值合成重 力加速度方向，由此确定并眼偏斜大小；磁通门传感器是通过磁通门在并下测量由磁场 产生的电压，确定地磁场相对于磁通门的方向和强度，从而可以计算井眼的偏斜方向。 对于井跟井斜须由3 个重力加速度传感器测定，而方位则须由3 个重力加速度计和3 个 磁通门传感器共同测定。 1 2 磁通门传感器的选型及数学模型 1 2 1 磁通门传感器的理论基础 如果在地磁场中水平放置根细长的软铁芯( 如图1 - 3 a ) ，由于地磁场水平分量h e 的感应，铁芯将被磁化，而且具有一定的磁感应强度b e ( 图1 - 3 b ) ，b e 的方向与铁芯 的中心方向一致，其大小与铁芯的导磁系数u 和地磁场水平分量沿铁芯轴线方向的投影 5 1 系统总体设计及数学模型 h e c o s 由成正比1 3 5 1 。可用下式表示： b e p h e c o s 驴 假定铁芯的截面面积为s ，则地磁场在铁芯中所产生的磁通m e 的大小为： m e b e st s 口h e c o s 妒 ( 1 1 ) ( 1 2 ) a 在磁场中的软铁芯b 。b - h 关系曲线 图1 - 3 在地磁场中软铁芯的磁化情况 f i g 1 3t h em a g n e t i cs t a t eo fs o f tm a g n e ti nm a g n e t i cf i e ! d 对于一定的铁芯，它的截面积s 和导磁系数u 是不变的，测井时，当地的磁场强度 也是不变的。那么，铁芯中所产生的磁通舭就仅仅同铁芯轴线与地磁场水平分量的夹 角矿有关。当夹角妒= 0 时，t o s s = 1 ，铁芯中的地磁通量中e 最大。随着夹角妒的增大，舭 降低，当夹角矿= 9 0 时，c o s $ = 0 ，咖= 0 。所以，如果测量出铁芯中的地磁通量中e ，就 可以测量出铁芯的轴线与地磁水平分量的夹角矿了。在实际工作中，把铁芯的轴线方向 安装在弯接头构成的平面内，且垂直于弯接头上的刻线，当测量出铁芯的地磁通量中p 时，就可以用上式计算出铁芯与地磁子午线的夹角毋。这就是定向钻井的一个重要参数 磁性工具面。 为了测量铁芯中的地磁通量，需要在铁芯上绕上测量线圈，这样就构成了单相地磁 感应元件磁通门传感器。 1 2 2 磁通门传感器数学模型 磁通门传感器是测量地磁场强度、地磁倾角、并眼方位和磁性工具面的重要元件。 磁通门原理服务于法拉第电磁感应定律，磁通门探头是一种稍加改造的变压器式器件， 但其变压器效应只是作为被测磁场进行调制的手段。以下述物理模型作为研究对象，假 定在一根由软磁材料制作的铁芯上缠绕激磁线圈和感应线圈，铁芯横截面面积为s ，磁 6 丈庆石油学院硕t 研究生学位论文 导率为l i ，载流激磁线圈在铁芯上建立的激磁磁场强度为h ，感应线圈的有效匝数为 w 2 。在未认定s 、i i 、h 、w 2 中的任一参数为不变量、即非时间t 的函数时，根据法拉 第电磁感应定律，感应线圈上产生的感应电动势为 p 一要( 脚) ( 1 3 ) 如果s 和w 2 不变，铁芯远离饱和工作状态，其磁导率u 近似常数，这个物理模型 中感应电势e 将仅仅是激磁磁场强度h 的函数。如果激磁磁场强度 日一h 。c o s 2 刀e l t ( 1 - 4 ) 式中：日，激磁磁场强度幅值； ，1 激磁电源频率。 则式( 1 - 3 ) 变为 e - 碱s h 。s i n 2 # i ( 1 - 5 ) 这就是理想变压器效应数学模型【3 7 1 。 但由于铁芯磁化曲线的非线性，激磁磁场的变化难免引起磁导率u 随之而变。所以， 实际的变压器效应数学模型为 p 。2 q 1 ( t ) w 2 s h = s i n2 巧l t - - 生攀阳。c o s 碱f (1-6)at 激磁磁场瞬时值方向呈周期性变化；随之而变的铁芯磁导率o ) 却无正负之分。所以 ( f ) 是偶函数。将舻) 展为傅立叶级数时，可得 p ( f ) 一肛h + u 2 。c o s 4 z o r l t + 肛轴c o s 8 田。1 t + p 6 。c o s l 2 4 ：+ ( 1 - 7 ) 式中p 。( f ) 的常值分量； _ i ：。，p 。，p 。芦o ) 的各偶次谐波分量幅值。 将式( 1 - 5 ) 代入式( 1 - 6 ) ，得 e 一2 峨w 2 s h j ( p h + i i p 。) s i n 2 可1 f + 导( + p 。) s i n 喊吾( + 。) s i n l 嘁f ( 1 8 ) + - 7 2 ( z 6 = + ) s i n l f + 】 这就是铁芯磁导率i l 随激磁磁场h 。c o s 2 矾t 而变的变压器效应数学模型。将式 ( 1 - 8 ) 和式( 1 - 5 ) 比较可知，考虑铁芯磁导率p 的变化后，感应电势e 将出现奇次谐 1 系统总体设计及数学模型 波分量。 任何一个变压器总是处于环境磁场中的，所以，变压器铁芯的磁场除了激磁磁场以 外，至少还有环境磁场，如果考虑环境磁场，实际施加在铁芯轴向的分量：时，式( 1 - 6 ) 将变成： e 一纫 ( t ) w ：s h ms i n 2万lt-穹掣跗。cos狮一霉掣跚：(1-9)ata t 当日：比铁芯饱和磁场强度h 。和激磁磁场强度幅值h 。都小的多时，它对铁芯磁导 率p ( f ) 的影响可以忽略。这时，式( 1 - 9 ) 的前两项与式( 1 6 ) 相同；而其末项为日：引 起的感应电势e 的增量e ( h ：) ，可将式( 1 - 7 ) 代入而得： p ( 曰：) - 4 j c , w 25 ：日；( 肛2 。s i n 4 矗f , t + 2 p 4 ，s i n 8 矾f + 3 岸6 。s i n l 2 n f l t + ) ( 1 - 1 0 ) 式( 1 - 1 0 ) 证明只要铁芯磁导率p 随激磁磁场强度而变，感应电势中就会出现随环 境磁场强度而变的偶次谐波增量e 饵：) 。 当铁芯处于周期性过饱和工作状态时，e c h ；) 将显著增大。显然，可以利用这种物 理现象测量环境磁场。 上述物理模型对环境磁场来说，好像是一道“门”，通过这道“门”，相应的磁通量 即被调制并产生感应电势。因此。这种器件被称为磁通门探头。它能将环境磁场调制成 偶次谐波感应电势，这种现象称为磁通门现象，由环境磁场而产生的那部分感应电势 p ( 日：) 称为磁通门信号。根据p ( 日：) 可以测出环境磁场在铁芯轴向分量的大小，利用三 维正交的三轴磁通门传感器可以测出环境磁场在其三个敏感轴的磁分量大小。当测试现 场周围没有强的外界电磁场干扰时，可以认为环境磁场即为当地地磁场矢量，从而可以 解算出三轴磁通门传感器的三个敏感轴与当地地磁场的夹角。 现常见的磁通门传感器是在一个闭合的高导磁率材料上安装两个绕组，两绕组与激 磁变压器的副边组成电桥。双铁芯磁通门结构如图卜4 所示。 图1 - 4 双铁芯磁通门结构示意图 f i g ，l 一4t h ef r a m eo ff l u x g a t ew i t hd o u b l e c o nc o r e s 当外界磁场对其输入轴垂直时，磁通门输出为0 ；当外界磁场与磁通门的输入轴不 垂直时，磁芯的状态发生变化，在一边的磁芯上外磁与激磁叠加，饱和度增加，另一边 8 大庆石油学院硕l 研究生学位论文 磁芯上外磁与激磁相减，饱和度减小：在激磁磁场交变而磁芯从饱和区进入线性段时， 两绕组上感应大小不同的脉冲电压，其幅值与外界磁场的大小有关，且频率为激磁频率 的2 倍。磁通门的输出经带通放大、相敏检波、积分滤波形成直流电压，此电压经反馈 电阻向磁通门的两个绕组提供反馈电流，产生的磁场与外界磁场相抵消，使磁通门始终 工作在无静差状态，从而使磁通门具有较高的线性1 3 s l 。磁通门工作原理如图1 5 。 1 2 3 磁通门的选型 激磁线圈 j i 号 图1 - 5 磁通门工作原理 f i g 1 5o p e r a t i o np r i n c l p l eo ff l u x g a t e 本文选用高精度的5 3 4 型磁通门。该磁通门为军用产品，精度高，稳定性好，温漂 较小。5 3 4 系统是一个3 轴磁通门，外形封装为铝制长方形直角平行六边形，尺寸为 0 7 5 “x 0 7 5 ”x 2 7 5 ”系统的输入电压7 到1 2v ，功率2 0 0 r o w 。5 3 4 系统提供3 个正比 于三个正交方向磁场强度的模拟输出电压。满量程输出为- + 4 0 v ，表示磁场强度为 1 0 0g 。全量程的线性误差为o 1 。作为磁性指南针，5 3 4 系统能实现方向精度小于 0 1 t 。系统说明如表1 - 1 所示。 表1 - 1 磁通门参数 t a b l el 一1p a r a m e t e r so ff l u x g a t e 噪声等级 l x l 0 6 gr m s v h z 频率响应d c t o4 0 0 h z ( - 3 曲 线性度 全量程酌- * 0 】 初始偏移 o n ， g t f = 0 s + 3 6 0 图1 - 1 1 重力工具面 f i g 1 1 1g r a v i t yt o o lf a c e 图1 - 1 2 磁性工具面 f i g 1 1 2m a g n e t i ct o o l f a c e 磁性工具面，如图卜1 2 所示，是俯视井眼方向仪器斜口朝向与磁北方向之间的夹角。 当井斜角小于一定的值时，重h i 具面无法准确测出，即使测出也极不准确。因而，当 井斜角小于一定值n ，采用磁工具面，即 吣。鲁 巳一c 增( 套( 1 - 3 0 ) 1 系统总体设计及数学模型 则磁性工具面m t f 有： 当口，苫0 , b y 0 4 ，m t f = 8 。+ 1 8 0 rb 苫0 m t f 一9 0 当邑。o 皿2 0 m 耶2 7 0 b x 0 时， a z = 卢+ 3 6 0 避北 并斜角从o 。变化到9 0 。，乃至1 8 0 。，它的范围在0 。i n c 1 8 0 。之间：方位角在0 。 到3 6 0 。之间变化。当井斜是o 。时，方位角也就无法确定。 加速度计测量地球重力场的分力，磁通门测量地球磁场的分量。因为重力工具面角 是用重力测量，也就是说用重力加速度计测量，在并斜小于5 。时有较大误差。而磁性工 具面角由磁通门来测量，也就不受井斜的影响，因此在井斜小于5 。时，定向钻井用磁性 工具面来监测和控制。 1 7 i 系统总体设计及数学模型 1 5 性能指标 通过本课题的研究，常温下实现以下技术指标： 井斜误差ai n c 0 1 。； 方位误差a ：1 0 。 1 6 本章小结 本章提出了随钻测斜仪的整体设计方案，介绍了本随钻测斜仪的设计思路、工作原 理及框图；详细地说明了磁通门传感器、加速度计传感器的选型及工作原理，推导了随 钻测斜仪的数学模型，并对各个参数进行详细说明；提出本文设计的技术指标。 大庆材油学院硕t 研究生学位论文 2 传感器信号处理及补偿 2 1 磁通门输出信号的处理 与变压器效应相比，其感应线圈输出的磁通门信号e ( 日。) 非常微弱。所以，不可以 直接利用单铁芯磁通门探头感应线圈输出信号测量环境磁场，而必须先剔除变压器效应 感应电势。这就需要选择电路，磁通门电路有两种信号选择原则：一种是频谱选择法； 另一种是谐波选择法。 谐波选择法亦有两种：一种是偶次谐波法；另一种是二次谐波法。单铁芯探头输出 的信号混在噪声中，采用偶次谐波法，一般使用差值检波电路，使所有奇次谐波噪声自 行抵消，而检测出所有偶次谐波信号，但其动、静态特性都很差。所以一般采用二次谐 波法，二次谐波法的基本电路是带通滤波器和相敏解调器1 4 2 , 4 3 j 。 为了实现精确测量，必须设法消除磁通门探头变压器效应的感应电势，其方法是设 计差分输出探头。只有使两个单铁芯探头平行，它们的激磁线圈反向串联，感应线圈同 向串联，才能使变压器效应感应电势相抵消，而磁通门信号叠加。这样，就成为一个双 铁芯磁通门探头。 磁通门探头和许多检测非电量物理参数的传感器一样，不能直接提供与被测物理量 单一因素相对应的、直接进行显示、采集或控制的模拟电量。因而需要配备被称作二次 仪表的转换电路。对每一分量探头所必须携带的那个电路来说，需要将探头输出中的与 被测磁场在其轴向的分量有关的信号检测出来，再转换成系统所要求的某种模拟电量。 所以磁通门电路应包括信号放大转换电路和激磁电源电路，有时还设置磁场补偿电路。 磁通门电路要实现如下基本环节： 1 ) 信号电路的首要功能是尽可能提高前置放大器输入端信噪比，以使前置放大器 能够承受噪声并保持信号放大的准确性。考虑到探头输出以电感为主，所以在前置放大 器前面应设置并联电容，构成l c 串联谐振电路。当调整谐振电容c ，使谐振频率恰为 2 f 1 时，则探头信号的二次谐波分量将处于谐振状态而被放大。 2 ) 信号电路的第二个功能是将磁通门探头信号放大，磁通门探头信号十分微弱， 下限可以小至微伏级，上限也不过几十毫伏，不宜直接进行滤波等处理。所以要设置前 置放大器。 3 ) 信号电路的第三个功能是滤除噪声。由于噪声与探头测量值无关，所以不允许 在电路最终输出中残留其影响。磁通门探头噪声具有奇次谐波特性，而且其最大谐波分 量基波和三次谐波恰好在二次谐波分量两侧，所以应当采用带通滤波电路。 1 9 2 传感嚣信0 处理及朴偿 4 ) 信号电路的第四个功能是必须具有相敏特性，使输出信号能表征被测磁场的极 性，因此，磁通门信号电路几乎没有例外地设置相敏检波电路。相敏检波电路是具有鉴 别调制信号相位和选频能力的检波电路。相敏检波电路能够鉴别调制信号相位，从而判 别被测量变化的方向，同时相敏检波电路还具有选频的能力，从而提高测控系统的抗干 扰能力。相敏检波电路的主要特点是，除了所需解调的调幅信号外。还要输入一个参考 信号。有了参考信号就可以用它来鉴别输入信号的相位和频率。 5 ) 信号电路的第五个功能是提供平稳的模拟信号。由于相敏检波电路输出的相敏 整流脉动信号，经输出端滤波电容初步滤波后，仍为锯齿波信号，尚须经过平滑滤波， 平滑滤波电路实际上是一个低通滤波器。 磁通门电路系统功能原理图如图2 - 1 所示： 图2 - 1 磁通门信号处理系统功能原理图 f i g 2 - 1t h ep r i n c i p l ef r a m eo ff l u x g a t es i g n a lp r o c e s s i n gs y s t e m 2 2 加速度传感器输出信号的处理 通常，柔性部件在运动过程中，加速度传感器检测出的加速度由其刚体运动加速度 和柔性振动加速度两部分组成，即 口( 力a l p ) + 口2 p ) 式中：t ) 总加速度：a l ( t ) ：刚体运动加速度；a 2 ( t ) ；振动加速度。 从频谱角度看有 钺f ) = a t ( f ) + a 2 ( d 式中：a ( 0 为a ( 0 的功率谱；a 。( d 为a x ( t ) 的功率谱；a 2 ( d 为a 2 ( t ) 的功率谱。 一般情况下，加速度计获取的响应为a ( 1 ) ，为了能够分别得到a x ( t ) 和a 2 ( t ) ，做以下 假设： 1 ) a 。( d 的能量均集中在很低的频段( 0 f 0 ) ： 2 ) a 2 ( f ) 的能量均集中在柔性部件的振动频率f x ，f 2 ，f 3 f n 处； 3 ) f o f l ，因此，可以利用滤波器将a x ( t ) 和a 2 ( t ) 分离，再分别经其他电路处理后便 可得到各种不同的信息。 整个电路结构如图2 2 。加速度传感器检测出柔性部件的总加速度，经1 v 转换器 大庆石油学院硕士研究生学位论文 转换成电压信号后，一路通过下限截止频率为f l ( f o f l f - ) 的高通滤波器将a l ( t ) 滤掉，为 了消除高频噪声的影响，其后再加一级上限截止频率为f h 的低通滤波器，它的输出为 反映柔性部件振动的加速度，然后，再经积分电路可以得到振动的速度和位移：另一路 经上限截止频率为f o 的低通滤波器滤掉a 2 ( t ) ，得到反映刚体运动的加速度信号，对此信 号经一级积分电路后可以获得刚体运动的速度信号。 卧卧卧 积 分 电 路 加速度信号 图2 - 2 加速度计输出信号处理电路结构图 f i g 2 - 2t h ef r a m eo fa c c e l e r o m e t e rs i g n a lp r o c e s s i n gc i r c u i t 2 3 传感器的补偿 随钻测斜仪的测量误差主要包括传感器( 加速度计和磁通门) 本身的误差，传感器在 探管坐标系上的安装误差，以及后续信号处理与传输电子线路的误差等。其中，安装误 差主要由传感器本身的敏感轴与壳体之间的失调角、探管结构件的加工误差以及传感器 在探管上的安装误差等组成。由于机械加工和装配水平的限制，各个传感器敏感轴和探 管壳体坐标轴之间总存在一定的失调角，要进一步提高测斜仪的精度，需要对安装误差 进行补偿。 2 3 1 随钻测斜仪的误差分析 阱褂圄 。 刚划到 浯z ， 2 传感器信号处理艘补偿 巨】- 慝】+ 【攀】 沿 料阱匿】 伢 匿】| 【誉】+ 【誉】+ 【攀】 1 擐管2 承噩筒 图2 - 3 井斜误差 f i g 2 - 3t h ei n c li m e t e re r r o r 误差a i n c 。删锄竽 另外，由于井眼曲率的影响，将造成参考系的偏差，从而导致测斜仪的姿态测量误 差。 2 ) 处理误差这项误差包括2 项内容：传输与记录方法的缺陷引起的误差： 数据处理不完善引起的误差。现在的测斜仪基本上都是电子式的产品，采用高性能微处 理器和a d 变换器芯片，在程序控制下完成数据采集、存储和读取，减少人工参与，其 大庆石油学院硕十研究生学位论文 其精度主要取决于a i d 的位数。在微电子技术高速发展的今天，此项误差可以控制在很 低水平。 ( 3 ) 传感器测量误差这项误差主要由传感器本身精密机械加工的不完善所致。 钻井仪器所承受的恶劣工作环境对仪器本身的可靠性是个考验1 4 4 1 。 解决误差的方法很多，从测斜仪的原理出发，采用误差补偿技术和数字滤波技术可 以减少误差。最直接、适用的误差补偿方法就是获得若干组加速度传感器和磁通门的实 际输出值和理想输出值，直接建立起矩阵方程，通过求解矩阵方程获得两矩阵的各项元 素的值。 2 3 2 传感器的误差补偿算法 一般情况下，在测斜仪上正交安装了三个加速度计和三个磁通门，它们在探管上以 t 形槽定向( 如图2 4 ，图中只画出了三个加速度计，其中0 一x y z 为探管坐标系，x 轴为x 加速度计的敏感轴方向) 。 图2 - 4 加速度计在探管上的安装误差 f i g 2 - 4t h ef i x i n ge r r o to fa c c e l e r o m e t e r s o nt h ep r o b e 以x 加速度计为例，当它的敏感轴与探管坐标系的x 轴完全重合时有： 血t k x o + k n g x( 2 6 ) 上式中： 一r x 加速度计的输出； 妇矿x 加速度计的零位误差； 救卜x 加速度计的刻度因数： g r x 轴方向的重力加速度分量： 实际上，由于机械加工、装配误差等原因，a x 的敏感轴在一定程度上偏离了探管坐 标系的x 轴，即x 加速度计存在一定的安装误差，若考虑此项安装误差，则探管上三个加 速度计的数学模型为： 2 传感器信号处理及补偿 匡 5 匮| 】+ 匮蓉薹】，匡】 q s ， ，匮c r y 】- 差誊k y ! 毫k y z - 1 ( 巨h 耄| 】 一。， 圈= 匿篷霸，( 匡 - 霸) 。 刚露兹牙科劂 浯 大庆石油学院硕t 研究生学位论文 表2 1 用于分离系数的探管姿态参数表( 单位：度) t a b l e2 - 1 t h ep o s ep a r a m e t e r so fp r o b ef o rs e p a r a t i n gc o e f f i c l e n t ( u n i t ：d e g r e e ) 位置i n c ( 井斜角) g t f ( 工具面角)a z ( 方位角) 位置1 9 00o 位置2 9 01 8 0 o 位置3 9 01 8 01 8 0 位置49 09 0 o 位置5 9 02 7 0o 位置6 9 02 7 0 1 8 0 位置7 02 7 00 位置81 8 09 0 0 位置91 8 0 9 01 8 0 设在位置i 时，加速度计的输出为a 酊，则各项系数的计算公式为： 对于加速度计有： k x 0