井下高溫高精度磁場(chǎng)隨鉆測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

顏肖平，梁華慶，王志博，王 龍，曹旭東

(中國(guó)石油大學(xué)(北京)信息科學(xué)與工程學(xué)院，北京 102249)

0 引言

在鉆井過程中，如果正鉆井附近存在已鉆井(注水井、油井等)，已鉆井的金屬套管受到地磁場(chǎng)磁化作用或自身具有剩磁，會(huì)在地層中產(chǎn)生磁化磁場(chǎng)[1-2]，該磁場(chǎng)疊加在地磁場(chǎng)上，從而引起正鉆井井眼中地磁的異常。在正鉆井中，利用高精度磁場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量此種異常磁場(chǎng)，通過分析計(jì)算異常地磁的幅度與方向，即可確定正鉆井與鄰近已鉆井的距離與方位[3-4]，并據(jù)此修正鉆進(jìn)井眼軌跡設(shè)計(jì)，以避免井眼相碰或?qū)崿F(xiàn)井眼聯(lián)通。

由于套管產(chǎn)生的磁化磁場(chǎng)強(qiáng)度非常微弱，并以測(cè)距的三次方急速衰減，前期研究顯示，當(dāng)測(cè)距超過5 m時(shí)其強(qiáng)度已衰減至0.1 nT以下，僅為地磁場(chǎng)強(qiáng)度的1/500 000[5-6]，因此對(duì)磁場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)的采樣分辨率要求很高。雖然目前應(yīng)用的隨鉆測(cè)量系統(tǒng)(MWD)均含有測(cè)量地磁強(qiáng)度單元，但其磁場(chǎng)分辨率通常大于10 nT，無法滿足測(cè)距的高精度要求[7]。此外，隨鉆測(cè)量系統(tǒng)處在井下高溫、高振動(dòng)的惡劣工作環(huán)境，對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性也提出了更高要求[8-9]。

鑒于上述，在“十三五”國(guó)家科技重大專項(xiàng)的資助下，研制了一套井下高溫環(huán)境中、地磁場(chǎng)強(qiáng)干擾背景下，極微弱磁信號(hào)的高精度測(cè)量系統(tǒng)，為MWD系統(tǒng)提供及時(shí)準(zhǔn)確的定位導(dǎo)向數(shù)據(jù)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與方案設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

磁場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)作為單獨(dú)的測(cè)量工具安裝在正鉆井的井下鉆柱組合中。由于需要測(cè)量外部磁場(chǎng)，測(cè)量工具所處位置鉆鋌的材質(zhì)必須采用無磁特種鋼，磁場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)以總成形式安裝在承壓密封的無磁合金鋼筒內(nèi)，此鋼筒位于鉆鋌內(nèi)部中心，兩者之間的空隙用于內(nèi)循環(huán)泥漿。

測(cè)量系統(tǒng)的電路固定于鋼筒內(nèi)部鋁骨架上，外徑必須控制在50 mm以內(nèi)，并根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求及電池倉的大小確定總長(zhǎng)度，系統(tǒng)總成結(jié)構(gòu)的3D模型如圖1所示。同時(shí)，鋁骨架兩端裝配PEEK減震環(huán)，外部安裝薄壁鋁筒，電路測(cè)試完畢之后采用高溫硅膠灌封，提高系統(tǒng)的抗震能力。

圖1 磁場(chǎng)隨鉆測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及方案設(shè)計(jì)示意圖

1.2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

如圖1所示，正鉆井的井眼附近地層中存在相鄰井套管，在正鉆井中測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量的磁信號(hào)包含地磁及套管的磁化磁場(chǎng)。隨著距離或者相對(duì)方位的變化，磁化磁場(chǎng)幅度也會(huì)變化或改變方向，但地磁場(chǎng)幅度與方向保持不變，從而可根據(jù)不同深度點(diǎn)測(cè)量得到的總磁場(chǎng)矢量變化梯度來確定兩者之間距離及方位。

磁場(chǎng)隨鉆測(cè)量系統(tǒng)主要包含：三軸正交高精度磁通門傳感器及驅(qū)動(dòng)電路、三通道高精度磁信號(hào)采集及控制電路、隔離電源模塊、供電和總線通訊電路及電池倉附屬配置。系統(tǒng)利用磁通門傳感器轉(zhuǎn)換磁場(chǎng)強(qiáng)度為電壓信號(hào)，利用采集及控制電路進(jìn)行信號(hào)濾波、ADC數(shù)字化及相關(guān)幅度提取，通過通訊總線傳輸數(shù)據(jù)至MWD工具或地面測(cè)試系統(tǒng)，數(shù)據(jù)也可以存儲(chǔ)于Flash芯片中，在測(cè)后井口地面通過數(shù)據(jù)接口讀取存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。為了提高磁信號(hào)采集電路的信號(hào)采樣精度及抗干擾能力，測(cè)量系統(tǒng)采用隔離型電源模塊以隔離與外部總線的電氣連接，電源與測(cè)量電路反面安裝，防止外部電源及通訊信號(hào)噪聲耦合至測(cè)量電路。

系統(tǒng)內(nèi)部安裝電池模塊作為備用電流源，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)獨(dú)立工作及不間斷供電測(cè)量。電池的電壓一般低于總線供電電壓，如總線上具有電源供電則優(yōu)先使用總線電源。

2 測(cè)量電路設(shè)計(jì)

測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指標(biāo)：磁場(chǎng)強(qiáng)度分辨率為0.1 nT，有效測(cè)量精度下溫度不低于125 ℃，最高運(yùn)行溫度為150 ℃。在分析噪聲源的基礎(chǔ)上，從傳感器選型、芯片選型、濾波電路設(shè)計(jì)、ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換、LDO電源穩(wěn)壓等關(guān)鍵部分進(jìn)行篩選和設(shè)計(jì)優(yōu)化。

三軸測(cè)量電路框圖如圖2所示，Y、Z軸的濾波、采集電路與X軸相同。

圖2 磁場(chǎng)測(cè)量電路框圖

2.1 噪聲分析與抑制方法

電路系統(tǒng)存在外部噪聲和內(nèi)部噪聲，外部噪聲指電磁脈沖、電源紋波等以電壓/電流方式輻射或耦合至測(cè)量電路的干擾噪聲，內(nèi)部噪聲為輸入端電壓/電流噪聲、熱噪聲、閃爍噪聲、散粒噪聲、隨機(jī)噪聲等[10-11]。假定這些噪聲存在無相關(guān)性，則輸出噪聲可表示為

(1)

式中：VnT為總輸出噪聲，V；eR為熱噪聲，V；en為輸入端電壓噪聲，V；in為輸入端電流噪聲，A；Rs為輸入源等效電阻，Ω；Vn(Rex)為外部電壓噪聲，V；Gn為噪聲增益。

熱噪聲又可表示為

(2)

式中：k為玻爾茲曼常量，k=1.38×10-23J/K；T為絕對(duì)溫度，K；R為等效電阻，Ω；B為帶寬范圍，Hz。

如何抑制噪聲影響，需要針對(duì)式(1)及式(2)所示的各噪聲源進(jìn)行針對(duì)處理。為降低外部電壓噪聲，需做好電路電磁屏蔽、模擬與數(shù)字地隔離、優(yōu)化布線等措施。對(duì)于內(nèi)部噪聲抑制，則需采用選取低噪聲水平的傳感器與運(yùn)算放大器、使用低噪聲電阻及減小阻值、盡量減少噪聲源的數(shù)量等手段[12]。

2.2 高溫傳感器選型

2.3 信號(hào)濾波處理

運(yùn)用LT Spice電路仿真軟件對(duì)以上兩級(jí)低通濾波電路進(jìn)行性能仿真，結(jié)果如圖3所示。由于磁信號(hào)的電壓范圍為±10 V，ADC芯片的測(cè)量量程為±2.5 V，因此濾波電路之后設(shè)計(jì)有幅度衰減電路，滿足磁場(chǎng)強(qiáng)度±100 μT測(cè)量范圍。

(a)

(b)

2.4 高精度ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換

根據(jù)采樣分辨率、SNR等關(guān)鍵參數(shù)選型，系統(tǒng)選用了ADS1282HPW芯片，此芯片為32位∑-Δ型ADC，具有31位的有效分辨率[15]，性能指標(biāo)為：信噪比(SNR)為130 dB(250 SPS)，總諧波失真(THD)為-122 dB，積分非線性(INL)為0.5 ppm(1 ppm=10-6)，采樣比為250～4 000 SPS，測(cè)量量程為±2.5 V，溫度范圍為-55～210 ℃，性能可滿足應(yīng)用環(huán)境[16]。

為防止3個(gè)通道的信號(hào)互相串?dāng)_，系統(tǒng)為每個(gè)通道單獨(dú)配置一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，利用復(fù)用的SPI總線配置ADC芯片和讀取轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，同時(shí)采用耐溫150 ℃的ARM數(shù)字信號(hào)處理器，提取磁信號(hào)幅度值后上傳至通訊總線。

2.5 電源穩(wěn)壓處理電路

由于總線上供電電源存在波動(dòng)及外部電磁干擾[17]，為進(jìn)一步降低測(cè)量電路的電源紋波噪聲，測(cè)量電路先采用開關(guān)電源完成雙路±15 V電源轉(zhuǎn)換輸出，后利用超低噪聲線性穩(wěn)壓器(LDO)濾除電源紋波。LDO穩(wěn)壓器具有均方根值不超過0.8 μV的超低噪聲(10 Hz～100 kHz)，最終輸出±12 V、±2.5 V穩(wěn)壓電源，提高了系統(tǒng)供電的抗干擾能力。

3 系統(tǒng)性能測(cè)試

經(jīng)過不斷完善優(yōu)化，已完成測(cè)量電路的設(shè)計(jì)及制作，并進(jìn)行了相關(guān)性能測(cè)試及分析。測(cè)量系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及電路實(shí)物如圖4所示。

圖4 磁場(chǎng)隨鉆測(cè)量系統(tǒng)總成實(shí)物圖

3.1 信號(hào)采樣精度及線性度測(cè)試

首先，對(duì)ADS1282進(jìn)行轉(zhuǎn)換精度測(cè)試。將3路ADC的信號(hào)輸入引腳接地，檢測(cè)芯片在輸入接地情況下的采樣分辨率，采樣頻率為10 Hz，共采集1 000個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。結(jié)果顯示，信號(hào)幅度標(biāo)準(zhǔn)差約為0.71 μV，ADC采樣有效位數(shù)達(dá)到22位。

其次，進(jìn)行信號(hào)輸入端噪聲水平測(cè)試。將信號(hào)輸入端接地，檢測(cè)低通濾波電路至ADC采集通道的固有噪聲水平。測(cè)試結(jié)果顯示，信號(hào)輸入端在增益歸一化后的噪聲幅度標(biāo)準(zhǔn)差約為2.59 μV。由于Mag-610L幅度轉(zhuǎn)換比例為1 nT∶0.1 mV，在0.1 nT磁場(chǎng)分辨率指標(biāo)下需要的電壓幅度分辨率為10 μV，因此固有噪聲水平到達(dá)設(shè)計(jì)要求。

最后，檢驗(yàn)ADC轉(zhuǎn)換線性度。采用直流形式輸入電壓信號(hào)至采集電路信號(hào)輸入端，檢驗(yàn)及標(biāo)定輸入信號(hào)ADC轉(zhuǎn)換線性度。測(cè)試結(jié)果圖5所示，X、Y、Z通道的線性擬合優(yōu)度系數(shù)R2分別為：0.997 1、0.996 1、0.999 2，線性度符合要求。

圖5 輸入信號(hào)ADC轉(zhuǎn)換線性度測(cè)試曲線

3.2 高溫環(huán)境下測(cè)量分辨率測(cè)試

為檢驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)的溫度性能，利用電熱恒溫箱 (DGG-9053A)對(duì)采集電路加溫測(cè)試，溫度范圍為室溫(約25 ℃)～125 ℃。測(cè)試過程分為2步：第一步，采用采集電路的信號(hào)輸入端接地方式，檢驗(yàn)電路自身固有噪聲水平受溫度的影響程度；第二步，信號(hào)輸入端連接溫箱外部的1.5 V直流電壓信號(hào)。依次記錄以上2步測(cè)量的幅度偏移量及標(biāo)準(zhǔn)差。

測(cè)試結(jié)果如圖6所示。

(a)信號(hào)幅度隨溫度漂移曲線

(b)幅度標(biāo)準(zhǔn)差隨溫度變化曲線圖6 測(cè)量系統(tǒng)溫度實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果

圖6(a)顯示了隨溫度上升信號(hào)測(cè)量幅度的漂移量(圖中曲線已減去直流偏置)，對(duì)比2種連接方式，兩者的變化趨勢(shì)相反，但幅度相對(duì)漂移量相似，常溫～125 ℃的漂移量約0.8 mV，測(cè)量系統(tǒng)也可以據(jù)此測(cè)試方法對(duì)漂移量進(jìn)行溫度補(bǔ)償[18]。圖6(b)顯示了隨溫度增高信號(hào)測(cè)量幅度的標(biāo)準(zhǔn)差變化趨勢(shì)。在接地情況下，隨著溫度上升，幅度標(biāo)準(zhǔn)差在2.7 μV左右波動(dòng)，但在接入1.5 V電壓信號(hào)后，隨著溫度增高，標(biāo)準(zhǔn)差大幅增加，在125 ℃時(shí)標(biāo)準(zhǔn)差已增長(zhǎng)至10 μV左右。相比于熱噪聲理論值，噪聲增長(zhǎng)幅度偏大，原因在于隨著溫度上升恒溫箱供電功率增大，對(duì)連接外部1.5 V信號(hào)線纜的電磁輻射干擾也不斷增強(qiáng)，從而影響了測(cè)量電路的噪聲水平，由于實(shí)際高溫環(huán)境中在不存在此種情況，因此實(shí)際的噪聲幅度應(yīng)低于此測(cè)試值。

3.3 無磁環(huán)境下磁場(chǎng)分辨率測(cè)試

由于地面環(huán)境中存在地磁波動(dòng)及電磁干擾，因此利用磁場(chǎng)屏蔽裝置來檢驗(yàn)磁場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)的整體噪聲水平及磁場(chǎng)幅度分辨率。測(cè)試方案如圖7所示，將Mag-610L放入磁場(chǎng)屏蔽裝置，相關(guān)電路外部放置，測(cè)量數(shù)據(jù)通過RS232串口上傳至測(cè)試軟件。

圖7 磁屏蔽實(shí)驗(yàn)裝置及測(cè)試方案示意圖

數(shù)據(jù)采樣頻率設(shè)為10 Hz，單次采樣1 000數(shù)據(jù)點(diǎn)，重復(fù)3次，得到的三軸磁場(chǎng)的直流偏置幅度值及其標(biāo)準(zhǔn)差如表1所示，結(jié)果表明，三軸磁場(chǎng)幅度的標(biāo)準(zhǔn)差均低于0.1 nT，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

表1 磁屏蔽測(cè)試三軸磁場(chǎng)強(qiáng)度值及其標(biāo)準(zhǔn)差 nT

4 結(jié)束語

本文從分析噪聲源及可行的抑制方法著手，在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、高溫器件選型、信號(hào)濾波與高精度ADC轉(zhuǎn)換、電源穩(wěn)壓處理等方面進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化以實(shí)現(xiàn)高溫高精度磁場(chǎng)隨鉆測(cè)量。測(cè)試結(jié)果表明，ADC采樣有效位數(shù)可達(dá)22位，在25～125 ℃度范圍內(nèi)，采集電路的固有噪聲水平低于10 μV，無磁環(huán)境測(cè)試結(jié)果表明三軸磁場(chǎng)信號(hào)輸入端強(qiáng)度測(cè)量分辨率達(dá)到0.1 nT設(shè)計(jì)指標(biāo)，滿足高溫下測(cè)距的測(cè)量精度需求。同時(shí)，所研制的測(cè)量系統(tǒng)還需不斷地通過現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用和改進(jìn)以提高可靠性，更好地服務(wù)于鉆井工程需求。