时东海，梁华庆，史 超

（中国石油大学（北京）地球物理与信息工程学院，北京 1 02249）

我国剩余的石油和天然气储量大多属于低品位或难动用资源，其开发难度越来越大，还有煤层气开发问题，都对复杂结构井技术提出越来越高的迫切需求。为了提高采收率，双水平井、连通井、U型井、多功能组合井及丛式井等复杂结构井在我国正大力推广。而高精度导向定位技术是实现这些现代复杂结构井钻井的关键技术。利用对电磁场/磁场源的三维磁场矢量的测量来判断测量点与发射源的空间距离的引导设备在国外已经得到广泛应用，但其核心技术都被保密和垄断。虽然我国近年来开展了大量的磁场测距导向技术的研究工作，但无论是在测量理论方面还是在检测技术方面与国外还存在着较大差距，实际装备研制尚处于初步阶段[1-4]。文中针对旋转磁场测距导向系统RMRS （Rotating Magnet Ranging System）中电磁干扰强、信号微弱的特点，设计了低噪声、大动态范围、超低频、窄通频带、高精度数据采集电路，为实现井间距离的精确测量奠定基础。

1 RMRS信号采集系统

1.1 RMRS信号特点

理论研究和实际测量表明，RMRS的磁场信号具有以下3个特点：

1）信号微弱，信号幅度随传播距离的三次方急速衰减。当距离从几米增加至50 m时，信号幅度从几千nT急速衰减至几nT；

2）信号是超低频、窄带、频变的信号，其频率会随着钻头转速的改变而变化，频率变化范围在2.0～4.0 Hz；

3）信号中含有大量电磁干扰和噪声，当测量距离超过30 m之后，有用信号已被干扰和噪声所淹没。

1.2 RMRS信号采集系统的组成

根据RMRS信号特点，设计采集系统，其主要由三轴磁场传感器（Mag-03MSL70）、前置交流提取电路、滤波放大电路、A/D转换电路和曼切斯特码通信电路构成，系统总体结构框图如图1所示。

图1 RMRS信号采集系统框图Fig.1 Block diagram of the RMRS signal acquisition system

各模块作用为：三轴磁场传感器将磁场信号转化为电信号；前置交流放大器和Butterworth低通滤波器将磁场传感器输出的超低频微弱信号转换为模数转换器能测量电信号，本文信号调理电路的设计体现了其重要作用；模数转化电路将模拟电信号转化为数字信号；曼切斯特码通信模块将数字信号通过测井电缆从井下传输到地面计算机，然后进行信号处理与分析。

2 调理电路设计

2.1 Mag-03MSL70简介

Mag-03MSL70是英国Bartington Instruments公司生成的三轴磁通门磁场传感器，它具有高性能磁通门探头，可以对三轴磁场Bx、By和Bz进行高精度测量，磁场测量范围为0～±70 uT，其对应的输出模拟电压范围为 0 ～±10 V，即对应关系为0.143 mV/nT，其噪声水平在1 Hz时小于6pT rms/

2.2 前置交流放大电路设计

由于Mag-03MSL70模拟输出信号为静止的地磁场和交变的RMRS信号的叠加，在使用Mag-03MSL70测量超低频的RMRS信号时，其第一级前置交流放大电路至关重要。在本级电路中采用带增益的正反馈型多极点有源高通滤波放大电路，如图2所示，既可以去掉地磁场直流分量，又可以有效的放大有用信号。其中考虑到运放偏置电流的影响，R1、R2取值应小一些，这样也可减小系统噪声[5-6]。

图2 前置交流放大电路Fig.2 Front AC amplifier circuit

2.3 Butterworth低通滤波器设计

为了有效提取超低频2.0～5.0 Hz的有用信号，抑制高频干扰，提高信噪比，选用6阶Butterworth低通滤波器，由三级2阶正反馈型低通滤波器构成，如图3所示。

2阶正反馈型低通滤波器的优点是输入阻抗大，输出阻抗小，增益易调节，通带平坦[7]。其传递函数为

电路中决定频率的RC值的大小不会影响到Q值，同时Q值决定增益，即调整增益即可调整Q值[8]。

图3 正反馈型低通滤波器Fig.3 Positive feedback type low-pass filter

由归一化表计算出滤波器元器件参数后，根据电阻标称确定各电阻大小，其中 R7=681 kΩ、R11=5.83 kΩ、R15=14.7 kΩ，在制作PCB板时应注意，决定增益的电阻应使用高精密电阻，在使用前最好使用高精度万用表测量其参数，这样才能保证做出的实际滤波器和设计滤波器保持一致。

表1 巴特沃斯低通滤波器归一化表Tab.1 Butterworth low-pass filter normalized table

用频率响应分析仪PSM1700对所设计的电路的幅频特性进行测量，结果如图4所示。其在通带1.7～5.8 Hz范围内具有非常平坦的响应，增益为38 dB；而0.1 Hz以下信号的增益为-5 dB，相对与通带信号衰减了43 dB；而50 Hz以上信号的增益为-22 dB，相对与通带信号衰减了60 dB。达到了预定的设计要求。

图4 电路的幅频特性Fig.4 Amplitude-frequency characteristics of the circuit

3 采集系统测试结果与分析

3.1 测试电路

用信号发生器产生频率为2.0 Hz的正弦信号作为采集系统的输入信号。分别用纳伏表（Model 2182A Nanovoltmeter）和所设计的系统采集该输入信号的峰峰值，测试系统的采集精度，测量结果列于表2中。由表可见，采集系统测量误差小于2%，可以满足实际测量需求。

3.2 系统室外测试

在完成了RMRS信号采集系统联调后，对其进行室外测试。用电机带动自制的磁短节旋转产生频率约为1.8 Hz的磁场信号，在Mag-03MSL70传感器与磁短节相距15、20、25、30、35、40、45 m时，分别用24位高精度采集仪 DP240和自制的采集电路采集此磁场信号。图5～7所示分别为15、30、40 m时采集的信号与处理的结果。图中（a）为采集仪DP240采集的X、Y、Z三轴磁场信号的时域波形，（b）为自制的采集电路采集的三轴磁场信号的时域波形，（c）为对应（b）中信号的频谱，（d）是经过进一步数字信号处理后的三轴磁场信号的时域波形。

表2 采集板测试结果Tab.2 Acquisition board test results

由图可见，自制的采集电路可以有效地滤除1～5 Hz以外的噪声和干扰，极大地提高了信噪比；随着距离的增加，信号幅值急速减小，而噪声逐步加大；经过数字信号处理后，进一步滤除了硬件电路通带内（1～5 Hz）其它频率的杂波和噪声，得到纯净的磁场信号。

实测结果表明，所设计的RMRS信号采集系统，可实现5～50 m距离的可靠测量。

图5 15米测试结果Fig.5 Test results at 15 meters

图6 30米测试结果Fig.6 Test results at 30 meters

图7 40米测试结果Fig.7 Test results at 40 meters

4 结束语

文中在深入分析RMRS信号特点的基础上，设计了RMRS信号采集系统，实现了3轴磁场信号的高精度采样，有效地解决强干扰大噪声背景下微弱的磁场信号的检测问题。试验表明，所设计的采集系统有效测距范围达50 m，可以满足SAGD双水平井和煤层气连通井的钻井工程实际需求。

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