落魚定位儀的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種落魚定位儀，包括多個呈直線等距排列在襯板上的超聲探頭，驅(qū)動襯板旋轉(zhuǎn)的自旋步進(jìn)電機，以及安裝于襯板上的電子羅盤；所述每個超聲探頭、自旋步進(jìn)電機、電子羅盤分別連接用于與上位機通信的MCU主控板。將本實用新型沿鉆孔送入井中，利用電子羅盤和超聲探頭可以實時獲取井下落魚探測數(shù)據(jù)，并通過MCU主控板實時將探測數(shù)據(jù)傳給上位機做進(jìn)一步處理得到落魚魚頂?shù)奈恢?這樣上位機在本實用新型的輔助下可以大大提高落魚打撈的進(jìn)度，克服打撈的盲目性；超聲探頭能在液體中進(jìn)行測距，適用于國內(nèi)油水井落魚的打撈；所選用的元器件、電路設(shè)計及保護(hù)，適合于在地下高溫高壓的泥漿等復(fù)雜環(huán)境下正常工作。
【專利說明】
落魚定位儀
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本實用新型設(shè)及一種落魚定位儀，用于對在鉆井過程中的落魚（斷落的鉆頭和鉆 具)進(jìn)行定位。
【背景技術(shù)】
[0002] 在石油鉆井過程中，由于鉆具存在傷口，長期受交變應(yīng)力作用發(fā)生疲勞、鉆柱被卡 后未能及時發(fā)現(xiàn)，鉆具會被提斷或扭斷，地層中含有的也S氣體會導(dǎo)致鉆挺"氨脆"等強度破 壞。經(jīng)過對濃陽油田、長慶油田等鉆井隊工作人員的調(diào)研，W及國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行檢索發(fā) 現(xiàn)，鉆井過程中的斷鉆情況時有發(fā)生，國內(nèi)外對于此類事故的處理方式類似：1)如果鉆井過 程中沒有形成大肚子井眼，或魚頂不在大肚子井眼范圍內(nèi)，此時魚頂不會偏移出鉆孔，根據(jù) 鉆桿斷裂的部位和斷裂方式，選擇相應(yīng)的傳統(tǒng)打拱技術(shù)如公錐、母錐、強磁、套筒、磨銳、機 械手抓取等方式，可W快速完成落魚打拱;2)如果魚頂位置正好處于大肚子井眼范圍內(nèi)，由 于泥漿具有一定的粘滯性，魚頂不會很快發(fā)生偏移，目前的解決方法是在最短的時間內(nèi)進(jìn) 行打拱。如果拖延超過一定的時間，受重力、水流等因素的影響，魚頂偏移出鉆孔，而現(xiàn)有的 打拱技術(shù)都是在已知魚頂位置時才能實現(xiàn)快速打拱，若落魚具體位置無法預(yù)測，此時只能 依靠經(jīng)驗進(jìn)行摸索式的試探性打拱，盲目性大，打拱難度高，成本高，周期長，影響總體工期 進(jìn)度。
[0003] 國外在打拱工具的研制方面開發(fā)的井下視頻電視測卡儀，能看到井底全貌但還是 無法確定落魚的具體位置，而且對深度有限制，一般為2000mW內(nèi)，價格昂貴，實用性不強。
[0004] 國內(nèi)油水井在實際操作打拱時，由于油井的種類越來越多，落魚的種類也不盡相 同，打拱的難度也不斷增加，技術(shù)落后，弊端日益顯現(xiàn)，打拱工藝和流程無法滿足實際需求。 現(xiàn)在的超聲波檢測產(chǎn)品往往都不是用在水中，無法在水中進(jìn)行測距;對于泥漿中檢測方面 僅限于在鉆井過程中對于鉆桿距離井壁的距離方面的應(yīng)用，做出一些簡單預(yù)警方案，很少 有產(chǎn)品。雖然探測落魚過程中采用電磁感應(yīng)技術(shù)探測磁性頭的位置，但是只能估計大概的 位置，在打拱過程中僅起到輔助作用，仍然無法克服落魚打拱的盲目性。 【實用新型內(nèi)容】
[0005] 本實用新型要解決的技術(shù)問題在于提供一種能提高落魚打拱效率、實時性好、適 應(yīng)井下復(fù)雜打拱環(huán)境的落魚定位儀，W解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問題。
[0006] 為解決上述技術(shù)問題，本實用新型采用W下技術(shù)方案：
[0007] -種落魚定位儀，包括多個呈直線等距排列在襯板上的超聲探頭，驅(qū)動襯板旋轉(zhuǎn) 的自旋步進(jìn)電機，W及安裝于襯板上的電子羅盤;所述每個超聲探頭、自旋步進(jìn)電機、電子 羅盤分別連接用于與上位機通信的MCU主控板。
[000引自旋步進(jìn)電機通過光軸與襯板連接。
[0009]所述的落魚定位儀還包括一個圓筒型外殼，自旋步進(jìn)電機固定在圓筒型外殼頂 部;光軸一端連接自旋步進(jìn)電機，光軸另一端從圓筒型外殼底部伸出與襯板連接。
[0010] 在圓筒型外殼內(nèi)部還設(shè)置有一個防止光軸偏屯、旋轉(zhuǎn)的承接平臺。
[0011] 承接平臺固定在圓筒型外殼的內(nèi)部邊緣上;承接平臺上設(shè)置有安裝在光軸上的軸 承。
[0012] MCU主控板包括MCU控制器，MCU控制器將產(chǎn)生的PWM脈沖信號輸出到脈沖放大電 路，脈沖放大電路接收PWM脈沖信號并輸出高壓脈沖信號到超聲探頭，超聲探頭接收所述高 壓脈沖信號并發(fā)射超聲波;超聲探頭將接收到的回波信號經(jīng)過帶通濾波器電路濾波放大 后，再通過對數(shù)放大電路或定時器捕獲/外部中斷方式電路采樣后輸送到MCU控制器；電子 羅盤、自旋步進(jìn)電機分別與MCU控制器連接;MCU控制器還連接用于與上位機通信的通訊模 塊。
[001引所述MCU控制器采用STM32F407VG主控忍片。
[0014] 所述每個超聲探頭采用外加耐壓防護(hù)罩的超聲換能器。
[0015] 所述電子羅盤采用傾角補償式=維電子羅盤。
[0016] 將本實用新型沿鉆孔送入井中，在自旋步進(jìn)電機的旋轉(zhuǎn)下利用電子羅盤和超聲探 頭可W實時獲取井下落魚探測數(shù)據(jù)，并通過MCU主控板實時將探測數(shù)據(jù)傳給上位機，本實用 新型為上位機進(jìn)一步計算落魚魚頂?shù)奈恢锰峁┝双@取落魚方位的第一手?jǐn)?shù)據(jù)資料，上位機 在本實用新型的輔助下可W大大提高落魚打拱的進(jìn)度，克服打拱的盲目性;超聲探頭能在 液體中進(jìn)行測距，適用于國內(nèi)油水井落魚的打拱;所選用的元器件、電路設(shè)計及保護(hù)，適合 于在地下高溫高壓的泥漿等復(fù)雜環(huán)境下正常工作。
【附圖說明】
[0017] 圖1為鉆井落魚示意圖。
[0018] 圖2為本實用新型的落魚定位儀的主視圖。
[0019] 圖3為本實用新型的落魚定位儀的側(cè)視圖。
[0020] 圖4為本實用新型的電路原理圖。
[0021] 圖5為本實用新型的MCU主控板的24V轉(zhuǎn)5V電路原理圖。
[0022] 圖6為本實用新型的MCU主控板的5V轉(zhuǎn)3.3V電路原理圖。
[0023] 圖7為本實用新型的STM32F407VG主控忍片的電路原理圖。
[0024] 圖8為本實用新型的MCU主控板的PWM脈沖波反向輸出電路原理圖
[0025] 圖9為本實用新型的MCU主控板的SSP脈沖啟動變壓器升壓電路原理圖。
[00%]圖10為本實用新型的MCU主控板的帶通濾波器電路原理圖。
[0027]圖11為本實用新型的MCU主控板的對數(shù)放大電路原理圖。
[00%]圖12為本實用新型的MCU主控板的定時器捕獲/外部中斷方式電路原理圖。
[0029] 圖13為本實用新型的MCU主控板的L抓指示模塊電路原理圖；其中，圖13(a)為紅色 LH)指示燈電路原理圖，圖13 (b)為綠色LH)指示燈電路原理圖。
[0030] 圖14為本實用新型的MCU主控板的驅(qū)動電路板供電電路原理圖；其中，圖14(a)為 驅(qū)動電路板24V電源供電電路原理圖，圖14(b)為驅(qū)動電路板5V電源供電電路原理圖。
[0031] 圖15為本實用新型的MCU主控板的化INK下載接口電路原理圖。
[0032] 圖16為落魚的受力模型圖。
[0033] 圖17為落魚某點斜率計算示意圖。
[0034] 圖18為落魚在水平井中建立的坐標(biāo)系進(jìn)行數(shù)學(xué)計算的函數(shù)模型的示意圖。
[0035] 圖19為落魚斜置時懸臂梁模型圖。
[0036] 圖20為XOY坐標(biāo)系、X ' OY '坐標(biāo)系和r 0 ' r坐標(biāo)系建立示意圖。
[0037] 圖21為落魚產(chǎn)生在水平井時的打拱過程及建立坐標(biāo)系后的示意圖。
[0038] 圖22為落魚產(chǎn)生在垂直井的打拱過程及建立坐標(biāo)系后的示意圖。
【具體實施方式】
[0039] 下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本實用新型作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0040] 本實用新型提供一種落魚定位儀，參見圖2至圖3,包括超聲探頭1、自旋步進(jìn)電機 2、承接平臺3、圓筒型外殼4、襯板5、光軸6、電子羅盤7、MCU主控板;每個超聲探頭1、自旋步 進(jìn)電機2、電子羅盤分別連接用于與上位機通信的MCU主控板。
[0041 ]超聲探頭1，包括多個，根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)置，運里具體設(shè)置為4個，呈直線等距自上 而下排列在襯板5上；四個超聲探頭分別用于在垂直于襯板的方向上測量到落魚的距離，通 過運四個超聲探頭測量到的距離值來計算探測位置處落魚斜率的平均值(圖18所示建立的 XOY坐標(biāo)系中落魚的斜率，Q表示每次落魚定位儀下降的深度），從而得到該探測位置處落魚 的傾角(落魚與探測方向的夾角）。
[0042] 自旋步進(jìn)電機2,固定在圓筒型外殼4頂部上，驅(qū)動襯板5旋轉(zhuǎn)。
[0043] 承接平臺3,固定在圓筒型外殼4的內(nèi)部邊緣上，承接平臺3上設(shè)置有安裝在光軸6 上的軸承。通過承接平臺3可W防止光軸偏屯、旋轉(zhuǎn)。
[0044] 光軸6上設(shè)置有防止光軸偏屯、旋轉(zhuǎn)的承接平臺3,光軸6的一端連接自旋步進(jìn)電機 2,光軸6的另一端從圓筒型外殼4底部伸出并與襯板5連接。
[0045] 電子羅盤7，安裝于襯板上，固定在襯板上方。
[0046] 自旋步進(jìn)電機2與MCU主控板連接，每個超聲探頭1通過驅(qū)動板與MCU主控板連接， MCU主控板連接上位機;驅(qū)動板需要3.3￥(￥00)、5￥、24￥電源：其中5￥和24￥由1〇]主控板的 24V轉(zhuǎn)5V電路(參見圖5)提供，3.3V由主控板的5V轉(zhuǎn)3.3V電路(參見圖6)提供，是通過轉(zhuǎn)壓忍 片LMl 117及相應(yīng)RC電路(增加穩(wěn)定性)將5V電壓轉(zhuǎn)變成3.3V。
[0047] MCU主控板包括MCU控制器，MCU控制器采用STM32F407VG主控忍片，參見圖7,其中 12、13引腳接8MHz外部晶振，94引腳B00T0、37引腳BOOTl外接IOOK電阻后接GND。參見圖4， MCU控制器將產(chǎn)生的HVM脈沖信號輸出到脈沖放大電路，脈沖放大電路接收HVM脈沖信號并 輸出高壓脈沖信號到超聲探頭，超聲探頭接收高壓脈沖并發(fā)射超聲波，超聲探頭將接收到 的回波信號經(jīng)過帶通濾波器電路濾波放大后，再通過對數(shù)放大電路或定時器捕獲/外部中 斷方式電路采樣后輸送到MCU控制器；電子羅盤7、自旋步進(jìn)電機2分別與MCU控制器連接； MCU控制器還連接用于與上位機通信的通訊模塊。其中：
[004引 1、STM32F407VG主控忍片，具有如下特點：
[0049] (1)先進(jìn)技術(shù)和工藝
[0050] -存儲器加速器：自適應(yīng)實時加速器(ART Accelerator?)
[0051] -多重AHB總線矩陣和多通道DMA:支持程序執(zhí)行和數(shù)據(jù)傳輸并行處理，數(shù)據(jù)傳輸速 率非常快
[0化2] -90nm工藝
[0053] (2)高性能
[0054] -210DMIPSil68MHz
[0055] -由于采用了 ST(意法半導(dǎo)體）的ART加速器，程序從FLASH運行相當(dāng)于0等待更多的 存儲器
[0056] -多達(dá)IMB FLA甜
[0化7] -192肺SRAM: 128邸在總線矩陣上，64KB在專為CPU使用的數(shù)據(jù)總線上高級外設(shè)與 STM32F2 兼容
[0化引-USB OTG高速480Mbit/s
[0059] -I 邸 E1588，W 太網(wǎng) MAC 10/100
[0060] -PWM高速定時器:168MHz最大頻率
[0061 ]-加密/哈希硬件處理器:32位隨機數(shù)發(fā)生器(RNG)
[0062] -帶有日歷功能的32位RTC: CiiA的實時時鐘，1秒精度
[0063] (3)更多的提升
[0064] -低電壓：1.8V到3.6V VDD，在某些封裝上，可降低至1.7V [00化]-全雙工12S
[0066] -12 位 ADC: 0.41US 轉(zhuǎn)換/2.4Msps(7.2Msps 在交替模式）
[0067] -高速 USART，可達(dá) 10.5Mbits/s [006引-高速 SPI，可達(dá) 37.5Mbits/s
[0069] -Camera接口，可達(dá)54M字節(jié)/s
[0070] 2、超聲探頭
[0071] -采用200K-75K化超聲換能器，外加耐壓防護(hù)罩適用于工業(yè)泥漿及水中
[0072] -型號:DYW-75/200-E
[0073] -量程：200KHz 0.6~120m，75KHz 1.8~300m
[0074] -盲區(qū)：200KHZ盲區(qū)0.6米，75KHz盲區(qū) 1.5米 [00 巧]-頻率：200KHZ ± 5KHz 或 75K 監(jiān) ± 3KHz
[0076] -工作電壓:峰值電壓<800VPP
[0077] -工作溫度:-20 ~+80 °C [007引-壓力：最大5000米液深
[0079] -角度JOOKHz時(波束寬度)半功率角@-3地：10.4°，銳度角：24.6%75KHz時(波束 寬度)半功率角@-3地:28°，銳度角:69°
[0080] -耐腐蝕性:在弱酸弱堿的環(huán)境下可W使用。
[0081] 3、脈沖放大電路
[0082] 脈沖放大電路包括依次連接的PWM脈沖波反向輸出電路和SSP脈沖啟動變壓器升 壓電路。MCU主控忍片發(fā)出的PWM信號(根據(jù)換能器的頻率和實際工作的要求，產(chǎn)生5-20個周 期的脈沖信號，信號的頻率必須與換能器的頻率相當(dāng)，信號幅度為5化P)經(jīng)過由74肥T04D反 相器元件及輔助電路構(gòu)成的PWM脈沖波反向輸出電路(74肥T04D是一個六通道反相器，參見 圖8)后得到與PWM信號相反的SSP信號;SSP信號再經(jīng)過SSP脈沖啟動變壓器升壓電路(SSP脈 沖通過LU3410NM0S管控制變壓器Tl是否進(jìn)行升壓，當(dāng)SSP有脈沖時候則進(jìn)行升壓驅(qū)動超聲 探頭，無脈沖時候則不驅(qū)動，參見圖9)后得到超聲探頭輸入信號TRANS，圖9所示SSP脈沖啟 動變壓器升壓電路中的Tl是變壓器，作用是將電壓升到超聲探頭發(fā)射所需要的電壓值；
[0083] 4、帶通濾波器電路
[0084] 參見圖10,帶通濾波器電路采用低成本、高速、電壓反饋型放大器AD8052,具有信 號有源濾波作用，9018超高頻娃=極管Ql具有信號放大作用(首先回波信號通過9018 =極 管Ql放大微弱的回波信號，利用AD8052配合輔助RC濾波電路進(jìn)行一級濾波和二級濾波，使 相關(guān)噪聲和干擾波被濾除）；帶通濾波器電路處理完的信號通過網(wǎng)絡(luò)CHULI輸出至對數(shù)放大 電路或定時器捕獲/外部中斷方式電路。
[0085] 5、對數(shù)放大電路和定時器捕獲/外部中斷方式電路
[0086] 對數(shù)放大電路、定時器捕獲/外部中斷方式電路分別采用了兩種不同的工作方式， 對數(shù)放大電路可W通過AD轉(zhuǎn)換模式進(jìn)行采集，定時器捕獲/外部中斷方式電路可W采用定 時器捕獲方式采集，運里W使用定時器捕獲/外部中斷方式電路為例進(jìn)行說明：
[0087] 1)對數(shù)放大電路：
[0088] 帶通濾波電路經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)CmJLI連接到對數(shù)放大電路。對數(shù)放大電路，參見圖11，采 用的主要忍片有AD8310和LM358dAD8310是AD公司生產(chǎn)的一種高速電壓輸出型對數(shù)放大器。 它可對DC到440MHz的頻率范圍進(jìn)行解調(diào)。LM358是雙運算放大器，內(nèi)部包括有兩個獨立的、 高增益、內(nèi)部頻率補償?shù)碾p運算放大器，適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用，也適用于 雙電源工作模式，在推薦的工作條件下，電源電流與電源電壓無關(guān)(本電路中用到是單電源 模式）；經(jīng)對數(shù)放大電路處理后得到的SING_AD信號發(fā)送到主控忍片，由程序處理。
[0089] 2)定時器捕獲/外部中斷方式電路：
[0090] 定時器捕獲/外部中斷方式電路，參見圖12,采用的主要忍片為LMC7211，是具有軌 至軌輸入的小型CMOS比較器，設(shè)定一個基準(zhǔn)電壓通過電位器R39來調(diào)節(jié)，當(dāng)脈沖幅值大于基 準(zhǔn)電壓時則liC7211引腳1 (OU巧側(cè))輸出高電平，主控忍片STM32F4采集此電平的輸出時間 點來計算回波時間點，所謂定時器捕獲/外部中斷方式就是通過載入程序控制主控忍片 STM32F4對接收到的脈沖進(jìn)行回波時間點的確定。帶通濾波電路經(jīng)網(wǎng)絡(luò)CmJLI接定時器捕 獲/外部中斷方式電路，經(jīng)定時器捕獲/外部中斷方式電路處理后得到INT_AD信號，送入主 控忍片STM32F4,主控忍片STM32F4對回波信號處理分析。
[0091] 綜上，超聲探頭收發(fā)信號的總體電路運行過程為:通過主控忍片STM32F4的定時器 2產(chǎn)生一個PWM波形，通過定時器3控制脈沖的個數(shù)(個數(shù)與測量距離有關(guān)，距離遠(yuǎn)則個數(shù)多） 激勵超聲探頭發(fā)射超聲波，遇到障礙物回波信號TRANS回來后經(jīng)過圖10所示帶通濾波電路 處理，送到如圖12所示定時器捕獲/外部中斷方式電路，將最終的INT_AD信號送入主控忍片 STM32F4進(jìn)行時間的間隔的記錄。上述對數(shù)放大電路和定時器捕獲/外部中斷方式電路采用 的兩種方式都可W進(jìn)行測距，但是往往還是定時器捕獲/外部中斷方式進(jìn)行采樣比較精準(zhǔn) 和簡便，所W選擇運種方式。
[0092] 6、電子羅盤
[0093] 選擇傾角補償式S維電子羅盤，型號HCM365主要用于工業(yè)石油地質(zhì)測井中。其特 性如下：
[0094] -測量范圍：360°全姿態(tài) [00M]-帶硬磁、軟磁及傾角補償 [0096]-精度:0.3° ~0.5°
[0097]輸出接口：RS232，RS485，1TL(可選）
[009引-工作電壓:DC+5V
[0099] -寬溫工作:-40 ~+85°C
[0100] -工作電流:40mA
[0101 ]-體積：55*37巧4mm，可定制。
[0102] 參見圖4,電子羅盤7采集的數(shù)據(jù)通過與MCU控制器連接的串口（通訊模塊)上傳到 上位機。MCU主控板電路及上位機放在地面之上，只將落魚定位儀機械結(jié)構(gòu)(包括四個探頭 和一個步進(jìn)電機，還有電子羅盤，目前測井電路保護(hù)W及電機防水方面已經(jīng)很成熟，可W直 接使用)直接送入井下，可W利用鉆井液循環(huán)進(jìn)行降溫散熱處理，且由于探測的過程不設(shè)及 破碎巖層等動作，所W并不會產(chǎn)生太高的溫度，基本的鉆井液循環(huán)就可W達(dá)到散熱降溫的 目的。
[0103] MCU主控板還包括24V轉(zhuǎn)5V電路、5V轉(zhuǎn)3.3V電路、L抓指示模塊、驅(qū)動電路板供電電 路、JLINK下載接口；其中：
[0104] 1、24V轉(zhuǎn)5V電路，參見圖5,采用LM2596T5.0(5)開關(guān)電源穩(wěn)壓器，接外部電源24V電 源，將24V電壓轉(zhuǎn)為5. OV電壓，Jl接線端口是電源的輸入的端口，Jl. 1接24V、Jl. 2接GND，經(jīng) 過圖5所示24V轉(zhuǎn)5V電路處理后可W得到需要的24V和5V電源；
[0105] 2、5V轉(zhuǎn)3.3V電路，參見圖6,采用LM1117-3.3電壓調(diào)節(jié)忍片，將SV(VCC)電壓經(jīng)過電 壓調(diào)節(jié)忍片處理后得到3.3V電壓(VDD)，為主控忍片STM32F407VG供電；
[0106] 3、L邸指示模塊，參見圖13，包括紅色L邸燈和綠色L抓燈，紅色L邸燈正極由5V電源 供電，負(fù)極接地，作用是顯示5V供電正常，綠色L邸燈正極由3.3V電源供電，負(fù)極與主控忍片 的95引腳連接，作用是配合軟件編程顯示程序運行正常；
[0107] 4、驅(qū)動電路板供電電路，參見圖14,為驅(qū)動板電路供電和提供地，電源分為24V和 5V；
[010引 5、JLINK下載接口，參見圖15,與主控忍片的72、76引腳相連。
[0109] 在上位機的控制下，借助本實用新型進(jìn)行落魚定位的工作原理如下：
[0110] 圖1為鉆井落魚示意圖，空腔為鉆孔，由于某種原因造成了大肚子井眼，斷鉆點位 于C點，魚頂偏移后的位置為A，大肚子井眼的底部為B。
[0111] 多個超聲波探頭1成直線排列于襯板5上，由自旋步進(jìn)電機2控制襯板5旋轉(zhuǎn)W實現(xiàn) 360度探測。沿鉆孔將落魚定位儀送入井下，超過斷鉆點C點后(斷鉆垂直深度S為已知，探測 下潛深度T也是已知），邊行進(jìn)邊旋轉(zhuǎn)探測，當(dāng)探測到近似直線型物體時，可認(rèn)為此直線型物 體為落魚。通過測得的鉆桿傾斜方向，W及大肚子井眼中泥漿的各項特性、鉆桿材質(zhì)等，對 鉆桿進(jìn)行受力分析，計算出魚頂A位置，然后使用傳統(tǒng)打拱方式進(jìn)行打拱。
[0112] W第一種水平井模型為例(如圖21):
[0113] 設(shè)落魚定位儀到達(dá)斷鉆位置點別寸，與垂直于地面方向的夾角為0 (即電子羅盤7測 量到的俯仰角），與大肚子井眼上方的造斜角一致。
[0114] 步驟一:將落魚定位儀安裝在鉆桿前端，沿鉆孔送入井下;襯板自下而上依次等距 設(shè)置第1超聲探頭、第2超聲探頭、……、第m超聲探頭，m為正整數(shù);具體設(shè)置為四個，分別為 第1超聲探頭、第2超聲探頭、第3超聲探頭和第4超聲探頭；
[0115] 步驟二：當(dāng)下降到達(dá)斷鉆深度時（斷鉆垂直深度S為已知，探測下潛深度T也是已 知），首先記錄下此時電子羅盤7的俯仰角0，然后使落魚定位儀繼續(xù)下降，上位機控制自旋 步進(jìn)電機360度旋轉(zhuǎn)，若沒有探測到近似直線型物體，則落魚定位儀繼續(xù)下行(設(shè)定每次下 行距離Q為10米），停止后再次360度旋轉(zhuǎn)襯板使超聲探頭掃描探測。重復(fù)上述步驟，若探測 到近似直線型物體，則可認(rèn)為該近似直線型物體即為斷落的鉆桿(落魚），記錄此時電子羅 盤的導(dǎo)航角a。通過對四個探頭的探測距離計算出來的斜率抗是否為近似相等的值來 進(jìn)行判斷是否為近似直線型物體。
[0116] 步驟S:計算落魚傾角。
[0117] 參見圖18,重復(fù)控制落魚定位儀下行并探測，直至下行至探頭1與探測到的近似直 線型物體達(dá)到探測盲區(qū)距離時，采集多組數(shù)據(jù)保存并上傳給上位機。第1探頭探測至落魚的 距離為dll,如圖20所示，W第1超聲探頭所在的位置為坐標(biāo)原點0, W水平指向落魚的方向 (導(dǎo)航角a方向）為X軸正方向、豎直向上方向為巧由正方向建立XOY坐標(biāo)系。將XOY坐標(biāo)系逆時 針旋轉(zhuǎn)角度目，形成X'OY'坐標(biāo)系，再將X'OY'坐標(biāo)系沿X'軸正方向平移dll得到ro'r坐標(biāo) 系，至此坐標(biāo)系建立完畢。結(jié)合圖17計算落魚8在X ' OY '坐標(biāo)系中的傾角分別為：
其中： 山1，山2，山3，山4分別為落魚定位儀9上第1超聲探頭、第2超聲探頭、第3超聲探頭、第4超聲探 頭在垂直于襯板方向到斷落的傾斜的鉆桿(落魚8)的測量距離，對片、片;、僅取平均值得 至幡魚傾角平均值;^1。圖18中，四個探頭進(jìn)入探測盲區(qū)時測量的數(shù)據(jù)山1、(1〇2、(1〇3、(1〇4為無效 數(shù)據(jù)。
[0118] 步驟四：坐標(biāo)變換。
[0119] 探測過程中建立如圖18所示的函數(shù)圖像，每一個落魚位置點如圖18中所示，對步 驟S中X'OY'坐標(biāo)系沿順時針方向旋轉(zhuǎn)0得到XOY坐標(biāo)系，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換計算公式為：
[0120]
-----------------------------------------…頌
[0121] 根據(jù)公式①就可W將X ' OY '坐標(biāo)系中的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為XOY坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。
[0122] 步驟五:確定落魚的函數(shù)曲線及魚頂坐標(biāo)。
[0123] 參見圖16，當(dāng)落魚處于平衡狀態(tài)時，鉆桿受到自重G、浮力fs及支撐力F支的作用，由 于泥漿浮力的作用，鉆桿在泥漿中的自重為：
[0124]
.….…….②
[0125] 公式②中：
[01%] G-為鉆桿在泥漿中的自重，單位N/m;
[0127] q-鉆桿在空氣中的自重，單位N/m;
[01%] PM-泥漿密度(決定于泥漿的溫度和粘滯特性），單位g/cm3;
[0129] 巧廣鉆桿的密度，單位g/cm3。
[0130] 自落魚支撐點（一般為大肚子井眼底部）向上30m，鉆桿最大彎曲度為2.2度，可近 似為近30m左右的直線型落魚，該落魚可W近似看作為一端為固定端、另一端為自由端的懸 臂梁，如圖19所示，在重力、浮力的作用下，近似為四次曲線。
[0131] 如圖19所示，落魚受到豎直向下的分布荷載G的作用。圖中，G表示鉆桿在泥漿中的 自重，該自重為落魚在空氣中自重和落魚浮力的合力傾斜角度為俯仰角0，懸臂梁長L為截 取的部分落魚的長度，鉆井時的鉆進(jìn)路線按設(shè)計圖進(jìn)行，鉆進(jìn)距離及探測儀下潛距離為已 知，故L為已知；懸臂梁的彎曲剛度E及懸臂梁巧對干中忡軸的慣性I由落魚材質(zhì)確定。由懸 臂梁受到G作用后的曉曲線近似微分方程：
"為y"的二階導(dǎo)數(shù)，在坐標(biāo) 系r 0 ' r解得如下式一元四次方程：
[0132]
....-----------------------------------敏
[0133] 將各次幕系數(shù)化為A"，B"，C"，得到:y" =A"x"4+B"x"3+C"x"2,根據(jù)圖20化'表示魚 頂10在r軸下降的距離），取任一微段，可^知巧
：，/''為y"的一階導(dǎo)數(shù)，對 y" '按級數(shù)展開所WU + ^(戶)Vv，將彎曲的整段曲線進(jìn)行積分，
[01; .............④，
[01； ........................................................... ⑤，
[0136] 將⑤式代入④式得到：
[0137]
[013引解⑥式即可得到的魚頂在ro'r坐標(biāo)系中的橫坐標(biāo)點Wx",將Wx"帶入到⑥式，得 到魚頂10在rO'r坐標(biāo)系中的縱坐標(biāo)點Wy"，根據(jù)圖20得到Wx' =Wx"+dii，Wy' =Wy"，根據(jù)① 式得到魚頂10在XOY坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為：（a ,Wx = Wx'*cos目-Wy'*sin目，Wy = Wx'*sin目+Wy'* COS0)，a為電子羅盤的導(dǎo)航角，Wx，Wy為圖20中所示。
[0139] ③式表示W(wǎng)截取的落魚的底部為坐標(biāo)原點得到的落魚曲線方程，根據(jù)圖20所示， 將此方程轉(zhuǎn)化到坐標(biāo)系X ' OY '中可得：
[0140]
[0141] 合并化簡后，將各次幕系數(shù)化為A'，B'，C'，D'，E'，得到在X'OY'坐標(biāo)系中的落魚曲線方 程:7'=4心4+8心3+(：心2+0心+6'，同時將7'求導(dǎo)得：
[0142] /' =4A'x'3+3BV2+2CV+D'...............................................................⑦
[0143] 步驟六:對落魚曲線方程y ' = A ' X ' 4+B ' X ' 3+C ' X ' 2+D ' X ' +E '進(jìn)行驗證。
[0144] 將探頭1向上提起誨次上行距離設(shè)定化0米，繼續(xù)探測，同步驟3十算方法，共探測n次， 計算每次得到的落魚傾角為礦(n為正整數(shù)）。把地I哀".
m為超聲探頭的個數(shù))代入公式⑦，驗證求得的落魚曲線方程系數(shù)A'，B'，C'，D'，E'是否準(zhǔn) 確。如果系數(shù)準(zhǔn)確，進(jìn)行步驟屯。如果方程系數(shù)不準(zhǔn)確，則回到步驟S，并將探頭在X'OY'坐 du 標(biāo)系統(tǒng)中，繼續(xù)下行-^米，使探頭1盡可能接近落魚。 Ian (i
[0145] 步驟屯:計算魚頂10在袖的ttY地坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。
[0146] 鉆井過程中的軌跡按照預(yù)定軌跡作業(yè)，同時落魚定位儀下探的過程也是按照預(yù)定 的鉆井軌跡來進(jìn)行，落魚定位儀在水平方向W及垂直方向走的距離W及造斜角為已知量， 利用電子羅盤測出的俯仰角來檢驗直接使用造斜角是否準(zhǔn)確，如果不準(zhǔn)確則直接使用電子 羅盤多次測出來的俯仰角的平均值作為造斜角，在圖21中，建立WXOY坐標(biāo)系中的Y軸為Y地 軸，水平地面為X地軸的X地Oi犧地坐標(biāo)系，利用步驟五中的Wx，Wy，得到魚頂在X地QttY地坐標(biāo)系中的 坐標(biāo)點為：（〇，1義，￥7-1')，方位角為〇，1'為落魚定位儀距離地面所下潛的距離，即第1超聲探 頭所在坐標(biāo)系0點距離地面的垂直深度。
[0147] W上步驟是針對的第一類水平井的進(jìn)行的一系列受力分析和數(shù)學(xué)計算，是比較復(fù) 雜的情況，當(dāng)9 = 0時，即為垂直井中進(jìn)行落魚定位的情況(如圖22)，與水平井相比，不需要 進(jìn)行坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換，計算落魚曲線函數(shù)方程實際上只設(shè)及函數(shù)方程的力學(xué)分析W及坐標(biāo)系平 移。
[0148] 本實用新型選取軍用級的元器件和電路設(shè)計及保護(hù)，能在井下高溫高壓的泥漿等 復(fù)雜環(huán)境下正常工作，同時可W利用鉆井液在探測設(shè)備循環(huán)達(dá)到散熱的目的。
【主權(quán)項】
1. 一種落魚定位儀，其特征在于:包括多個呈直線等距排列在襯板上的超聲探頭，驅(qū)動 襯板旋轉(zhuǎn)的自旋步進(jìn)電機，以及安裝于襯板上的電子羅盤;所述每個超聲探頭、自旋步進(jìn)電 機、電子羅盤分別連接用于與上位機通信的MCU主控板。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的落魚定位儀，其特征在于：自旋步進(jìn)電機通過光軸與襯板連 接。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的落魚定位儀，其特征在于:還包括一個圓筒型外殼，自旋步進(jìn) 電機固定在圓筒型外殼頂部;光軸一端連接自旋步進(jìn)電機，光軸另一端從圓筒型外殼底部 伸出與襯板連接。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的落魚定位儀，其特征在于:在圓筒型外殼內(nèi)部還設(shè)置有一個防 止光軸偏心旋轉(zhuǎn)的承接平臺。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的落魚定位儀，其特征在于:承接平臺固定在圓筒型外殼的內(nèi)部 邊緣上;承接平臺上設(shè)置有安裝在光軸上的軸承。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的落魚定位儀，其特征在于:MCU主控板包括MCU控制器，MCU控制 器將產(chǎn)生的PWM脈沖信號輸出到脈沖放大電路，脈沖放大電路接收PffM脈沖信號并輸出高壓 脈沖信號到超聲探頭，超聲探頭接收所述高壓脈沖信號并發(fā)射超聲波;超聲探頭將接收到 的回波信號經(jīng)過帶通濾波器電路濾波放大后，再通過對數(shù)放大電路或定時器捕獲/外部中 斷方式電路采樣后輸送到MCU控制器；電子羅盤、自旋步進(jìn)電機分別與MCU控制器連接;MCU 控制器還連接用于與上位機通信的通訊模塊。7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的落魚定位儀，其特征在于:所述M⑶控制器采用STM32F407VG主 控芯片。8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的落魚定位儀，其特征在于:所述每個超聲探頭采用外加耐壓防 護(hù)罩的超聲換能器。9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的落魚定位儀，其特征在于:所述電子羅盤采用傾角補償式三維 電子羅盤。
【文檔編號】E21B47/024GK205532589SQ201620210567
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年3月18日
【發(fā)明人】裴紅星, 張仁良, 喬陸, 張曉煜, 陳靜, 李加彥, 李冰, 王方, 王一方, 劉剛, 王延昆, 萬里瑞
【申請人】鄭州大學(xué)