一種落魚定位儀的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明設及一種落魚定位儀，用于對在鉆井過程中的落魚(斷落的鉆頭和鉆具)進 行定位。
【背景技術】
[0002] 在石油鉆井過程中，由于鉆具存在傷口，長期受交變應力作用發生疲勞、鉆柱被卡 后未能及時發現，鉆具會被提斷或扭斷，地層中含有的也S氣體會導致鉆挺"氨脆"等強度破 壞。經過對濃陽油田、長慶油田等鉆井隊工作人員的調研，W及國內外相關文獻進行檢索發 現，鉆井過程中的斷鉆情況時有發生，國內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，此時魚頂不會偏移出鉆孔，根據 鉆桿斷裂的部位和斷裂方式，選擇相應的傳統打拱技術如公錐、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，由 于泥漿具有一定的粘滯性，魚頂不會很快發生偏移，目前的解決方法是在最短的時間內進 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，而現有的 打拱技術都是在已知魚頂位置時才能實現快速打拱，若落魚具體位置無法預測，此時只能 依靠經驗進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 進度。
[0003] 國外在打拱工具的研制方面開發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，價格昂貴，實用性不強。
[0004] 國內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，技術落后，弊端日益顯現，打拱工藝和流程無法滿足實際需求。 現在的超聲波檢測產品往往都不是用在水中，無法在水中進行測距;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用，做出一些簡單預警方案，很少 有產品。雖然探測落魚過程中采用電磁感應技術探測磁性頭的位置，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。
【發明內容】
[0005] 本發明要解決的技術問題在于提供一種能對在鉆井過程中的落魚進行定位、提高 落魚打拱效率、實時性好的落魚定位儀，W解決現有技術存在的問題。
[0006] 為解決上述技術問題，本發明采用W下技術方案：
[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，驅動襯板旋轉 的自旋步進電機，W及安裝于襯板上的電子羅盤;所述每個超聲探頭、自旋步進電機、電子 羅盤分別與MCU主控板連接，MCU主控板連接上位機;采用如下步驟進行落魚定位：
[000引步驟一:將落魚定位儀沿鉆孔送入井下;襯板自下而上等距設置第1超聲探頭、第2 超聲探頭、……、第m超聲探頭，m為正整數；
[0009]步驟二：當落魚定位儀下降到達斷鉆深度時，由自旋步進電機控制襯板旋轉W實 現360度探測，邊探測邊行進；當探測到近似直線型物體時，則認為所述近似直線型物體為 落魚；
[0010] 步驟上位機根據電子羅盤和超聲探頭測得的數據計算落魚傾角；
[0011] 步驟四：根據大肚子井眼中泥漿的特性W及落魚材質，對落魚進行受力分析，計算 魚頂位置，根據所述魚頂位置打拱落魚。
[0012] 設落魚定位儀到達斷鉆位置點時，與垂直于地面方向的夾角為0，即電子羅盤測量 到的俯仰角，與大肚子井眼上方的造斜角一致;所述步驟二中探測落魚的過程具體為：當落 魚定位儀下降到達斷鉆深度時，首先記錄下此時電子羅盤的俯仰角0，然后控制落魚定位儀 繼續下降，上位機控制自旋步進電機360度旋轉，若沒有探測到近似直線型物體，則落魚定 位儀繼續下行，設定每次下行10米，每次下行停止后進行360度旋轉襯板使超聲探頭掃描探 測，直到探測到近似直線型物體，該近似直線型物體即為落魚，記錄此時電子羅盤的導航角 〇〇
[0013] 所述步驟=中計算落魚傾角的過程如下：重復控制落魚定位儀下行并探測，直至 下行至超聲探頭與探測到的近似直線型物體達到探測盲區距離時，采集多組數據保存并上 傳給上位機;設dim為第m超聲探頭在垂直于襯板方向到落魚的測量距離，m為正整數，相鄰超 聲探頭的距離為S; W第1超聲探頭所在的位置為坐標原點0, W水平指向落魚的方向為X軸 正方向、豎直向上的方向為Y軸正方向建立XOY坐標系;將XOY坐標系逆時針旋轉角度0，形成 X ' OY '坐標系，再將X ' OY '坐標系沿X '軸正方向平移山1得到r 0 ' r坐標系;計算落魚在X ' OY ' 坐標系中的傾角：
，對辟、館、……、化取平均值得到落魚傾角 平均值礦。
[0014] 所述步驟四中計算魚頂位置的過程包括如下步驟：
[0015] 步驟SI,坐標變換：
[0016] 把X'OY'坐標系沿順時針方向旋轉0度得到XOY坐標系，得到坐標轉換計算公式為：
[001引根據公式①將X ' OY '坐標系中的坐標轉換為XOY坐標系中的坐標；
[0019]步驟S2，確定落魚的函數曲線及魚頂在XOY坐標系中的坐標：
[0020]當落魚處于平衡狀態時，鉆桿在泥漿中的自重為：
[0022] 公式②中：
[0023] G-為鉆桿在泥漿中的自重，單位N/m;
[0024] q-鉆桿在空氣中的自重，單位N/m;
[00巧]P泥一泥漿密度，單位g/cm3;
[0026] PU廣鉆桿的密度，單位g/cm3;
[0027] 自落魚支撐點向上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、另一端為自由端的梁，在重力、浮力的作用下，近 似為四次曲線;落魚受到豎直向下的分布荷載的作用，設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，傾斜角度為電子羅盤測量到的俯仰角0，懸臂梁 長L為截取的部分落魚的長度，鉆井時的鉆進路線按設計圖進行，鉆進距離及落魚定位儀下 潛距離為已知，故懸臂梁長L為已知;懸臂梁的彎曲剛度E及懸臂梁相對于中性軸的慣性I由
落魚材質確定，由懸臂梁受到G作用后的曉曲線近似微分方程為： y'"為 ? y"的二階導數，在坐標系r O ' r解得如下式一元四次方程：
[0029]將各次幕系數化為A"，B"，C"，得到：y"=心心'4+8"義"3+(：^' 2，取任一微段，可^知 道& = + 奴，為y"的一階導數，對y"'按級數展開所^泌《0+^/'):)奴，將彎 曲的整段曲線進行積分，有：
[0032]將⑤式代入④式得到：
[0034] 解⑥式即可得到魚頂在r0 'r坐標系中的橫坐標點Wx"，將Wx"帶入到⑥式，得到 魚頂在r 0 'r坐標系中的縱坐標點Wy"，從而Wx ' =Wx"+dll，Wy ' =Wy"，根據①式得到魚頂在 XOY坐標系中的坐標為：（〇，胖、=胖義'相03目-胖7'*3111目，'?^ =胖義'*3111目+胖7'相03目），〇為電子羅 盤的導航角；
[0035] ③式表示W截取的落魚的底部為坐標原點得到的落魚方程，將此方程轉化到坐標 系X'OY'中可得：
[0037]合并化簡后，將各次幕系數化為4'，8'，(：'，0'，￡'，得到:在乂'0￥'坐標系中的落魚 曲線方程7'=4心4+8心3+(：心2+0心巧'，同時將7'求導得：
[003引 /'=4A'x'3wB'x'2wC'x'+D'....................................⑦；
[0039] 步驟S3，對落魚曲線方程y，=A，X，4+B，X，3+C，X， 2+D，X，+E，進行驗證：
[0040] 將超聲探頭向上提起，每次上行距離設定為10米，繼續探測，同步驟=計算方法， 共探測n次，計算每次得到的落魚傾角為;T，n為正整數;把如和x'n代入公式⑦，其中
，m為超聲探頭的個數，驗證求得的落魚曲線方程系數A'，B'， C'，D'，E'是否準確;如果系數準確，進行步驟S4,如果方程系數不準確，則回到步驟=，并將 超聲探頭在X'OY'坐標系統中，繼續下行
-米，使超聲探頭盡可能接近落魚；
[0041 ]步驟S4，計算魚頂在袖的ttY地坐標系中的坐標位置：
[0042] 鉆井過程中的軌跡按照預定軌跡作業，同時落魚定位儀下探的過程也是按照預定 的鉆井軌跡來進行，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確，如果不準確則直接使用電子 羅盤多次測出來的俯仰角的平均值作為造斜角，建立WXOY坐標系中的Y軸為Y地軸，水平地 面為X地軸的坐標系X地Qi抑地，利用步驟S2中的Wx，Wy，得到魚頂在坐標系X地QttY地中的坐標點為： (曰，胖^，￥7-1')，其中方位角為〇，1'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 坐標系0點距離地面的垂直深度。
[0043] 自旋步進電機通過光軸與襯板連接。
[0044] 落魚定位儀還包括一個圓筒型外殼，自旋步進電機固定在圓筒型外殼頂部;光軸 一端連接自旋步進電機，光軸另一端從圓筒型外殼底部伸出與襯板連接。
[0045] 在圓筒型外殼內部還設置有一個防止光軸偏屯、旋轉的承接平臺。
[0046] 承接平臺固定在圓筒型外殼的內部邊緣上;承接平臺上設置有安裝在光軸上的軸 承。
[0047] MCU主控板包括MCU控制器，MCU控制器將產生的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 壓脈沖信號并發射超聲波;超聲探頭將接收到的回波信號經過帶通濾波器電路濾波放大 后，再通過對數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。
[004引每個超聲探頭采用外加耐壓防護罩的超聲換能器。
[0049] 本發明將探測裝置沿鉆孔送入井中，利用超聲波探測出魚頂偏移后，根據鉆桿的 傾斜方向和傾斜度，通過鉆桿在泥漿中的受力模型，計算出魚頂的方位信息，使原來的摸索 式打拱變為目標明確的傳統式打拱，可W大大提高落魚打拱的進度;適用于國內油水井落 魚的打拱;所選用的元器件和電路設計，適合于在地下高溫