共探 巧崎欠，計算每次得到的落魚傾角為寅'(n為正整數）。把tan齊和
為超聲探頭的個數)代入公式⑦，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，進行步驟屯。如果方程系數不準確，則回到步驟S，并將探頭在X'OY'坐標系 統中，繼續下行
米，使探頭1盡可能接近落魚。
[0178] 步驟屯:計算魚頂10在袖1曲化地坐標系中的坐標。
[0179] 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，在圖21中，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0地Y地，利用步驟五中的Wx，Wy，得到魚頂在坐標系X地0地Y地中的 坐標點為：（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 頭所在坐標系0點距離地面的垂直深度。
[0180] W上步驟是針對的第一類水平井的進行的一系列受力分析和數學計算，是比較復 雜的情況，當0 = 0時，即為垂直井中進行落魚定位的情況(如圖22)，與水平井相比，不需要 進行坐標的轉換，計算落魚曲線函數方程實際上只設及函數方程的力學分析W及坐標系平 移。
[0181] 本發明的落魚定位流程如圖23所示。
[0182] 本發明選取軍用級的元器件和電路設計及保護，能在井下高溫高壓的泥漿等復雜 環境下正常工作，同時可W利用鉆井液在探測設備循環達到散熱的目的。
【主權項】
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： 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； 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； 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； 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。2. 根據權利要求1所述的落魚定位儀，其特征在于: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a。3. 根據權利要求2所述的落魚定位儀，其特征在于: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O，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，形成公OY^坐標系，再將r OY^坐標系沿r軸正 方向平移dll得到X"〇/ Y"坐標系;計算落魚在r OY^坐標系中的傾角；，對 於、耗、…'??、鉛取平均值得到落魚傾角平均值夢。4. 根據權利要求3所述的落魚定位儀，其特征在于:所述步驟四中計算魚頂位置的過程 包括如下步驟： 步驟SI,坐標變換： 把r 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：根據公式①將公OY^坐標系中的坐標轉換為XOY坐標系中的坐標； 步驟S2，確定落魚的函數曲線及魚頂在XOY坐標系中的坐標： 當落魚處于平衡狀態時，鉆桿在泥漿中的自重為： 公式②中：G-為鉆桿在泥漿中的自重，單位N/m; q-鉆桿在空氣中的自重，單位N/m; P泥一泥漿密度，單位g/cm3; Pffl-鉆桿的密度，單位g/cm3; 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X" (/Y"解得如下式一元四次方程：將各次幕系數化為A"，B"，C"，得到：7"=4"/4+8"/3+(："/2，取任一微段，可^知道 ds = ^1 + (/,)2奴，y"'為y"的一階導數，對y"'按級數展開所W，將彎曲 的整段曲線進行積分，有：y"'=4A"/3+3B"x"2+2C"x"..................................................................⑤， 將⑤式代入④式得到：解⑥式即可得到魚頂在X"〇/ Y"坐標系中的橫坐標點Wx"，將Wx"帶入到⑥式，得到魚頂 在X"〇'Y"坐標系中的縱坐標點Wy"，從而Wx' =Wx"+dii，Wy' =Wy"，根據①式得到魚頂在XOY 坐標系中的坐標為：（日，Wx=Wx'*cos目-Wy'*sin目，Wy=Wx'*sin目+Wy'*cos目），a為電子羅盤的 導航角； 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公 or中可得；合并化簡后，將各次幕系數化為,B^，(/，〇/ ,E^，得到:在公OY^坐標系中的落魚曲線 方程y' = A'X 4+B'X 3+C'X 2+D'X'巧'，同時將y'求導得： y''=4A'x 3+3B'x2+2C'x'+D'...................................................⑦； 步驟S3，對落魚曲線方程/ = y X 4+B/ X 3+C/ X 2+〇/ +E^進行驗證： 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 巧。〇次，計算每次得到的落魚傾角為；r，n為正整數；把tan京"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y ,B^， ，〇/ ,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； 步驟S4，計算魚頂在袖IiQttY地坐標系中的坐標位置： 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地軸的坐標系袖QttY地，矛Il用步驟S2中的Wx，Wy，得到魚頂在坐標系袖嫂抑地中的坐標點為：（a， Wx，Wy-T)，其中方位角為a,T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。5. 根據權利要求1所述的落魚定位儀，其特征在于：自旋步進電機通過光軸與襯板連 接。6. 根據權利要求5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 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。7. 根據權利要求6所述的落魚定位儀，其特征在于: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。8. 根據權利要求7所述的落魚定位儀，其特征在于:所述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。9. 根據權利要求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。10. 根據權利要求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 防護罩的超聲換能器。
【專利摘要】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，驅動襯板旋轉的自旋步進電機，以及安裝于襯板上的電子羅盤；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：將落魚定位儀沿鉆孔送入井下；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以實現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；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；根據大肚子井眼中泥漿的特性以及落魚材質，對落魚進行受力分析，計算魚頂位置，根據所述魚頂位置打撈落魚。本發明能克服落魚打撈的盲目性，大大提高落魚打撈的進度。
【IPC分類】E21B47/024, E21B47/09
【公開號】CN105649612
【申請號】
【發明人】裴紅星, 張仁良, 喬陸, 張曉煜, 陳靜, 李加彥, 李冰, 王一方, 劉剛, 王延昆, 萬里瑞
【申請人】鄭州大學
【公開日】2016年6月8日
【申請日】2016年3月18日