落鱼定位仪的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种落鱼定位仪，包括多个呈直线等距排列在衬板上的超声探头，驱动衬板旋转的自旋步进电机，以及安装于衬板上的电子罗盘；所述每个超声探头、自旋步进电机、电子罗盘分别连接用于与上位机通信的MCU主控板。将本实用新型沿钻孔送入井中，利用电子罗盘和超声探头可以实时获取井下落鱼探测数据，并通过MCU主控板实时将探测数据传给上位机做进一步处理得到落鱼鱼顶的位置,这样上位机在本实用新型的辅助下可以大大提高落鱼打捞的进度，克服打捞的盲目性；超声探头能在液体中进行测距，适用于国内油水井落鱼的打捞；所选用的元器件、电路设计及保护，适合于在地下高温高压的泥浆等复杂环境下正常工作。
【专利说明】
落鱼定位仪
技术领域
[0001] 本实用新型设及一种落鱼定位仪，用于对在钻井过程中的落鱼（断落的钻头和钻 具)进行定位。
【背景技术】
[0002] 在石油钻井过程中，由于钻具存在伤口，长期受交变应力作用发生疲劳、钻柱被卡 后未能及时发现，钻具会被提断或扭断，地层中含有的也S气体会导致钻挺"氨脆"等强度破 坏。经过对濃阳油田、长庆油田等钻井队工作人员的调研，W及国内外相关文献进行检索发 现，钻井过程中的断钻情况时有发生，国内外对于此类事故的处理方式类似：1)如果钻井过 程中没有形成大肚子井眼，或鱼顶不在大肚子井眼范围内，此时鱼顶不会偏移出钻孔，根据 钻杆断裂的部位和断裂方式，选择相应的传统打拱技术如公锥、母锥、强磁、套筒、磨锐、机 械手抓取等方式，可W快速完成落鱼打拱;2)如果鱼顶位置正好处于大肚子井眼范围内，由 于泥浆具有一定的粘滞性，鱼顶不会很快发生偏移，目前的解决方法是在最短的时间内进 行打拱。如果拖延超过一定的时间，受重力、水流等因素的影响，鱼顶偏移出钻孔，而现有的 打拱技术都是在已知鱼顶位置时才能实现快速打拱，若落鱼具体位置无法预测，此时只能 依靠经验进行摸索式的试探性打拱，盲目性大，打拱难度高，成本高，周期长，影响总体工期 进度。
[0003] 国外在打拱工具的研制方面开发的井下视频电视测卡仪，能看到井底全貌但还是 无法确定落鱼的具体位置，而且对深度有限制，一般为2000mW内，价格昂贵，实用性不强。
[0004] 国内油水井在实际操作打拱时，由于油井的种类越来越多，落鱼的种类也不尽相 同，打拱的难度也不断增加，技术落后，弊端日益显现，打拱工艺和流程无法满足实际需求。 现在的超声波检测产品往往都不是用在水中，无法在水中进行测距;对于泥浆中检测方面 仅限于在钻井过程中对于钻杆距离井壁的距离方面的应用，做出一些简单预警方案，很少 有产品。虽然探测落鱼过程中采用电磁感应技术探测磁性头的位置，但是只能估计大概的 位置，在打拱过程中仅起到辅助作用，仍然无法克服落鱼打拱的盲目性。 【实用新型内容】
[0005] 本实用新型要解决的技术问题在于提供一种能提高落鱼打拱效率、实时性好、适 应井下复杂打拱环境的落鱼定位仪，W解决现有技术存在的问题。
[0006] 为解决上述技术问题，本实用新型采用W下技术方案：
[0007] -种落鱼定位仪，包括多个呈直线等距排列在衬板上的超声探头，驱动衬板旋转 的自旋步进电机，W及安装于衬板上的电子罗盘;所述每个超声探头、自旋步进电机、电子 罗盘分别连接用于与上位机通信的MCU主控板。
[000引自旋步进电机通过光轴与衬板连接。
[0009]所述的落鱼定位仪还包括一个圆筒型外壳，自旋步进电机固定在圆筒型外壳顶 部;光轴一端连接自旋步进电机，光轴另一端从圆筒型外壳底部伸出与衬板连接。
[0010] 在圆筒型外壳内部还设置有一个防止光轴偏屯、旋转的承接平台。
[0011] 承接平台固定在圆筒型外壳的内部边缘上;承接平台上设置有安装在光轴上的轴 承。
[0012] MCU主控板包括MCU控制器，MCU控制器将产生的PWM脉冲信号输出到脉冲放大电 路，脉冲放大电路接收PWM脉冲信号并输出高压脉冲信号到超声探头，超声探头接收所述高 压脉冲信号并发射超声波;超声探头将接收到的回波信号经过带通滤波器电路滤波放大 后，再通过对数放大电路或定时器捕获/外部中断方式电路采样后输送到MCU控制器；电子 罗盘、自旋步进电机分别与MCU控制器连接;MCU控制器还连接用于与上位机通信的通讯模 块。
[001引所述MCU控制器采用STM32F407VG主控忍片。
[0014] 所述每个超声探头采用外加耐压防护罩的超声换能器。
[0015] 所述电子罗盘采用倾角补偿式=维电子罗盘。
[0016] 将本实用新型沿钻孔送入井中，在自旋步进电机的旋转下利用电子罗盘和超声探 头可W实时获取井下落鱼探测数据，并通过MCU主控板实时将探测数据传给上位机，本实用 新型为上位机进一步计算落鱼鱼顶的位置提供了获取落鱼方位的第一手数据资料，上位机 在本实用新型的辅助下可W大大提高落鱼打拱的进度，克服打拱的盲目性;超声探头能在 液体中进行测距，适用于国内油水井落鱼的打拱;所选用的元器件、电路设计及保护，适合 于在地下高溫高压的泥浆等复杂环境下正常工作。
【附图说明】
[0017] 图1为钻井落鱼示意图。
[0018] 图2为本实用新型的落鱼定位仪的主视图。
[0019] 图3为本实用新型的落鱼定位仪的侧视图。
[0020] 图4为本实用新型的电路原理图。
[0021] 图5为本实用新型的MCU主控板的24V转5V电路原理图。
[0022] 图6为本实用新型的MCU主控板的5V转3.3V电路原理图。
[0023] 图7为本实用新型的STM32F407VG主控忍片的电路原理图。
[0024] 图8为本实用新型的MCU主控板的PWM脉冲波反向输出电路原理图
[0025] 图9为本实用新型的MCU主控板的SSP脉冲启动变压器升压电路原理图。
[00%]图10为本实用新型的MCU主控板的带通滤波器电路原理图。
[0027]图11为本实用新型的MCU主控板的对数放大电路原理图。
[00%]图12为本实用新型的MCU主控板的定时器捕获/外部中断方式电路原理图。
[0029] 图13为本实用新型的MCU主控板的L抓指示模块电路原理图；其中，图13(a)为红色 LH)指示灯电路原理图，图13 (b)为绿色LH)指示灯电路原理图。
[0030] 图14为本实用新型的MCU主控板的驱动电路板供电电路原理图；其中，图14(a)为 驱动电路板24V电源供电电路原理图，图14(b)为驱动电路板5V电源供电电路原理图。
[0031] 图15为本实用新型的MCU主控板的化INK下载接口电路原理图。
[0032] 图16为落鱼的受力模型图。
[0033] 图17为落鱼某点斜率计算示意图。
[0034] 图18为落鱼在水平井中建立的坐标系进行数学计算的函数模型的示意图。
[0035] 图19为落鱼斜置时悬臂梁模型图。
[0036] 图20为XOY坐标系、X ' OY '坐标系和r 0 ' r坐标系建立示意图。
[0037] 图21为落鱼产生在水平井时的打拱过程及建立坐标系后的示意图。
[0038] 图22为落鱼产生在垂直井的打拱过程及建立坐标系后的示意图。
【具体实施方式】
[0039] 下面结合附图和【具体实施方式】对本实用新型作进一步详细说明。
[0040] 本实用新型提供一种落鱼定位仪，参见图2至图3,包括超声探头1、自旋步进电机 2、承接平台3、圆筒型外壳4、衬板5、光轴6、电子罗盘7、MCU主控板;每个超声探头1、自旋步 进电机2、电子罗盘分别连接用于与上位机通信的MCU主控板。
[0041 ]超声探头1，包括多个，根据需要进行设置，运里具体设置为4个，呈直线等距自上 而下排列在衬板5上；四个超声探头分别用于在垂直于衬板的方向上测量到落鱼的距离，通 过运四个超声探头测量到的距离值来计算探测位置处落鱼斜率的平均值(图18所示建立的 XOY坐标系中落鱼的斜率，Q表示每次落鱼定位仪下降的深度），从而得到该探测位置处落鱼 的倾角(落鱼与探测方向的夹角）。
[0042] 自旋步进电机2,固定在圆筒型外壳4顶部上，驱动衬板5旋转。
[0043] 承接平台3,固定在圆筒型外壳4的内部边缘上，承接平台3上设置有安装在光轴6 上的轴承。通过承接平台3可W防止光轴偏屯、旋转。
[0044] 光轴6上设置有防止光轴偏屯、旋转的承接平台3,光轴6的一端连接自旋步进电机 2,光轴6的另一端从圆筒型外壳4底部伸出并与衬板5连接。
[0045] 电子罗盘7，安装于衬板上，固定在衬板上方。
[0046] 自旋步进电机2与MCU主控板连接，每个超声探头1通过驱动板与MCU主控板连接， MCU主控板连接上位机;驱动板需要3.3￥(￥00)、5￥、24￥电源：其中5￥和24￥由1〇]主控板的 24V转5V电路(参见图5)提供，3.3V由主控板的5V转3.3V电路(参见图6)提供，是通过转压忍 片LMl 117及相应RC电路(增加稳定性)将5V电压转变成3.3V。
[0047] MCU主控板包括MCU控制器，MCU控制器采用STM32F407VG主控忍片，参见图7,其中 12、13引脚接8MHz外部晶振，94引脚B00T0、37引脚BOOTl外接IOOK电阻后接GND。参见图4， MCU控制器将产生的HVM脉冲信号输出到脉冲放大电路，脉冲放大电路接收HVM脉冲信号并 输出高压脉冲信号到超声探头，超声探头接收高压脉冲并发射超声波，超声探头将接收到 的回波信号经过带通滤波器电路滤波放大后，再通过对数放大电路或定时器捕获/外部中 断方式电路采样后输送到MCU控制器；电子罗盘7、自旋步进电机2分别与MCU控制器连接； MCU控制器还连接用于与上位机通信的通讯模块。其中：
[004引 1、STM32F407VG主控忍片，具有如下特点：
[0049] (1)先进技术和工艺
[0050] -存储器加速器：自适应实时加速器(ART Accelerator?)
[0051] -多重AHB总线矩阵和多通道DMA:支持程序执行和数据传输并行处理，数据传输速 率非常快
[0化2] -90nm工艺
[0053] (2)高性能
[0054] -210DMIPSil68MHz
[0055] -由于采用了 ST(意法半导体）的ART加速器，程序从FLASH运行相当于0等待更多的 存储器
[0056] -多达IMB FLA甜
[0化7] -192肺SRAM: 128邸在总线矩阵上，64KB在专为CPU使用的数据总线上高级外设与 STM32F2 兼容
[0化引-USB OTG高速480Mbit/s
[0059] -I 邸 E1588，W 太网 MAC 10/100
[0060] -PWM高速定时器:168MHz最大频率
[0061 ]-加密/哈希硬件处理器:32位随机数发生器(RNG)
[0062] -带有日历功能的32位RTC: CiiA的实时时钟，1秒精度
[0063] (3)更多的提升
[0064] -低电压：1.8V到3.6V VDD，在某些封装上，可降低至1.7V [00化]-全双工12S
[0066] -12 位 ADC: 0.41US 转换/2.4Msps(7.2Msps 在交替模式）
[0067] -高速 USART，可达 10.5Mbits/s [006引-高速 SPI，可达 37.5Mbits/s
[0069] -Camera接口，可达54M字节/s
[0070] 2、超声探头
[0071] -采用200K-75K化超声换能器，外加耐压防护罩适用于工业泥浆及水中
[0072] -型号:DYW-75/200-E
[0073] -量程：200KHz 0.6~120m，75KHz 1.8~300m
[0074] -盲区：200KHZ盲区0.6米，75KHz盲区 1.5米 [00 巧]-频率：200KHZ ± 5KHz 或 75K 监 ± 3KHz
[0076] -工作电压:峰值电压<800VPP
[0077] -工作溫度:-20 ~+80 °C [007引-压力：最大5000米液深
[0079] -角度JOOKHz时(波束宽度)半功率角@-3地：10.4°，锐度角：24.6%75KHz时(波束 宽度)半功率角@-3地:28°，锐度角:69°
[0080] -耐腐蚀性:在弱酸弱碱的环境下可W使用。
[0081] 3、脉冲放大电路
[0082] 脉冲放大电路包括依次连接的PWM脉冲波反向输出电路和SSP脉冲启动变压器升 压电路。MCU主控忍片发出的PWM信号(根据换能器的频率和实际工作的要求，产生5-20个周 期的脉冲信号，信号的频率必须与换能器的频率相当，信号幅度为5化P)经过由74肥T04D反 相器元件及辅助电路构成的PWM脉冲波反向输出电路(74肥T04D是一个六通道反相器，参见 图8)后得到与PWM信号相反的SSP信号;SSP信号再经过SSP脉冲启动变压器升压电路(SSP脉 冲通过LU3410NM0S管控制变压器Tl是否进行升压，当SSP有脉冲时候则进行升压驱动超声 探头，无脉冲时候则不驱动，参见图9)后得到超声探头输入信号TRANS，图9所示SSP脉冲启 动变压器升压电路中的Tl是变压器，作用是将电压升到超声探头发射所需要的电压值；
[0083] 4、带通滤波器电路
[0084] 参见图10,带通滤波器电路采用低成本、高速、电压反馈型放大器AD8052,具有信 号有源滤波作用，9018超高频娃=极管Ql具有信号放大作用(首先回波信号通过9018 =极 管Ql放大微弱的回波信号，利用AD8052配合辅助RC滤波电路进行一级滤波和二级滤波，使 相关噪声和干扰波被滤除）；带通滤波器电路处理完的信号通过网络CHULI输出至对数放大 电路或定时器捕获/外部中断方式电路。
[0085] 5、对数放大电路和定时器捕获/外部中断方式电路
[0086] 对数放大电路、定时器捕获/外部中断方式电路分别采用了两种不同的工作方式， 对数放大电路可W通过AD转换模式进行采集，定时器捕获/外部中断方式电路可W采用定 时器捕获方式采集，运里W使用定时器捕获/外部中断方式电路为例进行说明：
[0087] 1)对数放大电路：
[0088] 带通滤波电路经过网络CmJLI连接到对数放大电路。对数放大电路，参见图11，采 用的主要忍片有AD8310和LM358dAD8310是AD公司生产的一种高速电压输出型对数放大器。 它可对DC到440MHz的频率范围进行解调。LM358是双运算放大器，内部包括有两个独立的、 高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于 双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关(本电路中用到是单电源 模式）；经对数放大电路处理后得到的SING_AD信号发送到主控忍片，由程序处理。
[0089] 2)定时器捕获/外部中断方式电路：
[0090] 定时器捕获/外部中断方式电路，参见图12,采用的主要忍片为LMC7211，是具有轨 至轨输入的小型CMOS比较器，设定一个基准电压通过电位器R39来调节，当脉冲幅值大于基 准电压时则liC7211引脚1 (OU巧侧)输出高电平，主控忍片STM32F4采集此电平的输出时间 点来计算回波时间点，所谓定时器捕获/外部中断方式就是通过载入程序控制主控忍片 STM32F4对接收到的脉冲进行回波时间点的确定。带通滤波电路经网络CmJLI接定时器捕 获/外部中断方式电路，经定时器捕获/外部中断方式电路处理后得到INT_AD信号，送入主 控忍片STM32F4,主控忍片STM32F4对回波信号处理分析。
[0091] 综上，超声探头收发信号的总体电路运行过程为:通过主控忍片STM32F4的定时器 2产生一个PWM波形，通过定时器3控制脉冲的个数(个数与测量距离有关，距离远则个数多） 激励超声探头发射超声波，遇到障碍物回波信号TRANS回来后经过图10所示带通滤波电路 处理，送到如图12所示定时器捕获/外部中断方式电路，将最终的INT_AD信号送入主控忍片 STM32F4进行时间的间隔的记录。上述对数放大电路和定时器捕获/外部中断方式电路采用 的两种方式都可W进行测距，但是往往还是定时器捕获/外部中断方式进行采样比较精准 和简便，所W选择运种方式。
[0092] 6、电子罗盘
[0093] 选择倾角补偿式S维电子罗盘，型号HCM365主要用于工业石油地质测井中。其特 性如下：
[0094] -测量范围：360°全姿态 [00M]-带硬磁、软磁及倾角补偿 [0096]-精度:0.3° ~0.5°
[0097]输出接口：RS232，RS485，1TL(可选）
[009引-工作电压:DC+5V
[0099] -宽溫工作:-40 ~+85°C
[0100] -工作电流:40mA
[0101 ]-体积：55*37巧4mm，可定制。
[0102] 参见图4,电子罗盘7采集的数据通过与MCU控制器连接的串口（通讯模块)上传到 上位机。MCU主控板电路及上位机放在地面之上，只将落鱼定位仪机械结构(包括四个探头 和一个步进电机，还有电子罗盘，目前测井电路保护W及电机防水方面已经很成熟，可W直 接使用)直接送入井下，可W利用钻井液循环进行降溫散热处理，且由于探测的过程不设及 破碎岩层等动作，所W并不会产生太高的溫度，基本的钻井液循环就可W达到散热降溫的 目的。
[0103] MCU主控板还包括24V转5V电路、5V转3.3V电路、L抓指示模块、驱动电路板供电电 路、JLINK下载接口；其中：
[0104] 1、24V转5V电路，参见图5,采用LM2596T5.0(5)开关电源稳压器，接外部电源24V电 源，将24V电压转为5. OV电压，Jl接线端口是电源的输入的端口，Jl. 1接24V、Jl. 2接GND，经 过图5所示24V转5V电路处理后可W得到需要的24V和5V电源；
[0105] 2、5V转3.3V电路，参见图6,采用LM1117-3.3电压调节忍片，将SV(VCC)电压经过电 压调节忍片处理后得到3.3V电压(VDD)，为主控忍片STM32F407VG供电；
[0106] 3、L邸指示模块，参见图13，包括红色L邸灯和绿色L抓灯，红色L邸灯正极由5V电源 供电，负极接地，作用是显示5V供电正常，绿色L邸灯正极由3.3V电源供电，负极与主控忍片 的95引脚连接，作用是配合软件编程显示程序运行正常；
[0107] 4、驱动电路板供电电路，参见图14,为驱动板电路供电和提供地，电源分为24V和 5V；
[010引 5、JLINK下载接口，参见图15,与主控忍片的72、76引脚相连。
[0109] 在上位机的控制下，借助本实用新型进行落鱼定位的工作原理如下：
[0110] 图1为钻井落鱼示意图，空腔为钻孔，由于某种原因造成了大肚子井眼，断钻点位 于C点，鱼顶偏移后的位置为A，大肚子井眼的底部为B。
[0111] 多个超声波探头1成直线排列于衬板5上，由自旋步进电机2控制衬板5旋转W实现 360度探测。沿钻孔将落鱼定位仪送入井下，超过断钻点C点后(断钻垂直深度S为已知，探测 下潜深度T也是已知），边行进边旋转探测，当探测到近似直线型物体时，可认为此直线型物 体为落鱼。通过测得的钻杆倾斜方向，W及大肚子井眼中泥浆的各项特性、钻杆材质等，对 钻杆进行受力分析，计算出鱼顶A位置，然后使用传统打拱方式进行打拱。
[0112] W第一种水平井模型为例(如图21):
[0113] 设落鱼定位仪到达断钻位置点別寸，与垂直于地面方向的夹角为0 (即电子罗盘7测 量到的俯仰角），与大肚子井眼上方的造斜角一致。
[0114] 步骤一:将落鱼定位仪安装在钻杆前端，沿钻孔送入井下;衬板自下而上依次等距 设置第1超声探头、第2超声探头、……、第m超声探头，m为正整数;具体设置为四个，分别为 第1超声探头、第2超声探头、第3超声探头和第4超声探头；
[0115] 步骤二：当下降到达断钻深度时（断钻垂直深度S为已知，探测下潜深度T也是已 知），首先记录下此时电子罗盘7的俯仰角0，然后使落鱼定位仪继续下降，上位机控制自旋 步进电机360度旋转，若没有探测到近似直线型物体，则落鱼定位仪继续下行(设定每次下 行距离Q为10米），停止后再次360度旋转衬板使超声探头扫描探测。重复上述步骤，若探测 到近似直线型物体，则可认为该近似直线型物体即为断落的钻杆(落鱼），记录此时电子罗 盘的导航角a。通过对四个探头的探测距离计算出来的斜率抗是否为近似相等的值来 进行判断是否为近似直线型物体。
[0116] 步骤S:计算落鱼倾角。
[0117] 参见图18,重复控制落鱼定位仪下行并探测，直至下行至探头1与探测到的近似直 线型物体达到探测盲区距离时，采集多组数据保存并上传给上位机。第1探头探测至落鱼的 距离为dll,如图20所示，W第1超声探头所在的位置为坐标原点0, W水平指向落鱼的方向 (导航角a方向）为X轴正方向、竖直向上方向为巧由正方向建立XOY坐标系。将XOY坐标系逆时 针旋转角度目，形成X'OY'坐标系，再将X'OY'坐标系沿X'轴正方向平移dll得到ro'r坐标 系，至此坐标系建立完毕。结合图17计算落鱼8在X ' OY '坐标系中的倾角分别为：
其中： 山1，山2，山3，山4分别为落鱼定位仪9上第1超声探头、第2超声探头、第3超声探头、第4超声探 头在垂直于衬板方向到断落的倾斜的钻杆(落鱼8)的测量距离，对片、片;、仅取平均值得 至幡鱼倾角平均值;^1。图18中，四个探头进入探测盲区时测量的数据山1、(1〇2、(1〇3、(1〇4为无效 数据。
[0118] 步骤四：坐标变换。
[0119] 探测过程中建立如图18所示的函数图像，每一个落鱼位置点如图18中所示，对步 骤S中X'OY'坐标系沿顺时针方向旋转0得到XOY坐标系，坐标转换计算公式为：
[0120]
-----------------------------------------…颂
[0121] 根据公式①就可W将X ' OY '坐标系中的坐标转换为XOY坐标系中的坐标。
[0122] 步骤五:确定落鱼的函数曲线及鱼顶坐标。
[0123] 参见图16，当落鱼处于平衡状态时，钻杆受到自重G、浮力fs及支撑力F支的作用，由 于泥浆浮力的作用，钻杆在泥浆中的自重为：
[0124]
.….…….②
[0125] 公式②中：
[01%] G-为钻杆在泥浆中的自重，单位N/m;
[0127] q-钻杆在空气中的自重，单位N/m;
[01%] PM-泥浆密度(决定于泥浆的溫度和粘滞特性），单位g/cm3;
[0129] 巧广钻杆的密度，单位g/cm3。
[0130] 自落鱼支撑点（一般为大肚子井眼底部）向上30m，钻杆最大弯曲度为2.2度，可近 似为近30m左右的直线型落鱼，该落鱼可W近似看作为一端为固定端、另一端为自由端的悬 臂梁，如图19所示，在重力、浮力的作用下，近似为四次曲线。
[0131] 如图19所示，落鱼受到竖直向下的分布荷载G的作用。图中，G表示钻杆在泥浆中的 自重，该自重为落鱼在空气中自重和落鱼浮力的合力倾斜角度为俯仰角0，悬臂梁长L为截 取的部分落鱼的长度，钻井时的钻进路线按设计图进行，钻进距离及探测仪下潜距离为已 知，故L为已知；悬臂梁的弯曲刚度E及悬臂梁巧对干中忡轴的惯性I由落鱼材质确定。由悬 臂梁受到G作用后的晓曲线近似微分方程：
"为y"的二阶导数，在坐标 系r 0 ' r解得如下式一元四次方程：
[0132]
....-----------------------------------敏
[0133] 将各次幕系数化为A"，B"，C"，得到:y" =A"x"4+B"x"3+C"x"2,根据图20化'表示鱼 顶10在r轴下降的距离），取任一微段，可^知巧
：，/''为y"的一阶导数，对 y" '按级数展开所WU + ^(户)Vv，将弯曲的整段曲线进行积分，
[01; .............④，
[01； ........................................................... ⑤，
[0136] 将⑤式代入④式得到：
[0137]
[013引解⑥式即可得到的鱼顶在ro'r坐标系中的横坐标点Wx",将Wx"带入到⑥式，得 到鱼顶10在rO'r坐标系中的纵坐标点Wy"，根据图20得到Wx' =Wx"+dii，Wy' =Wy"，根据① 式得到鱼顶10在XOY坐标系中的坐标为：（a ,Wx = Wx'*cos目-Wy'*sin目，Wy = Wx'*sin目+Wy'* COS0)，a为电子罗盘的导航角，Wx，Wy为图20中所示。
[0139] ③式表示W截取的落鱼的底部为坐标原点得到的落鱼曲线方程，根据图20所示， 将此方程转化到坐标系X ' OY '中可得：
[0140]
[0141] 合并化简后，将各次幕系数化为A'，B'，C'，D'，E'，得到在X'OY'坐标系中的落鱼曲线方 程:7'=4心4+8心3+(：心2+0心+6'，同时将7'求导得：
[0142] /' =4A'x'3+3BV2+2CV+D'...............................................................⑦
[0143] 步骤六:对落鱼曲线方程y ' = A ' X ' 4+B ' X ' 3+C ' X ' 2+D ' X ' +E '进行验证。
[0144] 将探头1向上提起诲次上行距离设定化0米，继续探测，同步骤3十算方法，共探测n次， 计算每次得到的落鱼倾角为矿(n为正整数）。把地I哀".
m为超声探头的个数)代入公式⑦，验证求得的落鱼曲线方程系数A'，B'，C'，D'，E'是否准 确。如果系数准确，进行步骤屯。如果方程系数不准确，则回到步骤S，并将探头在X'OY'坐 du 标系统中，继续下行-^米，使探头1尽可能接近落鱼。 Ian (i
[0145] 步骤屯:计算鱼顶10在袖的ttY地坐标系中的坐标。
[0146] 钻井过程中的轨迹按照预定轨迹作业，同时落鱼定位仪下探的过程也是按照预定 的钻井轨迹来进行，落鱼定位仪在水平方向W及垂直方向走的距离W及造斜角为已知量， 利用电子罗盘测出的俯仰角来检验直接使用造斜角是否准确，如果不准确则直接使用电子 罗盘多次测出来的俯仰角的平均值作为造斜角，在图21中，建立WXOY坐标系中的Y轴为Y地 轴，水平地面为X地轴的X地Oi牺地坐标系，利用步骤五中的Wx，Wy，得到鱼顶在X地QttY地坐标系中的 坐标点为：（〇，1义，￥7-1')，方位角为〇，1'为落鱼定位仪距离地面所下潜的距离，即第1超声探 头所在坐标系0点距离地面的垂直深度。
[0147] W上步骤是针对的第一类水平井的进行的一系列受力分析和数学计算，是比较复 杂的情况，当9 = 0时，即为垂直井中进行落鱼定位的情况(如图22)，与水平井相比，不需要 进行坐标的转换，计算落鱼曲线函数方程实际上只设及函数方程的力学分析W及坐标系平 移。
[0148] 本实用新型选取军用级的元器件和电路设计及保护，能在井下高溫高压的泥浆等 复杂环境下正常工作，同时可W利用钻井液在探测设备循环达到散热的目的。
【主权项】
1. 一种落鱼定位仪，其特征在于:包括多个呈直线等距排列在衬板上的超声探头，驱动 衬板旋转的自旋步进电机，以及安装于衬板上的电子罗盘;所述每个超声探头、自旋步进电 机、电子罗盘分别连接用于与上位机通信的MCU主控板。2. 根据权利要求1所述的落鱼定位仪，其特征在于：自旋步进电机通过光轴与衬板连 接。3. 根据权利要求2所述的落鱼定位仪，其特征在于:还包括一个圆筒型外壳，自旋步进 电机固定在圆筒型外壳顶部;光轴一端连接自旋步进电机，光轴另一端从圆筒型外壳底部 伸出与衬板连接。4. 根据权利要求3所述的落鱼定位仪，其特征在于:在圆筒型外壳内部还设置有一个防 止光轴偏心旋转的承接平台。5. 根据权利要求4所述的落鱼定位仪，其特征在于:承接平台固定在圆筒型外壳的内部 边缘上;承接平台上设置有安装在光轴上的轴承。6. 根据权利要求1所述的落鱼定位仪，其特征在于:MCU主控板包括MCU控制器，MCU控制 器将产生的PWM脉冲信号输出到脉冲放大电路，脉冲放大电路接收PffM脉冲信号并输出高压 脉冲信号到超声探头，超声探头接收所述高压脉冲信号并发射超声波;超声探头将接收到 的回波信号经过带通滤波器电路滤波放大后，再通过对数放大电路或定时器捕获/外部中 断方式电路采样后输送到MCU控制器；电子罗盘、自旋步进电机分别与MCU控制器连接;MCU 控制器还连接用于与上位机通信的通讯模块。7. 根据权利要求6所述的落鱼定位仪，其特征在于:所述M⑶控制器采用STM32F407VG主 控芯片。8. 根据权利要求1所述的落鱼定位仪，其特征在于:所述每个超声探头采用外加耐压防 护罩的超声换能器。9. 根据权利要求1所述的落鱼定位仪，其特征在于:所述电子罗盘采用倾角补偿式三维 电子罗盘。
【文档编号】E21B47/024GK205532589SQ201620210567
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年3月18日
【发明人】裴红星, 张仁良, 乔陆, 张晓煜, 陈静, 李加彦, 李冰, 王方, 王一方, 刘刚, 王延昆, 万里瑞
【申请人】郑州大学