CN105804728B - 一种落鱼定位方法 - Google Patents
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Abstract
一种落鱼定位方法，采用落鱼定位仪进行落鱼定位，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MCU主控板，MCU主控板连接上位机；本发明将落鱼定位仪沿钻孔送入井下；当落鱼定位仪下降到达断钻深度时，由自旋步进电机控制衬板旋转以实现360度探测，边探测边行进，当探测到近似直线型物体时，则认为所述近似直线型物体为落鱼；上位机根据电子罗盘和超声探头测得的数据计算落鱼倾角；根据大肚子井眼中泥浆的特性以及落鱼材质，对落鱼进行受力分析，计算鱼顶位置。本发明能克服落鱼打捞的盲目性，大大提高落鱼打捞的进度。
Description
技术领域
本发明涉及一种落鱼定位方法，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
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H2S气体会导致钻铤“氢脆”等强度破坏。经过对濮阳油田、长庆油田等钻井队工作人员的调研，以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，选择相应的传统打捞技术如公锥、母锥、强磁、套筒、磨铣、机械手抓取等方式，可以快速完成落鱼打捞；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捞。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，而现有的打捞技术都是在已知鱼顶位置时才能实现快速打捞，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捞，盲目性大，打捞难度高，成本高，周期长，影响总体工期进度。
国外在打捞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2000m以内，价格昂贵，实用性不强。
国内油水井在实际操作打捞时，由于油井的种类越来越多，落鱼的种类也不尽相同,打捞的难度也不断增加，技术落后，弊端日益显现，打捞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，在打捞过程中仅起到辅助作用，仍然无法克服落鱼打捞的盲目性。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于提供一种能提高落鱼打捞效率、对在钻井过程中的落鱼进行定位的落鱼定位方法，以解决现有技术存在的问题。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种落鱼定位方法，采用落鱼定位仪进行落鱼定位，所述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、电子罗盘分别与MCU主控板连接，MCU主控板连接上位机；所述落鱼定位包括如下步骤：
步骤一：将落鱼定位仪沿钻孔送入井下；衬板自下而上等距设置第1超声探头、第2超声探头、……、第m超声探头，m为正整数；
步骤二：当落鱼定位仪下降到达断钻深度时，由自旋步进电机控制衬板旋转以实现360度探测，边探测边行进；当探测到近似直线型物体时，则认为所述近似直线型物体为落鱼；
步骤三：上位机根据电子罗盘和超声探头测得的数据计算落鱼倾角；
步骤四：根据大肚子井眼中泥浆的特性以及落鱼材质，对落鱼进行受力分析，计算鱼顶位置，根据所述鱼顶位置打捞落鱼。
设落鱼定位仪到达断钻位置点时，与垂直于地面方向的夹角为θ，即电子罗盘测量到的俯仰角，与大肚子井眼上方的造斜角一致；所述步骤二中探测落鱼的过程具体为：当落鱼定位仪下降到达断钻深度时，首先记录下此时电子罗盘的俯仰角θ，然后控制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10米，每次下行停止后进行360度旋转衬板使超声探头扫描探测，直到探测到近似直线型物体，该近似直线型物体即为落鱼，记录此时电子罗盘的导航角α。
所述步骤三中计算落鱼倾角的过程如下：重复控制落鱼定位仪下行并探测，直至下行至超声探头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；设d1m为第m超声探头在垂直于衬板方向到落鱼的测量距离，m为正整数，相邻超声探头的距离为δ；以第1超声探头所在的位置为坐标原点O，以水平指向落鱼的方向为X轴正方向、竖直向上的方向为Y轴正方向建立坐标系XOY；将XOY坐标系逆时针旋转角度θ，形成X'OY'坐标系，再将X'OY'坐标系沿X'轴正方向平移d11得到X”O'Y”坐标系；计算落鱼在X'OY'坐标系中的倾角：对 取平均值得到落鱼倾角平均值
所述步骤四中计算鱼顶位置的过程包括如下步骤：
步骤S1，坐标变换：
把X'OY'坐标系沿顺时针方向旋转θ度得到XOY坐标系，得到坐标转换计算公式为：
根据公式①将X'OY'坐标系中的坐标转换为XOY坐标系中的坐标；
步骤S2，确定落鱼的函数曲线及鱼顶在XOY坐标系中的坐标：
当落鱼处于平衡状态时，钻杆在泥浆中的自重为：
公式②中：
G—为钻杆在泥浆中的自重，单位N/m；
q—钻杆在空气中的自重，单位N/m；
ρ泥—泥浆密度，单位g/cm3；
ρ钢—钻杆的密度，单位g/cm3；
自落鱼支撑点向上30m，钻杆最大弯曲度为2.2度，为30m左右的近似直线型落鱼，该落鱼近似看作为一端为固定端、另一端为自由端的梁，在重力、浮力的作用下，近似为四次曲线；落鱼受到竖直向下的分布荷载的作用，设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，倾斜角度为电子罗盘测量到的俯仰角θ，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，钻进距离及落鱼定位仪下潜距离为已知，故悬臂梁长L为已知；悬臂梁的弯曲刚度E及悬臂梁相对于中性轴的惯性I由落鱼材质确定，由悬臂梁受到G作用后的挠曲线近似微分方程为：y””为y”的二阶导数，在坐标系X”O'Y”解得如下式一元四次方程：
将各次幂系数化为A”，B”，C”，得到：y”＝A”x”4+B”x”3+C”x”2，取任一微段，可以知道y”'为y”的一阶导数，对y”'按级数展开所以将弯曲的整段曲线进行积分，有：
y”'＝4A”x”3+3B”x”2+2C”x”…………………………………………………………⑤，
将⑤式代入④式得到：
解⑥式即可得到鱼顶在X”O'Y”坐标系中的横坐标点Wx”，将Wx”带入到⑥式，得到鱼顶在X”O'Y”坐标系中的纵坐标点Wy”，从而Wx'＝Wx”+d11，Wy'＝Wy”，根据①式得到鱼顶在XOY坐标系中的坐标为:(α，Wx'*cosθ-Wy'*sinθ，Wx'*sinθ+Wy'*cosθ)，α为电子罗盘的导航角；
③式表示以截取的落鱼的底部为坐标原点得到的落鱼方程，将此方程转化到坐标系X'OY'中可得：
合并化简后，将各次幂系数化为A'，B'，C'，D'，E'，得到：在X'OY'坐标系中的落鱼曲线方程y'＝A'x'4+B'x'3+C'x'2+D'x'+E',同时将y'求导得：
y”＝4A'x'3+3B'x'2+2C'x'+D'…………………………………………………⑦；
步骤S3，对落鱼曲线方程y'＝A'x'4+B'x'3+C'x'2+D'x'+E'进行验证：
将超声探头向上提起，每次上行距离设定为10米，继续探测，同步骤三计算方法，共探测n次，计算每次得到的落鱼倾角为n为正整数；把tan'和xn代入公式⑦，其中m为超声探头的个数，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S4,如果方程系数不准确，则回到步骤三，并将探头在X'OY'坐标系统中，继续下行米，使超声探头尽可能接近落鱼；
步骤S4，计算鱼顶在X地O地Y地坐标系中的坐标位置：
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以及垂直方向走的距离以及造斜角为已知量，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,建立以XOY坐标系中的Y轴为Y地轴，水平地面为X地轴的坐标系X地O地Y地，所以利用步骤S2中的Wx，Wy，最后得到鱼顶在坐标系X地O地Y地中的坐标点为：(α，Wx，Wy-T)，其中方位角为α，T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O点距离地面的垂直深度。
自旋步进电机通过光轴与衬板连接。
所述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。
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。
所述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。
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。
所述每个超声探头采用外加耐压防护罩的超声换能器。
本发明将探测装置沿钻孔送入井中，利用超声波探测出鱼顶偏移后，根据钻杆的倾斜方向和倾斜度，通过钻杆在泥浆中的受力模型，计算出鱼顶的方位信息，使原来的摸索式打捞变为目标明确的传统式打捞，可以大大提高落鱼打捞的进度；适用于国内油水井落鱼的打捞；所选用的元器件和电路设计，适合于在地下高温高压的泥浆等复杂环境下正常工作。
附图说明
图1为钻井落鱼示意图。
图2为本发明的落鱼定位仪的主视图。
图3为本发明的落鱼定位仪的侧视图。
图4为本发明的落鱼定位仪的电路原理图。
图5为本发明的MCU主控板的24V转5V电路原理图。
图6为本发明的MCU主控板的5V转3.3V电路原理图。
图7为本发明的STM32F407VG主控芯片的电路原理图。
图8为本发明的MCU主控板的PWM脉冲波反向输出电路原理图
图9为本发明的MCU主控板的SSP脉冲启动变压器升压电路原理图。
图10为本发明的MCU主控板的带通滤波器电路原理图。
图11为本发明的MCU主控板的对数放大电路原理图。
图12为本发明的MCU主控板的定时器捕获/外部中断方式电路原理图。
图13为本发明的MCU主控板的LED指示模块电路原理图；其中，图(a)为红色LED指示灯电路原理图，图(b)为绿色LED指示灯电路原理图。
图14为本发明的MCU主控板的驱动电路板供电电路原理图；其中，图(a)为驱动电路板24V电源供电电路原理图，图(b)为驱动电路板5V电源供电电路原理图。
图15为本发明的MCU主控板的JLINK下载接口电路原理图。
图16为本发明的落鱼的受力模型图。
图17为本发明的落鱼某点斜率计算示意图。
图18为本发明的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。
图19为本发明的落鱼斜置时悬臂梁模型图。
图20为本发明的XOY坐标系、X'OY'坐标系和X'OY'坐标系建立示意图。
图21为本发明的落鱼产生在水平井时的打捞过程及建立坐标系后的示意图。
图22为本发明的落鱼产生在垂直井的打捞过程及建立坐标系后的示意图。
图23为本发明的落鱼定位流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
本发明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7分别连接MCU主控板，MCU主控板连接上位机。
超声探头1，包括多个，根据需要进行设置，这里具体设置为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，通过这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)。
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。
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可以防止光轴偏心旋转。
光轴6上设置有防止光轴偏心旋转的承接平台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。
电子罗盘7，安装于衬板5上，固定在衬板5上方。
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3.3V(VDD)、5V、24V电源：其中5V和24V由MCU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，是通过转压芯片LM1117及相应RC电路(增加稳定性)将5V电压转变成3.3V。
MCU主控板包括MCU控制器，MCU控制器采用STM32F407VG主控芯片，参见图7，其中12、13引脚接8MHz外部晶振，94引脚BOOT0、37引脚BOOT1外接100K电阻后接GND。参见图4，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：
1、STM32F407VG主控芯片，具有如下特点：
(1)先进技术和工艺
-存储器加速器：自适应实时加速器(ART AcceleratorTM)
-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
-90nm工艺
(2)高性能
-210DMIPS@168MHz
-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
-多达1MB FLASH
-192Kb SRAM：128KB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
-USB OTG高速480Mbit/s
-IEEE1588，以太网MAC 10/100
-PWM高速定时器：168MHz最大频率
-加密/哈希硬件处理器：32位随机数发生器(RNG)
-带有日历功能的32位RTC：<1μA的实时时钟，1秒精度
(3)更多的提升
-低电压：1.8V到3.6V VDD，在某些封装上，可降低至1.7V
-全双工12S
-12位ADC：0.41us转换/2.4Msps(7.2Msps在交替模式)
-高速USART，可达10.5Mbits/s
-高速SPI，可达37.5Mbits/s
-Camera接口，可达54M字节/s
2、超声探头
-采用200K-75KHz超声换能器，外加耐压防护罩适用于工业泥浆及水中
-型号：DYW-75/200-E
-量程：200KHz 0.6～120m，75KHz 1.8～300m
-盲区：200KHz盲区0.6米，75KHz盲区1.5米
-频率：200KHz±5KHz或75KHZ±3KHz
-工作电压：峰值电压＜800VPP
-工作温度：-20～+80℃
-压力：最大5000米液深
-角度：200KHz时(波束宽度)半功率角@-3dB：10.4°，锐度角：24.6°；75KHz时(波束宽度)半功率角@-3dB：28°,锐度角：69°
-耐腐蚀性：在弱酸弱碱的环境下可以使用。
3、脉冲放大电路
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主控芯片发出的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5Vpp)经过由74HCT04D反相器元件及辅助电路构成的PWM脉冲波反向输出电路(74HCT04D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LU3410NMOS管控制变压器T1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T1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；
4、带通滤波器电路
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超高频硅三极管Q1具有信号放大作用(首先回波信号通过9018三极管Q1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。
5、对数放大电路和定时器捕获/外部中断方式电路
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，对数放大电路可以通过AD转换模式进行采集，定时器捕获/外部中断方式电路可以采用定时器捕获方式采集，这里以使用定时器捕获/外部中断方式电路为例进行说明：
1)对数放大电路：
带通滤波电路经过网络CHULI连接到对数放大电路。对数放大电路，参见图11，采用的主要芯片有AD8310和LM358。AD8310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SIG_AD信号发送到主控芯片，由程序处理。
2)定时器捕获/外部中断方式电路：
定时器捕获/外部中断方式电路，参见图12，采用的主要芯片为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LMC7211引脚1(OUT引脚)输出高电平，主控芯片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芯片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CHULI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，送入主控芯片STM32F4，主控芯片STM32F4对回波信号处理分析。
综上，超声探头收发信号的总体电路运行过程为：通过主控芯片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SIG_INT信号送入主控芯片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以进行测距，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，所以选择这种方式。
6、电子罗盘
选择倾角补偿式三维电子罗盘，型号HCM365主要用于工业石油地质测井中。其特性如下：
-测量范围：360°全姿态
-带硬磁、软磁及倾角补偿
-精度:0.3°～0.5°
输出接口：RS232，RS485，TTL(可选)
-工作电压:DC+5V
-宽温工作：-40～+85℃
-工作电流：40mA
-体积：55*37*24mm，可定制。
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，目前测井电路保护以及电机防水方面已经很成熟，可以直接使用)直接送入井下，可以利用钻井液循环进行降温散热处理，且由于探测的过程不涉及破碎岩层等动作，所以并不会产生太高的温度，基本的钻井液循环就可以达到散热降温的目的。
MCU主控板还包括24V转5V电路、5V转3.3V电路、LED指示模块、驱动电路板供电电路、JLINK下载接口；其中：
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5.0V电压，J1接线端口是电源的输入的端口，J1.1接24V、J1.2接GND，经过图5所示24V转5V电路处理后可以得到需要的24V和5V电源；
2、5V转3.3V电路，参见图6，采用LM1117-3.3电压调节芯片，将5V(VCC)电压经过电压调节芯片处理后得到3.3V电压(VDD)，为主控芯片STM32F407VG供电；
3、LED指示模块，参见图13，包括红色LED灯和绿色LED灯，红色LED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LED灯正极由3.3V电源供电，负极与主控芯片的95引脚连接，作用是配合软件编程显示程序运行正常；
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；
5、JLINK下载接口，参见图15，与主控芯片的72、76引脚相连。
本发明还提供一种采用上述落鱼定位仪进行落鱼定位的方法，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。
设计思路如下：多个超声波探头1成直线排列于衬板5上，由旋转步进电机2控制衬板5旋转以实现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，以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，然后使用传统打捞方式进行打捞。
以第一种水平井模型为例具体包括以下步骤(如图21)：
设落鱼定位仪到达断钻位置点时，与垂直于地面方向的夹角为θ(即电子罗盘测量7到的俯仰角)，与大肚子井眼上方的造斜角一致。
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；
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θ，然后使落鱼定位仪继续下降每次下降Q米，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7的导航角α。通过对四个探头的探测距离计算出来的斜率β1，β2，β3是否为近似相等的值来进行判断是否为近似直线型物体。
步骤三：计算落鱼倾角。
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d11，如图20所示，以第1超声探头所在的位置为坐标原点O，以水平指向落鱼的方向(导航角α方向)为X轴正方向、竖直向上方向为Y轴正方向建立坐标系XOY。将XOY坐标系逆时针旋转角度θ，形成X'OY'坐标系，再将X'OY'坐标系沿X'轴正方向平移d11得到X”O'Y”坐标系，至此坐标系建立完毕。结合图17计算落鱼在X'OY'坐标系中的倾角分别为： 其中：d11,d12,d13,d14分别为第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)的测量距离，对取平均值得到落鱼倾角平均值图18中，四个探头进入探测盲区时测量的数据d01、d02、d03、d04为无效数据。
步骤四：坐标变换。
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，对步骤三中X'OY'坐标系沿顺时针方向旋转θ得到XOY坐标系，坐标转换计算公式为：
根据公式①就可以将X'OY'坐标系中的坐标转换为XOY坐标系中的坐标。
步骤五：确定落鱼的函数曲线及鱼顶坐标。
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，钻杆呈弯曲状。由于泥浆浮力的作用，钻杆在泥浆中的自重为：
公式②中：
G—为钻杆在泥浆中的自重，单位N/m；
q—钻杆在空气中的自重，单位N/m；
ρ泥—泥浆密度(决定于泥浆的温度和粘滞特性)，单位g/cm3；
ρ钢—钻杆的密度，单位g/cm3。
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，为30m左右的近似直线型落鱼，该落鱼可以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。
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θ，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及悬臂梁相对于中性轴的惯性I由落鱼材质确定。
由悬臂梁受到G作用后的挠曲线近似微分方程：y””为y”的二阶导数，在坐标系X”O'Y”解得如下式一元四次方程：
将各次幂系数化为A”，B”，C”，得到：y”＝A”x”4+B”x”3+C”x”2，根据图20(L'表示鱼顶在Y”轴下降的距离)，取任一微段，可以知道y”'为y”的一阶导数，对y”'按级数展开所以将弯曲的整段曲线进行积分，
y”'＝4A”x”3+3B”x”2+2C”x”…………………………………………………⑤，将⑤式代入④式得到：
解⑥式即可得到的鱼顶在X”O'Y”坐标系中的横坐标点Wx”，将Wx”带入到⑥式，得到鱼顶在X”O'Y”坐标系中的纵坐标点Wy”，根据图20得到Wx'＝Wx”+d11，Wy'＝Wy”，根据①式得到鱼顶在XOY坐标系中的坐标为：(α，Wx＝Wx'*cosθ-Wy'*sinθ，Wy＝Wx'*sinθ+Wy'*cosθ)，α为电子罗盘的导航角，Wx，Wy为图20中所示。
③式表示以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：
合并化简后，将各次幂系数化为A'，B'，C'，D'，E'，得到在X'OY'坐标系中的落鱼曲线方程：y'＝A'x'4+B'x'3+C'x'2+D'x'+E',同时将y'求导得：
y”＝4A'x'3+3B'x'2+2C'x'+D'……………………………………………………⑦
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。
将探头1向上提起，每次上行距离设定为10米，继续探测，同步骤三计算方法，共探测n次，计算每次得到的落鱼倾角为(n为正整数)。把tan和x'n 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，进行步骤七。如果方程系数不准确，则回到步骤三，并将探头在X'OY'坐标系统中，继续下行米，使探头1尽可能接近落鱼。
步骤七：计算鱼顶在X地O地Y地坐标系中的坐标。
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以及垂直方向走的距离以及造斜角为已知量，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，建立以XOY坐标系中的Y轴为Y地轴，水平地面为X地轴的坐标系X地O地Y地,利用步骤五中的Wx，Wy，得到鱼顶在坐标系X地O地Y地中的坐标点为：(α，Wx，Wy-T)，方位角为α，T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O点距离地面的垂直深度。
以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θ＝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涉及函数方程的力学分析以及坐标系平移。
本发明的落鱼定位流程如图23所示。
本发明选取军用级的元器件和电路设计及保护，能在井下高温高压的泥浆等复杂环境下正常工作，同时可以利用钻井液在探测设备循环达到散热的目的。
Claims (10)
1.一种落鱼定位方法，其特征在于:采用落鱼定位仪进行落鱼定位，所述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、电子罗盘分别与MCU主控板连接，MCU主控板连接上位机；所述落鱼定位包括如下步骤：
步骤一：将落鱼定位仪沿钻孔送入井下；衬板自下而上等距设置第1超声探头、第2超声探头、……、第m超声探头，m为正整数；
步骤二：当落鱼定位仪下降到达断钻深度时，由自旋步进电机控制衬板旋转以实现360度探测，边探测边行进；当探测到近似直线型物体时，则认为所述近似直线型物体为落鱼；
步骤三：上位机根据电子罗盘和超声探头测得的数据计算落鱼倾角；
步骤四：根据大肚子井眼中泥浆的特性以及落鱼材质，对落鱼进行受力分析，计算鱼顶位置，根据所述鱼顶位置打捞落鱼。
2.根据权利要求1所述的落鱼定位方法，其特征在于：设落鱼定位仪到达断钻位置点时，与垂直于地面方向的夹角为θ，即电子罗盘测量到的俯仰角，与大肚子井眼上方的造斜角一致；所述步骤二中探测落鱼的过程具体为：当落鱼定位仪下降到达断钻深度时，首先记录下此时电子罗盘的俯仰角θ，然后控制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10米，每次下行停止后进行360度旋转衬板使超声探头扫描探测，直到探测到近似直线型物体，该近似直线型物体即为落鱼，记录此时电子罗盘的导航角α。
3.根据权利要求2所述的落鱼定位方法，其特征在于：所述步骤三中计算落鱼倾角的过程如下：重复控制落鱼定位仪下行并探测，直至下行至超声探头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；设d1m为第m超声探头在垂直于衬板方向到落鱼的测量距离，m为正整数，相邻超声探头的距离为δ；以第1超声探头所在的位置为坐标原点O，以水平指向落鱼的方向为X轴正方向、竖直向上的方向为Y轴正方向建立坐标系XOY；将XOY坐标系逆时针旋转角度θ，形成X'OY'坐标系，再将X'OY'坐标系沿X'轴正方向平移d11得到X”O'Y”坐标系；计算落鱼在X'OY'坐标系中的倾角：对取平均值得到落鱼倾角平均值
4.根据权利要求3所述的落鱼定位方法，其特征在于：所述步骤四中计算鱼顶位置的过程包括如下步骤：
步骤S1，坐标变换：
把X'OY'坐标系沿顺时针方向旋转θ度得到XOY坐标系，得到坐标转换计算公式为：
根据公式①将X'OY'坐标系中的坐标转换为XOY坐标系中的坐标；
步骤S2，确定落鱼的函数曲线及鱼顶在XOY坐标系中的坐标：
当落鱼处于平衡状态时，钻杆在泥浆中的自重为：
公式②中：
G—为钻杆在泥浆中的自重，单位N/m；
q—钻杆在空气中的自重，单位N/m；
ρ泥—泥浆密度，单位g/cm3；
ρ钢—钻杆的密度，单位g/cm3；
自落鱼支撑点向上30m，钻杆最大弯曲度为2.2度，为30m左右的近似直线型落鱼，该落鱼近似看作为一端为固定端、另一端为自由端的梁，在重力、浮力的作用下，近似为四次曲线；落鱼受到竖直向下的分布荷载的作用，设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，倾斜角度为电子罗盘测量到的俯仰角θ，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，钻进距离及落鱼定位仪下潜距离为已知，故悬臂梁长L为已知；悬臂梁的弯曲刚度E及悬臂梁相对于中性轴的惯性I由落鱼材质确定，由悬臂梁受到G作用后的挠曲线近似微分方程为：y””为y”的二阶导数，在坐标系X”O'Y”解得如下式一元四次方程：
将各次幂系数化为A”，B”，C”，得到：y”＝A”x”4+B”x”3+C”x”2，取任一微段，可以知道y”'为y”的一阶导数，对y”'按级数展开所以将弯曲的整段曲线进行积分，有：
y”'＝4A”x”3+3B”x”2+2C”x”…………………………………………………………⑤，
将⑤式代入④式得到：
解⑥式即可得到鱼顶在X”O'Y”坐标系中的横坐标点Wx”，将Wx”带入到⑥式，得到鱼顶在X”O'Y”坐标系中的纵坐标点Wy”，从而Wx'＝Wx”+d11，Wy'＝Wy”，根据①式得到鱼顶在XOY坐标系中的坐标为:(α，Wx'*cosθ-Wy'*sinθ，Wx'*sinθ+Wy'*cosθ)，α为电子罗盘的导航角；
③式表示以截取的落鱼的底部为坐标原点得到的落鱼方程，将此方程转化到坐标系X'OY'中可得：
合并化简后，将各次幂系数化为A'，B'，C'，D'，E'，得到：在X'OY'坐标系中的落鱼曲线方程y'＝A'x'4+B'x'3+C'x'2+D'x'+E',同时将y'求导得：
y”＝4A'x'3+3B'x'2+2C'x'+D'…………………………………………⑦；
步骤S3，对落鱼曲线方程y'＝A'x'4+B'x'3+C'x'2+D'x'+E'进行验证：
将超声探头向上提起，每次上行距离设定为10米，继续探测，同步骤三计算方法，共探测n次，计算每次得到的落鱼倾角为n为正整数；把和x'n代入公式⑦，其中m为超声探头的个数，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S4,如果方程系数不准确，则回到步骤三，并将探头在X'OY'坐标系统中，继续下行米，使超声探头尽可能接近落鱼；步骤S4，计算鱼顶在X地O地Y地坐标系中的坐标位置：
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以及垂直方向走的距离以及造斜角为已知量，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,建立以XOY坐标系中的Y轴为Y地轴，水平地面为X地轴的坐标系X地O地Y地，所以利用步骤S2中的Wx，Wy，最后得到鱼顶在坐标系X地O地Y地中的坐标点为：(α，Wx，Wy-T)，其中方位角为α，T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O点距离地面的垂直深度。
5.根据权利要求1所述的落鱼定位方法，其特征在于：自旋步进电机通过光轴与衬板连接。
6.根据权利要求3所述的落鱼定位方法，其特征在于：所述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。
7.根据权利要求6所述的落鱼定位方法，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。
8.根据权利要求7所述的落鱼定位方法，其特征在于：所述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。
9.根据权利要求1所述的落鱼定位方法，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。
10.根据权利要求1所述的落鱼定位方法，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。
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