电控式井下水平钻孔机测控系统的设计与开发

论文摘要

径向水平钻孔技术是一种新型有效的完井方式,不仅能穿过近井污染带,而且不会造成二次压实带,从而提高油井完善程度,增加产油量。另外径向水平钻孔技术在老井改造,高效开发低渗透油藏方面也有着重要的作用。目前应用的径向水平钻孔设备以水力射孔为主,存在设备和使用成本高、施工周期长等缺点。本文首次提出了一种电控式井下水平钻孔机实现径向水平钻孔,为了保证水平钻孔的准确性和可控性,设计并研制了一种地下和地上相互协同的两级式测控系统。地下部分可通过电缆投放到油井套管内,在实时测量出钻进力和扭矩等工作参数的基础上,对钻头的进给和旋转实施控制;地上部分不仅可实时监测地下部分的工作状况,而且可将调整后的控制策略和参数下载到地下部分来调整钻孔过程。目前地面实验表明,该测控系统能够基本满足井下水平钻孔机的作业要求。主要工作内容包括以下几个方面:1、完成了井下水平钻孔机测控系统的整体设计;2、完成了基于MSP430单片机的两级式测控系统的硬件设计和制作;3、完成了基于MSP430单片机的两级式测控系统的软件设计,包括数据采集及处理模块、电机控制模块、电力载波通讯模块、掉电保护模块等;4、完成了上位机界面的编写及调试;5、先后搭建了两套实验样机,进行了现场的系统调试。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 课题的提出和设计指标
• 1.3 本文的工作内容
• 第二章 测控系统的总体设计
• 2.1 测控系统总体设计方案
• 2.2 测控系统的关键问题
• 2.3 小结
• 第三章 测控系统的硬件设计
• 3.1 整体设计方案
• 3.2 MSP430 单片机外围电路硬件设计
• 3.2.1 MSP430 单片机简介
• 3.2.2 MSP430F149 时钟电路设计
• 3.2.3 MSP430F149 的JTAG接口及调试
• 3.2.4 MSP430F149 的复位电路设计及调试
• 3.3 地下部分硬件设计
• 3.3.1 可控硅单元
• 3.3.2 DC5V±12V电源
• 3.3.3 载波通讯电路
• 3.3.4 DC24V电源
• 3.3.5 互感器传感单元
• 3.3.6 CPU单元
• 3.3.7 步进电机驱动电路
• 3.3.8 拉压力传感器放大器
• 3.4 地上部分硬件设计
• 3.4.1 电压转换电路
• 3.4.2 载波通讯电路
• 3.4.3 三相总开关电路设计
• 3.4.4 调压器升降压电路设计
• 3.5 小结
• 第四章 测控系统的软件设计
• 4.1 步进电机的控制策略及软件设计
• A寄存器设置'>4.1.1 MSP430F149 单片机和TIMER_A寄存器设置
• 4.1.2 步进电机的开环控制
• 4.1.3 步进电机的闭环控制
• 4.2 电力载波通讯的通讯协议及软件设计
• 4.2.1 MSP430F149 单片机USART寄存器设置
• 4.2.2 通讯协议
• 4.2.3 程序流程
• 4.3 数据采集的软件设计
• 4.3.1 ADC12 的原理和功能简介
• 4.3.2 ADC12 寄存器的使用和设置
• 4.3.3 程序流程
• 4.4 掉电保护的软件设计
• 4.4.1 FLASH存储器简介及其擦除、读写操作
• 4.4.2 掉电保护程序流程
• 4.5 井上单片机程序总体设计
• 4.6 井下单片机程序总体设计
• 4.7 小结
• 第五章 上位机界面的编写
• 第六章 实验结果及分析
• 6.1 电压衰减实验
• 6.2 异步电机扭矩与电流关系曲线
• 6.2.1 异步电机工作在交流700V
• 6.2.2 异步电机工作在交流800V
• 6.3 拉压力传感器零点标定
• 6.3.1 拉力与电压关系测定
• 6.3.2 压力与电压关系测定
• 6.3.3 拉压力传感器零点标定
• 6.4 电流互感器检测电流精度实验
• 6.5 数据通讯实验
• 6.6 工程现场综合实验
• 6.6.1 井下测控系统机械结构的组装
• 6.6.2 综合实验
• 6.6.3 工程现场实验中出现的问题及解决办法
• 第七章 总结与展望
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢