油井电火花解堵造缝机器人控制系统的研究

论文摘要

低渗及堵塞油井在当今石油开采中所占的比例越来越大,其开采难度也越来越大。如何有效地疏通渗油通道、制造新的渗油裂缝,以提高堵塞井和低渗油井的采收率是目前世界上各石油开采国竞相研究的课题。本文在对现有的解堵及压裂技术分析研究的基础上,提出了采用机器人把放电用的正负工具电极送入射孔炮眼中进行解堵造缝的新构想,重点围绕该作业机器人的控制系统开展了一系列的研究工作。本文系统地综述了国内外有关油井解堵、管道机器人及其控制系统的文献资料,并基于PC机和微控制器进行了机器人控制系统的研究、开发工作,在电机驱动、微调系统、射孔检测以及机器人井下定位等方面取得了创新性的研究成果。根据解堵作业要求,设计制造新型电火花解堵作业机器人,开发机器人控制系统,包括控制硬件电路和控制程序的设计、开发。机器人控制系统采用模块化设计,各模块电路间干扰小,提高了机器人作业的可靠性。考虑到解堵作业机器人作业的具体情况,创新性开发了机器人地面动力驱动电机限制电流的智能型高低压驱动系统和射孔检测机构驱动电机的PWM细分驱动系统。限制电流的智能型高低压驱动系统提高了电机工作电流上升速度,使电机在高速运转过程中,输出转矩稳定。PWM细分驱动基于Motorola单片机进行软硬结合的PWM控制,细分电机步距角,优化了电机低速运行性能。本文采用新型的直线电磁机构设计、开发了机器人位移微进给系统、电极送进系统以及自适应支撑轮制动系统等,并基于微控制器进行了电磁机构的PWM控制系统的开发,实现机器人井下位移微调、电极微进给,并配合大功率电火花脉冲电源完成井下解堵作业。首次提出了使用电涡流传感器进行油井套管射孔炮眼检测的新思路,检测技术能够稳定地工作在油井套管内,抗干扰性好。针对油井解堵作业的要求,开发了机器人检测-校正双保险定位控制系统,采用高精度的光电编码器和互感式接箍传感器进行机器人运行距离检测,进行了电缆伸长量校正系统开发,实现了机器人井下的准确定位。开发出了机器人可视控制系统,实现了人机对话,提供了人工操作作业平台。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景和意义
• 1.2 油井解堵技术的研究现状
• 1.2.1 化学解堵技术的研究现状
• 1.2.2 物理解堵方法的研究现状
• 1.3 管道机器人及其控制系统的研究现状
• 1.4 研究目的及研究内容
• 1.4.1 研究目的
• 1.4.2 研究内容
• 第2章 油井仿生电脉冲解堵造缝新技术及其作业机器人的研究
• 2.1 电火花解堵造缝技术的工作原理及其特点
• 2.1.1 电火花解堵造缝技术的工作原理
• 2.1.2 电火花解堵造缝技术的特点
• 2.2 油井电火花解堵造缝作业机器人的结构组成及工作原理
• 2.3 油井电火花解堵造缝机器人控制系统的总体构成
• 2.3.1 机器人控制系统组成及其作用
• 2.3.2 机器人控制系统硬件电路总构成
• 2.4 本章小结
• 第3章 电火花解堵造缝机器人定位控制系统的设计
• 3.1 机器人绞车结构组成及其控制系统
• 3.1.1 机器人绞车结构组成及其工作原理
• 3.1.2 绞车机构控制系统总构成
• 3.1.3 绞车步进电动机驱动控制系统的设计
• 3.1.4 电磁涡流刹车机构控制系统
• 3.1.5 液力变矩器控制系统
• 3.2 机器人距离检测控制系统
• 3.2.1 机器人定位控制系统设计
• 3.2.2 机器人故障诊断系统
• 3.3 本章小结
• 第4章 机器人微步进给与电极送进结构控制系统的设计
• 4.1 直线电磁机构的原理及其驱动电路
• 4.1.1 直线电磁机构的原理
• 4.1.2 直线电磁机构的PWM驱动电路设计
• 4.2 直线电磁机构驱动系统高温油中的实验
• 4.2.1 高温油中电磁机构饱和驱动电压下承载实验
• 4.2.2 高温油中定距离电磁机构变电压下承载变化实验
• 4.2.3 高温油中直线电磁机构承载能力实验总结
• 4.3 机器人微步进给控制系统
• 4.3.1 机器人微步进给结构组成及工作原理
• 4.3.2 微调控制系统的软件设计
• 4.4 自适应支撑轮机构控制系统
• 4.4.1 自适应支撑轮腿结构组成及工作原理
• 4.4.2 自适应支撑轮腿控制系统设计
• 4.5 电极送进控制系统设计
• 4.5.1 电极送进结构组成及其工作原理
• 4.5.2 电极送进机构控制软件设计
• 4.6 本章小结
• 第5章 机器人射孔位置检测控制系统的设计
• 5.1 射孔检测结构组成及工作原理
• 5.2 射孔检测机构驱动电机控制系统
• 5.2.1 驱动电机驱动系统特性及传统驱动系统的局限性
• 5.2.2 射孔检测机构驱动控制系统总构
• 5.2.3 基于Motorola单片机的PWM细分驱动系统组成及工作原理
• 5.2.4 射孔旋转检测机构驱动电动机的选型
• 5.2.5 基于Motorola单片机的PWM细分电路设计
• 5.2.6 射孔检测机构驱动控制系统的软件设计
• 5.3 涡流传感器原理及特点
• 5.3.1 涡流传感器的检测原理
• 5.3.2 涡流传感器的工作特点
• 5.3.3 射孔检测传感器的选择
• 5.4 射孔检测控制电路设计
• 5.5 射孔检测控制程序设计
• 5.6 本章小结
• 第6章 机器人各控制模块间的通讯及安装技术研究
• 6.1 机器人PC机通讯控制系统
• 6.1.1 机器人PC机通讯控制系统总构
• 6.1.2 PC机通讯控制系统硬件电路设计
• 6.1.3 PC机通讯控制系统软件设计
• 6.2 机器人控制界面结构及其程序设计
• 6.3 单片机间的通讯控制系统
• 6.4 控制模块间的通讯技术
• 6.5 机器人控制系统安装、调试技术
• 6.6 本章小结
• 第7章 结论
• 参考文献
• 附录
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果
• 致谢