油井电火花解堵造缝机器人的研究

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开展了一系列的研究工作。采用理论分析与实验研究相结合的方法,创新设计了机器人以及绞车送进系统结构,在机器人整套系统动画仿真、机器人运动过程以及受力状况、机器人微调用电磁直线驱动器的驱动特性、机器人实体制作等方面取得了一些有用的研究成果。创新构思了机械轮式管道机器人解堵方法,分析了机器人在地层深处竖直管道内工作的可行性,对其采用宏观定位和小幅度微调相结合的控制方法,利用三维设计软件对机器人整体、微调结构、旋转检测机构以及电极送进机构进行了结构绘制与动画仿真,确定了机器人的各个参数,检验了其运动的可靠性。建立了弗朗内特活动坐标系,采用运动学基本公式对机器人轮子进行广义坐标和狭义坐标下的速度以及运动轨迹的分析,对机器人关键部件受力分析,利用ANSYS分析软件对该机器人的轮系进行了力和温度相结合的耦合场分析,验证了其可靠性。创新设计了适合于小功率升降机器人所用的绞车送进系统,重点分析电缆工作中产生的变形对定位检测系统造成的影响以及滚筒的排缆问题,对其关键器件进行了分析计算。构思了微调用电磁直线驱动器实验方案,搭建了其实验平台,得到了环境介质、驱动电压和驱动距离等驱动力的影响规律关系;利用毕奥-萨伐尔定律等电磁感应基本公式,对线圈周围磁感应强度进行了计算,得出衔铁所受力的理论表达式,通过Matlab对试验曲线进行了理论拟合,为今后推广应用该技术提供了理论依据。对所设计的机器人的关键零件的加工技术进行了研究,编制了相应的加工程序,并利用电火花线切割机床和数控车床等加工出了相应的零件。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 前言
• 1.1 课题来源及研究目的意义
• 1.1.1 课题来源
• 1.1.2 研究目的及意义
• 1.2 油井解堵造缝技术的研究现状
• 1.3 管道机器人技术研究现状
• 1.4 课题主要研究内容
• 第2章 油井电火花解堵造缝新技术及其机器人系统总体设计
• 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
• 2.2.1 油井电火花解堵造缝作业机器人结构
• 2.2.2 机器人系统工作过程
• 2.3 电火花解堵造缝作业机器人结构设计
• 2.3.1 机器人总体结构
• 2.3.2 机器人自适应支撑脚机构总成设计
• 2.3.3 旋转检测机构总成
• 2.3.4 电极送进机构总成
• 2.4 本章小结
• 第3章 油井电火花解堵造缝机器人的运动及动力特性分析
• 3.1 移动轮的运动过程分析
• 3.1.1 广义管道柱面轮子坐标推导
• 3.1.2 机器人移动轮在管壁上滚转
• 3.1.3 机器人移动轮运动速度分析
• 3.1.4 移动轮上任意一点的运动轨迹
• 3.2 移动轮及其支撑轴的受力分析及计算
• 3.2.1 移动轮的受力分析
• 3.2.2 移动轮及支撑轴的可靠性分析
• 3.3 本章小结
• 第4章 机器人绞车送进系统的设计与分析
• 4.1 机器人绞车送进系统的机构
• 4.2 主步进电机参数计算
• 4.3 滚筒系统的机构设计与分析
• 4.3.1 滚筒基本尺寸的确定
• 4.3.2 滚筒上缠绕电缆的层数
• 4.3.3 电缆在滚筒上的受力分析
• 4.4 排缆及电缆定位测量系统
• 4.4.1 滚筒排缆
• 4.4.2 电缆在井内的伸长以及校正
• 4.5 离合器类型选用
• 4.6 刹车系统
• 4.7 本章小结
• 第5章 电磁送进及锁紧结构的试验研究
• 5.1 实验原理及设备
• 5.2 实验理论概述
• 5.2.1 圆电流轴线上场的计算
• 5.2.2 单层螺线管轴线上场的计算
• 5.2.3 多层密匝螺线管磁场的计算
• 5.2.4 衔铁所受磁力的计算
• 5.3 实验数据与分析
• 5.3.1 空气中线圈与衔铁间的距离对拉力的影响
• 5.3.2 空气中电压对拉力的影响
• 5.3.3 常温下原油中线圈与衔铁间的距离对拉力的影响
• 5.3.4 常温下原油中电压对拉力的影响
• 5.3.5 高温下原油中线圈与衔铁间的距离对拉力的影响
• 5.3.6 高温下原油中电压对拉力的影响
• 5.4 本章小结
• 第6章 机器人实体制作
• 6.1 机器人零件的电火花线切割加工技术研究
• 6.2 应用数控车削技术加工机器人零件
• 6.3 应用数控铣削技术加工机器人零件
• 6.4 本章小结
• 第7章 结论
• 附录
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果
• 致谢