油井钻探过程中钻头自动纠偏技术

论文摘要

本文研究了一种油井钻探过程中钻头自动纠偏技术,其是由井下闭环自动纠偏系统、发电系统和开关电源三部分组成,本文主要围绕这三个部分展开研究和分析。井下闭环自动纠偏系统是基于单片机控制的井下闭环装置,它的信息处理和控制完全在井下完成,代表着国内外钻头纠偏技术的发展方向,具有较高的自动化水平。文中详细介绍了钻头轨迹的空间位置,设计了井下闭环钻头自动纠偏系统的结构,确定了井下闭环钻头自动纠偏系统的控制原理和控制方法,根据实钻轨迹与设计轨迹的偏差矢量和井斜角,通过编程控制执行机构实现对钻头的纠偏工作,并进行了系统仿真及结果分析。为了满足石油钻探过程中井下用电设备的需要,解决地面供电系统为井下供电困难的问题,本文为井下闭环钻头自动纠偏系统设计了一套独立的1kVA,36V井下泥浆发电系统。泥浆发电系统主要由叶轮和发电机组成,发电原理是通过叶轮借助泥浆液动力来驱动发电机转子,完成发电。根据井下空间的限制,合理的设计了叶轮和发电机的结构:对叶轮及发电机结构参数进行了计算;利用Ansoft软件对电机的磁场进行了仿真分析:确定了发电机输出电压范围;分析了部分参数对永磁同步发电机性能的影响。由于钻井液流速的变化,发电机输出的交流电的幅值是变化的,因此本文设计了一个开关电源,主要包括整流、稳压、调压三部分。以整个系统的稳定性、可靠性、体积等条件为依据,选取合理的开关电源电路拓扑;设计了使开关电源输出稳定,且动态响应好的反馈网络;对开关电源的功率器件以及整个系统采取了过压、过流、短路等保护;选择了合理的散热方式,保证了系统的稳定工作;最后,对开关电源进行了仿真及结果分析。最后,在理论计算和仿真结果的基础上得出钻头自动纠偏技术的可行性结论。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题来源及意义
• 1.2 钻头纠偏技术的发展历程及国内、外研究现状
• 1.3 钻头自动纠偏技术描述
• 1.4 本课题的主要研究内容
• 第二章 井下闭环钻头自动纠偏系统的研究
• 2.1 井下闭环钻头自动纠偏系统的组成
• 2.2 井下闭环钻头自动纠偏系统的控制理论
• 2.2.1 钻头轨迹的空间位置
• 2.2.2 偏差矢量控制原理
• 2.2.3 井斜角控制原理
• 2.2.4 井眼轨迹的控制方式
• 2.2.5 控制方法
• 2.3 执行机构的选择及偏差矢量和导向力的计算
• 2.3.1 执行机构的选择
• 2.3.2 偏差矢量的计算
• 2.3.3 柱塞长度的计算
• 2.3.4 导向力的计算
• 2.4 软件设计
• 2.5 系统仿真
• 2.6 本章小结
• 第三章 泥浆发电机的设计与分析
• 3.1 泥浆发电机的结构设计
• 3.1.1 泥浆发电机的定转子结构设计
• 3.1.2 叶轮的设计
• 3.2 泥浆发电机基本电路方程
• 3.3 设计参数计算及分析
• 3.3.1 电磁负荷的选取
• 3.3.2 永磁体的磁化方向长度的选取
• 3.3.3 气隙磁密与极弧系数的确定
• 3.3.4 其他参数的确定
• 3.4 有限元分析
• 3.5 泥浆发电机输出电压计算
• 3.6 影响永磁同步发电机设计的因素
• 3.6.1 温度影响
• 3.6.2 电枢反应
• 3.6.3 机械强度
• 3.7 本章小结
• 第四章 开关电源的设计与分析
• 4.1 开关电源电路拓扑结构的选取
• 4.2 开关电源基本原理
• 4.3 PWM开关电源和反馈网络的设计
• 4.3.1 反馈电路设计
• 4.3.2 反馈环控制系统框图的建立
• 4.4 MOSFET驱动电路的设计
• 4.5 系统保护
• 4.5.1 MOSFET的过压保护
• 4.5.2 续流二极管的保护
• 4.6 开关电源损耗及散热分析
• 4.6.1 MOSFET的损耗分析
• 4.6.2 开关电源等效热路图的建立与分析
• 4.7 仿真
• 4.8 本章小结
• 第五章 结论
• 参考文献
• 在学研究成果
• 致谢