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基本信息
- 項(xiàng)目名稱(chēng)：
- 油井射孔解堵智能管道機(jī)器人的研究設(shè)計(jì)
- 來(lái)源：
- 第十二屆“挑戰(zhàn)杯”省賽作品
- 小類(lèi)：
- 機(jī)械與控制
- 大類(lèi)：
- 科技發(fā)明制作A類(lèi)
- 簡(jiǎn)介：
- 該作品是利用特種電火花加工技術(shù)與管道機(jī)器人技術(shù)相結(jié)合的方法進(jìn)行油井內(nèi)已堵塞孔的疏通以及制造新縫的工作。該破障機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要由三大模塊構(gòu)成：地面動(dòng)力絞車(chē)模塊、井下微步爬行模塊、電火花破障工具模塊?？刂葡到y(tǒng)主要由以下兩部分組成，硬件有：步進(jìn)電機(jī)和電動(dòng)推桿驅(qū)動(dòng)單元、電容傳感器信號(hào)檢測(cè)模塊電火花、破障工具運(yùn)行控制模塊、單片機(jī)-PC機(jī)串口通訊單元，軟件有：機(jī)器人在線(xiàn)控制軟件和機(jī)器人運(yùn)行單片機(jī)控制程序。
- 詳細(xì)介紹：
- 研制的目的和意義 油井解堵破障機(jī)器人研制的目的是：實(shí)現(xiàn)采用電火花對(duì)孔道進(jìn)行解堵、形成微裂縫，以期達(dá)到提高低滲透油藏、三次采油中有機(jī)膠質(zhì)體堵塞油井的采收率，降低其采油成本的目的；以實(shí)現(xiàn)采用小電源進(jìn)行油井的解堵作業(yè)，從而可以節(jié)省能源、減輕對(duì)套管的損傷、增強(qiáng)電解堵工藝的可靠性、消除對(duì)油層的二次污染；加快油井解堵作業(yè)的自動(dòng)化過(guò)程；促進(jìn)油井解堵的通用技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)。 油井解堵破障機(jī)器人采用宏觀(guān)定位和小幅度微調(diào)相結(jié)合的控制方法，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人在地層深處豎直管道內(nèi)工作，拓寬了管道機(jī)器人的應(yīng)用范圍，一定程度上刺激了管道機(jī)器人的發(fā)展；同時(shí)該設(shè)計(jì)創(chuàng)新性的把電火花技術(shù)運(yùn)用于油田解堵作業(yè)，突破了其在傳統(tǒng)特種加工行業(yè)的運(yùn)用，開(kāi)創(chuàng)了電火花加工技術(shù)向電火花解堵破障技術(shù)發(fā)展的先河。 基本工作原理 首先，利用地面絞車(chē)把機(jī)器人主體下放到幾千米井深。其次，利用檢測(cè)傳感器準(zhǔn)確檢測(cè)到射孔位置，這是能夠順利完成解堵作業(yè)的關(guān)鍵。然后，利用電極送進(jìn)裝置將正負(fù)電極送入射孔中。在送進(jìn)過(guò)程中，兩電極之間保持一個(gè)放電距離。接著，地面信號(hào)發(fā)生裝置產(chǎn)生的高壓脈沖信號(hào)通過(guò)電纜連接到正、負(fù)電極上。當(dāng)開(kāi)始放電作業(yè)時(shí)，在高電壓脈沖信號(hào)的作用下，中間介質(zhì)既油水混合物被擊穿產(chǎn)生放電通道。放電通道是高度電離的氣體，即等離子體。通道一旦形成，脈沖的能量便全作用在通道中和正、負(fù)電極上。放電通道具有很高的溫度（104℃的數(shù)量級(jí)）和很高的壓力（瞬時(shí)壓力可達(dá)數(shù)十乃至上百個(gè)大氣壓）。此高溫高壓環(huán)境作用于地層和油層可以使兩電極之間產(chǎn)生爆炸效應(yīng)，對(duì)地層和油層可以起造縫、降粘、蝕除堵塞物的作用。同時(shí)，連續(xù)脈沖放電產(chǎn)生的連續(xù)沖擊波可以進(jìn)一步作用于地層和油層。電火花解堵造縫新技術(shù)的工作原理圖如圖2-1所示。 圖 2 1 油井射孔炮眼中電火花解堵造縫的原理示意圖 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案及其關(guān)鍵問(wèn)題 該設(shè)計(jì)綜合利用先進(jìn)制造技術(shù)、特種加工技術(shù)、機(jī)電一體化技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)、傳感與檢測(cè)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)等多學(xué)科技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電火花解堵造縫、提高油井采收率的目的。其設(shè)計(jì)方案包括結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案兩個(gè)部分。 通過(guò)對(duì)該作品進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，其機(jī)械結(jié)構(gòu)大致分為以下四大模塊：井下微步爬行機(jī)構(gòu)、射孔檢測(cè)定位模塊、電火花解堵破障工具、地面絞車(chē)系統(tǒng)。其中井下微步爬行機(jī)構(gòu)、射孔檢測(cè)定位模塊、電火花解堵破障工具構(gòu)成了井下機(jī)器人的主體部分。如圖3-1所示為油井解堵破障機(jī)器人三維模型。 ?圖 3 1 油井解堵破障機(jī)器人三維模型圖圖 圖3 2 井下機(jī)器人主體
作品圖片
作品專(zhuān)業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 一、發(fā)明目的 本作品綜合利用先進(jìn)制造技術(shù)、特種電火花加工技術(shù)、機(jī)電一體化技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)、傳感與檢測(cè)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)等多學(xué)科技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電火花解堵造縫、提高油井采收率的目的。 二、基本思路 通過(guò)井上系統(tǒng)把機(jī)器人下放到油井滲透層；通過(guò)微步爬行模塊實(shí)現(xiàn)精確定位并最終檢測(cè)出射孔位置；最后通過(guò)運(yùn)行電火花破障工具模塊把破正負(fù)電極絲送入射孔通道，靠放電時(shí)產(chǎn)生的高溫和瞬時(shí)高壓的爆炸沖擊作用、電磁作用和熱效應(yīng)等對(duì)儲(chǔ)層進(jìn)行造縫、解堵、降粘和驅(qū)油處理，從而提高儲(chǔ)層的滲透率和油井的采收率。 三、創(chuàng)新點(diǎn) (1) 電火花加工技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用于油井解堵中，解決了常用的解堵技術(shù)存在工藝效率低、作用半徑小、分層困難和易對(duì)儲(chǔ)層造成二次污染等問(wèn)題，可達(dá)到高效解堵破障的目的。 (2) 設(shè)計(jì)出了由自適應(yīng)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、步進(jìn)電機(jī)支撐腳和電動(dòng)推桿組成的微步爬行機(jī)構(gòu)，解決常見(jiàn)的管道機(jī)器人難于在豎直管道內(nèi)自由移動(dòng)的弊端，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人動(dòng)定心、適應(yīng)不同管徑、穩(wěn)定支撐和移動(dòng)的功能。 (3) 采用模塊化設(shè)計(jì)和實(shí)時(shí)控制方法，研制出了油井解堵機(jī)器人控制系統(tǒng)及其實(shí)時(shí)控制軟件，較好地實(shí)現(xiàn)了該機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制要求。 四、技術(shù)關(guān)鍵 機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)主要由三大模塊構(gòu)成：地面動(dòng)力絞車(chē)模塊、井下微步爬行模塊、電火花破障工具模塊。 其控制系統(tǒng)主要由硬件部分和軟件部分分組成。 其中微步爬行機(jī)器人技術(shù)、射孔渦流傳感器定位技術(shù)、電火花解堵技術(shù)和智能在線(xiàn)控制技術(shù)構(gòu)成了該機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)。 五、主要技術(shù)指標(biāo) 主要技術(shù)指標(biāo)射孔定位精度和電火花解堵率
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 一、作品的科學(xué)性先進(jìn)性 （1）在原理方面： ①首次將成熟的電火花加工技術(shù)運(yùn)用于油井解堵，解決了現(xiàn)有多數(shù)解堵技術(shù)的工藝效率低、作用半徑小、分成困難、二次污染和應(yīng)用局限性等問(wèn)題，達(dá)到精確快速解堵破障的目的。 ②首次提出使用電渦流傳感器在線(xiàn)檢測(cè)射孔通道位置的新思路，檢測(cè)技術(shù)能夠穩(wěn)定地工作在油井套管內(nèi)，抗干擾性好。 （2）在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面： ①由自適應(yīng)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、步進(jìn)電機(jī)支撐腳和電動(dòng)推桿組成的微步爬行機(jī)構(gòu)解決現(xiàn)有管道機(jī)器人很難在豎直管道內(nèi)自由移動(dòng)的弊端，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人動(dòng)定心、適應(yīng)不同管徑、穩(wěn)定支撐和移動(dòng)的功能。 ②設(shè)計(jì)了適合于小功率升降機(jī)器人應(yīng)用的地面絞車(chē)裝置和排纜裝置。通過(guò)絞車(chē)驅(qū)動(dòng)與機(jī)器人微步爬行相結(jié)合實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離傳輸和精確定位。 ③在運(yùn)動(dòng)過(guò)程控制方面：通過(guò)模塊化設(shè)計(jì)和在線(xiàn)實(shí)時(shí)軟件控制，現(xiàn)場(chǎng)的可操作性強(qiáng)，降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。 ④在工程運(yùn)用方面：該機(jī)器人可以攜帶各種專(zhuān)業(yè)工具在各種惡劣的管道環(huán)境下作用，具有實(shí)際的工程應(yīng)用價(jià)值。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 2010年山東省大學(xué)生機(jī)電產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)競(jìng)賽一等獎(jiǎng)
作品所處階段
- 實(shí)驗(yàn)階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 洽談轉(zhuǎn)讓
作品可展示的形式
- 實(shí)物模型，錄像
使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 一、技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì) （1）該設(shè)計(jì)創(chuàng)新性的把電火花技術(shù)運(yùn)用于油田的解堵作業(yè)，突破了其在傳統(tǒng)特種加工行業(yè)的運(yùn)用，開(kāi)創(chuàng)了電火花加工技術(shù)向電火花解堵破障技術(shù)發(fā)展的先河。 （2）解決了現(xiàn)有多少解堵技術(shù)工藝效率低、作用半徑小、分層困難、二次污染嚴(yán)重和應(yīng)用局限性等問(wèn)題，達(dá)到精確快速解堵破障的目的。 二、適用范圍 （1）各大油田的低滲堵塞油井的解堵作用。 （2）模塊化設(shè)計(jì)使機(jī)器人可以攜帶其他作用工具完成各種輔助的修井工作。 （3）可以攜帶各種專(zhuān)業(yè)工具在各種惡劣的管道環(huán)境下工作。 三、市場(chǎng)分析和經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè) 低滲及堵塞油井在當(dāng)今石油開(kāi)采中所占的比例越來(lái)越大，其開(kāi)采難度也越來(lái)越大，由于油井解堵破障機(jī)器人具有廣泛的適應(yīng)性和優(yōu)越性，單口油井平均滲透率較作業(yè)前可以提高300%以上；較其他解堵方法，其作業(yè)效果可以提高60%左右；其作業(yè)成本較現(xiàn)有技術(shù)作業(yè)成本降低28%左右。 綜合以上優(yōu)勢(shì)，油井解堵破障機(jī)器人可以為全國(guó)各大油田帶來(lái)數(shù)十億元的經(jīng)濟(jì)效益，具有十分可觀(guān)的應(yīng)用前景。
同類(lèi)課題研究水平概述
- 在石油開(kāi)發(fā)的過(guò)程中，由于鉆井、完井、壓裂和注水等原因引起的機(jī)械雜質(zhì)對(duì)油層的污染、地層流體中細(xì)菌的滋生、地層本身的結(jié)垢和結(jié)蠟等，往往使油井堵塞日益嚴(yán)重，油層滲透率降低，油井產(chǎn)量下降，特別對(duì)低滲透或超低滲透油層而言，產(chǎn)量下降更為嚴(yán)重，甚至?xí)斐捎途．a(chǎn)。因此油田采用各種解堵技術(shù)提高堵塞井和低滲油井的采收率。目前解堵技術(shù)有以下兩大類(lèi)： 1、化學(xué)解堵 化學(xué)解堵方法是目前油田常用的一種解堵方法，該方法是主要指通過(guò)化學(xué)劑與堵塞物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，溶解無(wú)機(jī)堵塞物來(lái)解除無(wú)機(jī)物對(duì)油層孔道的堵塞；通過(guò)化學(xué)劑降解有機(jī)堵塞物來(lái)解堵；或者通過(guò)化學(xué)劑混合發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，放出大量熱和氣體來(lái)稀釋稠油，分解瀝青等膠質(zhì)，降低原油粘度，易于油井的后期開(kāi)采。長(zhǎng)期以來(lái)，油田一直采用壓裂、酸化、擠液等常規(guī)增產(chǎn)工藝，這些工藝比較成熟，均具有改善油層孔滲條件達(dá)到解堵的目的，但是這三種工藝也有自身的局限性。 (1) 高壓水射流解堵技術(shù) 高壓水射流解堵技術(shù)采用高壓旋轉(zhuǎn)射流解堵工具產(chǎn)生的多股旋轉(zhuǎn)射流不斷沖擊炮眼并作用于地層，使地層堵塞物松動(dòng)脫落，隨液體排出，同時(shí)使巖石裂縫延伸擴(kuò)大并產(chǎn)生新的微裂縫網(wǎng)，并改善原油流動(dòng)性能，提高原油采出程度，從而達(dá)到解堵、增產(chǎn)增注的目的，其解堵套管周?chē)淖钸h(yuǎn)距離為600mm。 (2) 水力振動(dòng)解堵技術(shù) 水力振動(dòng)解堵技術(shù)采用低頻水力振動(dòng)器產(chǎn)生的低頻高振幅的大功率聲波，來(lái)進(jìn)行防蠟降粘、防垢和解堵。該解堵技術(shù)對(duì)解除油水井近井地帶的后期堵塞效果好，對(duì)低滲透率地層有效期較短，處理油層半徑小。 (3) 超聲波解堵技術(shù) 超聲波解堵是利用高能超聲波對(duì)近井地層進(jìn)行局部處理，消除井底地帶的機(jī)械雜質(zhì)，造成地層裂縫，提高油層滲透率，并使流體劇烈攪動(dòng)、介質(zhì)發(fā)熱，降低原油粘度，解除石蠟、瀝青膠質(zhì)等堵塞[。 。英格蘭的J. Gholinezhad研究的磨削解堵技術(shù)采用磨削機(jī)來(lái)解除管道堵塞。該技術(shù)解堵效果明顯，但在不規(guī)則的堵塞表面易停轉(zhuǎn)，磨削鉆頭易粘在堵塞物表面，且對(duì)套管有一定的損壞。2006年，澳大利亞的D. B. Haughton和P. Connell聯(lián)合開(kāi)發(fā)了一種垂直環(huán)向清理系統(tǒng)，利用前面專(zhuān)門(mén)的鉆頭來(lái)磨削管壁上的堵塞物，同時(shí)清理殘?jiān)?，利用分流管道將殘?jiān)磁胖辆蠌亩鴱氐淄瓿闪司驳慕舛隆⑶謇碜鳂I(yè)。
