（机械工程专业论文）油井解堵作业机器人结构设计及运动控制研究.pdf

摘要油层仿生电脉冲造缝解堵技术是本课题组开发出的一种新的油井解堵方法。该方法是利用智能解堵作业机器人将正负电极送入射孔通道中进行火花放电以实现对地层的造缝和解堵。该方法可以解决物理解堵和化学解堵分层困难且易造成二次污染的难题，能够有效地提高油井采收率。由于机器人的工作方式不同于传统的解堵方法，开展油井解堵作业机器人的研究工作具有重要的理论意义和工程应用价值。采用理论分析与实验研究相结合的方法，开展了油井解堵作业机器人结构设计及其控制方面的研究工作。在总体结构设计、变形分析以及运动控制等方面取得了一些创新性的研究成果。对自适应导向机构、井壁支撑机构、蠕动行走机构、射孔检测机构以及电极送进机构进行了设计，利用p r o e 软件得到了油井解堵作业机器人的三维模型，完成了样机模型的制造与装配。建立了油井解堵作业机器人的温度场模型，对整体结构进行了三维数值模拟，给出了不同温度条件下整体结构的变形和应力分布情况。对整体机构进行了模态分析，得到了整体结构前1 0 阶的固有频率和振型。对支撑结构进行了受力分析，得到了作用力与结构的关系式。建立了支撑机构的仿真模型，得到不同支撑距离时构件的变形及应力分布情况。对导向杆和连接杆进行了静力分析，得到不同受力条件下导向杆和连接杆的变形和应力分布曲线。此外，还研究了温度变化对支撑机构、导向杆和连接杆变形和应力的影响。研究了解堵作业机器人的下井作业过程，提出了利用单片机进行运动控制的方法。对稳压电源模块、单片机时钟模块、射孔检测电路、步进电机控制以及圆管电磁推杆的控制进行了设计，得到了总体的控制方案。关键词：电火花放电，管道机器人，运动控制，解堵r e s e a r c ho ns t r u c t u r ed e s i g na n dm o t i o nc o n t r o lo fp l u gr e m o v a lr o b o tf o r o i lw e l l sx uy u l o n g ( m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g )d i r e c t e db yp r o f l i uy o n g h o n ga b s t r a c tp l u gr e m o v a lw i t he l e c t r i c a lp u l s ef o ro i lw e l l si san e wm e t h o dd e v e l o p e db yu st os o l v et h ep r o b l e mo fw e l lp l u g g i n g a ni n t e l l i g e n tr o b o ti sd e s i g n e dt ot a k ep o s i t i v ea n dn e g a t i v ee l e c t r o d e si n t ot h ep e r f o r a t i o n sa n dc o n d u c td i s c h a r g eo p e r a t i o no np l u gf o r m a t i o n t h i sm e t h o dc a ns o l v et h ep r o b l e m so fs l i c i n gd i f f i c u l t ya n ds e c o n d a r yp o l l u t i o ne a s i l ya n di m p r o v eo i lr e c o v e r yf a c t o re f f e c t i v e l y f o rt h er e a s o nt h a tw o r k i n gm o d eo ft h er o b o ti sd i f f e r e n tf r o mt r a d i t i o n a lm e t h o d s ，r e s e a r c ho nt h ep l u gr e m o v a lr o b o tf o ro i lw e l l sh a si m p o r t a n tt h e o r e t i c a la n de n g i n e e r i n gv a l u e s a p p r o a c hc o m b i n e dw i t ht h e o r e t i c a la n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a ls t u d yi sa d o p t e do nt h er e s e a r c ho fs t r u c t u r ed e s i g na n dm o t i o nc o n t r 0 1 o nt h ea s p e c to fo v e r a l ls t r u c t u r a ld e s i g n ，d e f o r m a t i o na n a l y s i sa n dp r o c e s sc o n t r o lm o v e m e n t ，an u m b e ro fi n n o v a t i v er e s e a r c hr e s u l t sh a v eb e e nm a d e s e l f - a d a p t i v eg u i d i n gm e c h a n i s m ，s u p p o r t i n gm e c h a n i s mo ns i d e w a l l ，c r e e pw a l k i n gm e c h a n i s m ，d e t e c t i o nm e c h a n i s mf o rp e r f o r a t i o na n df e e d - i nm e c h a n i s mo fe l e c t r o d e sa r ed e s i g n e d t h r e e d i m e n s i o n a lm o d e lo ft h ep l u gr e m o v a lr o b o ti so b t a i n e db yp r o ea n de x p e r i m e n t a lp r o t o t y p ei sm a n u f a c t u r e da n dm a d eu p t e m p e r a t u r ef i e l do ft h ep l u gr e m o v a lr o b o ti sa n a l y z e da n dt e m p e r a t u r ev a r i a t i o n sa r es i m u l a t e d d e f o r m a t i o na n ds t r e s sd i s t r i b u t i o no ft h eo v e r a l ls t r u c t u r ea r eg i v e nu n d e rd i f f e r e n tt e m p e r a t u r ec o n d i t i o n s m o d a la n a l y s i si sa l s oc a r r i e do u ta n dt o p10b a n d so fn a t u r a lf r e q u e n c ya n dm o d es h a p ea l eo b t a i n e d m e c h a n i c a la n a l y s i so ft h es u p p o r t i n gs t r u c t u r ei sa n a l y s e da n dr e l a t i o n a le x p r e s s i o nb e t w e e ns i d e w a l lf o r c ea n ds t r u c t u r ei sg i v e n s i m u l a t i o nm o d e lo ft h es u p p o r t i n gs t r u c t u r ei se s t a b l i s h e da n dd e f o r m a t i o na n ds t r e s sd i s t r i b u t i o no fc o m p o n e n t su n d e rd i f f e r e n ts u p p o r t i n gd i s t a n c ea r ea n a l y z e d s t a t i ca n a l y s i si sa l s oc a r r i e do u tf o rg u i d i n gr o da n dc o n n e c t i n gr o da n dd e f o r m m i o na n ds t r e s sd i s t r i b u t i o nc u r v e sa r eo b t a i n e du n d e rd i f f e r e n tl o a d s i na d d i t i o n ,a f f e c to ft e m p e r a t u r ev a r i a t i o n so nd e f o r m m i o na n ds t r e s sd i s t r i b u t i o no ft h e mi sa l s os t u d i e d w o r k i n gp r o c e s so fp l u gr e m o v a lr o b o ti sr e s e a r c h e da n dm o t i o nc o n t r o ls y s t e mu s i n gm i c r o p r o c e s s o ri sp r o p o s e d r e g u l a t e dp o w e rs u p p l y , c l o c ko fm i c r o p r o c e s s o r , c i r c u i to fd e t e c t i n gp e r f o r a t i o n ，c o n t r o lo fs t e p p i n gm o t o ra n dp i p ee l e c t r o m a g n e ta r ed e s i g n e da n dc o n t r o ls c h e m eo fo v e r a l ls t r u c t u r ei se s t a b l i s h e d k e yw o r d s ：e l e c t r i cs p a r kd i s c h a r g e ，p i p er o b o t ，m o t i o nc o n t r o l ，p l u gr e m o v a l关于学位论文的独创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外，本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。学位论文作者签名：念型区日期：2 ol om 占月j 日学位论文使用授权书本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。保密学位论文在解密后的使用授权同上。学位论文作者签名：硷玉龙指导教师签名：乏! l 孟盘日期：2 0 l o 年6 月j 日旱期如幻年6 月f 日中国石油大学( 华东) 硕士学位论文1 1 课题研究的来源和意义第1 章绪论1 1 1 课题来源课题来源于国家自然科学基金“油层仿生电脉冲造缝解堵技术基础及应用研究。1 1 2 课题研究的意义在油田开发过程中，钻井、完井、压裂、酸化等过程造成的油层污染、细菌滋生、地层结垢和结蜡以及环境改变引起的泥质、沉积物、乳化液、石蜡、沥青质等凝结积累，往往使油层渗透率降低，油井产量下降，特别对低渗透或超低渗透油层而言，产量下降更为严重，甚至会造成油井停产【m 】。因此，油井解堵技术成为了当前保护油气层，提高油田采收率的重要手段【引。国内外研究人员广泛致力于油井解堵技术的研究，提出了多种新的解堵方法，大大提高了油井的采收率。不同的解堵方法有其自身的特点和适用范围，因此在进行解堵作业时，既要考虑井自身特点和堵塞的原因，还要考虑解堵的成本、施工难易程度、有效期长短以及旌工时间等因素【4 j 。国内外大量使用的解堵技术主要分为两大类，一种是物理法解堵，一种是化学法解堵 5 - 1 0 。物理法具有以下优点：( 1 ) 物理力直接作用于油层，不会对地层造成二次污染；( 2 ) 改造半径大，解堵有效期长；( 3 ) 施工操作简单，易于管理。物理法的缺点是不易清除有机质产生的堵塞，而化学法则能够解除近井地带有机质造成的堵塞。化学法是将化学溶液挤压入地层，因此容易造成地层污染，而且排酸和分层处理比较困难1 1 1 】。研究人员开发的物理解堵方法主要有：高压水射流解堵技术、水力振动法解堵技术、高压电脉冲解堵技术和超声波解堵技术旧1 9 1 等。此外，国内外学者还结合物理法和化学法的优点开发了多种物理一化学复合解堵技术【2 0 - 2 2 1 。物理一化学法可以充分利用两者协同效应，其适用面广、可操作性强，缺点是不适用于所有的地质环境。目前，生物酶制剂也已成功地用于油井解堵 2 3 - 2 5 】。生物酶解堵具有工艺简单、投资少、无污染等特点，但在高温和高重金属离子条件下生物酶易遭到破坏，该方法的应用也受到一定的限制。针对以上解堵技术存在的诸多问题，本课题提出了利用电火花放电进行解堵作业的新方法。该方法是利用智能解堵作业机器人将正负电极送入射孔通道进行放电作业实现对地层的造缝和解堵。正负电极在电脉冲作用下将液体介质击穿产生火花放电，放电时第l 章绪论产生的瞬时高温和高压对堵塞区域进行爆炸冲击作用、空化作用、电磁作用和热效应等实现对储层的解堵、除垢和降粘。该方法可以解决物理解堵和化学方法分层困难且容易造成二次污染的难题，能够有效地提高油井采收率。1 2 国内外研究现状1 2 1 解堵技术研究现状1 2 1 1 化学解堵油层堵塞的基本堵塞物为有机垢、无机垢和微生物细菌口6 2 7 1 。化学解堵方法就是通过化学剂与堵塞物发生化学反应来消除堵塞物。目前常用的酸化药剂主要有四种：有机酸、无机酸、复合酸、低碳混合有机酸【2 8 】。有机酸适合有机质造成的地层堵塞。无机酸主要是从除垢和防垢的角度解除无机物造成的堵塞。复合酸可以同时解除有机和无机物造成的堵塞，但是不能解决乳状液堵塞造成的液锁、水锁伤害等问题。低碳混合有机酸可以解决在各种作业环节产生的液锁、水锁伤害以及有机沉淀等问题。近年来研究开发的新型生物酶稠油解堵剂主要是针对微生物细菌造成的堵塞【2 9 。3 0 i 。贾江鸿等成功研制了应用于纯梁油田的解堵剂c d j 1 t 3 1 1 。该解堵剂既能够解除无机物和蜡质、沥青质等有机物造成的堵塞，还能有效地解除各类聚合物以及微生物、细菌等造成的油井堵塞。此外，该解堵剂具有的低伤害和深穿透特性特点能够有效地避免对油层的二次污染。c d j 1 的解堵效果优于土酸和缓速酸等酸化增产措施。此外，贾江鸿等还研制了专门用于解决水锁伤害的系列解堵剂c j s t 3 2 1 。针对注聚井发生堵塞和注入压力增加等问题，国内外学者开展了大量的研究工作。田乃林等【3 3 】针对大庆油田注聚合物驱油的实际情况研制了一种有效的解堵剂。用人造岩心进行实验测定，解堵效果明显。郑延成等刚采用正交实验法得到了一种破胶解堵剂的优化配方，对凝胶的降解效果好。针对注聚区油水井堵塞的实际状况，周卫强等【3 5 】进行了新型高效j h w 解堵配方体系的研制及现场应用，取得了较好的解堵效果。i l l s 聚合物解堵剂3 q 也属于此类强氧化剂型解堵剂。李君等【3 7 】研制了j y - 1 新型二氧化氯解堵剂。利用模拟驱油装置对其解堵性能进行了全面评价，实验结果表明该解堵剂对注聚井聚合物胶团的溶解能力非常强。1 。2 1 2 物理解堵物理解堵方法是利用各种物理力如水压、电脉冲、超声波等使堵塞的孔道打开或者2中国石油大学( 华东) 硕士学位论文在近井地带形成和加深地层裂缝来提高油井的渗透率3 8 1 。目前已经形成一定应用规模的物理法解堵技术有：高能气体压裂技术、低频电脉冲解堵技术、超声波解堵技术、电磁波和微波加热技术、水力振荡和高压水射流解堵技术等 1 2 - 1 9 , 3 9 - 4 0 。此处，对几种常用物理解堵方法的基本原理进行简要介绍。( 1 ) 高压水射流解堵技术高压水旋转射流解堵技术是利用可控转速的自振解堵装置使高压水射流绕轴向做3 6 0 。旋转，高压水射流对堵塞炮眼冲洗进行解堵。该技术解除中高渗地层因后期因素造成的堵塞效果较好而对低渗地层的改造效果较差。即使初期有效，但有效期也较短。若要进一步提高效果，与其他化学方法复合是较好的途径。( 2 ) 低频振动解堵技术低频振荡解堵技术采用低频振动发生器产生低频振动波作用于油层而达到解堵目的。振动波破坏堵塞物与储层岩石的结合，使堵塞区域发生松动。在交变压差作用下，液流流动将堵塞物带出从而疏通液流通道。此外，冲击波还可以产生微裂缝或者扩大原有裂缝，从而提高渗透率。该工艺技术对于中、高渗透井效果好，对于低渗透、深部堵塞井效果相对较差。( 3 ) 高压电脉冲解堵技术高压电脉冲解堵技术通过在井下进行高压放电产生定向的压力脉冲作用在地层上，选择性地处理薄层或注水波及差的油层，从而达到增产增注的目的。该技术能够改造原有裂缝和产生新裂缝，但影响处理效果的主要因素是低频电脉冲发生器的性能和功率。( 4 ) 超声波解堵技术超声波解堵技术是利用超声波发射机产生的高能超声波对近井地带进行局部处理，使油层中流体的物性及流态发生变化，解除油层堵塞，防止污垢沉积，改善井底流通条件及渗透性，从而最终提高采收率。1 2 1 3 物理一化学解堵单纯的物理或者化学方法都不能很好的解决地层堵塞问题。因此，不少学者开始研究将物理和化学方法解堵相结合，充分利用这两种解堵方法的优点来共同作用地层，从而提高解堵的效率，增加油井产量。王江宽【4 1 1 等在水力冲击压裂的基础上，结合化学解堵进行地层造缝使油层导流能力增加，从而达到增产增注的目的。该方法在锦州采油厂区块进行了解堵实验，增产效果3第1 章绪论明显。张立等【4 2 l 对多脉冲高能气体压裂一二氧化氯复合解堵技术进行了研究。该技术和水力冲击压裂一化学复合解堵技术原理相似是利用高能气体压裂进行造缝，然后用二氧化氯解堵剂进一步解除地层的堵塞，以达到增强油气层导流能力。此外，还有高压水射流与化学剂复合解堵工艺【1 2 1 、振荡一酸化深部复合解堵技术【4 3 嘲】、热化学复合酸化解堵技术【4 5 1 、压力脉冲复合化学解堵技术m 】以及水气脉冲波复合化学解堵技术1 2 2 | 。1 2 2 管道机器人研究现状在石油、天然气和化工领域存在着大量的管道，其质量检测、故障诊断和维修不允许人的直接进入，这在一定程度上刺激了管道机器入的发展，而计算机技术、检测技术、传感器技术和控制理论的发展也在推动着管道机器人技术的不断进步。国内外学者对管道机器人进行了卓有成效的研究和探索，取得了大量的成果h 7 5 0 】。管道机器人研究方面，日本、美国、德国、英国和法国等走在了世界的前列，进行了大量的理论研究和工程实践。尤其是日本，研制出多种行走机构。典型的管道机器人结构有：德国西门子公司的可在各类管内移动的仿蜘蛛爬管机器人、法国h y t e s 公司的可在最小2 0 m m 管道内检测的核工业管道机器人、比利时布鲁塞尔自由大学的适用于四种管道的螺旋推进式管道机器人、东京工业大学的螺旋轮式和仿蚯蚓蠕动机器人、东芝公司的轮式管内检测机器人、日本关西电力株式会社的海水管道检测履带机器人、日本日立公司的蠕动式管内机器人等。目前，国内的管道机器人研究大部分还处于实验研究阶段且大多集中在高校，管道机器人研究有代表性的单位主要有清华大学、哈尔滨工业大学、上海交通大学、上海大学、天津大学和国防科技大学等。靖华大学研制的机器人有：电致伸缩、管道清淤和小型长距离管道检测机器人。上海大学研制了适用于0 1 0 m m 管道的叠层压电机器人和适用于西3 8 m m 管道的管内自动探测系统。哈尔滨工业大学研制了7 5 m 6 6 0 m m 管径范围的四类八种管内机器人。此外，国内研制的机器入还有天津大学的履带式移动机器人样机模型和太原理工大学研制成功的管内脚式机器人。在石油管道检测中，管道检测机器人被称为“管道猪”。国外研制成功的管道猪如日本东京株式会社的简单型管道猪和巴西c l i d a d e 大学的检测管道猪等。国内管道猪的研制有胜利油田钻井院与其他单位合作成功的海底管道检测机器人样机的研制与试验台搭建以及沈阳工业大学研发的管道漏磁在线检测系统等。4中国t 油大学( 华东) i 学位论文管道机器人依据行走方式可分为轮式行走管道机器人、履带式行走管道机器人、仿生蠕动式管道机器人、惯性冲击管道机器人等分别适应不同的管道和工作需求 5 1 - 5 8 1 。( 1 ) 轮式管道作业机器人轮式管道作业机器人必须具有紧凑的结构和较大的负载能力才能满足管道内行走的基本条件。由于轮式行走机器人具有结构简单、行走速度快、可靠性高等诸多优点，实际的管道机器人大多为轮式。但是，轮式管道机器人的缺点就足对弯管和岔口的通过性能差。轮式机器人一般在驱动装置作用下轮子压紧在管壁上从而实现自动定心。同时，该结构还可以利用对称性抵消不平衡力偶的影响。轮式机器人有二种基本的行走方式即直进轮式管内移动机器人和螺旋轮式管内移动机器人【5 9 。6 2 1 。螺旋轮式管内移动机器人是在直进式管道机器人的基础上将摩擦轮倾斜一定角度安装并在外力作用下沿管壁做螺旋运动。图1 i 为颜国j 下等发明的一种可以适应不同管径的轮式检刹0 机器人。图1 - 1 轮式管道内检测机器人【叫f i g1 - 1i n - p i p ei n s p e c t i n ar o b o t( 2 ) 履带式管道机器人履带式管道机器人史撑面积大、不易打滑，而且履带支撑面上有履齿，因此具有良好的自复位和越障能力。履带式管道机器人在直管内等速运行时，当两侧的履带其控制速度不完全致以及出现其他未知问题时，机器人可能会出现跑偏的现象。这就要求履带式机器人能够对姿态进行实时调整。移动机构一般为双履带移动结构，此外还衍生出其它结构如变位履带移动机构和履带变形式移动机构。由于其结构体积和重量大而且转弯困难，因此实际应用中大多用于直管和大曲率半径弯管内i 酬。翦l 章镕论图1 - 2 履带式管道检测机器人m 5 if i 9 1 - 2t r a c k e dp i p e i n s p e c t i o nr o b o t( 3 ) 蠕动式管道机器人蠕动式管道机器人是基于仿生学原理而研制的一种机器人，其运动是依靠关节的伸缩移动实现的。蠕动式管道机器人其驱动方式有气动、电磁、形状记忆合金、电以及压电驱动。蠕动式机器人的支挣脚支撑时和管壁压紧，不支撑时与管壁脱离，解决了轮式和履带式必须始终压在管壁上的问题。蠕动式管道机器人对于弯管的适应性能比轮式和履带式机器人要好的多。图1 - 3 是一种用于半寸管道检测的蠕动式机器人。图1 - 3 蠕动式微型管道检测机器人i “if i g i - 3i n c h w o r m - l i k e m i c r or o b o t f o r p i p e i n s p e c t i o n1 3 油田解堵作业机器人的基本工作原理针对油田解堵作业方法中存在的诸多问题，本项目提出了利用电火花放电进行解堵作业的新方法。井下油水混合物的环境，可以满足电极之唰应充入介质的放电条件，这盟【瑚_ |掣啪血m 越刚螂山的叫”，山 _ m 山邺。l 山中国石油大学( 华东) 硕士学位论文样就满足了井下放电的基本要求。其工作原理如下：首先，利用检测传感器准确检测到射孔位置，这是能够j l i 页n 完成解堵作业的第一步。然后，电极送进装置将正负电极送入射孔中并在送进过程中两电极之间保持一个放电距离。接着，地面脉冲电源产生高压脉冲信号通过电缆连接到正、负电极上。在高压电脉冲的作用下，两电极之问的油水混合物被击穿产生放电通道。放电通道是高度电离的气体，即等离子体。放电通道一旦形成，脉冲的能量便全作用在射孔通道和正、负电极上。放电通道具有很高的温度( 1 0 4 的数量级) 和很高的压力( 瞬时压力可达数十乃至上百个大气压) 。此高温高压环境可以使两电极之间产生爆炸效应，对油层起到造缝、降粘、造缝的作用。连续脉冲放电产生的连续冲击波可以进一步作用于油层【6 7 1 。1 4 论文研究的主要内容针对油田现有物理解堵技术、化学解堵技术、物理化学复合解堵技术以及生物解堵技术存在的诸多问题，结合管道机器人技术与电火花加工技术的研究成果，论文将研制用于井下解堵作业的智能机器人，设计出可以在井下进行行走、检测和放电作业的机器人结构，加快该成果的工程化应用，促进机器人技术和电火花力n - r ：技术的发展。论文主要在以下几个方面开展研究工作：( 1 ) 根据井下电火花放电解堵作业机器人的工作原理进行井壁支撑机构、蠕动行走机构、旋转检测机构以及电极送进机构的设计。( 2 ) 考虑井下电火花放电解堵作业机器人所处的高温环境，对整体结构进行温度场和应力场分析。为避免控制过程中结构的共振，还应对整体结构进行模态分析，得到结构的固有频率。( 3 ) 为保证组成电火花放电解堵作业机器人的安全性，对主要受力构件进行耦合场的强度校核。( 4 ) 给出电火花放电解堵作业机器人下井工艺方案，利用单片机完成对整个解堵过程的控制。对控制中的电源模块、时钟信号模块、步进电机控制单元、射孔检测模块、电磁推杆控制单元以及串口通讯进行设计。7第2 章油井解堵作业机器人结构设计第2 章油井解堵作业机器人结构设计论文所研究的套管解堵作业机器人需要在套管内稳定的支撑和行走，并且具有良好的自适应能力。因此，需要设计合理的结构形式来满足运动和自适应的需要。本章研究的套管解堵机器人机械结构所要解决的关键问题有：整体结构在套管内的平稳移动、射孔位簧的准确检测以及电极的央紧送给。2 l 总体结构的设计套管解堵机器人整体三维模型如图2 - 1 所示，总体结构设计由上下两组导向轮、电动推杆、上下支撑结构、旋转检测机构、涡流检测传感器和送丝机构组成。圈2 - t 解堵机器人总体结构图f i g2 - 1o v e r a l l $ f f u c t u 腭d i a g r a mo f p l u g 几m o v a lr o b o t| | l，1 j鳖中国石油 学( 华东) 坝十学位论文其工作过程如下：整体结构依靠缆绳在井口下放，导向轮依靠弹簧压紧在套管壁上。导向轮由上下两副组成，保证整体结构始终处于管壁的中心位置。下放至指定位置后，由上位机发出控制信号驱动解堵机器人开始进行解堵作业。首先，控制单元发出通电信号给h 圆管电磁推轩相应的控制端口，圆管电磁推杆电路接通而吸台，此时上支撑结构支撑在套管壁上。接着，电动推杆正向通电一段时间下电磁推杆同时支撑在管壁上。电机带动下部射孔检测机构进行射孔的检测，射孔检测使用涡流传感器。射孔检测时需要下端无限制连续旋转，导线需连接到旋转部件上去，需要在下部安装1 个可以解决导线缠绕问题的导电滑环。旦检测到射孔m 送丝机构动作就可以进行电极丝的送进。22 自适应导向结构的设计自适应导向轮由上下压紧盘、四组导向轮以及压缩弹簧组成。如图2 2 所示。止动销轴导向杆圈2 - 2 导向轮结构图f 堙2 - 2s t r u c t u r ed i a g r a mo f g u i d i n g w h e e l s导向轮由四组空间成9 0 。分布的滑轮组成。导向结构为可白适应的膨胀结构。当机器人下入油井套管时，在压缩弹簧的作用下导向轮紧贴套管壁。其作用是防止机器人整体与套管壁碰撞，保持机器人在套管中心的运行姿奋。上部弹簧起主要的压紧作用下部弹簧对压紧起相反作用，只是为了防止套管严重变形时，由于上部弹簧作用上安装盘下移过多而失去导向作用。第2 章油井解堵件女机# 掏世*2 3 支撑结构的设计支撑机构由四组在空间成9 0 。分布的支撑腿组成。上支撑圆盘和圆管电磁推杆用螺钉固定在一起，位置固定不可调节；下支撑圆盘和圆管电磁推杆中心连接杆用螺母固定在一起，属可动盘。通过调节螺母可以对适应的管径进行大范围调节。中心连接杆随电磁推杆的得电和失电可上下移动使支撵腿支撑在管内壁上，保证整体机构的稳定。支撑机构i 维图如图2 - 3 所示。圈2 - 3 支撑结构设计f i g2 - 3d e s i g no f s u p p o r t i n g m e c h a n i s m支撑腿主要实现以下几个功能：( 1 ) 支撑腿支撑在管壁上和导向轮一起克服旋转检测机构叶 的电机旋转时产生的反扭矩。( 2 ) rf 两个支撑腿配合使用，实现整体机构在套管内的蠕动式行走。( 3 ) 可以根据电磁推杆吸合距离的不刷适应不同管径的需要。支撑机构应有较大的支撑力保证管壁对其的摩擦能够使整体机构长时间停靠在套管内任意位置a 需要支撑腿并对其进行受力分析保证对管壁产生足够的作用力以及产生的变形和应力满足工作要求。圆管电磁推杆的力学性能如图2 - 4 所示。中国石油大学( 华东) 硕士学位论文耍2 5登2 0151o5pi4 1 0 w 1 0 帅3 5 j1 6 4 w 2 5 o 婀n3 0 i 蜘i 曩18 2 w 5 。嘶( 。n v n 2 7 k g l )14 1 w1 0 0 ( o r r , n2 0 k 曲伶、劫、。、 、，f- v -苏i 缸j 。、7黑： ( 3 - 1 0 )两叼2 川南( 罢) = 斟p 巧叼l 瓦j21 瓦，u 吖u百c a t = t 杠) ，p ) = 悟鲁鲁) 2仔2 ，为= 州罔o nr 圈脚倒r 胂小榴7 圈p 弘y+ 删r 州 一矗飓中国石油大学( 华东) 硕上学位论文：k ：。，p + k 。，p + 陋。，”一融8 ，)区。，】= p n p p p y 为单元热传导矩阵矿i m【d 】：lal渊=酬i8 n 2a np苏叙苏a n lo n 28 np曲谚8 n io n 2a np钯a z恕( 3 - 1 3 )( 3 - 1 4 )( 3 - 1 5 )陋8 ) 】- 胁 】7 【k 为单元热交换矩阵( 3 1 6 )岛k p 】= 儿陋【，【p y 为单元热容矩阵( 3 - 1 7 )矿j 9 8 ) = j l j 弛【f 如为表面热交换热载荷向量( 3 - 1 8 )岛组合每个单元的特性矩阵和特性列阵得：【c ( 丁) 】 丁) + 【k ( 丁) 】 丁 = 【q ( 丁) 】( 3 1 9 )式中，【c 】、仃 、阍、 r 、【q 】分别代表总的热容矩阵、温度对时间的导数、总的传导矩阵、节点温度向量和总的热流率矩阵。3 2 4 热应力分析的有限元法由于结构各部分温升不均匀，使各节点产生热位移，对应的热刚度方程为【7 l 】： k 8 弦。 = 陌) ( 3 - 2 0 )其中，k 8 j 为单元节点刚度矩阵p 。) 为单元节点位移列向量慨 为单元节点热载荷向量通过式( 3 2 1 ) 可得到节点的热位移。每个节点的位移最终解出整体的热位移。根据广义虎克定律，应力可表示为：2 l第3 章油井解堵作业机器人整体结构有限元分析p ) = 【d 】( p ) 一p o ) ) + o r o( 3 2 1 )其中，陋】为弹性矩阵占为热应变知为初始应变盯。为初始应力3 3 整体结构有限元模型的建立3 3 1 基本假设( 1 ) 材料组织成分均匀，各向同性。( 2 ) 下井过程中温度均匀变化。( 3 ) 仅考虑热传导和对流，不考虑辐射的影响。3 3 2 单元类型选择采用直接法进行温度一应力分析主要采用耦合单元。三维热应力电耦合场单元有s o l i d 5 和s o l i d 9 8 两种。s o li d9 8 单元是一种1 0 节点的四面体单元，非常适合不规则形状的网格划分。在本模型中，我们主要采用s o l i d 9 8 单元【7 2 】。图3 1 给出s o l i d 9 8 单元的示意图以及节点位置。iy，l ，z f图3 - 1s o l i d 9 8 单元结构图l f i g3 - 1g e o m e t r yd i a g r a m eo fs o l i d 9 83 3 3 载荷类型( 1 ) 位移约束。上下两个导向轮保证解堵作业机器人在下方过程中不会发生偏斜，因此对上下两个导向轮中心杆柱添加位移约束。( 2 ) 考虑自重对结构产生的影响。重力通过设定材料密度和添加重力加速度实现。中国石油人学( 华东) 硕士学位论文( 3 ) 温度变化。将各温度假定为稳态温度，即整体结构的最终温度。( 4 ) 对流换热系数。考虑到井下温度变化，钻井液和解堵作业机器人直接存在着对流换热现象，对流方式为自然对流换热。因此，假定对流换热系数为2 0 。3 3 4 材料属性材料1 选用4 5 钢，密度7 8 9 0 k g m 3 ，泊松比为0 3 。材料的物性参数如表3 1 所示。表3 - 1 钢的热物性参数1 7 3 - 7 s lt a b l e3 - 1t h e r m a lp a r a m e t e r so fs t e e l淤导热系数比热容线膨胀系数弹性模量温度( ) 2 04 7 6 84 7 21 2 3 e 52 0 6 e 1 11 0 04 3 5 34 8 01 2 7 e 51 9 2 e 1 l2 0 04 0 4 44 9 81 3 4 e 51 7 5 e 1 1材料2 选用铜，泊松比为0 3 。材料的物性参数如表3 2 所示。表3 - 2 铜的热物性参数1 7 3 - 7 5 it a b l e3 - 2t h e r m a lp a r a m e t e r so fe o p p e r一导热系数比热容线膨胀系数弹性模量温度( ) 2 03 9 5 0 83 8 0 5 81 6 8 e 51 0 3 e 1 11 0 03 9 1 5 9 43 9 8 5 81 7 7 e 5o 9 9 e 1 13 0 03 7 3 0 0 24 2 2 0 31 8 3 e 一50 9 e 1 l不。材料3 选用铝合金，弹性模量7 1 7 e 1 0 ，泊松比为o 3 。材料的物性参数如表3 3 所表3 - 3 铝合金的热物性参数1 7 3 - 7 5 it a b l e3 - 3t h e r m a lp a r a m e t e r so fa l u m i n i u ma l l o y淤密度导热系数比热容线膨胀系数温度( ) 2 02 6 9 62 0 5 6 7 48 7 9 2 2 82 3 8 e 51 0 02 6 9 02 0 4 5 1 29 4 2 0 32 6 5 e 53 0 02 6 5 02 3 0 0 7 6l0 3 8 3 2 62 9 5 e 5苹3 章，f m 镕作n m # 整体结构h 儿 析3 4 耦合场结果分析三维有限元模型采用智能网格划分和手动划分相结台的方式，在满足训算精度的前提下，尽量减少节点和单元的数目，加快计算速度。3 41 常温下整体结构的温度分布情况首先，我们得到常温下整体结构的温度和变形情况。采用稳态分析，载荷子步为1 0 ，得到结构整体的温度为2 0 。c ，即常温时的温度。温度分布如图3 2 所示。图3 - 2 常温下整体结构温度分布圈f i 9 3 - 2t e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o no f t h e o v e r a l ls t r u c t u r ea t l m t e m p e r a t u r e常温下整体结构沿不同方向的变形如图3 - 3 ( a hd ) 所示。由图3 - 3 ( a ) 可以看出，变形沿x 方向左右对称。沿x 正方向最大变形量为0 1 2 5 m m ，沿x 负方向虽大变形量为0 1 2 9 m m 。从变形的颜色分布可以看出，x 方向的变形主要在0 0 4 4 0 00 4 0 7 r a m 区问。沿y 方向的变形最大值发生在最下端。由于受重力作用，变形沿着结构逐层积累，到最下端套筒时达到最大值，最大值为o2 9 3 m m 。沿z 方向的变形和x 方向的变形类似，都是左右对称。而且z 方向的变形量比x方向最大值要小很多。由最大变形的位置可以看出，z 方向的最大变形发生的连接杆比x 方向最大变形位置的连接杆要短很多。因此，z 方向的变形也要小很多。变形的最大值为00 3 3 8 m m ，最小值为一00 3 0 4 r m n 。总体变形如图3 3 ( d ) 所示。由于y 方向变形值最大，因此y 方向变形为主变形，最大变形值为02 9 3 m m 。中目t 油大学( 华东) 顼学位论立蓁_ ；誊r i ! j。= 2蓦产蠡r i j jj“营3 42 常温下整体结构的应力情况吾- 1 1图3 - 3 ( b ) y 方向变形图f i g3 - 3 ( b ) d e m n a t b no f y d i r e c t i o n礤图3 - 3 ( d ) 整体结构变形躅f i g3 - 3 ( d ) d e f o r m a t i o no f w h o l es t r u c t u r e常温下整体结构的等效应力分布如图3 - 4 所示，最大应力值为1 6 1 m p a 。主体采用不锈钢结构部分零件用铜和铝合金等效使用。应力最大点主要发生在连接杆、连接盘以及导向杆等处。从颜色分布可以看出，应力值大小在i o o m p a 以下，远低于材料的届服极限。大部分零件呈蓝色分布，应力值较小且蓝色部分最大值为1 79 m p a 。和应力值分布较大的区域相比自身重力影响是产生应力的主要因素，而且受位移约束和外力作用较一喜第3 章油井解堵作业机器人控体结构有限元丹析少，因此不会有较大应力产生。由丁下导f | j 杆受到位移约束，包括x 方向和y 方向喇此产生的应力比较明显，应力值在3 5 m p a 一5 3 m p a 之间。图孓4 常温下整体结构的等效应力分布图f i 9 3 - 4o v e r a l ld i s t r i b u t i o no fe q u i v a l e n ts l r e s s t h ea tf o o m t e m p e r a t u r e3 432 0 0 时整体结构的温度分布情况模拟下放过程中，达到稳定状态时的温度为2 0 0 c 。和常温下的温度分析类似采用稳忐分析，载荷子步为1 0 ，得到结构整体的温度为2 0 0 c ，温度分布如图3 - 5 所示。图3 - 52 0 0 c 时整体结构温度分布圈f 吨3 - 5t e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o no f t h e o v e r a l ls t r u c t u r ea t2 0 0 c此外，还得到了2 0 0 “c 时不州方向的变形图。图3 - 6 ( a ) 为x 方向的变形图。由图中可以看出x 方向品大位移发生在连接杆处，位移值为1 4 3 7 m m 。图3 - 6 ( b ) 为y 方向的2 6中国d 油大学( 4 # 末) 硕学位论文变形图。y 方向韵最大位移茳生在机构的最底端，位移值为3 3 1 _ 1 5 m m ，而最大等效位移值为3 3 1 5 m m 。凶此，y 方向位移为主位移，仿真结果符合实际情况。图3 - 6 ( a ) x 方向变形图图3 - 6 ( b ) x 方向变形圈f i g3 - 6 ( a ) d e f o r m a t i o no f x d i r e c t i o nf i 9 3 - 6 f b ) d e f o r m a t i o no f yd i r e c t i o n图3 - 6 ( c ) z 方向变彤图图3 巧( d ) 接体结构变形图f i g3 - 6 ( c ) d e f o r m a t i o no f z d i r e c t i o nf i g3 - 6 ( d ) d e f o r m a t i o no f w h o l es t r u c t u n圈3 - 6 ( c ) 和幽3 - 6 ( d ) 分别给出了z 方向和整体结构的变形图，以上变形圈反映了在自重和温度共同作用下整体结构的变形情况。z 方向的最大变形发生在连接杆处，变形值为03 7 n l n a 。与y 方向的变形值33 1 5 m m 相比相差了一个数量级，这也验证了y方向为主变形方向的正确性。国3 - 6 ( d ) 为整体结构的变形图，圈中两个电磁推杆位置颜色不太一致。其原因是：第3 章油仆# 堵作业机* 体结构有m 元分析电磁推杆受热膨胀，由于下部受到安装盘的约束，变形主要是沿y 轴丁f 方向。整体变形是沿y 轴负方向，而下部电磁推杆的位移是两部分的矢量和。因此，图中显示下部电磁椎杆的变形比上部电磁推杆相比要小。3 442 0 0 时整体结构的应力情况图3 7 为2 0 0 “c 时整体结构的等效应力分布图。图中显示最大血力值为1 6 9 0 m p a ，最小应力值为2 1 26 p a 。和2 0 的1 6 1 m p a 相比，应力值明显增大。最大值出现在导向丰t 处，其原因是由导向杆上的位移约束造成的。其他处由于温度变化也产生了较大的热应山，而热应力是在井下作业过程中结构发生破坏的一个很重要的方面。山此可见，温度变化对结构的影响是很大的。在结构的局部区域产生了较大的热应力，其应力可能会超过了材料的许用应力。由应力云图可以看出，虽然产生的热应力值较大，但是区域较小。因此，对该部