基本信息
- 项目名称：
- 油井射孔解堵智能管道机器人的研究设计
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 该作品是利用特种电火花加工技术与管道机器人技术相结合的方法进行油井内已堵塞孔的疏通以及制造新缝的工作。该破障机器人的机械结构主要由三大模块构成：地面动力绞车模块、井下微步爬行模块、电火花破障工具模块。控制系统主要由以下两部分组成，硬件有：步进电机和电动推杆驱动单元、电容传感器信号检测模块电火花、破障工具运行控制模块、单片机-PC机串口通讯单元，软件有：机器人在线控制软件和机器人运行单片机控制程序。
- 详细介绍：
- 研制的目的和意义 油井解堵破障机器人研制的目的是：实现采用电火花对孔道进行解堵、形成微裂缝，以期达到提高低渗透油藏、三次采油中有机胶质体堵塞油井的采收率，降低其采油成本的目的；以实现采用小电源进行油井的解堵作业，从而可以节省能源、减轻对套管的损伤、增强电解堵工艺的可靠性、消除对油层的二次污染；加快油井解堵作业的自动化过程；促进油井解堵的通用技术的研究开发。 油井解堵破障机器人采用宏观定位和小幅度微调相结合的控制方法，实现了机器人在地层深处竖直管道内工作，拓宽了管道机器人的应用范围，一定程度上刺激了管道机器人的发展；同时该设计创新性的把电火花技术运用于油田解堵作业，突破了其在传统特种加工行业的运用，开创了电火花加工技术向电火花解堵破障技术发展的先河。 基本工作原理 首先，利用地面绞车把机器人主体下放到几千米井深。其次，利用检测传感器准确检测到射孔位置，这是能够顺利完成解堵作业的关键。然后，利用电极送进装置将正负电极送入射孔中。在送进过程中，两电极之间保持一个放电距离。接着，地面信号发生装置产生的高压脉冲信号通过电缆连接到正、负电极上。当开始放电作业时，在高电压脉冲信号的作用下，中间介质既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。通道一旦形成，脉冲的能量便全作用在通道中和正、负电极上。放电通道具有很高的温度（104℃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）。此高温高压环境作用于地层和油层可以使两电极之间产生爆炸效应，对地层和油层可以起造缝、降粘、蚀除堵塞物的作用。同时，连续脉冲放电产生的连续冲击波可以进一步作用于地层和油层。电火花解堵造缝新技术的工作原理图如图2-1所示。 图 2 1 油井射孔炮眼中电火花解堵造缝的原理示意图 结构设计方案及其关键问题 该设计综合利用先进制造技术、特种加工技术、机电一体化技术、机器人技术、传感与检测技术、自动控制技术等多学科技术，实现电火花解堵造缝、提高油井采收率的目的。其设计方案包括结构设计方案和控制系统设计方案两个部分。 通过对该作品进行模块化设计，其机械结构大致分为以下四大模块：井下微步爬行机构、射孔检测定位模块、电火花解堵破障工具、地面绞车系统。其中井下微步爬行机构、射孔检测定位模块、电火花解堵破障工具构成了井下机器人的主体部分。如图3-1所示为油井解堵破障机器人三维模型。 •图 3 1 油井解堵破障机器人三维模型图图 图3 2 井下机器人主体
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 一、发明目的 本作品综合利用先进制造技术、特种电火花加工技术、机电一体化技术、机器人技术、传感与检测技术、自动控制技术等多学科技术，实现电火花解堵造缝、提高油井采收率的目的。 二、基本思路 通过井上系统把机器人下放到油井渗透层；通过微步爬行模块实现精确定位并最终检测出射孔位置；最后通过运行电火花破障工具模块把破正负电极丝送入射孔通道，靠放电时产生的高温和瞬时高压的爆炸冲击作用、电磁作用和热效应等对储层进行造缝、解堵、降粘和驱油处理，从而提高储层的渗透率和油井的采收率。 三、创新点 (1) 电火花加工技术创新应用于油井解堵中，解决了常用的解堵技术存在工艺效率低、作用半径小、分层困难和易对储层造成二次污染等问题，可达到高效解堵破障的目的。 (2) 设计出了由自适应导向机构、步进电机支撑脚和电动推杆组成的微步爬行机构，解决常见的管道机器人难于在竖直管道内自由移动的弊端，实现了机器人动定心、适应不同管径、稳定支撑和移动的功能。 (3) 采用模块化设计和实时控制方法，研制出了油井解堵机器人控制系统及其实时控制软件，较好地实现了该机器人的运动控制要求。 四、技术关键 机器人机械结构主要由三大模块构成：地面动力绞车模块、井下微步爬行模块、电火花破障工具模块。 其控制系统主要由硬件部分和软件部分分组成。 其中微步爬行机器人技术、射孔涡流传感器定位技术、电火花解堵技术和智能在线控制技术构成了该机器人的关键技术。 五、主要技术指标 主要技术指标射孔定位精度和电火花解堵率
科学性、先进性
- 一、作品的科学性先进性 （1）在原理方面： ①首次将成熟的电火花加工技术运用于油井解堵，解决了现有多数解堵技术的工艺效率低、作用半径小、分成困难、二次污染和应用局限性等问题，达到精确快速解堵破障的目的。 ②首次提出使用电涡流传感器在线检测射孔通道位置的新思路，检测技术能够稳定地工作在油井套管内，抗干扰性好。 （2）在结构设计方面： ①由自适应导向机构、步进电机支撑脚和电动推杆组成的微步爬行机构解决现有管道机器人很难在竖直管道内自由移动的弊端，实现了机器人动定心、适应不同管径、稳定支撑和移动的功能。 ②设计了适合于小功率升降机器人应用的地面绞车装置和排缆装置。通过绞车驱动与机器人微步爬行相结合实现长距离传输和精确定位。 ③在运动过程控制方面：通过模块化设计和在线实时软件控制，现场的可操作性强，降低工人的劳动强度。 ④在工程运用方面：该机器人可以携带各种专业工具在各种恶劣的管道环境下作用，具有实际的工程应用价值。
获奖情况及鉴定结果
- 2010年山东省大学生机电产品创新设计竞赛一等奖
作品所处阶段
- 实验阶段
技术转让方式
- 洽谈转让
作品可展示的形式
- 实物模型，录像
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 一、技术特点和优势 （1）该设计创新性的把电火花技术运用于油田的解堵作业，突破了其在传统特种加工行业的运用，开创了电火花加工技术向电火花解堵破障技术发展的先河。 （2）解决了现有多少解堵技术工艺效率低、作用半径小、分层困难、二次污染严重和应用局限性等问题，达到精确快速解堵破障的目的。 二、适用范围 （1）各大油田的低渗堵塞油井的解堵作用。 （2）模块化设计使机器人可以携带其他作用工具完成各种辅助的修井工作。 （3）可以携带各种专业工具在各种恶劣的管道环境下工作。 三、市场分析和经济效益预测 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，由于油井解堵破障机器人具有广泛的适应性和优越性，单口油井平均渗透率较作业前可以提高300%以上；较其他解堵方法，其作业效果可以提高60%左右；其作业成本较现有技术作业成本降低28%左右。 综合以上优势，油井解堵破障机器人可以为全国各大油田带来数十亿元的经济效益，具有十分可观的应用前景。
同类课题研究水平概述
- 在石油开发的过程中，由于钻井、完井、压裂和注水等原因引起的机械杂质对油层的污染、地层流体中细菌的滋生、地层本身的结垢和结蜡等，往往使油井堵塞日益严重，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。因此油田采用各种解堵技术提高堵塞井和低渗油井的采收率。目前解堵技术有以下两大类： 1、化学解堵 化学解堵方法是目前油田常用的一种解堵方法，该方法是主要指通过化学剂与堵塞物发生化学反应，溶解无机堵塞物来解除无机物对油层孔道的堵塞；通过化学剂降解有机堵塞物来解堵；或者通过化学剂混合发生化学反应，放出大量热和气体来稀释稠油，分解沥青等胶质，降低原油粘度，易于油井的后期开采。长期以来，油田一直采用压裂、酸化、挤液等常规增产工艺，这些工艺比较成熟，均具有改善油层孔渗条件达到解堵的目的，但是这三种工艺也有自身的局限性。 (1) 高压水射流解堵技术 高压水射流解堵技术采用高压旋转射流解堵工具产生的多股旋转射流不断冲击炮眼并作用于地层，使地层堵塞物松动脱落，随液体排出，同时使岩石裂缝延伸扩大并产生新的微裂缝网，并改善原油流动性能，提高原油采出程度，从而达到解堵、增产增注的目的，其解堵套管周围的最远距离为600mm。 (2) 水力振动解堵技术 水力振动解堵技术采用低频水力振动器产生的低频高振幅的大功率声波，来进行防蜡降粘、防垢和解堵。该解堵技术对解除油水井近井地带的后期堵塞效果好，对低渗透率地层有效期较短，处理油层半径小。 (3) 超声波解堵技术 超声波解堵是利用高能超声波对近井地层进行局部处理，消除井底地带的机械杂质，造成地层裂缝，提高油层渗透率，并使流体剧烈搅动、介质发热，降低原油粘度，解除石蜡、沥青胶质等堵塞[。 。英格兰的J. Gholinezhad研究的磨削解堵技术采用磨削机来解除管道堵塞。该技术解堵效果明显，但在不规则的堵塞表面易停转，磨削钻头易粘在堵塞物表面，且对套管有一定的损坏。2006年，澳大利亚的D. B. Haughton和P. Connell联合开发了一种垂直环向清理系统，利用前面专门的钻头来磨削管壁上的堵塞物，同时清理残渣，利用分流管道将残渣反排至井上从而彻底完成了井筒的解堵、清理作业。
