CN101144378A - 油井电火花解堵造缝机器人 - Google Patents
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Abstract
油井电火花解堵造缝机器人属于机器人技术领域。主要包括地面缆绳自动送进系统、导轮、缆绳、力传感器、上自适应支撑机构、射孔涡流检测及电极送进装置、圆锥轴承接头、下自适应支撑机构和配重等。该机器人采用地面与井下控制相结合的方法，来实现自动寻找射孔炮眼，向射孔炮眼中自动送进电火花放电用的正负工具电极，利用正负工具电极间在射孔炮眼中放电时产生的瞬时高温、高压作用，以及放电过程中伴随的热效应、电磁效应、光效应、声效应等进行解堵造缝。本发明可以方便快捷地寻找到射孔和向射孔中自动送进工具电极，其解堵造缝效果好，且对油层无污染。
Description
技术领域
本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种油井电火花解堵造缝机器人。
背景技术
在石油开采过程中，靠地层自然压力开采原油，最终采收率一般不超过总储量的10％，采用常规注水开发，采收率也不超过30％～40％，低渗及稠油油藏则更低。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。
目前国内外常用的渗油通道解堵造缝方法有压裂、酸化、挤液等三种较为成熟的工艺方法。这三种工艺方法都存在如下的问题：它们都需使用化学溶液将近井地带的污染物挤压进地层深部，极易造成二次污染；分层处理比较困难，往往会造成空隙度高的层被处理开，而空隙度差的层收不到效果，使油层动用程度受到影响，甚至将含水层处理开，造成水淹油层；对固井质量不好，套管变形、破损的井处理十分困难，费用较高。近年来，人们还探讨了高压水射流、超声波、高能气体压裂、电脉冲等解堵技术。目前，国内外尚未见有关油井电火花解堵造缝机器人的文献报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种油井电火花解堵造缝机器人。
本发明的原理是：所发明的油井电火花解堵造缝机器人主要由地面缆绳自动送进系统、导轮、缆绳、力传感器、上自适应支撑机构、射孔涡流检测及电极送进装置、下自适应支撑机构和配重等组成。其作业过程是：先用地面缆绳自动送进系统向井下输送机器人电火花解堵造缝作业装置，在下送过程中，上、下自适应支撑机构在其上弹簧的作用下向外伸展，起辅助支撑和导向作用，以防止机器人电火花解堵造缝作业装置在下送过程中因撞击套管而损坏；当机器人电火花解堵造缝作业装置被下送至油层射孔段上方的指定位置后，机器人电火花解堵造缝作业装置的上自适应支撑机构在电磁驱动装置的驱动下向外扩张，使其上的支撑轮胀紧于套管的内壁上，此后缆绳开始低速间歇性送进，每送至一个指定的位置后，缆绳自动送进系统停止送进，射孔涡流检测及电极送进装置在其上步进电动机的驱动下做顺时针旋转寻找射孔的运动，若旋转360°未能寻找到射孔，则步进电机停止转动，缆绳自动送进系统再下送一个指定的距离，然后步进电机再驱动射孔涡流检测及电极送进装置做逆时针旋转寻找射孔的运动，若旋转360°未能寻找到射孔，则步进电机停止转动，缆绳自动送进系统再下送一个指定的距离，步进电机再驱动射孔涡流检测及电极送进装置做顺时针旋转寻找射孔的运动，如此往复地进行下去，当寻找到射孔时，加大上自适应支撑机构上电磁铁线圈的通电电流，增加胀紧力，使上自适应支撑机构固定不动，地面缆绳自动送进系统也停止送进，然后步进电机把工具电极的送出口转至射孔的位置；由工具电极送进机构把与脉冲电源正负极相连的工具电极向射孔炮眼中送进，在脉冲电源的作用下，正负工具电极间在射孔炮眼中产生火花放电，由放电时的瞬时高温(通道中心的温度高达一万度以上)、高压(通道内高温热膨胀形成的初始压力可达数十兆帕)作用来熔化、剥蚀射孔炮眼及其周围渗油通道的堵塞物，同时造出一些新的微裂缝。高温高压的放电通道以及随后瞬时气化形成的气泡急速扩展，在射孔炮眼中产生强烈的冲击波，在放电过程中，同时还伴随着热效应、电磁效应、光效应、声效应及频率范围很宽的电磁波辐射和爆炸冲击波等进一步加强了解堵和造缝的作用。处理好一个射孔后，再重复上述动作处理下一个射孔，如此往复地进行下去，便可处理好整个油井。
本发明具有如下优点：
(1)采用该机器人把电火花放电用的正负工具电极送入射孔炮眼内进行火花放电，其放电电压比通常的井筒内电脉解堵技术降低4～6倍，可避免井筒内电脉解堵技术所用的高压充放电电容易老化被击穿的问题。
(2)采取地面与井下相结合的控制方式，使机器人的结构设计大为简化、提高了机器人的工作可靠性。
(3)采用该机器人进行电火花解堵造缝可使低渗油藏的渗透率提高20％以上，对三次采油时有机胶质体堵塞的解堵作用较其它解堵方法提高30％以上。
(4)作业过程中无工作剂入井，可避免对储层造成的二次污染。
附图说明
图1为本发明提供的油井电火花解堵造缝机器人总体结构示意图。
图2为本发明机器人的上自适应支撑机构轴向结构示意图。
图3为本发明机器人的上自适应支撑机构径向结构示意图。
图4为本发明机器人的下自适应支撑机构轴向结构示意图。
图5为本发明机器人的下自适应支撑机构径向结构示意图。
具体实施方式
参见图1。本发明的油井电火花解堵造缝机器人总体结构示意图中，1是地面缆绳自动送进系统，主要用于向井下自动送进机器人电火花解堵造缝作业装置；2是导轮，用于缆绳下送过程中的导向；3是缆绳，用于拖动机器人做下井或提升运动；4是力传感器，用于检测机器人下送或提升过程的运动状态，把检测到的力信号转化为电压信号送给自动控制系，自动控制系统根据其检测力的大小来判断机器人的下送加速度或是否出现卡堵现象，若力传感器检测到的力为零，则机器人的上自适应支撑机构的电磁膨胀力太大，使机器人被卡住，此时需要减少电磁膨胀力；5是上自适应支撑机构，用于支撑射孔涡流检测及电极送进装置，并产生射孔涡流检测及电极送进装置旋转和电火花解堵造缝过程中所需要的固定锁紧力，此外还可以根据套管内孔的形状尺寸和机器人运行状态的要求，自动调整其膨胀力和外胀尺寸；6是射孔涡流检测及电极送进装置，主要用于检测射孔炮眼的位置和把电火花放电用的正、负工具电极送入射孔炮眼中，以在射孔炮眼中进行电火花解堵造缝；7是圆锥轴承接头，用于连接射孔涡流检测及电极送进装置和下自适应支撑机构，以防止下自适应支撑机构随射孔涡流检测及电极送进装置旋转，减少旋转摩擦阻力；8是下自适应支撑机构，主要起支撑、导向和保护作用，可以根据套管内部的尺寸形状自动调整其外形尺寸，并防止射孔涡流检测及电极送进装置与套管壁的碰撞；9是配重，主要用于调整机器人的下送力。
参见图2。本发明机器人的上自适应支撑机构轴向结构示意图中，10是下铰链盘，用于连接和支撑下斜支撑杆与拉套，拉套11的上方装有衔铁，用于拉动下铰链盘向上运动；12是拉簧，用于提供上自适应支撑机构向外膨胀的力，使该支撑机构在不受电磁力作用时，仍能与套管内壁接触；13是下斜支撑杆，主要用于连接支撑轮，驱动支撑轮做向外扩展或向内收缩运动；14是支撑轮，主要起滚动支撑作用；15是支撑轮连接杆，主要用于连接两个支撑轮，构成封闭的连杆系；16是上斜支撑杆，主要用于连接支撑轮，驱动支撑轮做向外扩展或向内收缩运动；17是上铰链盘，用于支撑上斜支撑杆、固定电磁铁和拉杆；18是电磁铁，通过控制其上电磁线圈的电流通断和电流的大小来控制电磁吸力，进而达到控制上自适应支撑机构的膨胀变形尺寸和膨胀力的目的；19是支撑导向套筒，用于拉套的支撑导向；20是拉杆，用于连接上自适应支撑机构5和射孔涡流检测及电极送进装置6。
参见图3。本发明机器人的上自适应支撑机构径向结构示意图中，14是支撑轮；16是上斜支撑杆；17是上铰链盘。
参见图4。本发明机器人的下自适应支撑机构轴向结构示意图中，13是下斜支撑杆，主要用于连接支撑轮，驱动支撑轮做向外扩展或向内收缩运动；14是支撑轮，主要起滚动支撑作用；15是支撑轮连接杆，主要用于连接两个支撑轮，构成封闭的连杆系；16是上斜支撑杆，主要用于连接支撑轮，驱动支撑轮做向外扩展或向内收缩运动；21铰链盘，用于连接和支撑下斜支撑杆、带止推盘的拉杆；22是带导向孔的铰链盘，用于支撑上斜支撑杆和带止推盘拉杆的导向；23是带止推盘的拉杆，用于拉动下自适应支撑机构，并限制下自适应支撑机构的最小收缩半径，以防止支撑机构因收缩过小而失去支撑和保护作用；24是胀紧拉簧，用于提供下自适应支撑机构向外膨胀的力，使该支撑机构的支撑轮紧靠套管的内壁上。
参见图5。本发明机器人的下自适应支撑机构径向结构示意图中，14是支撑轮；16是上斜支撑杆；22是带导向孔的铰链盘。
Claims (3)
1.一种油井电火花解堵造缝机器人，主要包括地面缆绳自动送进系统(1)、导轮(2)、缆绳(3)、力传感器(4)、上自适应支撑机构(5)、射孔涡流检测及电极送进装置(6)、圆锥轴承接头(7)、下自适应支撑机构(8)和配重(9)，其特征在于：地面缆绳自动送进系统(1)与缆绳(3)相连，通过缆绳(3)向井下自动送进机器人电火花解堵造缝作业装置，导轮(2)通过其上的沟槽来控制缆绳的下井方向，缆绳(3)上端与地面缆绳自动送进系统(1)相连，下端与机器人电火花作业装置相连，用于提起或下送机器人电火花作业装置，力传感器(4)的上端与缆绳相连，下端与上自适应支撑机构(5)相连，把检测到的拉力信号转化为电压信号，送给控制系统，上自适应支撑机构(5)的下端与射孔涡流检测及电极送进装置(6)相连，支撑射孔涡流检测及电极送进装置(6)，射孔涡流检测及电极送进装置(6)做旋转寻找射孔和向射孔内输送工具电极的运动，其下端与圆锥轴承接头(7)相连，圆锥轴承接头(7)与其下端相连的下自适应支撑机构(8)一起支撑射孔涡流检测及电极送进装置(6)，下自适应支撑机构(8)的下端与配重(9)相连，通过选配不同重量的配重(9)可以调整机器人电火花作业装置的下送力。
2.如权利要求1所述的油井电火花解堵造缝机器人，其特征是上自适应支撑机构(5)由下铰链盘(10)、拉套(11)、拉簧(12)、下斜支撑杆(13)、支撑轮(14)、支撑轮连接杆(15)、上斜支撑杆(16)、上铰链盘(17)、电磁铁(18)、支撑导向套筒(19)和拉杆(20)构成，下铰链盘(10)的圆周上相间120°铰接着3个下斜支撑杆(13)，带衔铁的拉套(11)通过螺纹与下铰链盘(10)连接，拉簧(12)的上下端分别与支撑导向套筒(19)和下铰链盘(10)相连，其拉紧力可以使上自适应支撑机构(5)向外膨胀，下斜支撑杆(13)分别与下铰链盘(10)和支撑轮(14)相连，上斜支撑杆(16)分别与上铰链盘(17)和支撑轮(14)相连，支撑轮(14)分别与下斜支撑杆(13)(或上斜支撑杆(16))和支撑轮连接杆(15)相连，与套管内壁接触起滚动支撑作用，支撑轮连接杆(15)的两端各连接1个支撑轮(14)，以构成封闭的连杆系，上铰链盘(17)的圆周上相间120°铰接着3个上斜支撑杆(16)，其下端连接电磁铁(18)，电磁铁(18)通电时产生磁场，向上吸引拉套(11)上端的衔铁，使上自适应支撑机构(5)向外膨胀，增加支撑轮(14)与套管内壁间的压力，支撑导向套筒(19)与上铰链盘(17)相连，起支撑导向作用，拉杆(20)的上端固定于上铰链盘(17)上，下端与射孔涡流检测及电极送进装置(6)相连。
3.如权利要求1所述的油井电火花解堵造缝机器人，其特征是下自适应支撑机构(8)由下斜支撑杆(13)、支撑轮(14)、支撑轮连接杆(15)、上斜支撑杆(16)、铰链盘(21)、带导向孔的铰链盘(22)、带止推盘的拉杆(23)和胀紧拉簧(24)构成，铰链盘(21)的圆周上相间120°铰接着3个下斜支撑杆(13)，其轴向通过螺纹连接带止推盘的拉杆(23)，带导向孔的铰链盘(22)的圆周上相间120°铰接着3上个斜支撑杆(16)，其中心开有导向孔，胀紧拉簧(24)的上下端分别与铰链盘(21)和带导向孔的铰链盘(22)相连，其拉紧力使下自适应支撑机构(8)向外膨胀，下斜支撑杆(13)分别与铰链盘(21)和支撑轮(14)相连，上斜支撑杆(16)分别与带导向孔的铰链盘(22)和支撑轮(14)相连，支撑轮(14)分别与下斜支撑杆(12)(或上斜支撑杆(16))和支撑轮连接杆(15)相连，与套管内壁接触起滚动支撑作用，支撑轮连接杆(14)的两端各连接1个支撑轮(14)，以构成封闭的连杆系。
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