CN107387058A - 一种基于微小井眼水平井连续油管钻机器人的控制系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于微小井眼水平井连续油管钻机器人的控制系统，它包括连续油管钻机器人（1）、下单片机（2）、电磁比例换向阀，各电磁比例换向阀分别连接有一个控制信号处理器（7），四个控制信号处理器（7）均与下单片机（2）连接，下单片机（2）与连续油管钻机器人（1）之间连接有压差传感器（8）；它还公开了控制基于微小井眼水平井连续油管钻机器人的方法。本发明的有益效果是：实现对钻井机器人的速度进行无线远程控制，减小井下钻具振动强度，可有效保护井下钻具，提高井下钻具使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及钻井机器人领域，特别是一种基于微小井眼水平井连续油管钻机器人的控制系统及方法。
背景技术
连续油管钻井具有污染小、成本低等特点，已越来越受到油气开采行业的亲睐，常规连续油管钻井的钻压由连续油管上连接的加重钻杆或钻铤提供，此种方式仅能应用于定向井或水平段较短的水平井，对连续油管钻井技术的推广造成了极大的限制，其中主要原因是由于连续油管柔性较大，钻井过程中由于摩擦力的作用容易导致连续油管发生屈曲“锁死”的现象，导致连续油管钻井水平段延伸能力有限，通过力学分析可知，对连续油管进行轴向牵引则能增加连续油管钻井水平段的延伸距离，而钻井机器人可对连续油管实施牵引，因此连续油管钻井机器人的提出为连续油管钻井提供了一个良好的解决方案。
由于携岩条件的限制，连续油管钻井主要应用于小井眼、微小井眼领域，基于此连续油管钻井机器人同样应满足小井眼、微小井眼的尺寸要求，同时钻井机器人还应具备大牵引力特点。通过对比分析可以发现，蠕动式钻井机器人能同时具备尺寸小、牵引力大的特征，其中蠕动式钻井机器人的控制系统和方法是此类机器人的关键技术。国外仅WWT公司进行了钻井机器人的深入研究，其主要的控制系统和方法见专利US7607495、US7604060、US7493967、US7353886、US7343982、US7273109、US6478097、US6347674，国内的中国石油大学、重庆科技学院（CN102808589B）、国防科技大学（CN201611264409.X）也对钻井机器人进行了研究，这些钻井机器人的主要换向阀门不一例外地采用液控换向阀或电磁换向阀，钻井机器人液压腔的高低压切换通过换向阀阀芯的轴向运动实现液压通道的通或断的过程，阀门瞬间改变活塞运动方向，振动较为严重，阀门容易被损坏；采用的电磁换向阀只能对控制流体的流向进行控制，不能对控制流体的流量进行控制，因此钻井机器人的活塞的运动速度也不能进行控制，钻井过程中钻头的钻压瞬间变化较大，容易损坏钻头及井下其他钻具；通过调研可以发现，目前钻井机器人的控制信号主要为开泵启动运行/停泵停止运行的方案，控制信号信息量较少，适用条件仅限于正常钻进或停泵起钻过程，然而钻井过程中的倒划眼过程、定点循环过程、循环起钻过程等均不停泵，目前专利中的钻井机器人控制方法不能满足实际钻井需要。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种实现对钻井机器人的速度进行无线远程控制，减小井下钻具振动强度，可有效保护井下钻具，提高井下钻具使用寿命的基于微小井眼水平井连续油管钻机器人的控制系统及方法。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种基于微小井眼水平井连续油管钻机器人的控制系统，它包括连续油管钻机器人、下单片机、第一电磁比例换向阀、第二电磁比例换向阀、第三电磁比例换向阀和第四电磁比例换向阀，各电磁比例换向阀分别连接有一个控制信号处理器，四个控制信号处理器均与下单片机连接，下单片机与连续油管钻机器人之间连接有压差传感器，所述第一电磁比例换向阀的端口A、端口B分别与连续油管钻机器人的后支撑缸左腔室、右腔室连通，第二电磁比例换向阀的端口A、端口B分别与连续油管钻机器人的后伸缩缸左腔室、右腔室连通，第三电磁比例换向阀的端口B、端口A分别与连续油管钻机器人的前伸缩缸左腔室、右腔室连通，第四电磁比例换向阀的端口B、端口A分别与连续油管钻机器人的前支撑缸左腔室、右腔室连通，各电磁比例换向阀的端口T均与连续油管钻机器人的环空连通，各电磁比例换向阀的端口P均与连续油管钻机器人的油管连通。
所述的控制信号处理器与下单片机之间顺次连接有三极管和保护电阻R。
所述的压差传感器与下单片机之间连接有滤波器。
所述的下单片机与连续油管钻机器人之间顺次连接有滤波器和压力传感器。
所述的基于微小井眼水平井连续油管钻机器人的控制系统的控制方法，它包括以下步骤：
S1、通过地面启/停泵对连续油管钻井机器人的启/停控制；
S2、当钻井机器人处于启动运行状态时，地面压力脉冲发生装置产生压力脉冲控制信号，连续油管钻井机器人接收压力脉冲控制信号；
S3、下单片机获取压力脉冲控制信号中的速度控制信号，下单片机根据速度控制信号经各电磁比例换向阀对连续油管钻井机器人进行速度控制。
所述的步骤S1中具体包括以下步骤：
S11：单片机中预设液压泵启/停交替1次的控制时间为10~20s；
S12：地面执行启/停泵；
S13：当连续油管钻机器人处于运行状态时，在10~20s内液压泵启/停交替1次则执行停止连续油管钻机器人运行，并且将连续油管钻机器人的数据进行初始化，以确保钻井机器人的支撑臂完全收缩状态；当连续油管钻机器人处于停止运行状态时，在10~20s内液压泵启/停交替1次则执行启动连续油管钻机器人运行。
所述的步骤S2中具体包括以下步骤：
S21：地面压力脉冲发生装置发射压力脉冲控制信号；
S22：采用压差传感器接收压力脉冲控制信号，压力脉冲控制信号顺次经滤波器滤波、模/数转换、脉冲控制信号识别后传送给下单片机；
S23：下单片机存储步骤S22中的控制信号以及存储控制信号的时间。
所述的步骤S3中具体包括以下步骤：
S31：下单片机解码控制信号，并计算出连续钻井机器人控制速度；
S32：下单片机根据控制速度推算出控制信号，并将控制信号通过保护电阻R、三极管输入到控制信号处理器中，控制信号处理器将电流放大并输出，放大电流控制各磁比例换向阀的阀芯开度以及控制控制流体的进出口方向，从而控制液压流道流量，以及液压流道的方向，从而对连续油管钻机器人进行速度的有效控制。
所述步骤S2中的压力脉冲控制信号通过压差传感器接收，压差传感器的压力源分别为管内压力Pi及环空压力Po。
本发明具有以下优点：本发明实现对钻井机器人的速度进行无线远程控制，减小井下钻具振动强度，可有效保护井下钻具，提高井下钻具使用寿命。
附图说明
图1 为本发明的控制方法的流程图；
图2 为本发明的控制系统的结构示意图；
图中，1-连续油管钻机器人，2-下单片机，3-第一电磁比例换向阀，4-第二电磁比例换向阀，5-第三电磁比例换向阀，6-第四电磁比例换向阀，7-控制信号处理器，8-压差传感器，9-后支撑缸，10-后伸缩缸，11-前伸缩缸，12-前支撑缸，13-三极管。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的描述，本发明的保护范围不局限于以下所述：
如图1~2所示，一种基于微小井眼水平井连续油管钻机器人的控制系统，它包括连续油管钻机器人1、下单片机2、第一电磁比例换向阀3、第二电磁比例换向阀4、第三电磁比例换向阀5和第四电磁比例换向阀6，各电磁比例换向阀分别连接有一个控制信号处理器7，四个控制信号处理器7均与下单片机2连接，下单片机2与连续油管钻机器人1之间连接有压差传感器8，压差传感器8能够检测管内外压力产生压差，即可控制机器人启/停。所述第一电磁比例换向阀3的端口A、端口B分别与连续油管钻机器人1的后支撑缸9左腔室、右腔室连通，第二电磁比例换向阀4的端口A、端口B分别与连续油管钻机器人1的后伸缩缸10左腔室、右腔室连通，第三电磁比例换向阀5的端口B、端口A分别与连续油管钻机器人1的前伸缩缸11左腔室、右腔室连通，第四电磁比例换向阀6的端口B、端口A分别与连续油管钻机器人1的前支撑缸12左腔室、右腔室连通，各电磁比例换向阀的端口T均与连续油管钻机器人1的环空连通，各电磁比例换向阀的端口P均与连续油管钻机器人1的油管连通。
如图2所示，所述的控制信号处理器7与下单片机2之间顺次连接有三极管13和保护电阻R。所述的压差传感器8与下单片机2之间连接有滤波器14。所述的下单片机2与连续油管钻机器人1之间顺次连接有滤波器14和压力传感器15。所述的压力传感器15能够接收工况（正常钻进、倒划眼、下钻、起钻），接收速度控制信号，从而控制机器人速度。
如图1和图2所示，所述的基于微小井眼水平井连续油管钻机器人的控制系统的控制方法，它包括以下步骤：
S1、通过地面启/停泵对连续油管钻井机器人的启/停控制；
S2、当钻井机器人处于启动运行状态时，地面压力脉冲发生装置产生压力脉冲控制信号，连续油管钻井机器人接收压力脉冲控制信号；所述的压力脉冲控制信号通过压差传感器8接收，压差传感器8的压力源分别为管内压力Pi及环空压力Po
S3、下单片机2获取压力脉冲控制信号中的速度控制信号，下单片机2根据速度控制信号经各电磁比例换向阀对连续油管钻井机器人进行速度控制。
所述的步骤S1中具体包括以下步骤：
S11：单片机中预设液压泵启/停交替1次的控制时间为10~20s；
S12：地面执行启/停泵；
S13：当连续油管钻机器人处于运行状态时，在10~20s内液压泵启/停交替1次则执行停止连续油管钻机器人运行，并且将连续油管钻机器人的数据进行初始化，以确保钻井机器人的支撑臂完全收缩状态；当连续油管钻机器人处于停止运行状态时，在10~20s内液压泵启/停交替1次则执行启动连续油管钻机器人运行。
所述的步骤S2中具体包括以下步骤：
S21：地面压力脉冲发生装置发射压力脉冲控制信号；
S22：采用压差传感器8接收压力脉冲控制信号，压力脉冲控制信号顺次经滤波器滤波、模/数转换、脉冲控制信号识别后传送给下单片机2；
S23：下单片机2存储步骤S22中的控制信号以及存储控制信号的时间。
所述的步骤S3中具体包括以下步骤：
S31：下单片机2解码控制信号，并计算出连续钻井机器人控制速度；
S32：下单片机2根据控制速度推算出控制信号，并将控制信号通过保护电阻R、三极管13输入到控制信号处理器7中，控制信号处理器7将电流放大并输出，放大电流控制各磁比例换向阀的阀芯开度以及控制控制流体的进出口方向，从而控制液压流道流量，以及液压流道的方向，从而对连续油管钻机器人进行速度的有效控制。
当连续油管钻井机器人下入过程中需要连续油管钻井机器人牵引时，地面开泵，泥浆循环，由于泥浆在循环过程中会产生压耗，因此管内压力Pi会大于环空压力Po，此时会在管内与环空之间形成压差ΔP=Pi-Po，压差传感器检测到压差后，并将信号输入到下单片机2，下单片机判断机器人是否运行，若判断为运行信号，在下单片机2以默认速度向控制信号处理器7发送脉宽调制控制信号PWD，控制信号处理器7接收PWD信号并将其转换为稳定的电流，同时将稳定电流等比例放大，放大电流通过电磁比例换向阀，电磁比例换向阀根据电流大小调制各自阀芯的开度及方向，进而对连续油管钻井机器人进行速度的控制以及各个液压腔室压力的顺序变换。
连续钻井机器人正常工作过程中其打压顺序为：
1、初始状态下，分别向后支撑缸9的右腔室、前支撑缸12的左腔室、后伸缩缸10的左腔室、前伸缩缸11的右腔室中打压；
2、向前支撑缸12的右腔室打压，实现前支撑缸12的支撑；向前伸缩缸11的左腔室打压，实现前伸缩缸11的向前伸；
3、向后支撑缸9的左腔室打压，实现后支撑缸9的支撑；
4、前支撑缸12的左腔室打压，实现前支撑缸12的收缩、向前伸缩缸11的右腔室打压，实现前伸缩缸11的缩回；
5、向后伸缩缸10的左腔室打压，实现后伸缩缸10的向前伸；
6、向前支撑缸12的右腔室打压，实现前支撑缸12的支撑；
7、向后支撑缸9的右腔室打压，实现后支撑缸9的收缩；向后伸缩缸10的右腔室打压，实现后伸缩缸10的收缩；
8、向前伸缩缸11的左腔室打压，前伸缩缸11前伸，反复循环上述过程则可实现连续油管机器人的向前运动。
Claims (9)
1.一种基于微小井眼水平井连续油管钻机器人的控制系统，其特征在于：它包括连续油管钻机器人（1）、下单片机（2）、第一电磁比例换向阀（3）、第二电磁比例换向阀（4）、第三电磁比例换向阀（5）和第四电磁比例换向阀（6），各电磁比例换向阀分别连接有一个控制信号处理器（7），四个控制信号处理器（7）均与下单片机（2）连接，下单片机（2）与连续油管钻机器人（1）之间连接有压差传感器（8），所述第一电磁比例换向阀（3）的端口A、端口B分别与连续油管钻机器人（1）的后支撑缸（9）左腔室、右腔室连通，第二电磁比例换向阀（4）的端口A、端口B分别与连续油管钻机器人（1）的后伸缩缸（10）左腔室、右腔室连通，第三电磁比例换向阀（5）的端口B、端口A分别与连续油管钻机器人（1）的前伸缩缸（11）左腔室、右腔室连通，第四电磁比例换向阀（6）的端口B、端口A分别与连续油管钻机器人（1）的前支撑缸（12）左腔室、右腔室连通，各电磁比例换向阀的端口T均与连续油管钻机器人（1）的环空连通，各电磁比例换向阀的端口P均与连续油管钻机器人（1）的油管连通。
2.根据权利要求1所述的一种基于微小井眼水平井连续油管钻机器人的控制系统，其特征在于：所述的控制信号处理器（7）与下单片机（2）之间顺次连接有三极管（13）和保护电阻R。
3.根据权利要求1所述的一种基于微小井眼水平井连续油管钻机器人的控制系统，其特征在于：所述的压差传感器（8）与下单片机（2）之间连接有滤波器（14）。
4.根据权利要求1所述的一种基于微小井眼水平井连续油管钻机器人的控制系统，其特征在于：所述的下单片机（2）与连续油管钻机器人（1）之间顺次连接有滤波器（14）和压力传感器（15）。
5.根据权利要求1~4中任意一项所述的基于微小井眼水平井连续油管钻机器人的控制系统的控制方法，其特征在于：它包括以下步骤：
S1、通过地面启/停泵对连续油管钻井机器人的启/停控制；
S2、当钻井机器人处于启动运行状态时，地面压力脉冲发生装置产生压力脉冲控制信号，连续油管钻井机器人接收压力脉冲控制信号；
S3、下单片机（2）获取压力脉冲控制信号中的速度控制信号，下单片机（2）根据速度控制信号经各电磁比例换向阀对连续油管钻井机器人进行速度控制。
6.根据权利要求5所述的基于微小井眼水平井连续油管钻机器人的控制系统的控制方法，其特征在于：所述的步骤S1中具体包括以下步骤：
S11：单片机中预设液压泵启/停交替1次的控制时间为10~20s；
S12：地面执行启/停泵；
S13：当连续油管钻机器人处于运行状态时，在10~20s内液压泵启/停交替1次则执行停止连续油管钻机器人运行，并且将连续油管钻机器人的数据进行初始化，以确保钻井机器人的支撑臂完全收缩状态；当连续油管钻机器人处于停止运行状态时，在10~20s内液压泵启/停交替1次则执行启动连续油管钻机器人运行。
7.根据权利要求5所述的基于微小井眼水平井连续油管钻机器人的控制系统的控制方法，其特征在于：所述的步骤S2中具体包括以下步骤：
S21：地面压力脉冲发生装置发射压力脉冲控制信号；
S22：采用压差传感器（8）接收压力脉冲控制信号，压力脉冲控制信号顺次经滤波器滤波、模/数转换、脉冲控制信号识别后传送给下单片机（2）；
S23：下单片机（2）存储步骤S22中的控制信号以及存储控制信号的时间。
8.根据权利要求5所述的基于微小井眼水平井连续油管钻机器人的控制系统的控制方法，其特征在于：所述的步骤S3中具体包括以下步骤：
S31：下单片机（2）解码控制信号，并计算出连续钻井机器人控制速度；
S32：下单片机（2）根据控制速度推算出控制信号，并将控制信号通过保护电阻R、三极管（13）输入到控制信号处理器（7）中，控制信号处理器（7）将电流放大并输出，放大电流控制各磁比例换向阀的阀芯开度以及控制控制流体的进出口方向，从而控制液压流道流量，以及液压流道的方向，从而对连续油管钻机器人进行速度的有效控制。
9.根据权利要求5所述的基于微小井眼水平井连续油管钻机器人的控制系统的控制方法，其特征在于：所述步骤S2中的压力脉冲控制信号通过压差传感器（8）接收，压差传感器（8）的压力源分别为管内压力Pi及环空压力Po。
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