矿用泥浆脉冲无线随钻测量装置及其应用

针对采用中心通缆式钻杆作为信号传输通道的有线随钻测量装置存在的钻杆结构复杂、机械性能受限、抗干扰能力差等问题,研制了一种矿用泥浆脉冲无线随钻测量装置。该装置由防爆计算机、防爆键盘、防爆数据存储器、防爆测量探管、防爆压力变送器等组成,采用间歇模式工作:防爆测量探管中的测量短节检测到泥浆泵停泵信号后,采集钻孔轨迹参数、定向钻具状态参数等静态数据并进行编码;当检测到泥浆泵开泵信号后,防爆测量探管中的驱动短节依次发送静态数据、测量并发送动态数据,同时控制脉冲发生器调整水力通道的流道面积;防爆压力变送器采集泥浆泵压力信号并将其发送至防爆计算机;数据传输完成后,防爆测量探管停止工作,脉冲发生器内部流道恢复,泥浆泵压力变为正常值,开始定向钻进。试验结果表明,该装置工作稳定,测量数据准确,传输可靠,提高了定向钻进效率和安全性,满足煤矿井下各类煤层孔和岩层孔定向钻进需要,且可实现常规钻孔轨迹随钻测量。     

矿用泥浆脉冲无线随钻测量信号发生装置设计

针对煤矿井下定向钻进小泵量、低压力工况,研制了一种矿用泥浆脉冲无线随钻测量装置,分析了该装置的技术要求、结构组成、使用条件;重点阐述了该装置信号发生装置(矿用泥浆脉冲无线随钻测量信号发生装置)的设计方案,介绍了信号发生装置中防爆驱动短节及其电磁阀、脉冲发生器的结构设计,以及脉冲发生器中流道控制阀及其阀头参数设计。现场试验结果表明,信号发生装置能够稳定、可靠地产生泥浆压力脉冲信号,最大信号传输深度达2 570m,泥浆压力脉冲衰减速率为5.8%/hm,衰减速率低,具备向更深钻孔应用的能力。     

基于变换无迹卡尔曼滤波的随钻测量误差在线辨识

针对随钻测量(MWD)工作环境复杂多变,随钻器件测量的精度降低的问题,设计了基于变换无迹卡尔曼滤波(TUKF)法对测量误差进行在线辨识和补偿.首先,建立加速度计和陀螺仪的输出误差模型,选取导航误差参数以及传感器误差参数作为系统状态变量;然后,以钻杆钻进时实时解算出的姿态角与钻机每次停机时的钻具姿态角作差作为系统观测量,设计状态方程和量测方程对惯性器件误差进行在线辨识;最后,通过误差补偿方程对惯性器件进行补偿.运用此方法分别设计了振动台实验、模拟钻进实验和钻进实验,实验结果表明,设计的在线辨识方案通过标定补偿后,随钻测量中钻具的工具面角输出误差减小到0.8°,倾斜角输出误差减小到1°,比无迹卡尔曼滤波方法精度提高了50％,所提方法克服了随钻测量时钻具振动带来的影响,为实际钻井进一步提高数据可信度提供理论依据.     

基于变换无迹卡尔曼滤波的随钻测量误差在线辨识

针对随钻测量(MWD)工作环境复杂多变,随钻器件测量的精度降低的问题,设计了基于变换无迹卡尔曼滤波(TUKF)法对测量误差进行在线辨识和补偿.首先,建立加速度计和陀螺仪的输出误差模型,选取导航误差参数以及传感器误差参数作为系统状态变量;然后,以钻杆钻进时实时解算出的姿态角与钻机每次停机时的钻具姿态角作差作为系统观测量,设计状态方程和量测方程对惯性器件误差进行在线辨识;最后,通过误差补偿方程对惯性器件进行补偿.运用此方法分别设计了振动台实验、模拟钻进实验和钻进实验,实验结果表明,设计的在线辨识方案通过标定补偿后,随钻测量中钻具的工具面角输出误差减小到0.8°,倾斜角输出误差减小到1°,比无迹卡尔曼滤波方法精度提高了50％,所提方法克服了随钻测量时钻具振动带来的影响,为实际钻井进一步提高数据可信度提供理论依据.     

煤矿坑道定向钻机钻进参数监测系统设计

针对全液压坑道定向钻机在钻进施工中参数实时显示和集中存储等方面存在的不足,设计了煤矿坑道定向钻机钻进参数监测系统。该系统采用分布式设计,通过CAN总线实现数据的传输和通信,能实时显示钻进速度、钻进/起拔压力、转速、转矩、水泵流量和压力等钻探施工参数,并通过防爆计算机进行数据传输和集中存储,便于钻探参数的分析和调整,结合压力传感器、流量传感器等可实现定向钻进施工的精确测量与控制。现场应用结果表明,该系统可配套多种定向钻机使用,能实时、准确地监测并显示定向钻机运行的各种钻进参数。该系统的设计为后续实现煤矿坑道定向钻机的"机-电-液"一体化控制和故障诊断奠定了基础。     

MEMS随钻惯性测量单元设计与实现

针对基于磁通门随钻测量的局限性与惯性技术测量方案优势,结合随钻测量过程中强冲击、震动等环境特点,设计并实现了基于MEMS陀螺仪和加速度计的随钻惯性测量单元。对系统测试发现MEMS陀螺随机漂移误差较大,为此,采用改进时间序列分析法对巴特沃斯低通滤波后信号随机漂移进行建模。与传统时间序列方法建模相比,新方法降低了模型预测误差,滤除MEMS陀螺随机漂移误差更为明显,且在提高精度的同时保证了数据处理实时性。结果表明:系统能够实现近钻头安装,在钻进的同时完成相应参数的测量,达到设计要求。     

食品冷链配送中温度采集系统的设计与试验

根据食品配送途中对温度的多测点、实时性、可追溯性等要求,选用DS18B20数字温度传感器为温度采集器件,结合车载GPS／北斗定位终端的串口透传功能,设计了一种应用于食品冷链配送途中的有线温度采集系统,从而实现了对配送途中食品温度的多点实时采集、传输及监测,克服了现阶段应用中的温度监控实时性差、抗干扰能力弱、功耗及供电限制严重等缺点。通过在-20-＋20℃温度范围内对传输稳定性、数据精度及不同传感器线长对数据精度的影响进行的试验结果表明,该系统工作性能稳定,数据精度及传输稳定性均达到了设计要求。     

核电厂DCS柜间传输信号供电缺陷分析及改进

核电厂BUP是主控室工作站不可用的后备,也用于执行一些安全相关的功能。为了应对保护系统故障,BUP根据多样化的设计要求,用于控制设备和显示信息;为解决在实现MCM控制模式到BUP模式控制的过程中,BUP报警投用及退出IIC控制开关信号在控制柜间传输时,其供电设计存在的两路电源供电冲突的问题,首次对核电厂非安全级DCS控制柜柜间传输信号供电缺陷及信号传输路径优化进行了研究,在保证满足设计功能的前提下,先后制定了两种解决信号传输时供电缺陷的优化方案,最终推动落实了更加安全可靠的供电设计方案,有效避免了机组商运后由于柜间传输信号供电设计缺陷造成的DCS系统功能不可用导致对机组控制失效的情况,提高了机组商运后运行的安全性和稳定性。     

VC中用Word生成随钻测量报告的一种方法

在定向钻进工作中,每个钻孔都有大量的测量数据,为了数据管理的方便,结果需要以Word文档的形式提供.对于重复性的测量工作,每次手工编写测量报告,既浪费时间又容易出错.因此,介绍一种在Visual Studio 6.0中利用word模板自动生成随钻测量报告的方法.     

基于充电法的滑坡深部位移监测仪设计

利用地球物理中的充电法原理,成功设计了基于充电法原理的滑坡监测仪。监测仪由电极转换模块、信号测量模块、远程传输模块及电源模块四部分组成。微控制器控制电极转换模块将供电电压通过位于井中的供电电极供入地下,信号测量模块完成布设于地面的测量电极之间的电压和供电电流的采集,远程传输模块将采集到的电压值和电流值传输到监控中心,从而实现对滑坡的远程监测。最后给出了野外应用试验,试验结果表明监测仪器能稳定工作。     

矿用回转钻机离线式随钻测斜系统

针对矿用回转钻机打钻过程中无法直接测量孔底钻具姿态数据和绘制钻孔轨迹的问题,基于随钻测斜原理和离线式数据同步方法,开发了一种矿用回转钻机离线式随钻测斜系统。该系统由探管、同步仪和上位机软件组成。探管通过三轴加速度传感器和三轴磁阻传感器分别测量重力场和地磁场,以采集钻杆姿态;同步仪通过按键采集钻孔和钻杆编号,并根据钻杆姿态数据进行有效测点筛选;上位机软件通过测点递推算法绘制钻孔2D或3D轨迹图。功能测试结果表明:该系统测量的总地磁场矢量模长接近真实值50～60μT,总重力加速度矢量模长接近1g,经传感器校正算法校正后的倾角最大偏差为1°,方位角最大偏差为5°。井下测试结果表明:对于已成钻孔,该系统绘制的钻孔轨迹与实际轨迹基本相同;对于钻进钻孔,孔口轨迹易受钻机本身的磁干扰而出现偏差,导致整条钻孔轨迹偏差较大,应保持钻机距离孔口3m以上。     

未来智能钻井系统

展望了未来智能钻井技术的系统组成、功能及其运行方式.智能钻井新技术是钻井技术、新材料技术、检测控制、微电子技术、通信和计算机、机器人和超微加工技术等的集成.未来的智能钻井将采用轻便车载连续油管全自动钻机,钻井作业中,安置在钻头上的智能机器人将观测和检测到的所有井下参数上传到地面,在钻井的同时完成测井工作;地面人员通过控制钻头运动轨迹和转速,实现遥控智能钻井;起下钻等钻井作业均由地面机器人按指令自动完成;通过通信网络技术,实现全球钻井协同工作.因此,智能钻井将大幅度降低钻井成本,大大提高钻井速度,减少钻井事故的产生,实现井眼轨迹的精确控制,进一步提高石油天然气勘探开发技术水平.     

回转钻进随钻测量装置数据处理软件设计

根据回转钻进随钻测量装置数据处理软件的作用进行需求分析,详细阐述了软件各项功能的开发需求;根据软件开发需求设计了软件功能模块,阐述了各功能模块的作用,绘制了功能开发框架;根据需求和开发框架确定数据处理流程。实际应用结果验证了该软件具有良好的性能。     

随钻井下姿态测量系统

在随钻石油钻探时需要准确地了解钻具的姿态信息,通过对姿态信息的测量可以准确地掌握井眼的方位参数。随着近年来石油工业的发展,要求石油钻井技术采用精确的轨迹控制技术,适应定向井、水平井和大位移井等应用的需要。设计一种井下姿态测量系统,可以工作在随钻条件下,通过测量三轴陀螺仪、加速度计和磁阻传感器的信号并进行相应的算法处理,得到钻具在井下的姿态信息。     

普通钻孔和定向钻孔联合预抽煤巷条带瓦斯研究

针对采用单一顺层普通钻孔或定向钻孔预抽煤巷条带瓦斯时存在普通钻机施工长钻孔易偏离轨迹、定向钻机施工成本较高等问题,以青龙煤矿21601掘进工作面为研究背景,提出了采用普通钻孔和定向钻孔联合预抽煤巷条带瓦斯。数值模拟结果表明:单钻孔预抽瓦斯时,抽采初期钻孔终孔位置处钻孔轴向瓦斯压力等值线呈“V”形分布,随着抽采时间延长,瓦斯压力“V”形分布逐渐平滑;钻孔径向瓦斯压力以钻孔为中心呈环状依次向外递增;预抽93 d时的有效抽采半径达3.80 m;普通钻孔和定向钻孔可分别有效控制煤巷两帮15 m和煤巷掘进工作面前方200 m范围内瓦斯。现场应用结果表明:普通钻孔和定向钻孔联合预抽时,瓦斯抽采总量平均值为19.86×10^3 m^3,瓦斯抽采体积分数平均值为53.5%,瓦斯抽采纯流量平均值为1.97 m^3/min,瓦斯抽采混合流量平均值为3.68 m^3/min,残余瓦斯含量小于8 m^3/t,瓦斯抽采效果良好。     

Chasing shared understanding in drilling operations

Lack of shared understanding is frequently found to be the main cause when accidents are investigated. Still, few studies explicitly explore and document the causal effects of shared understanding in successful work. Thus, the attribution of insufficient shared understanding as an accident cause lacks the substantiation of shared understanding as a contributor to successful work. In this article a case of measurement discrepancies in an offshore drilling operation is studied, and in the elaboration of the case shared understanding is found not to qualify as a condition with significant impact on the collaborative work. One important reason for this is the epistemological inadequacy of the different concepts of shared understanding. Although more critical research on shared understanding is needed before one can conclude more generic on this topic, the findings are important to the current development of Integrated Operations where shared understanding is pointed out as an important target area.     

Multi-sensor measurement system for robotic drilling

In this paper we present a multi-sensor measurement system for robotic drilling. The system enables a robot to measure its 6D pose with respect to the work piece and to establish a reference coordinate system for drilling. The robot approaches the drill point and performs an orthogonal alignment with the work piece. Although the measurement systems are readily capable of achieving high position accuracy and low deviation to perpendicularity, experiments show that inaccuracies in the test scenario and slippage on the work piece when exerting clamping force considerably impact the results. With the current robotic drilling system an average position deviation of 0.334 mm and an average deviation to perpendicularity of 0.29° are achieved.     

鱼塘冰层智能钻孔机器人设计

本设计是以STC89C52单片机为核心,开发了一种可以通过Wi-Fi通信技术远程控制进行冰面钻孔的机器人.针对北方冬天气温低,湖面和河道会结冰,给捕鱼工作者带来困难和危险这一情况,利用51单片机和改制好的路由器进行串口通信,发送数据包来控制直流电机从而驱动机器人进行移动、钻孔的动作,再利用温度传感器进行空气温度和冰下温度的测量,所测得的数据通过Wi-Fi数据传输到主控制台,就可以得到机器人前方的实时路况.经实验检验,本设计已经能达到实现远程实时控制机器人在冰上的作业目的,降低了冰面捕鱼工作者在冰面上钻孔的危险性,并且大大提高了捕鱼效率,具有一定科研价值和应用前景.     

凿岩机器人钻臂定位控制交叉精英反向粒子群算法

在利用粒子群优化算法(particle swarm optimization,PSO)进行凿岩机器人钻臂定位过程中,存在收敛速度慢和易于陷入局部最优解等问题.为此,提出一种交叉精英反向粒子群优化算法(crossover elite opposition-based particle swarm optimization,CEOPSO)并给出算法的流程.建立凿岩机器人钻臂运动学模型并对其逆向运动学进行求解.将交叉算子引入EOPSO中,采用自适应惯性权重和交叉概率参数控制技术,在维护粒子个体与最优解之间信息交换的基础上,增加粒子个体之间的信息交换,提高算法的全局搜索能力和钻臂定位效率.仿真结果表明,CEOPSO的平均位置误差和平均姿态误差均小于PSO和EOPSO算法,且迭代过程平稳,可以有效提高凿岩机器人钻臂的定位控制性能.