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。     

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。     

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。     

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.     

新型煤矿井下定向钻进用有线随钻测量装置

针对现有煤矿井下定向钻进用有线随钻测量装置采用孔内电池筒供电存在的使用时间短、信号稳定性差、故障率和维护成本高等不足,提出一种采用孔口防爆计算机为孔内测量探管供电的技术方案;通过对孔口防爆计算机恒压源和信号转换解调设计,测量探管参数测量、二次电源工作和信号载波传输设计,测量软件的开发等关键技术进行研究,研制了防爆计算机供电式有线随钻测量装置,并在专业机构进行了测量精度试验,在神华宁煤集团石嘴山二矿进行了工作稳定性试验,在山西晋煤集团寺河矿进行了测量深度试验。试验结果表明,该装置技术方案可行,测量精度高于设计值,工作稳定性强,传输距离达1 881 m,可满足不同矿井、不同类型定向钻孔钻进需要。     

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。     

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.     

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。     

带杆冲击动力学仿真分析

桩工施工中旋挖钻机带杆故障多发,带杆产生的冲击力对旋挖钻机产生显著的破坏作用.为分析带杆冲击规律和冲击力的大小,建立仿真“带杆”冲击的多体动力学模型,分析冲击过程和最大冲击力.利用该模型分析带杆距离和缓冲距离对最大冲击力的影响.结果发现最大冲击力跟带杆距离呈现近线性关系,最大冲击力可达稳态力的数倍.增大缓冲距离能有效减小冲击力,当缓冲距离增大到刚好避免二次冲击发生时,继续增大缓冲距离对冲击力无影响.     

井下仰角钻孔测井系统设计

针对传统的测井系统存在总线利用率低、数据传输速率低等问题,提出了一种井下仰角钻孔测井系统设计方案,着重论述了系统结构、网络拓扑和以PIC18LF4680为核心的探管节点的软硬件设计。该系统应用文件管理控制芯片管理系统数据,实现了有缆和无缆2种测井方式。实际应用表明,该系统运行稳定,适用于生产矿井工况的测量。     

钻孔救援高速调制解调器设计

针对钻孔救援中铠装电缆作为通信线路存在通信速率低的问题,设计了一种高速调制解调器。该高速调制解调器以DSP芯片TMS320F2812为核心,结合可编程逻辑器件FPGA进行信号的采样与捕获,并运用二进制振幅键控调制解调方式,对传输的基带信号进行载波调制与解调。测试结果表明,在1 000m长的救援通信线路中,该高速调制解调器可有效提升信号的传输速率及抗干扰性,数据传输速率高于1 Mbit/s。     

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.     

A new method for overhead drilling

In the construction sector, overhead drilling into concrete or metal ceilings is a strenuous task associated with shoulder, neck and back musculoskeletal disorders due to the large applied forces and awkward arm postures. Two intervention devices, an inverted drill press and a foot lever design, were developed then compared to the usual method by construction workers performing their normal overhead drilling activities (n = 14). While the intervention devices were rated as less fatiguing than the usual method, their ratings on usability measures were worse than the usual method. The study demonstrates that the intervention devices can reduce fatigue; however, additional modifications are necessary in order to improve usability and productivity. Devices designed to improve workplace safety may need to undergo several rounds of field testing and modification prior to implementation.     

A simple model for laser drilling

A simple mathematical model of laser drilling is proposed. Assuming axi-symmetry of the process around the axis of the laser beam, a one-dimensional formulation is obtained after cross-sectional averaging. The novelty of the approach relies on the fact that even after dimension reduction, the shape of the hole can still be described. The model is derived, implemented and validated for drilling using lasers with intensities in the GW/cm² range and microsecond pulses.     

Optimal drilling strategies for petroleum extraction

This note outlines an adaptation of some control theoretic techniques developed earlier for a search problem to derive results of computational interest for optimizing a class of petroleum drilling operations. These results are obtained by formulating the drilling operation as a multistage decision process and using a dynamic programming approach.     

随钻双侧向电阻率测量系统

由于双侧向测量的方式具有更好的聚焦能力,可以同时进行深浅两种探测深度的电阻率测量,因此其具有更强的分层能力,使得不同岩性的地质剖面更加清楚。为此设计了一套随钻双侧向电阻率测量系统,并进行了钻井实验。实验结果证明,该系统能对储层电阻率进行双侧向测量,能真实反映地层电阻率信息,可以提高随钻地质导向钻井系统的性能,提高油气田的钻遇率。     

矿山钻孔救援探测机器人设计

基于矿山钻孔救援探测需求,针对现有探测机器人信息探测范围窄、探测距离较短、功能单一、无越障能力等问题,设计了一种矿山钻孔救援探测机器人。该机器人能够通过Φ225mm救援钻孔到达煤矿井下,利用携带的传感器和摄像头获取灾变区域的环境信息和被困人员信息,并将信息实时传到地面;以NI myRIO作为控制核心,采用LabVIEW图形化编程构建控制系统,利用有线通信方式实现机器人在灾变区域内的数据远程控制。试验结果表明:该机器人运动性能良好,具有体积小、质量轻、越障能力强等特点,可顺利通过救援孔,能够对井下环境信息进行实时检测和传输,为地面救援指挥中心决策提供了第一手资料。     

矿山钻孔救援探测机器人研究进展

分析了国内外钻孔救援技术、煤矿救援探测机器人及矿山钻孔救援探测机器人的研究现状,指出将煤矿救援探测机器人和管道机器人的研究成果与矿山钻孔救援的探测需求相结合,可以研制出满足要求的矿山钻孔救援探测机器人,提高井下灾后救援的成功率。从移动机构、导航、定位和路径规划、传感探测、通信和控制方式、能源供给、防爆性能等方面分析了矿山钻孔救援探测机器人的关键技术及其发展趋势,指出应围绕机器人的通过性、可靠性、轻量化、智能化等目标,在移动机构、能源供给和防爆性能等方面进行创新设计,提高传感检测范围和精度,研究未知、非结构化环境中的导航、定位及控制的智能算法,提高机器人的环境适应性。