基于加速度计和磁强计的方位测量与校正技术研究

根据随钻测量的要求,描述了基于三轴加速度计与三轴磁强计测量钻具方位的方法,并针对铁磁性材料造成干扰磁场对方位测量引入的误差,提出了两种利用当地地磁场进行方位校正的方法--直接校正法和间接校正法,前者通过校正公式直接进行校正,后者通过循环递推逐次收敛于真实的方位.在原理分析的基础上,得出具体的校正算法,并通过数据仿真进行验证.结果表明,两种校正方法均能消除钻具干扰磁场的影响,获得准确的方位角,因此可以大大减少无磁钻铤的长度,节省钻进成本.     

基于加速度计和磁强计的非开挖定向钻进无线姿态测量

针对非开挖定向钻进的特殊要求,描述了一种无线定向钻进姿态测量系统,对系统具体的结构以及姿态测量方法同时进行了详细说明.该系统采用三轴微加速度计和三轴磁阻传感器作为姿态敏感器件,实时获取定向钻进中钻具的方位角、倾角和面向角信息.该系统具有体积小、成本低、可靠性高等一系列优点,非常适合浅层地下定向钻进测量.     

一种基于磁强计和倾角传感器的钻井测斜仪

描述了利用两轴倾斜角传感器与三轴磁强计测量钻井过程中的地下钻具顶角、磁方位角和工具面角的方法。针对目前已公开的磁方位角的解算数学模型存在缺陷的问题,结合空间坐标变换、空间直线方程和狗腿角的定义推导出磁方位角的数学模型,并给出了详细的软件和硬件实现方案及测斜仪工作流程。测试结果表明,该方案能获得精准的钻具姿态数据,顶角和工具面角数据非常稳定,磁方位角数据在±1°范围内波动,且成本低廉、体积小巧,是钻井测斜的理想选择。     

水平定向钻进随钻测量系统研究与设计

针对水平定向钻进具体的测最需求,提出了基于三轴加速度计和三轴磁强计的随钻测量方法,在此基础上利用MEMS微硅加速度计和MEMS磁阻式磁强计进行了系统设计,研制了实际的随钻测量装置,并通过采取特定的措施,如温度补偿和方位校正改善系统性能.结果表明,该装置能够安装在地下钻具的内部,钻进的同时完成倾角、面向角、方位角等参数的检测,倾角精度达±0.7°,面向角精度达±1.0°,方位角精度±2.0°.无论在外观还是在性能上都达到国外同类产品的水平,填补了国内空白.     

基于改进遗传算法的三轴磁场传感器校正方法研究

针对三分量磁场传感器存在三轴非正交性、三轴灵敏度不一致和零点偏移误差,不能满足磁场精确测量的问题,提出了一种基于改进遗传算法的三轴磁场传感器校正方法.建立了实际传感器的测量模型,分析了误差产生的机理,研究了误差校正的方法,设计了基于遗传算法和改进遗传算法的校正参数求解过程,通过仿真实验和实测实验,验证了校正方法的有效性和改进遗传算法的快速性,经校正后的三轴磁场传感器的测量精度得到大大提高.     

基于小波神经网络修正自适应滤波的钻具姿态解算研究

针对惯性随钻测量中，由于钻头振动导致系统三轴加速度计数据失真，从而使得解算的钻头姿态角误差较大的问题。提出一种基于小波神经网络(WNN)与自适应滤波(AKF)联合对钻具姿态进行估计的方法，首先建立钻具姿态自适应滤波的状态空间模型，根据估计后的残差不断调整自适应因子，降低姿态的估计误差，提高钻具姿态估计精度；根据滤波器的输入输出建立小波神经网络模型，对比输出误差在线修正网络模型，对姿态信息进行反馈补偿。设计振动台实验以及钻进实验对所提方法验证，其中钻进实验中井斜角误差降低到±1.8°，实验结果表明，所提方法解算精度优于自适应卡尔曼滤波算法，能够有效抑制振动误差对姿态解算的影响，为实际钻井提供理论依据。     

三轴机械几何误差辨识新方法的研究

为高效，简便，精确辨识三轴机械的几何误差，提出了一种新的位移辨识法，并以XYFZ型三轴立式机床为例，详细讨论了误差辨识的基本原理，该方法通过测量工作区内12条直线上的位移误差能快速，精确确定三轴机械的全部21项几何误差，缩短了误差辨识时间，并只需要少量的测量设备，是三轴机械精度评定的一种有效方法，特别适合经常性的精度监测和校正。试验结果验证了所述方法的正确性。     

垂直导向钻井工具安装误差的单象限校正

井下钻具姿态惯性测量单元(IMU)的安装误差降低了近垂直姿态的测量与解算精度。基于近垂直姿态下测量值与理论值之间的关系矩阵,推导其关系矩阵各项的相对误差,分析表达式各项相对误差特征,提出一种单象限校正方法。近垂直姿态下,采用单一象限内相对均匀的三组测量值得到一个校正矩阵,并对该象限内全部测量数据进行校正。姿态解算结果表明,与传统方法相比,单象限校正方法能有效提高姿态参数解算精度3.3倍以上。     

基于三轴加速度计的多维力传感器静态自校正

提出了一种多维力传感器的静态自校正方法.将三轴加速度计静态应用,可以测得其敏感轴与重力加速度的相对夹角.将多维力传感器中集成三轴加速度计,在校正过程中,旋转施加着标准砝码的多维力传感器,测量力传感器的输出,同时通过三轴加速度计测量力传感器的旋转角度姿态,计算得到砝码重力施加在传感器E的力向量,最终自动地得到多维力传感器的校止矩阵.实验结果表明,该方法显著地提高了校正效率,但与通常的标定台校正方法相比,较正精度略低.     

基于高斯牛顿迭代算法的三轴磁强计校正

三轴磁强计存在各轴刻度因子、零偏和轴间非正交性误差,需要研究其校正方法。基于标量校正法思想,对磁强计校正模型进行了推导,提出基于高斯牛顿迭代法的磁强计校正方法。采用高精度质子磁力仪提供磁场基准值。借助无磁转台转动磁强计,转动过程中磁强计连续采样,测量数据更具代表性和实用性。仿真结果表明,磁强计误差从162.135 nT降低到1.467 nT。实验结果表明,校正后,磁强计绕3个轴转动的测量值误差分别从1133.887 nT、1317.554 nT、1303.994 nT降低到36.964 nT、20.922 nT、15.664 nT。表明该方法能有效降低磁强计测量误差,磁强计精度明显得到提高。     

深水表层钻井随钻压力温度测量仪的研制

开展了深水表层钻井随钻压力及温度监测装置研究,研制出了一种适用于深水表层钻井过程中实时测量井底环空压力、钻柱内压和井底温度的井下测量仪器,为深水表层钻井、动态压井及表层固井水泥浆设计提供指导。测量仪器已经在我国南海第一口深水井LW6-1-1井的领眼井中成功进行了应用试验,验证了其在深水无隔水管钻井条件下(高振动、低温环境、风浪流等)的机械强度、稳定性、可靠性,测量数据能真实反映钻井工况。     

便携式多功能钻孔成像测量系统的研制

该文研究了一种基于OMAP4460嵌入式平台的便携式多功能钻孔成像测量系统,设计了钻孔成像测量系统的总体方案,详细阐述了微处理器、图像采集模块、深度采集模块、光源模块以及电源模块的硬件设计。为了实现钻孔成像测量系统的人机交互和信息展示,开发了钻孔成像测量系统APP,能够完成图像预览、拍照、录像、姿态显示、深度显示、参数设置、数据存储等功能。为了测试该钻孔成像测量系统的应用效果,选取了一个地面水文地质观测孔进行测量。试验结果表明:钻孔成像测量系统能够清晰观测孔内情况,准确采集钻孔轨迹和深度信息,完全满足目前地质勘测领域的测量要求。     

周向振动钻床钻夹头整体松脱解决方法研究

分析了周向振动钻床钻夹头整体从钻床主轴上松脱下来的原因，提出了极限摆振圆频率的概念，给出了极限摆振圆频率的计算公式．用事例验证了公式的正确性。找出了解决这一问题的办法，并提出了一些设想。实验表明，该方法简便、有效、切实可行。     

基于惯性传感组件和 BP 神经网络的 防冲钻孔机器人钻具姿态解算

钻孔卸压是高地应力矿井治理冲击地压的首要措施,对实施钻孔作业的防冲钻孔机器人钻具姿态准确测量是保障钻孔位置及卸压效果的前提。为此,本文提出了基于惯性传感组件和BP神经网络的防冲钻孔机器人钻具姿态解算方法,通过设计惯性传感组件的空间阵列式布局方式(空间阵列式IMU),建立了空间阵列式IMU的数据融合模型及位姿解算模型,实现了钻具姿态的高精度解算。在此基础上,提出了基于BP神经网络的惯性传感组件误差补偿方法,建立了钻具姿态解算误差补偿模型,并通过钻具模拟运动的解算分析对空间阵列式IMU解算和误差补偿方法的可行性进行了验证。最后,通过搭建的防冲钻孔机器人钻具姿态监测实验平台,对不同方法的钻具解算结果进行对比分析。实验结果表明,在BP神经网络模型进行误差补偿后,本文所提方法解算出的钻具姿态精度明显提高,钻具方位角、倾角和横滚角的平均误差分别为0.099°、0.079°和0.045°,有效抑制了惯性传感组件的漂移和误差积累,且钻具姿态解算误差曲线没有出现发散现象。因此,该方法可以持续稳定地对防冲钻孔机器人钻具姿态进行可靠监测,具有较高的推广应用价值。     

钻铤钢(AISI4145H)深孔加工试验研究

AISI4145H 钻铤用钢在石油天然气工程中用于制造油田钻井工具石油钻铤,随着我国石油天然气工业的不断发展,对钻铤钢的需求呈逐步上升趋势;针对AISI4145H钻铤用钢在深孔加工中的难点,展开试验研究,通过试验的方法,寻求高效可靠的钻铤钢(AISI4145H)深孔加工方法.     

扫描拟合磁定位方法在地下对接钻进中的应用

随着钻进距离的不断增加,单方向的水平定向钻进已经不能满足施工要求。使用2个钻机从出土点和入土点分别钻进是实现长距离钻进的有效方法。对接技术是实现长距离定向钻进的关键。为实现两侧钻机的对接,提出了基于永磁铁的扫描拟合磁定位技术。利用永磁铁的磁场模型,重新建立了对接过程模型。建立了该扫描拟合算法中两侧钻机相对位置的描述方式,针对该描述方式,提出了利用数值拟合求得钻头相对位置的方法。通过实验模拟对接过程,利用实验数据求得了两钻头的相对位置,其精度达到cm量级,从而证明了该方法的可行性。     

Investigation on thrust force in rotary ultrasonic drilling of CFRP using Brad drill

Abstract

The carbon fiber reinforced plastic (CFRP) has been widely used in manufacturing industry due to its excellent mechanical and physical properties. Brad drill, as a representative of new-type structural drills, is applied in processing of CFRP. Meantime, rotary ultrasonic drilling (RUD) is regarded as a superior method for machining composite materials, due to its outstanding performance in lowering thrust force and improving processing quality. However, there are few reports about RUD with Brad drill in CFRP drilling. In this study, the theoretical model of thrust force for RUD of CFRP using Brad drill is developed. The dynamic uncut chip thickness and average uncut chip thickness in RUD are obtained based on kinematic characteristics analysis. After that, the structure of Brad drill is analyzed and thrust force of the cutting lip is molded. Then a theoretical model is proposed to predict the thrust force. Finally, pilot experiments are conducted for the model verification. Experimental results show that the trends of thrust force agree well with the thrust force model and the prediction error is less than 10%.     

Development of a drilling and coring test-bed for lunar subsurface exploration and preliminary experiments

Drill sampling has been widely employed as an effective way to acquire deep samples in extraterrestrial exploration. A novel sampling method, namely, flexible-tube coring, was adopted for the Chang＇e mission to acquire drilling cores without damaging stratification information. Since the extraterrestrial environment is uncertain and different from the terrestrial environment, automated drill sampling missions are at risk of failure. The principles of drilling and coring for the lunar subsurface should be fully tested and verified on earth before launch. This paper proposes a test-bed for conducting the aforementioned experiments on earth. The test-bed comprises a rotary-percussive drilling mechanism, penetrating mechanism, drilling medium container, and signal acquisition and control system. For granular soil, coring experiments indicate that the sampling method has a high coring rate greater than 80%. For hard rock, drilling experiments indicate that the percussive frequency greatly affects the drilling efficiency. A multi-layered simulant composed of granular soil and hard rock is built to test the adaptability of drilling and coring. To tackle complex drilling media, an intelligent drilling strategy based on online recognition is proposed to improve the adaptability of the sampling drill. The primary features of this research are the proposal of a scheme for drilling and coring a test-bed for validation on earth and the execution of drilling experiments in complex media.     

微细钻头超声轴向振动钻入横向偏移的有限元分析

利用有限元技术对微细钻头超声轴向振动钻入横向偏移过程进行深入分析。结果表明,超声轴向振动钻削从根本上改变了普通钻削的钻入机理,减小了横向偏移量,提高了钻入定心精度,特别适合硬脆材料上的微小孔的精密和超精密加工。