油层电脉冲解堵机器人的建模及仿真研究.pdf

中国石油大学（华东） 硕士学位论文 油层电脉冲解堵机器人的建模及仿真研究 姓名苏健 申请学位级别硕士 专业计算机应用技术 指导教师张文东;李庆云 20080501 摘要 伴随着油田开发程度不断深入，油井中各种物理、化学堵塞现象日渐增多，导致原 油产量下降，开发成本上升。低频电脉冲解堵技术在油层造缝解堵方面虽具有自身优势， 但实际采油生产中仍存在局限性，智能化程度有待进一步提高。管道机器人在油层电脉 冲造缝解堵方面具有良好的应用前景。 本文在研究分析油层电脉冲解堵技术现状和存在问题之后，采用机器人技术进行油 层电脉冲解堵作业。文章根据油井工作环境的需要，结合轮式管道机器人和蠕动管道机 器人两者的优点，设计出一种能适应井下工作环境的电脉冲解堵机器人虚拟机方案。阐 述了机器人的机械结构和工作原理，分析了机器人运动学和动力学模型，重点包括运动 学模型、动力学模型的分析建立，机器人规格尺寸及运动约束的计算。从理论角度分析， 该机器人的设计对稳油降水、提高油层采收率、发挥低频脉冲波在强化采油技术方面的 优势具有重要意义。文章继而进行机器人的运动仿真。在V i s u a lC 6 ．0 环境中引入 O p e n G L 接口技术，针对仿真过程中遇到的碰撞问题，改进和构造了碰撞检测算法，并 对算法进行了理论验证和仿真试验，证明其实用性和可行性；针对不同油井的客观环境 存在较大差异，提出了一种新的逐点逼近B e z i e r 曲线生成算法，阐述了算法原理、程序 实现和实际应用，证明其优越性与实用性最后介绍了整个仿真系统的功能实现。 关键词电脉冲解堵，机器人，机械结构，模型分析，仿真，碰撞与干涉检测，B e z i e r 曲线 M o d e l i n g a n dS i m u l a t i o nR e s e a r c h i nR o b o to fE l e c t r i c a lI m p u l s ef o rJ a m S uJ i a n C o m p u t e rA p p l i c a t i o nT e c h n o l o g y D i r e c t e db yZ h a n gW e n d o n g L iQ i n g y u n A b s t r a c t A l o n gw i t ht h ed e e p n e s so fe m p o l d e rd e g r e e i n o i lf i e l d ，p h y s i c a la n dc h e m i cj a l n p h e n o m e n o ni no i lw e l la r eg a t h e r i n gm o r ea n dm o r e ，r e s u l t i n g i nt h a to u t p u to fb a s eo i l d e s c e n d sa n dc o s to fe x p l o i t a t i o na s c e n d s ．L o wf r e q u e n c ye l e c t r i c a li m p u l s et e c h n o l o g yf o r j m n i sp r o v i d e dw i t hi t so w na d v a n t a g e ，a tt h es a m et i m e ，i th a sl o c a l i z a t i o ni nt h ep r o d u c t i o n o fo i le x t r a c t i o na n di n t e l l i g e n c en e e d st ob ee n h a n c e d ．R o b o to fe l e c t r i c a li m p u l s ef o rj a mh a s b e c o m eaf a v o r a b l ep o t e n t i a la p p l i c a t i o n ． A f t e ra n a l y z i n gt h ea c t u a l i t ya n dp r o b l e mi nt e c h n i co fe l e c t r i c a li m p u l s ef o rj a m ，w e a c c e p tt h ei d e ao fm a k i n gu s eo fr o b o ti nt h ef i e l d ．F i r s to fa l l ，b a s i n gt h ee n v i r o n m e n t a lo fo i l p r o d u c t i o n ，t h i sp a p e rs c h e m e so u tav i r t u a lr o b o tm a c h i n eo fe l e c t r i c a li m p u l s ef o rj a n l c o m b i n e dw i t hw h e e l sr o b o ta n dp e r i s t a l t i cr o b o t ．W ei n t r o d u c et h em a c h i n e ’Sp h y s i c a l c o n s t r u c t i o na n do p e r a t i o n a lp r i n c i p l e ，a n a l y z em o d e lo fk i n e m a t i c sa n dd y n a m i c s ，m a i n l y i n c l u d i n ga n a l y s i sa n df o u n d a t i o no fm o d e la n dc o m p u t i n go u tt h es i z ea n dr e s t r i c t i o no f t h e m a c h i n e ．A n a l y s i n gf r o ma c a d e m i cp o i n to fv i e w , t h i sv i r t u a lm a c h i n eh a si m p o r t a n tm e a n i n g f o rh e i g h t e n i n gr e c o v e r yr a t i oa n db r i n g i n gp r e d o m i n a n c eo fl o w - f r e q u e n c yi m p u l s ew a v ei n o i le x t r a c t i o nt e c h n i ci n t op l a y ． O nt o po ft h a t ，w es i m u l a t et h em a c h i n e ’Sm o v e m e n t ．O p e n G Li si m p o r t e di n t oV i s u a l C H6 ．0a n dw ea m e l i o r a t ea n dc o n s t r u c td e t e c t i o na l g o r i t h mo fc o l l i s i o na n d i n t e r f e r e n c e ．A c a d e m i cv a l i d a t i o na n de m u l a t i o n a lt e s ta r eg i v e nt op r o v et h ep r a c t i c a b i l i t y a n df e a s i b i l i t y ．A f t e rc o m p a r i n gw i t he x i t i n gg e n e r a t i n ga l g o r i t h m sf o rB e z i e rc u r v e ，an e w p o i n t - b y - p o i n ta p p r o a c hg e n e r a t i n ga l g o r i t h mi sp r e s e n t e da n d i t se l e m e n t sa n dp r o g r a m r e a l i z a t i o n sa r ed e s c r i b e d ．F i n a l l y , f u n c t i o no ft h ew h o l es i m u l a t i o ns y s t e mi si n t r o d u c e d ． A l lt h er e s e a r c hw o r kd o n eh e r ew i l ls u r e l yd og r e a tb e n e f i t st ot h er o b o ts i m u l a t i o n t e c h n i q u ea n d f u r t h e ra p p l i c a t i o n ，a n di th a sp r a c t i c a la n dt h e o r yv a l u e ． K e yw o r d s e l e c t r i c a li m p u l s ef o rj a m ，r o b o t ，p h y s i c a lc o n s t r u c t i o n , m o d e la n a l y s i s ， s i m u l a t i o n ，d e t e c t i o no fc o l l i s i o na n di n t e r f e r e n c e ，B e z i e rC U r V e 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学 华东 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位做作者躲益逮 日期．2 驴毋年岁月2 卵 学位论文使用授权书 本入完全同意中国石油大学 华东 有权使用本学位论文 包括但不限于其印刷版 和电子版 ，使用方式包括但不限于保留学位论文，按规定向国家有关部门 机构 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和 复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他 复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名 蕴熊 指导教师签名奎越 日期2 ．0 0 8 年岁月2 岁日 日期印四年f 月≥r 日 中国石油大学 华东 硕士学位论文 1 ．1 课题的研究背景 第一章绪论 1 ．1 ．1 油层电脉冲解堵技术 随着油田开发程度的不断深入，油井中的各种物理、化学堵塞现象日渐增多，导致 原油产量下降，开发成本上升。为了稳油降水，降粘解堵，提高采收率，各油田采取了 不同措施，其中低频脉冲波强化采油技术以其自身的优势，日益受到人们的重视。 老油田注水难存在多方面的原因①地层致密低渗；②区块破碎，断层发育，连通 性差；③钻井、作业和开发过程引起的井眼附近或深部地层损害堵塞【l 】。前两个因素是 影响油田注水的主要因素，也是在现有技术条件下，通过物理和化学手段还无法解决的 问题。我们唯一能做的工作，只有用物理和化学手段解除井眼附近或深部地层的损害堵 塞，同时以精细的优质注入水，减少对地层的污染、伤害，确保喉道畅通，满足低渗地 层的需求。 引起损害堵塞的原因包括机械杂质堵塞，化学物质在地层高温下沉淀析出引起的 堵塞，注入水与地层配伍性差引起粘土膨胀、封锁喉道，形成的堵塞 即水敏 等。为 了确保措施有效，必须首先确认与对应油井连通性是否良好，其次，准确判断地层是否 存在损害堵塞。如果存在损害堵塞，还要找准是由什么原因引起的损害堵塞，才能对症 下药，因地制宜，采用不同的工艺手段和配方。一般来说，由水敏引起的堵塞，范围较 大，凡注入水波及到的区域均存在，而由机械杂质和化学沉淀物引起的堵塞，由于地层 致密低渗，主要集中在近井地带f 2 】。 长期以来，对于油井解堵一直采用压裂、酸化、挤液等常规增产工艺，这些工艺比 较成熟，均具有改善油层孔渗条件以达到解堵的目的。但是这三种工艺也有自身的局限 性【3 】。 1 ．压裂、酸化、挤液都涉及到利用新的化学溶液将近井地带污染物挤压进地层深 部，极易造成二次污染。 2 ．分层处理比较困难，往往造成孔隙度高的层被处理开，而孔隙度差的层收不到 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。 3 ．对质量不好、套管变形、破损的井处理十分困难，费用较高。 4 ．相对来说动用设备多，人员多，工艺复杂，占用周期长，费用较高。 第一章绪论 目前国内处理近井地带堵塞的方法和技术多种多样，可以概括为化学法、物理法、 物理化学法和微生物法等四类方法。化学法解堵技术主要有常规酸液解堵，各种缓速 酸液解堵和解除近井地带堵塞所用的解堵剂解堵；物理法解堵技术主要有蒸汽吞吐解 堵法，电磁加热解堵法，多脉冲高能气体压裂解堵法，低频电脉冲解堵法，人工地震解 堵法 或冲击波解堵法 ，高压水射流解堵法，水力振动解堵法，声波一超声波解堵法 和其他解堵方法；物理一化学法解堵技术主要有热化学解堵法和联合解堵法【4 1 。 井下电脉冲解堵增产技术是8 0 年代后期国际上兴起的油田开发新技术，能有效地 解除钻井、完井、采油等一系列施工过程中对地层油气通道的污染和堵塞。此项技术在 前苏联的一些国家 如俄罗斯、乌克兰等 应用较广，已作为油田常规增产措施之一【5 1 。 据乌克兰方面提供的资料，施工有效率为7 0 ％以上，平均增产一倍，有效期三个月以上， 个别井可达一年之久。 井下低频电脉冲解堵采油技术亦称电液压冲击法处理油层技术或电爆处理油层技 术[ 6 , 7 1 ，该技术是通过在井下液体中高压放电，在地层中造成定向传播的压力脉冲，选择 性处理注入水波及差的油层或薄层，从而达到增产原油、降低含水和水井增注的目的。 其物理实质是高压击穿充满井内的局部介质，在容积很小的通道内迅速释放出大量能 量。在液体中脉冲放电具有很高的能量密度，就是说，实际上是一种爆炸。电爆能够产 生大密度的高压等离子体、强大的冲击波、脉动的蒸气瓦斯混合气腔和脉冲电磁场，其 中冲击波是主要因素【引。 低频电脉冲波解堵仪通过井下仪的放电部分在正对油层的位置进行脉冲放电，放电 的瞬间在井内液体中瞬时激发产生高强度的低频脉冲波和强电磁场，由于低频脉冲振动 波在地层中衰减小，穿透能力强，其作用于油层，使油层产生微裂缝，解除油层污染、 堵塞，提高产层渗透率【9 ，- o l 。 与化学解堵方法相比，低频电脉冲解堵法具有明显的优势 1 现场施工工艺简单，并可与常规修井相结合。修井时，当起完井下管柱后， 借助修井架或吊车配合完成放电作业。占用时间短，配套设备少，易于施工操作和管理。 2 井下电脉冲解堵技术直接作用于油层，能够有针对性地分层段逐级处理油层。 3 该技术一次投资少，．能耗少，十分经济。 4 对油水井套管无损坏作用。 5 不产生二次污染。 6 该工艺不仅适用油井解堵增产，同时也适用水井解堵增注，有较高的推广价 2 中国石油大学 华东 硕上学位论文 值。 同时，目前国内外采用的电脉冲解堵技术也存在不足之处【l l 】 1 装置一般由地面部分和井下部分组成，作业时将井下放电仪下放，到达预定 位置后接通电源，以一定频率发射电脉冲。放电作业按设计由最下层开始，自下而上逐 段处理，以一定长度为一个处理段，每段放电一定的次数，处理完毕上提井下放电仪。 因此上述工作仍是非智能的，整个工艺技术只是实现了部分智能化。其解堵技术的智能 化程度还有待进一步提高。 2 当井内液体矿化度高时该技术常常效果不佳，有一定的局限性。 3 该种工艺方法的放电过程是在井筒内进行的，其放电时产生的爆炸冲击作用、 空化作用和热效应在井筒内损失较大，降低了其解堵作用效果，基本无造缝作用，对油 层套管有一定的伤害。 4 目前我国针对该技术研制的仪器设备尚处于开发试验阶段，有些硬件本身存 在不足，例如靠电容蓄电得到高压，然后再通过电极产生电弧放电，电容反复充电放电 极易老化击穿。另外处理油层半径范围有限，有效期短，整体工艺有待进一步完善【1 2 1 。 该技术在国外已作为油井常规解堵技术，增产效果明显，并可用于注水井解堵，增 加注水井的注水量。在我国还刚开始起步，具有较高的推广应用价值。随着油田开发程 度的不断深入，低频电脉冲解堵技术必将具有更广阔的应用前景。 1 ．1 ．2 管道机器人技术 在一般工业、核设施、石油天然气、军事装备等领域中，管道作为一种有效的物料 输送手段得到广泛应用‘b 】。其工作环境非常恶劣，容易发生腐蚀、疲劳破坏或使管道内 部潜在的缺陷发展成破损而引起泄漏事故等。为提高管道的寿命、防止泄漏等事故的发 生，必须定期地对这些管道进行检修和维护，然而管道所处的环境往往是人力所限或人 手不及，检修难度很大，而管道机器人正是为了满足高效准确的管道检测维护需求而出 现并发展起来的f 1 4 1 。 石油工业中应用了各种类型的管道，包括油气长距离输送管道、油田内部集油管道、 注水管道、供水管道、石化工厂中传递各种介质的管道。这些管道在长期使用过程中会 受到管内外介质的作用而产生腐蚀、结垢、裂纹、穿孔等导致管道失效，影响油气生产 的正常进行。我国油气管道大多是在6 0 ．7 0 年代建设的，迄今仅在役时间近3 0 年、处 于中老龄期和事故多发性阶段的长输管线已逾1 ．7 万千米【1 5 J ，正面临管道进入中老龄期 3 第一章绪论 和事故多发阶段，油气管道的检测和评价需求已日趋迫切。 随着我国经济持续、快速发展，社会对埋地管道的需求将会迅速增加，未来的一二 十年，我国将进入埋地管道建设和发展的高峰期。鉴于埋地压力管道具有泄漏和爆炸的 潜在危险，世界上的工业发达国家都颁布有关法规或规范，对埋地压力管道的设计、施 工焊接、运行等过程进行严格控制，以确保埋地管道的运行安全。我国在压力管道安全 管理方面起步较晚，近年来，与此有关的泄漏与爆炸事故频繁发生，威胁到人身安全且 破坏生态环境，因此，提高压力管道的检测技术，确保压力管道的安全运行在我国具有 十分重大的意义。而管道机器人，作为一种有效而可靠的管道检测工具，已经成为国内 外研究的热点【1 6 J 。 目前国内外管道机器人的研究成果已经很多，虽然在对微小管道、特殊管道 如变 径管道、带有U 型管的管道 进行检测、维修方面还刚起步，但是由于该类管道在各个 领域的广泛应用，研发该类机器人极具吸引力。 管道机器人的驱动源大致有以下几种【1 7 , 1 8 1 微型电机、压电驱动、形状记忆合金 S M A 、气动驱动、磁致伸缩驱动、电磁转换驱动等。而机器人的行走方式又可分为的 轮式、脚式、爬行式、蠕动式，履带式等，如图1 ．1 所示。 图1 - 1 机器人的行走方式 F i g l 1M o v em a n n e ro ft h er o b o t 我国管内移动机器人技术的研究已有1 0 余年的历史，中国科学院沈阳自动化研究 所、哈尔滨工业大学、上海交通大学、大庆石油管理局、胜利油田、中原油田等单位都 进行了这方面的研究工作。哈尔滨工业大学的邓宗全等人于1 9 8 7 年起就对管内行走机 构进行了较深入的研究，并研制了螺旋驱动式管内移动机器人实验样机和平面四点支撑 的“ⅪP - R 型“ 管内移动机器人实验样机。此后又结合国家8 6 3 计划5 1 2 主题“管内 作业机器人产业化开发“ 项目研制了“①8 9 管内补口机器人”和“①6 6 0 野外大直径管 道x 射线探伤机器人“ 。其中“6 6 0 野外大直径管道X 射线探伤机器人“ 已在国家重点 4 中国石油大学 华东 硕士学位论文 工程“陕一京“ 天然气管线工程中得到实际应用。1 9 9 7 年1 0 月又研制出航空输油管内 喷涂机器人并已在浦东机场工程中投入使用。哈尔滨工业大学的于殴勇、张永顺等人研 制了“蠕动式管内移动机器人“ 实验样机【1 9 】。 国内有关单位也对“管内作业装置“ 等问题进行了多项内容的研究与开发，作出了 具有一定意义的工作，它们是‘2 0 川 1 上海交通大学的“管内移动装置行走机构研究“ 2 中原油田研制的适用①5 2 9 m m ．①6 3 0 m m 埋地钢质管道的内环焊缝区域喷涂 常温固化液态涂料的补口机； 3 胜利油田研制的适用于m 2 1 9 m m - 0 6 3 0 m m 管道的S 卜1 型钢质管道内涂层 检测补涂机； 4 大庆油建科研所和吉林省模具厂联合研制的小I Z l 径管道 ①1 1 4 m m 补口机。 轮式的管道机器人结构简单，容易实现，速度快，牵引力大，承载能力强，对管道 的适应能力强，但是其越障能力较弱，并且其牵引力的提高受到封闭力的限制，驱动轮 作为动力来源，与管道壁的磨损严重；蠕动式的机器人越障能力强，运行稳定，但是蠕 动机器人大多采用形状记忆合金、气动、压电金属、电磁等驱动方式，其中采用形状记 忆合金、压电金属和电磁驱动的蠕动机器入速度慢，承载能力弱，运行速度小，而气动 驱动的蠕动机器人的气流导管较复杂，并且能源供给不方便【2 2 乃1 。由此可见，轮式管道 机器人和蠕动管道机器人的优缺点是互补的。 1 ．1 ．3 计算机仿真技术 仿真 S i m u l a t i o n ，即通过对系统模型的实验去研究一个存在的或设计中的系统。 随着计算机技术的迅速发展，仿真的含义也越来越广泛。仿真所指的模型包括物理的和 数学的、静态的和动态的、连续的和离散的各种模型。所指的系统既包括电器、机械、 化工、水利和热力等系统，也包括社会、经济、生态、管理等系统。当所研究的系统昂 贵、实验的危险性大或需要很长时间才能了解系统参数变化所引起的后果时，仿真是一 种特别有效的研究手段。仿真研究的重要工具是计算机，仿真与数值计算、求解方法的 区别在于它首先是一种实验技术【2 4 1 。 仿真通常按照所采用的数学模型可分为物理仿真、数学仿真 计算机仿真 和数学 物理仿真。以物理系统作为模型，并在其上进行实验的技术称为物理仿真。建立系统 的数学模型，并将其放到计算机上进行实验称为数学仿真。将物理模型和计算机仿真模 5 第一章绪论 型联合在一起进行实验就是数学物理仿真[ 2 5 , 2 6 ] 。计算机问世以前，只有物理仿真， 计算机问世后，数学仿真才得到发展。 在众多的仿真文献中，对仿真的定义是基于同一观点为了分析与研究已经存在的 或尚未建成的系统，首先应该建立系统的数学模型，并将其安装在计算机上进行实验， 这一过程就称为仿真。但传统的仿真着重于“实验“ 和“实验方法“ 研究。近年来，随 着一体化仿真技术的提出和发展，人们逐渐认识到建立模型对于仿真的重要性。 数学模型，无论是在纯科学领域还是在实际工程领域都有着广泛的应用。首先，数 学模型可以帮助人们不断加深对客观世界的认识，并且启发人们去进行可以获得满意结 果的实验。另一方面数学模型有助于提高人们的决策和对客观世界的干预能力。 建模过程的一个总的描述可用下图表裂2 7 】 图1 - 2 建模过程总框图 F i g l 一2 P r o c e s so fm o d e l i n g 仿真实验的准备阶段包括数学模型的构造和确认，数据的采集，仿真程序的编制和 验证等工作【2 吼。 1 构造仿真模型 构造仿真模型具有其本身的特点。首先它是面向问题和过程的构模方式。在连续系 统仿真建模中，主要是根据系统内部各个环节之间的因果关系，系统运行的流程，按一 定方式建立相应的状态方程或微分方程来实现仿真建模。其次，注意仿真模型与所选用 的仿真语言和仿真程序的密切关系。除此之外，还应考虑1 、将要建立的系统数学模 型的形式；2 、数学模型的精度。任何不必要的模型精度，意味着建模及仿真的费用增 加、周期延长。3 、尽量考虑研究、分析问题及建模的方便性。4 、模型要具有易扩展性。 2 数据采集 6 中国石油大学 华东 硕士学位论文 为了进行系统仿真，除了必要的仿真输入数据外，还必须收集与仿真初始条件及系 统内部变量有关的数据。这些数据往往是某种概率分布的随机变量的抽样结果，因此需 要对真实系统的这些参数，或类似系统的这些参数做必要的统计调查，通过分析拟合、 参数估计，以及假设检验等步骤，确定这些随机变量的概率密度函数，以便输入仿真模 型，实施仿真运行。 3 仿真模型的确认 在仿真建模中，所构造的仿真模型能否代表真实系统，这是决定仿真成败的关键。 按照统一的标准对仿真模型的代表性进行衡量，这就是仿真模型的确认。然而，由于仿 真模型确认和验证的理论与方法目前尚未达到完善的程度，仍有可能出现不同仿真模型 都能得到确认的情况。因此改进仿真模型的确认方法使之更趋于定量化，仍然是系统仿 真的一项研究课题【2 9 1 。 4 仿真程序的编制和验证 在建立仿真模型之后，就需要按照所选用的仿真语言编制相应的仿真程序，以便在 计算机上做仿真程序运行实验。为了使仿真程序能够反映仿真模型的运行特征，必须使 仿真程序与仿真模型在内部逻辑关系和数学关系方面具有高度的一致性，使仿真程序的 运行结果能精确地代表仿真模型应当具有的性能。通常这种一致性由仿真语言在编程和 建模的对应性中得到保证。但是，在模型规模较大或内部关系比较复杂时，仍需对模型 与程序之间的一致性进行验证。通常均采用程序分块调试和整体程序运行的方法来验证 仿真程序的合理性也可采用对局部模块进行解析计算与仿真结果进行对比的方法来验 证仿真程序的正确性。 仿真实验与结果处理阶段涉及实验运行、结果分析和实验研究报告的形成1 3 0 1 。 1 仿真模型的运行 由于每次仿真运行仅是系统运行的一次抽样，多次独立重复的仿真运行才能得到仿 真输出响应的分布规律。这种独立的、重复的仿真运行，应当是在相同的初始条件和相 同的输入数据条件下，采用相互独立的随机数流进行仿真，从而模拟一种独立的抽样过 程。此外，进行系统仿真往往需要根据仿真的目的确定最主要的决策变量，从不同的决 策变量取值的组合中，找出一种满意的方案。由于这种变量组合数往往随变量数的增加 呈指数增长关系，为了用最少的仿真次数取得最必需的仿真输出数据，在做仿真运行之 前还应做仿真实验设计，对决策变量的组合进行设计和安排，以提高仿真运行的效率。 2 仿真输出结果的统计分析 7 第一章绪论 对仿真模型进行多次独立重复运行可以得到一系列的输出响应和系统性能参数的 均值、标准偏差、最大和最小数值及其它分布参数等。但是，这些参数仅是对所研究的 系统做仿真实验的一个样本，要估计系统的总体分布参数及特征，还需要在仿真输出样 本的基础上，进行必要的统计推断。 3 仿真实验研究报告 对每次的仿真实验结果进行综合分析研究，撰写研究报告。 随着计算机技术的迅猛发展，计算机图形仿真技术也日趋完善从简单的模型构 建发展到对实际工作场景的模拟。利用计算机图形仿真技术能够在计算机图形终端上逼 真地显示产品的几何形状，形象地展现产品的各种物理特性，有效地完成产品功能的图 形仿真。设计者借助该技术在制造产品样件之前就能了解产品的各种性能，并能迅速方 便地修改方案【3 1 ，3 2 1 。 1 ．2 本课题的提出及研究意义 1 ．2 ．1 本课题的提出 本课题来源于国家自然科学基金资助项目“油层仿生电脉冲造缝解堵技术基础及应 用研究“ 。 通过上述对油层电脉冲解堵技术现状的调研得知，目前电脉冲解堵技术存在不足之 处，装置由地面部分和井下部分组成，作业时需将井下放电仪下放，处理完毕时再上提 井下放电仪，使得解堵工作仍是非智能的，整个工艺技术只是实现了部分智能化。因此 本课题采用机器人技术实现电脉冲解堵技术的并下作业功能，进一步提高油层电脉冲解 堵技术的智能化程度。 鉴于轮式管道机器人和蠕动管道机器人优缺点的互补，本课题设计一种同时具有两 者优点的用于油层电脉冲解堵的新型蠕动管道机器人，该机器人一方面具有轮式机器人 运行速度快，承载能力强的优点，还具有蠕动机器人的运行平稳，越障能力强和弯道通 过性好的优点，另一方面，它的动力源不是驱动轮与管壁之间的摩擦力提供的，因此克 服了轮式机器人驱动轮与管壁摩擦严重的缺点。 由于计算机仿真技术可以实现从简单模型构建到实际工作场景模拟的功能，因此， 本课题将进一步研究如何利用计算机图形仿真技术在计算机图形终端上逼真地显示该 管道机器人的工作过程，更好地帮助机器人达到电脉冲造缝解堵的目的。 8 中国石油大学 华东 硕士学位论文 1 ．2 ．2 本课题的研究意义 本课题根据采油井工作环境的需要，研制出能适应井下工作环境的新型管道机器 人。在间接延长人类能力的同时，人类的行为能力、感知能力和思考能力也将得到直接 的延长 并伴随着结构的完善 。这不仅是技术发展的结果，更是人们对于智能化需求 不断增长的结果。开展有关采用机器人实现电脉冲解堵技术的理论及应用研究，不仅对 实现油田解堵清污、提高油田储层渗透率和采收率有着重要的现实意义，更对满足人们 对智能化日益增长的需求，促进智能化技术的发展有着重要的理论和现实意义【3 3 】。 1 ．3 本论文的研究内容 由于时间原因以及专业限制，本人在该课题中主要承担油层电脉冲解堵机器人的建 模及仿真研究。本论文的主要内容是设计用于油层电脉冲解堵作业的采油井管道机器 人，介绍机器人的机械结构和工作原理，对其进行运动学和动力学模型分析，并对机器 人的运动碰撞过程和井下作业环境进行仿真。主要包括以下几部分内容 第一章为绪论。调查研究了油层电脉冲解堵技术、管道机器人技术及计算机仿真技 术的现状和存在的问题，介绍了本课题的来源、研究意义及本文的研究内容。 第二章为机器人虚拟样机机械结构设计。阐述了管道机器人虚拟机机械结构设计方 案及总体和各部分结构的工作原理。 第三章为机器人运动学和动力学模型分析。分析管道机器人受力，建立管道机器人 的运动学和动力学模型，计算出机器人的规格尺寸及运动约束条件。 第四章为机器人结构参数分析与优化。分析了结构参数对牵引力、移动速度和电机 转矩的影响，进行了参数优化。 第五章为碰撞与干涉检测。针对管道机器人仿真过程中遇到的碰撞问题，改进和构 造碰撞检测算法，并对算法进行理论验证和仿真实验。 第六章为油层电脉冲解堵机器人仿真系统的实现。分析比较了目前已有的B e z i e r 曲线生成算法，采用了一种新的逐点逼近B e z i e r 曲线生成算法绘制采油井弯曲管道，并 介绍了整个仿真系统流程。 最后，对论文进行了总结并指出今后需要继续开展的工作。 9 第一 帆8 虚拟样机机裱结构设计 第二章机器人虚拟样机机械结构设计 2 ．1 机器人整体设计方案 2 11 整体结构 该课题设计的用于油层电脉冲解堵的管道机器人虚拟机整体三维模型如图2 - 1 所 示，主要部分为变径制动轮总成、万向联轴节、套筒总成、丝杠螺母、柔性丝杠、机 器人微调机构、电火花送进机构总成、旋转检测机构及电机。 始辫黼警万自瞄节筮杜P 万胄f 舯蚁蔸送谙黼电帆她叩蚴t 崽黼蚓 圈2 - 1 电脉冲解堵机器人机构总图 F i 9 2 - lC o n f i g u r a t i o nd r a w i n g o f e l e c t r i c a l i m p u k er o b o t f o r j a m 变径制动轮总成是由在空间成1 2 0 度分布的三个轮架组成，它有两方面的功能第 一，由三个轮架的张开和压缩来适应不同的管径，使它可以在管径为中I O O m m ．o1 6 0 m m 的管道中运行；第二，通过其制动架起到制动的作用。套筒总成中的套简为丝杠提供运 动空间，其中的平行四边形轮架结构也有两方面的作用第一，用来适应不同的管径； 第二，对套筒起到支撑作用，使套茼的轴线与管道的轴线保持重台，防止套筒偏斜。左 边的变径制动轮机构与套筒总成通过万向联轴节连接，右边的变径制动轮机构也通过万 向联轴节与电机连接，这有利于机器人在弯道处的灵活转弯。步进电机带动丝杠来提供 动力丝杠采用的是圆筒式橡胶丝杠，柔性和刚性都很好，在保证完成传动作用的前提 下，还可以在机器人通过弯道时发生弯曲变形，保证机器人能顺利地通过弯道。 2 l2 机器人工作原理 该蠕动机器人可以在管道中双向运动，以其在管道中向右运动为例说明它的工作原 理。其向右运动的过程是右变径制动轮机构在其制动机构的作用下镄死，左变径制动 轮机构保持原状态，步进电机正转，带动柔性丝杠转动，丝杠螺母在丝杠的带动下向右 中国石油大学 华东 碰学位论文 运动，从而带动左变径制动轮机构和套筒总成向右移动，而右变径制动轮机构不动机 器人微调机构采用电磁工作原理，运用P W M P u l s eW i d t hM o d u l a t i o n ，脉宽调制 技 术进行控制，带动其下面连接机构运动，从而使旋转检测用传感器与某孔眼处于同一水 平面，利用通电的电机带动旋转装置旋转一定角度使送进电极深入孔眼，并通过电极送 进机构电磁铁的交替运动使电极丝逐渐向前蠕动。当丝杠左端移动到套筒中的某个位置 时，步进电机停止，进入一段延时，在这段很短的延时过程中左变径制动轮机构在其制 动机构的作用下锁死，右变径制动轮机构的制动机构松开．然后步进电机反转，带动丝 杠转动，推动右变径制动轮机构、电机、放电装置和丝杠整体向右运动，这样就完成了 一个蠕动放电行程，重复以上的步骤可以实现连续向右蠕动放电解堵。 如果掉换左右两个变径制动轮机构总成的锁死顺序，则可以实现蠕动机器人向左的 蠕动放电解堵。 2 ．2 变径制动轮总成设计方案 2 ．2 1 结构设计 变径制动轮机构总成由支撑头、滑杆、滑套、压缩弹簧、导向键、三个空间成1 2 0 度对称分布的轮架、三个空间成1 2 0 度对称分布的支撑架组成，其具体的结构如图2 ．2 所示。它有两个功能；第一，通过调节它，可以适应中l O O n m l - 1 6 0 m m 的任意的管径， 使空间的三个轮始终与管道内壁接触；第二，通过控制它的制动架的运动，锁死变径制 动轮机构，为机器人实现蠕动进给提供条件，而左右两个变径制动轮的锁死顺序也是控 制机器人双向运动的条件。 ⋯ m t m ，『 H ； M ’7 图2 - 2 变径倒动轮结构图 F 1 9 2 - 2M e c h a n i s m d r a w i n go f b r a k e w h e e l s 第二章机器人虚拟样机机械结构设计 2 ．2 ．2 变径原理 该机构的变径是通过滑套沿导向键在滑杆上的左右滑动，从而带动三个空间成1 2 0 度对称分布的轮架张开和收缩来实现的。图2 ．3 所示为最大管径的状态