1、钻完井智能机器人技术,王国荣,2019/11/9,2,目 录,1、技术背景 2、关键问题及难点 3、应用前景,3,1 技术背景,4,智能机器人技术在钻完井工程领域的研究发展迅猛，依据作业环境可分为：,地面机器人技术 井下机器人技术,地面机器人系统,钻井机器人,1.1 地面机器人技术,5,以Robotic Drilling Systems AS公司的智能钻井系统（RDS）为例，地面机器人主要分为：,智能排管机器人,钻井平台机器人,机器人钻工,起升机器人,钻井平台机器人 智能排管机器人 起升机器人 机器人钻工,1.2 井下机器人技术,6,井下牵引机器人Aker Solution-PowerTrac
2、,井下机器人技术一般是指在井下或管道中爬行并携带作业装置完成相关作业的机器人，主要分为两类：井下牵引机器人和管道检测机器人。,管道检测机器人Pipetel-Explorer,目 录,1、技术背景 2、关键问题及难点 3、应用前景,7,2 关键问题及难点,8,与常规机器人技术一样，作为一门多学科交叉的技术，涉及到机械设计、计算机、传感器、自动控制、人机交互、仿生学等多个学科。因此，机器人领域中需要研究的问题非常多，而其中感知、定位和控制是机器人技术的三个重要问题。,大驱动力系统研制 极限环境适应性 多机器人协同控制技术 能源供给问题 ,同时，又因油气行业的特殊性，钻完井智能机器人面临着更多的问题
3、，如：,2.1 地面机器人技术关键问题及难点,9,要详细描述钻完井机器人技术的关键问题，先对钻完井机器人技术的原理进行阐述。,（一）地面机器人技术技术原理,地面机器人技术与工业机器人相似，通过感知系统采集数据，通过控制系统对数据进行分析处理，并将指令传给驱动系统，使多自由度机械结构运转，完成作业任务。涉及机器人与环境、机器人与人的双向交互。其显著技术特征为具备多自由度机械臂。,2.1 地面机器人技术关键问题及难点,10,（二）地面机器人技术关键问题及难点,（1）环境感知系统,环境感知系统是机器人的眼睛，其在结构化的室内环境中相关技术相对成熟，而在室外实际应用中，由于环境的多样性、随机性、复杂性
4、以及天气、光照变化的影响，环境感知的任务更复杂，实时性要求更高。其面临的主要技术任务：,多传感器信息融合 环境建模,多传感器技术实现机械臂夹鸡蛋夹钻杆呢？,环境建模,2.1 地面机器人技术关键问题及难点,11,（二）地面机器人技术关键问题及难点,（2）多机器人协同控制技术,钻井平台上的作业机器人总是在协同工作，如起升系统、排管系统和机器人钻工协同完成钻杆的上卸扣作业，机器人需要像人一样学会彼此合作。同时，为满足油气行业的高安全性需求，需将钻完井机器人定义为同步协作机器人，涉及到的问题有：,多机器人系统不同层次的协调协作,体系结构建模 机器人间通信 合作决策 协调控制,混合式体系结构,2.1 地
5、面机器人技术关键问题及难点,12,（二）地面机器人技术关键问题及难点,（3）控制算法,机械臂具备多个自由度，作业时首先规划机械臂的轨迹，再通过机器人运动学求解各个关节的旋转角。理论情况下，按上述计算得到的关节角能够保证机械臂轨迹跟踪，但实际环境中存在很多扰动，需要对关节角进行反馈校正，保证稳定性，这又涉及到稳定控制算法。,一种基于视觉的机械臂空间目标抓取算法研究,2.2 井下机器人技术关键问题及难点,13,（一）井下机器人技术原理,井下机器人技术与工业机器人差异性大，其作业目的不再聚焦在物体的抓取和移动上。井下机器人通常由行走装置和作业装置组成，通过行走装置在井下或管道内行走，抵达作业地点后，
6、通过不同的作业装置完成检测、测量、清理、焊接、牵引、钻井等任务。,检测机器人,焊接机器人,钻井机器人,2.2 井下机器人技术关键问题及难点,14,（二）井下机器人技术关键问题及难点,井下机器人在行走过程中，必须面临弯道、障碍、管径变化等问题，因此精准的运动控制是保障行走能力的基础。,（1）运动控制,过弯能力 越障能力 管径适应性 速度调节 大牵引力,管道机器人过弯,2.2 井下机器人技术关键问题及难点,15,（二）井下机器人技术关键问题及难点,井下或管道中通常具备恶劣的工况，一方面高温、高压、高腐蚀性对机器人硬件设施提出严峻考验，另一方面复杂的地理环境往往要求机器人具备较小的体积参数，矛盾的设
7、计要求和实际工况使得井下机器人的研制困难重重。,（2）极限环境适应性,随着钻井进尺和管道长度的增加，对机器人的作业时间和里程提出更高的要求，意味着传统的拖缆式供能方式不再使用。同时更多作业装置的使用要求能源供给系统需具备大功率、大容量的特性。,（3）能源供给,2.2 井下机器人技术关键问题及难点,16,（二）井下机器人技术关键问题及难点,井下作业往往意味着高风险高成本，若下井或进入管道的机器人在作业时发生故障或卡堵将造成巨大损失，因此井下机器人的可靠性要求高，一方面体现在低故障率，另一方面体现为井下机器人需具备自救能力。,（4）高可靠性要求,一种防卡堵井下牵引器结构,正向自锁、反向解锁,2.2
8、 井下机器人技术关键问题及难点,17,（二）井下机器人技术关键问题及难点,由于油气井深度和地层干扰等原因，GPS等应用广泛的定位技术不能适配在井下作业和管道检测中。目前在井深测量通常通过读取钻杆长度实现，管道检测里程通常采用里程轮记录实现。,（5）自主定位,近年来， 一种在确定自身位置的同时构造环境模型的方法，被用来解决机器人定位问题。是否具备同步建模与定位的能力被许多人认为是机器人能否实现自主的关键前提条件。,基于SLAM技术的自主定位与导航,基于SLAM技术的 自主定位与导航,3 应用前景,18,随着世界范围内油气管道里程数的上升，可预见未来管道检测的重要性。以美国为例，据统计从1994年
9、到2013年，发生重大事故941起，导致363人死亡、1392人受伤和8亿美元的财产损失。目前，国外对管道检测机器人的研究较为领先，拥有众多成熟产品，时刻为企业带来巨大的经济效益。,Diakont管道检测机器人,Rosen管道检测机器人,KTN清管机器人,管道检测作业,19,油气井的钻井深度和水平段长度的增加，井下工具下入困难的问题日益突出，井下牵引器的运用将有效节约作业成本。,3 应用前景,Welltec-Well Tractor,Aker Solution-PowerTrac,Smart Completions-Smar Tract,Omega-Catapult,3 应用前景,20,地面机器人技术的运用解放了平台作业工人，增加了作业安全性和效率，国内外相关研究目前正在进行中。以Robotic Drilling System AS公司为代表对地面钻井机器人系统展开了深入研究，同时以Badger Explorer公司为代表对井下探测井钻井机器人系统展开了深入研究，两公司将陆续推出成熟产品。,RDS钻井平台机器人作业现场,Budger探测井钻井机器人作业现场,请各位专家提出宝贵意见建议!,刘清友教授 13880551889 王国荣教授 13981938089 ,21,
