为微型自主开发控制钻机在Drillbotics学生竞争

的Drillbotics™竞争挑战来自世界各地的学生团队设计、构建和运行一个小平台,可以自动钻垂直井筒通过岩石样本。团队是判断不仅速度他们钻和井筒的质量,但也多少他们在设计和构建平台学习。竞争,这是由钻井系统自动化技术部分(DSATS)的石油工程师学会(SPE),看到四个队晋级决赛2015年和2016年5支球队。

2014 - 2015年,首届比赛,我们的德州大学奥斯丁分校(标准以内的)与我们的独立的团队进入决赛,自主设计,称为nanoRIG。在2015 - 2016年的竞争中,我们再次决赛(图1),成功钻探通过与nanoRIGv2 30-cm-square岩石样本。我们实现了一个实时控制系统nanoRIGv2使用仿真软件金宝app^®、仿金宝app真软件实时™和Speedgoat目标硬件。这是去年的设计的一个重大进步,它使用一个窗口^®计算机与数据采集模块和手写的C代码。利用仿真软件,团队能够花更多金宝app的时间提高硬件和测试控制策略而不是调试底层驱动程序。钻井性能也改善了通过加强设定值跟踪和钻井优化。

Drillbotics岩石样本中包含多层次的未知成分,其中一些角度,让垂直钻井困难。实时控制器迅速回应这些不断变化的环境,使我们的钻机保持垂直井筒和最大化的速度渗透(ROP)在维持一致的训练速度和钻压(钻压)。

构建和测试平台和钻柱

构建nanoRIGv2,我们从我们的第一个平台重用许多组件,包括其结构框架,步进电机,驱动器,绞车,和泥浆泵(图2)。以适应一个更小的样本比用于nanoRIG,我们添加了一个独立的基础,提高钻机流动性,和一个内嵌钻柱扭矩传感器,以及传感器在底部钻具组合(BHA)的钻柱,包括加速度计来测量振动(图3)。我们在MATLAB进行计算^®确保组件的新基地将会强大到足以支持平台操作。金宝app

在早期的测试平台,我们尝试了各种组合的钻压和电机转速设定点。我们没有预料到的测试结果显示一个问题:钻柱的结构共振发生在电动范围的170 - 320 rpm,与钻压振动的严重程度相关。我们知道我们必须避免这个问题在钻井RPM范围。

开发控制系统

原始nanoRIG设计的一个缺点是相对较长(0.5 - 2秒)之间的延迟传感器输入和通过电动机驱动控制系统的响应。一秒或更长时间的延迟,系统无法足够迅速地反应岩层的变化。第二个缺点是,我们手写的代码中的错误偶尔控制软件崩溃引起的。nanoRIGv2,我们想减少延迟和消除需要手写的低级控制代码,因此选择使用仿真软件实时和Speedgoat系统。金宝app

nanoRIGv2的控制器处理来自多个传感器的输入,包括应变仪(钻压的计算),扭矩传感器,加速度计在底部钻具组合。使用该输入,控制器为齿轮传动绞车生成模拟电压步进电机,提高和降低一点,和顶部驱动电动机,它提供了对钻柱扭矩。这些汽车使用内部控制器和提供即时反馈信息的控制输入。

我们在仿真软件模拟控制器,将过滤器添加到应变仪输入步进电机金宝app所造成的噪音和减少钻井振动。管理比例和PID控制器的设定点,我们实现了一个监督控制器在MATLAB作为一个简单的状态机。这个状态机定义六个操作模式:初始化、脱扣,标签,钻探,跳脱出来,站在(图4)。未来的实现状态机将使用Stateflow^®;然而,最初的实现使用一个简单的switch语句在嵌入式MATLAB代码块在我们的仿真软件模型。金宝app

帮助我们在钻井监控系统,我们创建了两个方法,使用MATLAB和Simulink可视化。金宝app首先是一个钻井状态显示显示活动状态以及当前钻井数据和设置点。

第二,用于手动控制装置,一套四刻度盘用于指定RPM和罗普设置点以及旅行的深度和钻探目标深度。图5显示了这两个显示器,以及一个图像从一个监控摄像头安装在钻机上。通过将钻柱附近的摄像头,我们可以监测钻柱振动和弯曲而无需移动机械方法。

测试和实时控制器

我们测试装置和控制器在岩石样品的我们自己的角度层石灰岩和砂岩,模仿竞争对手样本。我们生成的实时控制软件使用实时仿真软件,仿真软件模型和Speedgoat目标硬件上运行应用程序连接金宝app到钻井平台的传感器和电机。监督控制算法通过了钻机的操作状态,实时应用程序处理传感器输入每秒1000次并根据需要调整电机速度保持钻压和转速设定点。

竞争的一天

比赛那天,代表DSATS来观看我们的钻机在标准以内的行动。竞争的需求后,我们开始在一个保守的160 RPM的速度证明系统运行流畅。我们很快清除,安全检查满意的法官和速度增加到我们的设计340 RPM。因此,我们提高钻速从每小时0.5厘米到几乎每小时10厘米。钻井速度的增加证明了控制器的能力改变状态和适应速度快得多。法官评论说,平台状态和性能的仿真软件可视化帮助他们建立信心的金宝app安全和系统的行为。

测试进行得很顺利,但是我们确实遇到了一些阻碍。我们不得不重新启动钻井过程中的稳定剂后发现底部钻具组合太大的井口安装。我们也经历了数据丢失,因为我们未能考虑到大的文件大小,造成长达数小时的钻井过程。

尽管有这些小挫折,nanoRIGv2成功钻垂直洞整个岩石样本。每一层的孔直和光滑均匀,干净的墙壁(图6)。这种级别的性能是可行的,因为我们用仿真软件创建实时控制应用程序反应立即岩石样本的变化不同的钻头通过层硬度和空气间隙层。金宝app

计划明年的竞争

DSATS委员会明年的竞争,消除了钻压的限制,增加了许用2.5马力的马达25 HP惠普。我们的团队计划用仿真软件和实时仿真软件开发一金宝app个增强的控制器,它将利用新准则,而我们现有的控制设计的处理方面,我们相信可以改善。

的一个主要改进我们计划2016 - 2017 Drillbotics竞争是利用Stateflow实施监管的状态机。我们还计划实施一个自动化的过程来确定最优钻压和转速值组合应对钻井环境的改变为了最大化钻速和降低钻井的失常。

罗马现在卡尔加里大学的助理教授,他在哪里形成一个新的Drillbotics团队。这个团队,计划使用仿真软件对控制设计,将直接对标准以内的团队金宝app和其他人竞争的扩大为2016 - 2017学年Drillbotics竞争。