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基于改进YOLOv5s的轻量化智能钻机管柱检测方法

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北京航空航天大学学报 2024年

作者：牛柯彭斌杨小亮兰州理工大学机电工程学院兰州兰石石油装备工程股份有限公司

当前，钻井平台管柱的自动化转运和上卸扣作业水平较低，这导致了明显的效率和安全问题。为了解决这一问题，精确检测钻杆和管柱接头是实现管柱自动化处理的关键。因此，本研究提出了一种改进的自动化钻机管柱处理多目标检测算法。采用... 详细信息

当前，钻井平台管柱的自动化转运和上卸扣作业水平较低，这导致了明显的效率和安全问题。为了解决这一问题，精确检测钻杆和管柱接头是实现管柱自动化处理的关键。因此，本研究提出了一种改进的自动化钻机管柱处理多目标检测算法。采用轻量级的EfficientNetv2网络作为特征提取网络，使用YOLOv5s-6.0中的SPPF空间金字塔池化模块，以减少模型参数数量。为了提高目标检测的准确性和鲁棒性，在Backbone部分融入了CBAM注意力模块，有效抑制了背景干扰。为了更好地提取被遮挡目标的细节特征，采用加权双向特征金字塔网络BIFPN代替原网络的PANet结构。采用CARAFE算子来替代传统的上采样操作，以提高特征图的分辨率和语义信息的传递。在Head部分，为进一步减少参数量和计算复杂度，改进传统卷积层Conv为轻量级卷积层GhostConv。同时，考虑到真实框与预测框之间的不匹配问题，替换损失函数CIOU为SIOU，以优化边界误差，提高小目标的定位准确性。在模型训练方面，采用AdamW优化算法来更新模型参数，以替代SGD优化算法，进一步提高了模型的收敛效果和泛化能力。最后，通过自建管柱数据集对改进后的算法进行验证。实验结果表明，本文改进算法能够精确识别到多环境中姿态不同的管柱。改进后的算法识别准确度为90.6%，比原模型提高了3.9%，mAP为94.6%，比原模型提高了4.5%。表明改进算法在目标检测方面具有更高的准确性和鲁棒性，能够更好地适应钻井作业环境。

关键词：计算机应用技术 YOLOv5s 智能钻机钻杆管柱接头目标检测算法改进

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智能钻机关键传感器故障排查方法研究

煤矿机械 2024年第5期45卷 152-154页

作者：范强中煤科工西安研究院(集团)有限公司西安710077

随着煤矿井下智能钻机的快速发展,钻机的高效稳定运行显得尤为重要。以ZDY4500LFK智能钻机关键传感器的故障点为研究对象,利用关键传感器通断、信号收发原理及遥控器人机界面设计,设计了一套关键传感器故障排查方法。该方法减少了智能... 详细信息

随着煤矿井下智能钻机的快速发展,钻机的高效稳定运行显得尤为重要。以ZDY4500LFK智能钻机关键传感器的故障点为研究对象,利用关键传感器通断、信号收发原理及遥控器人机界面设计,设计了一套关键传感器故障排查方法。该方法减少了智能钻机发生故障后的排查与维修时间,从而提升了钻机施工效率。

关键词：智能钻机关键传感器故障排查施工效率

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智能钻机软特性自动防卡技术研究与设计

矿业研究与开发 2011年第5期31卷 71-73,77页

作者：陶照园刘晖王福坚湖南有色重型机器有限责任公司湖南长沙410012 长沙理工大学汽车与机械工程学院湖南长沙410076

通过对凿岩台车在凿岩过程中几种不同卡杆形式的机理研究,发现钻机工作时的卡杆与回转、推进压力的变化呈强相关性。采用先进的软特性自动防卡杆技术,识别出液压系统关键压力的特征表现曲线;提出了一套全新的综合自动防卡控制方案,并设... 详细信息

通过对凿岩台车在凿岩过程中几种不同卡杆形式的机理研究,发现钻机工作时的卡杆与回转、推进压力的变化呈强相关性。采用先进的软特性自动防卡杆技术,识别出液压系统关键压力的特征表现曲线;提出了一套全新的综合自动防卡控制方案,并设计了一种智能防卡闭环反馈控制系统,有效地保证了钻机在复杂岩层进行正常的凿岩作业。

关键词：智能钻机卡杆故障软特性,防卡闭环

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智能钻机培训系统的虚拟协同与增强现实开发

智能钻机培训系统的虚拟协同与增强现实开发

作者：陈熳西安石油大学

学位级别：硕士

石油钻机是油气钻井的专业机械,是开采过程中必不可少的装备。传统的钻机培训具有风险大、周期长和无法重复操作的问题。为解决传统钻机培训的瓶颈,本文将虚拟现实和增强现实技术引入到钻机培训中,不仅减少了井场实操培训的风险,而且克... 详细信息

石油钻机是油气钻井的专业机械,是开采过程中必不可少的装备。传统的钻机培训具有风险大、周期长和无法重复操作的问题。为解决传统钻机培训的瓶颈,本文将虚拟现实和增强现实技术引入到钻机培训中,不仅减少了井场实操培训的风险,而且克服了时空的局限性,还降低了人才培养的成本。本文主要研究和开发工作有:(1)搭建智能钻机培训系统的虚拟环境。采用3Ds Max软件构建三维井场模型;使用Unity3D开发工具渲染三维井场模型,完成井场虚拟环境的搭建,复现实际井场的工作环境。(2)开发智能钻机虚拟协同培训系统。主要开发了注册登录、井场漫游、单人作业和多人协同模块。其中,注册登录模块通过使用Unity3D的UGUI组件设计了交互界面,使用Unity3D中的Player Prefs数据访问函数,系统完成了注册登录任务。井场漫游模块开发了导航小地图功能以便帮助用户确认漫游位置;采用第一人称控制器实现对角色的移动控制,并通过碰撞检测技术,开发了井场设备学习模式。单人作业模块利用鼠标定向拖动技术和Outline Effect插件实现手动拆分操作,并结合脚本实现自动拆分和装配设备模型;设计电动机的拆分和装配脚本实现电动机自动拆分和装配操作。多人模块中基于Mirror插件,维护场景的一致性,实现多个用户的协同交互操作和在线交流。(3)开发智能钻机增强现实培训系统。首先,通过使用Vuforia SDK的图片识别机制获取图片识别库。然后,将图库以.Unitypackage形式导入Unity3D中并对Unity AR环境进行配置。最后开发了AR井场设备认知模块和AR钻机设备操作模块。(4)测试和发布智能钻机培训系统。分别对虚拟协同培训系统和增强现实培训系统进行功能测试和整体测试。分别测试注册登录、井场漫游、单人作业、多人协同功能和虚拟协同系统。对增强现实培训系统中的AR井场设备认知和AR钻机模型操作进行测试。系统的功能测试效果达到预期。最后,将测试好的系统并分别发布到PC端和Andriod移动端。开发的虚拟协同与增强现实智能钻机培训系统不仅提高了培训效率、丰富了用户的学习方式,同时还提升了油田的数字化和可视化程度,为油田新型培训模式的发展有着重要意义。

关键词：智能钻机培训系统虚拟现实增强现实

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小型智能钻机控制系统设计

小型智能钻机控制系统设计

作者：王杰西安石油大学

学位级别：硕士

伴随着人工智能技术的发展,石油钻机智能化已成为今后石油钻采装备发展的主要方向。本文围绕小型智能钻机的结构设计和功能实现,重点研究了钻机钻进过程中如何相对准确识别地层岩性,并依据不同地层特性施加恒定钻压完成自动送钻这一关... 详细信息

伴随着人工智能技术的发展,石油钻机智能化已成为今后石油钻采装备发展的主要方向。本文围绕小型智能钻机的结构设计和功能实现,重点研究了钻机钻进过程中如何相对准确识别地层岩性,并依据不同地层特性施加恒定钻压完成自动送钻这一关键技术的实现,使得钻机在运行过程中不断优化调整自身的钻进参数,从而提高钻井效率以及工作质量。主要做了以下工作:(1)参考实际石油钻机结构,基于钻井自动化原理、相似原理,利用Creo6.0软件进行了小型智能钻机的结构设计,设计出一套结构相似、功能相近的小型智能钻机的三维模型;(2)研究了岩性识别的原理、方法,基于MATLAB软件,分别采用BP神经网络和GRNN神经网络,建立相关钻井参数的样本数据库,直接利用钻井参数预测岩性。仿真结果显示:利用GRNN网络进行岩性识别的精度为87.05%,高于BP网络的识别精度76.13%;(3)以钻机钻井过程为研究对象,小型智能钻机的不同传感器检测各项钻进参数,通过数据采集系统传输到上位主机。根据小型智能钻机识别出的岩性,上位主机发送信号给控制系统,控制器依据不同地层特性施加相对应的钻压给执行机构,完成恒钻压自动送钻的目标;(4)研究了自动送钻系统的原理,在此基础上设计了和实际送钻过程接近的自动送钻控制系统流程,确定了自动送钻系统中三个主要控制环节的传递函数,最后在MATLAB/Simulink中构建了控制系统的模型;(5)通过MATLAB编写相应的程序,对Simulink中的恒钻压自动送钻控制系统进行了仿真分析,结果表明:与常规PID控制方式相比,基于神经网络的PID控制系统的超调量调整时间最短,约为0.245s,且超调量为0%,这表明基于神经网络的PID控制器在自动送钻控制系统中响应速度最快、跟踪性能最好。本文设计的小型智能钻机采用岩性识别和智能控制相结合,以此来实现钻机自动岩性识别并以合适的恒钻压完成自动送钻的功能,能在保证钻井质量,节约钻井成本的同时大幅度地提高钻井效率,这将为安全、高效开展油气钻采提供新的、可靠的技术支撑。

关键词：智能钻机神经网络岩性识别 MATLAB 自动送钻

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智能钻机自动上下杆机构设计与分析

煤炭技术 2018年第4期37卷 222-225页

作者：程迎松张立祥安徽理工大学机械工程学院安徽淮南232001

在对ZDY4000R型钻机进行改进的基础上,设计了一种自动上下杆机构。对比分析了上下杆装置安装在机身上部和安装在机身下部的结构特点,设计了机械手、中间夹持器、储杆箱、阻挡装置、接送装置等,最后利用有限元软件ANSYS对机械手和中间夹... 详细信息

在对ZDY4000R型钻机进行改进的基础上,设计了一种自动上下杆机构。对比分析了上下杆装置安装在机身上部和安装在机身下部的结构特点,设计了机械手、中间夹持器、储杆箱、阻挡装置、接送装置等,最后利用有限元软件ANSYS对机械手和中间夹持器等结构进行应力分析。

关键词：智能钻机自动上下杆有限元分析

7000m连续起下钻及连续循环智能钻机技术研究

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石油机械 2017年第6期45卷 1-4页

作者：王定亚叶强张强张志伟李慧莹惠川川宝鸡石油机械有限责任公司国家油气钻井装备工程技术研究中心

针对常规深井钻机在钻井作业过程中,普遍存在的总起下钻时间长,井下复杂情况多,自动化程度低,劳动强度大,以及钻井成本高等诸多问题,提出了一种连续起下钻及连续循环智能钻机方案,并对该钻机的总体方案、连续循环、起下钻、管柱处理及... 详细信息

针对常规深井钻机在钻井作业过程中,普遍存在的总起下钻时间长,井下复杂情况多,自动化程度低,劳动强度大,以及钻井成本高等诸多问题,提出了一种连续起下钻及连续循环智能钻机方案,并对该钻机的总体方案、连续循环、起下钻、管柱处理及集成控制等关键技术进行了详细描述。该连续起下钻及连续循环智能钻机可用于陆地、海洋半潜式和浮式平台等多种环境,其主要优点是提高钻井效率和作业安全性,大幅降低钻井成本,具有很高的适应性、经济性和先进性。

关键词：智能钻机钻井作业连续起下钻连续循环管柱处理智能化

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智能钻机与传统钻机系统组成差异与发展分析

石油机械 2023年第11期51卷 41-50页

作者：郑黎明李彦霖张洋洋王宇王云飞王浩 Ullah Fazl 燕山大学车辆与能源学院中国石油大学(华东)石油工程学院

智能钻井相比传统钻机在系统组成上具有显著进步,但整体水平仍有待提升。通过传统钻机系统组成介绍及智能钻机研发进展分析,对比智能钻机与传统钻机在八大系统组成中的具体改进之处,阐明了智能钻机不同系统及整体的发展方向。分析结果表... 详细信息

智能钻井相比传统钻机在系统组成上具有显著进步,但整体水平仍有待提升。通过传统钻机系统组成介绍及智能钻机研发进展分析,对比智能钻机与传统钻机在八大系统组成中的具体改进之处,阐明了智能钻机不同系统及整体的发展方向。分析结果表明:起升系统、旋转系统(尤其是井下部分)、控制系统、井控系统、传动系统是钻机智能化、信息化改造的重点,钻机信息化、作业标准化、系统集成创新、运转高效化等方面需继续推进研发;基于功能裁剪方法,提出了侧重基础功能与结构简化的未来连续管智能钻机方案。分析结论可为智能钻机集成化发展与提高钻井效率提供创新思路。

关键词：智能钻机八大系统组成差异发展方向智能连续管钻机

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智能、传统钻机的系统组成差异与发展分析

石油机械 2023年

作者：郑黎明李彦霖张洋洋王宇王云飞王浩 Ullah Fazl 燕山大学车辆与能源学院中国石油大学(华东)石油工程学院

智能钻机的自动化、高效率、少人操作与安全性，促进其结构装备研发不断提升，智能钻井相比传统钻机在系统组成上具有显著进步。在传统钻机系统组成介绍、智能钻机研发进展分析的基础上，对比智能钻机与传统钻机在八大系统组成中的具体... 详细信息

智能钻机的自动化、高效率、少人操作与安全性，促进其结构装备研发不断提升，智能钻井相比传统钻机在系统组成上具有显著进步。在传统钻机系统组成介绍、智能钻机研发进展分析的基础上，对比智能钻机与传统钻机在八大系统组成中的具体改进，进而探讨智能钻机不同系统、钻机整体的发展方向。分析认为起升系统、旋转系统（尤其是井下部分）、控制系统、井控系统、传动系统是钻机智能化、信息化改造的重点，围绕钻机信息化、作业标准化、系统集成创新、运转高效化等方面需继续推进研发；作为未来可能实现智能钻机愿景的连续管钻机，给出了基于现有系统集成、侧重基础功能与系统裁剪的智能连续管钻机结构简化方案。深化认识智能钻机系统组成的改进方向，有利于为智能钻机集成化创新发展与提高钻井效率提供指导。

关键词：智能钻机八大系统组成发展趋势连续管钻机