CN101343986B - 一种石油修井用自动化井口作业钳 - Google Patents

Abstract

一种石油修井用自动化井口作业钳。主要解决现有石油修井领域中，上卸管柱操作由人工操作的开口型液压钳和倒换吊卡来完成，导致作业效率低、工人劳动强度大、安全性差、造成的环境污染严重等问题。其特征在于：此种作业钳将闭口型动力钳及动力卡瓦集成于一体，由主钳、背钳、卡瓦及竖直导轨组成，卡瓦两侧伸出支座用于安装两根竖直导轨，主钳和背钳可沿导轨上下移动，主钳和背钳之间的封闭空间可以用于管柱残液的收集。具有可以实现上卸管子螺纹的自动化与环保作业的特点；并且在钳口正反向卡紧大范围内不须更换零件，大大提高了作业效率。并且其卡紧性能好，工作可靠，社会及经济效益十分显著。

Description

一种石油修井用自动化井口作业钳

技术领域：

本发明涉及油田进行采油井修井作业领域使用的一种自动化井口作业装置，具体的说是涉及一种用于上、卸管子螺纹的自动化井口作业钳。

背景技术：

修井作业是保持油井和注水井按计划正常生产所必需采取的措施。油管、抽油杆以及封隔器、配产器等井下工具的上卸扣、起下是石油井修井作业的一项重要内容，现有石油修井上卸管柱操作主要由人工操作开口型液压钳和倒换吊卡来完成。现有技术中的开口型液压钳，其突出优点是钳头开口，灵活性好，每次上扣或卸扣完毕立即撤离管柱，不妨碍井口其他作业，所以得到国内外用户广泛采用，但是，这种开口型动力钳的钳头多采用坡板式卡紧机构或行星爪式卡紧机构，由此导致其存在如下缺点：对于坡板式卡紧机构，其卡不同管径须更换如牙板、牙座、颚板、颚板滚子之类的零件，更换零件给动力钳的制造、使用、维修、零件保管都带来许多不便；此外，卡不同管径的卡紧性能也不相同。即便改进型的技术方案也仅限于卡紧四种特定油管管径不更换零件，即由98117762.X号专利所公开的，名称为“液压动力钳组合内曲面滚子爬坡卡紧机构”中所提供的方案。而四种特定油管有八种特定接箍尺寸，因此，这种改进型的技术方案所形成的机构用在背钳上，也还必须更换一次零件，因此没有从根本上解决这一问题。对于行星爪式卡紧机构，其突出优点是卡紧大范围内任意管径不更换零件，且卡紧性能好。即是专利号为01101342.7、名称为“一种行星爪式开口型动力钳钳头卡紧机构”的现有技术。但是，这种机构在工作始末时，行星架的上下连接板要相对开口齿轮转动一定角度，由于相关受力零件的变形不一致以及机械杂质进入相对转动缝隙，将使相对转动受阻，容易造成卡紧动作失灵。此外，在现有修井作业中使用这种人工操作的开口型液压钳和倒换吊卡工作，由于作业钳重达上百公斤，悬挂于修井架上，需要人工推进或移出井口，吊卡和吊环也需要频繁倒换，导致劳动强度非常大。此外，由于油井管柱中存有大量油、水、泥沙等形成的混合物，上卸管柱时会四处飞溅喷出，井场变得湿滑泥泞，环境污染十分严重。同时，作业工人也面临高空落物、井喷、因地面湿滑而摔倒、被液压钳击倒甚至咬伤手指等诸多安全隐患问题。概括的说，使用这种现有技术下的作业钳工作，作业效率低、工人的劳动强度大、安全性差、造成的环境污染严重。

发明内容：

为了解决现有石油修井领域中，上卸管柱操作主要由人工操作的开口型液压钳和倒换吊卡来完成，导致作业效率低、工人的劳动强度大、安全性差、造成的环境污染严重等问题，本发明提供一种石油修井用自动化井口作业钳，该种石油修井用自动化井口作业钳将闭口型动力钳及动力卡瓦集成于一体，可以使操作工人在作业时远离井口，能够实现上卸管子螺纹的自动化与环保作业，在钳口正反向卡紧大范围内不须更换零件，卡紧性能好、作业效率高，具有非常好的社会效益与经济效益。

本发明的技术方案是：

该种石油修井用自动化井口作业钳，由主钳、背钳、内嵌齿条的一组竖直导轨以及卡瓦组成。

其中，所述主钳的外部为壳体结构，此壳体由主钳上盖板、主钳侧壁板以及主钳底板联接后组成。其中主钳上盖板与主钳底板的中心均开有钳口，两侧对称开有主钳导轨槽。并且，主钳内部包含有主钳驱动机构、主钳卡紧机构、主钳制动机构以及主钳转向机构。具体的说，所述主钳驱动机构由主钳液压马达、主钳液压马达支座、主钳花键轴、主钳驱动齿轮、主钳惰轮轴及主钳惰轮组成。其中，主钳液压马达支座上开有两个通孔，分别固定主钳花键轴和主钳惰轮轴。主钳驱动齿轮与主钳惰轮分别固定于主钳花键轴和主钳惰轮轴的中部，两者的外齿相啮合，主钳液压马达固定于主钳液压马达支座的上表面，主钳液压马达的输出端采用内花键孔与主钳花键轴配合。主钳液压马达支座固定于主钳底板上。所述主钳卡紧机构由一个具有内、外齿的主钳大齿轮以及主钳大齿轮盖、主钳行星齿轮、主钳花键套、主钳芯轴、主钳行星爪、主钳行星上联接板和主钳行星下联接板构成，其中，主钳花键套的内孔为光孔，此孔与主钳芯轴的外表面相配合，主钳行星齿轮与主钳行星爪串接于所述主钳花键套的外部花键上，形成单个主钳行星爪组件。主钳芯轴的两端分别与主钳行星上联接板和主钳行星下联接板配合构成单个主钳行星架，以支持并包容相应主钳行星爪组件。所述主钳大齿轮及主钳大齿轮盖构成主钳大齿轮主体，主钳行星架被包容于其中，两者均沿主钳上盖板与主钳底板中心所开有的钳口中心对中布置，若干主钳行星爪组件按照钳口中心圆周均匀分布，主钳行星齿轮与主钳大齿轮的内齿啮合，主钳行星架中的主钳行星上联接板和主钳行星下联接板分别与主钳大齿轮盖的下端面和主钳大齿轮的内部阶梯面进行动配合。

上述主钳大齿轮主体与主钳的壳体为动配合，配合面为主钳行星下联接板的端面环槽和主钳底板位于钳口位置的凸台。

所述主钳驱动机构分布在主钳大齿轮主体两侧，驱动机构中的主钳惰轮与所述卡紧机构中的主钳大齿轮的外齿啮合。

所述主钳制动机构主要由制动刹带、制动油缸组成，其中，此主钳制动机构位于主钳大齿轮主体侧面且不与主钳驱动机构发生干涉的位置，制动刹带环绕主钳行星下联接板的圆周伸出端，此刹带的一端通过定位块固定在主钳底板上，另一端通过制动联轴节与制动油缸的活塞杆头部相联接。

所述主钳转向机构由开于主钳大齿轮盖端面上的弧形阶梯孔道、主钳转向挡块以及主钳芯轴的头部构成。其中，主钳转向挡块采用开口式结构，其上端面由弧形阶梯孔道限位，其下端面则与主钳行星上联接板的上端配合，主钳芯轴的头部伸出弧形阶梯孔道，卡于主钳转向挡块的开口内。

所述背钳的外部亦为壳体结构，此壳体由背钳上盖板、背钳侧壁板以及背钳底板联接后组成，其中背钳上盖板与背钳底板的中心均开有钳口，两侧对称开有背钳导轨槽，背钳内部包含背钳驱动机构、背钳卡紧机构、背钳起升机构以及背钳转向机构。

其中，所述背钳驱动机构由背钳液压马达、背钳液压马达支座、背钳驱动齿轮、背钳惰轮轴以及背钳惰轮组成。背钳液压马达支座固定在背钳底板上，背钳液压马达则固定于背钳液压马达支座的上表面，背钳液压马达支座上开有两个通孔，分别安装背钳液压马达输出轴和背钳惰轮轴，在背钳液压马达输出轴的端部配合固定背钳驱动齿轮，在背钳惰轮轴的中部配合固定背钳惰轮，背钳驱动齿轮与背钳惰轮的外齿相啮合。

所述背钳卡紧机构由一个具有内、外齿的背钳大齿轮、背钳行星齿轮、背钳花键套、背钳芯轴以及背钳行星爪组成。其中，背钳花键套的内孔为光孔，配合于背钳芯轴的外表面，背钳行星齿轮与背钳行星爪串接于背钳花键套的外部花键上，形成一个背钳行星爪组件。背钳芯轴的两端分别与背钳上盖板和背钳底板联接，以支持相应背钳行星爪组件。背钳行星齿轮与背钳大齿轮的内齿啮合，位于背钳大齿轮的内齿腔内有若干行星爪组件按照钳口中心圆周均匀分布。

所述背钳大齿轮与背钳的壳体为动配合，配合面为背钳大齿轮下端面环槽与背钳底板上位于钳口位置的凸台。所述背钳驱动机构分布在背钳大齿轮的两侧，驱动机构中的背钳惰轮与所述背钳卡紧机构中的背钳大齿轮的外齿相啮合。

所述背钳起升机构由起升液压马达、起升液压马达支座、起升机构联轴器、蜗杆、蜗轮、背钳导轨槽、起升轴、起升齿轮组成。其中，起升液压马达支座固定在背钳底板上，起升液压马达固定于起升液压马达支座的端部；蜗杆安装在起升液压马达支座的尾部，其与起升液压马达的输出轴通过起升机构联轴器联接；起升齿轮位于背钳导轨槽凸出端内，与蜗杆相配合的蜗轮位于背钳导轨槽凸出端外，两者分别固定配合在起升轴的两端。上述背钳起升机构有2组，沿钳口中心对称布置。

所述背钳转向机构由背钳转向挡块、背钳转轴以及开于背钳底板上的凸台阶梯孔构成。其中，背钳转向挡块为开口形式，位于凸台阶梯孔内，其下端面与背钳底板的上端面配合，其上端面则由背钳大齿轮的下端面限位；背钳转轴安装在背钳大齿轮内、外齿之间的孔内，其上端面与背钳大齿轮的上端对齐，其下端面则由背钳底板位于钳口位置的凸台进行限位。

所述卡瓦包括：一个底端带有联接法兰、两侧带有导轨支座的卡瓦座；至少4个，置于卡瓦座内，由牙板、垫块、压板以及侧壁上带有阶梯缺口的楔形座组成的卡瓦体。其中垫块通过燕尾槽与楔形座相联接，牙板通过螺钉与垫块固定，每两组卡瓦体之间通过提杆相互铰接；一个由定心套、越位槽组成的定心装置。越位槽位于卡瓦座的内壁上，定心套通过越位槽后转动一定角度，其伸出端置于卡瓦座底端的环形槽中，实现定位；一个由限位块、卡瓦座的限位槽组成的防扭转机构。限位块安装在卡瓦座上端面的限位槽中，卡紧管柱时，限位块的两个侧面分别与楔形座侧壁上的阶梯缺口接触，以保证卡瓦体在卡紧管柱时不发生旋转；由卡瓦动力油缸、连杆四组件组成的驱动机构，此驱动机构固定于卡瓦座上，通过提杆与卡瓦体连接，以驱动卡瓦体沿卡瓦座的内壁上下运动。

所述的一组竖直导轨，其底端对称固定于导轨支座上，其上部则依次穿过背钳导轨槽与主钳导轨槽，且此竖直导轨中内嵌的齿条与置于背钳导轨槽凸出端中的起升齿轮相啮合；连接后，所述主钳的钳口、背钳的钳口以及卡瓦的卡口，均在同一中心轴线上；联接后，主钳、背钳、卡瓦以及竖直导轨组成为一个整体作业钳。

本发明具有如下有益效果：应用本发明所提供的技术方案，将产生如下有益效果：首先，在本方案中，将主钳、背钳、卡瓦通过导轨组成为一个整体，固定于卡瓦支座上的紧直导轨内嵌齿条，这个内嵌齿条与背钳起升机构的齿轮啮合，工作时，将卡瓦固定在井口法兰上，可以保证卡瓦、主钳、背钳与井口同心，控制背钳起升机构的运动，则主钳和背钳可根据管柱上卸扣的具体要求沿竖直导轨上下运动，主钳和背钳均采用行星式卡紧机构，卡紧性能好，并且可以适应从小直径抽油杆到大直径油管的卡紧，在钳口正反向卡紧大范围内不须更换零件，提高了工作效率。而且，在主钳和背钳的行星式卡紧机构中，均采用闭口齿轮的结构，这样就克服了现有技术中存在的“行星架的上下连接板要相对开口齿轮转动一定角度，由于相关受力零件的变形不一致以及机械杂质进入相对转动缝隙，将使相对转动受阻，容易造成卡紧动作失灵”的缺陷，提高了作业钳工作的可靠性。其次，在本方案中，主钳行星架制动机构采用刹带制动方式，具有结构紧凑，制动力大，使用周期长的优点。再次，本方案中控制背钳沿导轨上下移动，采用起升液压马达驱动蜗杆蜗轮机构的形式，由此具有机械自锁功能，可以保证背钳稳定可靠地静止在导轨指定位置上，确保了工作的稳定性和安全性。第四，本方案采用四瓣式卡瓦体结构，每两个卡瓦体铰接在一起，铰接点处安装有驱动连杆机构，通过两个动力油缸即可保证四个卡瓦体对管柱实现可靠的卡紧。最重要的是，使用本发明所提供的这种作业钳进行作业时，操作工人只是在最初安装时需要站在井口旁，而在进行后续的上、卸管柱的工作时，操作工人在操作室遥控这种作业钳中涉及的各种液压泵工作即可，这种液压钳可自动完成上、卸管子螺纹，由此减小了工人的劳动强度，提高了工作时的安全性。

此外，本方案的优化方案一，在主钳和背钳之间采用举升油缸进行联接，这样在背钳沿导轨上下运动时，主钳在油缸的支撑下可同步运动，当背钳停止运动时，通过控制举升油缸伸出，可以进一步实现主钳主动起升，而且，当主钳卡紧管柱后，在自身重力与举升油缸的作用下，管柱公扣可以稳定进入母扣之中，对中精度由主钳与背钳的定位精度来保证。

本方案的优化方案二，是在主钳的底板与背钳的上盖板之间安装有一个弹性胶筒，而在背钳的上盖板上表面开有集液槽，以及在背钳的侧壁板上开有一个仅与集液槽连通的排液孔，由于在上卸管子螺纹时，主钳的底板与背钳的上盖板之间恰好是管柱中残留液体排出的区域，因此，采用这个优化方案可以在上卸管柱时收集管柱中残留的液体并排出，由此保证了井场的清洁干爽，减少了环境污染。

概括的说，本发明的实施，可改变现有石油井修井工艺，有效提高井口起下管柱的机械化与自动化水平。对任意管柱的对中、卡紧、上卸扣性能均处于优良状态，且具有管柱残液自动收集功能，作业工人可以完全远离井口，因此可以实现安全修井作业和清洁修井作业，具有良好的社会效益及经济效益。

附图说明：

图1为本发明的整体构成示意图。

图2为本发明中主钳的总体示意图。

图3为本发明中主钳去除主钳上盖板后的俯视图。

图4为本发明中主钳的结构剖视图。

图5为本发明中主钳去除主钳齿轮盖和行星架上联接板后的俯视图。

图6为本发明中将主钳倒置后显示主钳制动机构的视图。

图7为本发明中显示主钳转向机构的视图。

图8为本发明中背钳的总体示意图。

图9为本发明中背钳去除背钳上盖板后的俯视图。

图10为本发明中背钳驱动机构的结构剖视图。

图11为本发明中显示背钳起升机构的视图。

图12为本发明中显示背钳转向机构的视图。

图13为本发明的优化方案一中，显示背钳中主钳举升油缸结构的视图。

图14为本发明中卡瓦的总体示意图。

图15为本发明中卡瓦体的结构示意图。

图16为本发明中卡瓦定心装置的结构剖视图。

图17为本发明中卡瓦座的示意图。

图18至图22为采用本发明实现管柱卸扣操作的工作过程示意图。

图23至图27为采用本发明实现管柱上扣操作的工作过程示意图。

图中1-主钳，2-背钳，3-竖直导轨，4-卡瓦，5-主钳侧壁板，6-主钳上盖板，7-主钳导轨槽，8-主钳底板，9-主钳液压马达，10-主钳液压马达支座，11-主钳芯轴，12-主钳转向挡块，13-主钳大齿轮，14—主钳大齿轮垫块，15—主钳大齿轮盖，16—主钳行星爪，17—主钳花键轴，18—主钳驱动齿轮，19—主钳惰轮轴，20—主钳惰轮，21—主钳行星上联接板，22—主钳行星下联接板，23—主钳行星齿轮，24—主钳花键套，25—主钳支撑筋板，26—主钳制动油缸，27—主钳联轴节，28—主钳制动刹带，29—刹带连接螺丝，30—主钳定位块，31—背钳上盖板，32—背钳侧壁板，33—背钳导轨槽，34—排液口，35—集液橡胶筒，36—主钳举升油缸，37—背钳底板，38—弧形阶梯孔道，39—背钳液压马达，40—背钳液压马达支座，41—背钳液压马达输出轴，42—背钳驱动齿轮，43—背钳惰轮轴，44—背钳惰轮，45—背钳大齿轮，46—背钳芯轴，47—背钳花键套，48—背钳行星齿轮，49—背钳行星爪，50—起升液压马达，51—起升液压马达支座，52—起升机构联轴器，53—蜗杆，54—蜗轮，55—起升轴，56—齿条，57—起升齿轮，58—背钳导轨槽凸出端，59—背钳转轴，60—背钳转向挡块，61—凸台阶梯孔，62—联接法兰，63—卡瓦座，64—卡瓦动力油缸，65—活塞杆连接销轴，66—导轨支座，67—连杆1号组件，68—连杆2号组件，69—连杆3号组件，70—连杆4号组件，71—提杆连接销轴，72—提杆，73—压板，74—限位块，75—卡瓦体，76楔形座，77—垫块，78—牙板，79—井口四通，80—定心套，81—越位槽，82—管子接箍，83—管柱，84—吊卡，85—吊环。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1所示，本种石油修井用自动化井口作业钳，由主钳1、背钳2、内嵌齿条56的一组竖直导轨3以及卡瓦4组成。下面分别对这些组成部分以及这些组成部分彼此之间的联接关系作出详细说明：

如图2所示，所述主钳1的外部为壳体结构，此壳体由主钳上盖板6、主钳侧壁板5以及主钳底板8联接后组成，联接的实现可以通过螺栓来完成。其中主钳上盖板6与主钳底板8的中心均开有钳口，两侧对称开有主钳导轨槽7。在这个壳体内分布着实现主钳功能的四个基本结构，即主钳驱动机构、主钳卡紧机构、主钳制动机构以及主钳转向机构。

如图3结合图4、图5所示，所述主钳驱动机构由主钳液压马达9、主钳液压马达支座10、主钳花键轴17、主钳驱动齿轮18、主钳惰轮轴19及主钳惰轮20组成。其中，主钳液压马达支座10固定于主钳底板8上，主钳液压马达支座10上开有两个通孔，分别固定主钳花键轴17和主钳惰轮轴19，主钳驱动齿轮18与主钳惰轮20分别固定于主钳花键轴17和主钳惰轮轴19的中部，两者的外齿相啮合，主钳液压马达9固定于主钳液压马达支座10的上表面，主钳液压马达9的输出端采用内花键孔与主钳花键轴17配合，主钳液压马达9旋转，将动力经与主钳花键轴17配合的主钳驱动齿轮18传递给主钳惰轮20。这个主钳驱动机构分布在主钳大齿轮主体的两侧，主要是通过主钳惰轮20与主钳大齿轮13的外齿相啮合，用来带动主钳大齿轮13绕钳口中心旋转，从而实现空间位置的连接与动力的传递。在实际应用时，可以采用两组由主钳液压马达9、主钳液压马达支座10、主钳惰轮20等组成的驱动机构，也可以根据上卸扣扭矩和钳体总体尺寸的具体要求采用一组或多组这样的驱动机构。

如图3、图4以及图5所示，所述主钳卡紧机构由一个具有内、外齿的主钳大齿轮13以及主钳大齿轮盖15、主钳行星齿轮23、主钳花键套24、主钳芯轴11、主钳行星爪16、主钳行星上联接板21和主钳行星下联接板22构成。其中，主钳花键套24的内孔为光孔，此孔与主钳芯轴11的外表面相配合，主钳行星齿轮23与主钳行星爪16串接于所述主钳花键套24的外部花键上，形成单个主钳行星爪组件。主钳芯轴11的两端分别与主钳行星上联接板21和主钳行星下联接板22配合构成单个主钳行星架，以支持并包容相应主钳行星爪组件，并能在主钳大齿轮13的腔内转动。所述主钳大齿轮13及主钳大齿轮盖15构成主钳大齿轮主体，主钳行星架被包容于其中，两者均沿主钳上盖板6与主钳底板8中心所开有的钳口中心对中布置，若干主钳行星爪组件按照钳口中心圆周均匀分布，主钳行星齿轮23与主钳大齿轮13的内齿啮合，主钳行星架中的主钳行星上联接板21和主钳行星下联接板22分别与主钳大齿轮盖15的下端面和主钳大齿轮13的内部阶梯面进行动配合。

上述主钳大齿轮主体与主钳1的壳体为动配合，配合面为主钳行星下联接板22的端面环槽和主钳底板8位于钳口位置的凸台。

在此结构中，主钳行星爪组件的作用主要是用来卡紧工件，行星架的作用主要是用来支持主钳行星爪组件，而主钳大齿轮主体的作用主要是用来包容主钳行星架及行星爪组件，并传递扭矩。具体的传动过程为：由于主钳行星齿轮与主钳大齿轮的内齿啮合，主钳大齿轮转动时，经主钳花键套带动主钳行星爪绕主钳芯轴转动以实现对钳口中管柱的卡紧。

在实际应用时，行星爪组件的数量最优化选择为3个，因为这样可以最大可能的适应从小直径抽油杆到大直径油管的卡紧要求。当然，行星爪组件的数量也可以选取4或5个，但是当数量为3时，适应管径范围较大。

如图6所示，所述主钳制动机构主要由制动刹带28、制动油缸26组成。其中，此主钳制动机构位于主钳大齿轮主体侧面且不与主钳驱动机构发生干涉的位置，制动刹带28环绕主钳行星下联接板22的圆周伸出端，此刹带的一端通过定位块30固定在主钳底板8上，另一端通过制动联轴节27与制动油缸26的活塞杆头部相联接，具体制动过程为：活塞杆处于伸出位置时，制动刹带28松开，主钳行星下联接板22可自由旋转；活塞杆处于收缩位置时，制动刹带28抱紧主钳行星下联接板22的圆周伸出端，行星架制动。调整制动油缸26的安装位置可以调节制动刹带28的包角，从而改变制动力矩的大小。

本方案中的这种制动方式为主动制动方式，即通过控制制动油缸26的活塞杆的伸缩来实现制动刹带28松开或抱紧行星下联接板22，具有结构紧凑，制动力大，使用周期长的优点。当然，制动油缸26作为动力源也可以用其他电动或机械方式实现。

如图7所示，所述主钳转向机构由开于主钳大齿轮盖15端面上的弧形阶梯孔道38、主钳转向挡块12以及主钳芯轴11的头部构成。其中，主钳转向挡块12采用开口式结构，其上端面由弧形阶梯孔道38限位，其下端面则与主钳行星上联接板21的上端配合，主钳芯轴11的头部伸出弧形阶梯孔道38，卡于主钳转向挡块12的开口内。此主钳转向机构与主钳大齿轮盖15配合，变换主钳转向挡块12开口的方向，就能决定主钳的工作转向，工作转向与主钳转向挡块12的开口方向相反。

如图8所示，所述背钳2外部亦为壳体结构，此壳体由背钳上盖板31、背钳侧壁板32以及背钳底板37联接后组成，可以选择通过螺栓连接。其中，背钳上盖板31与背钳底板37的中心均开有钳口，两侧对称开有背钳导轨槽33。在这个壳体内分布着实现背钳功能的四个基本结构，即背钳驱动机构、背钳卡紧机构、背钳起升机构以及背钳转向机构。

如图9结合图10所示，所述背钳驱动机构由背钳液压马达39、背钳液压马达支座40、背钳驱动齿轮42、背钳惰轮轴43以及背钳惰轮44组成。其中，背钳液压马达支座40固定在背钳底板37上，背钳液压马达39则固定于背钳液压马达支座40的上表面，背钳液压马达支座40上开有两个通孔，分别安装背钳液压马达输出轴41和背钳惰轮轴43，在背钳液压马达输出轴41的端部配合固定背钳驱动齿轮42，在背钳惰轮轴43的中部配合固定背钳惰轮44，背钳驱动齿轮42与背钳惰轮44的外齿相啮合。类似于主钳，背钳驱动机构也分布在背钳大齿轮主体两侧，通过背钳惰轮44与背钳大齿轮45的外齿啮合实现空间位置的连接与动力的传递。在图中显示，背钳驱动机构采用两组由背钳液压马达39、背钳惰轮44组成的驱动机构，实际应用时也可以根据上卸扣扭矩和钳体总体尺寸的具体要求采用一组或多组这样的驱动机构。

图9中所显示出的背钳卡紧机构由一个具有内、外齿的背钳大齿轮45、背钳行星齿轮48、背钳花键套47、背钳芯轴46以及背钳行星爪49组成。其中，背钳花键套47的内孔为光孔，配合于背钳芯轴46的外表面，背钳行星齿轮48与背钳行星爪49串接于背钳花键套47的外部花键上，形成一个背钳行星爪组件，背钳芯轴46的两端分别与背钳上盖板31和背钳底板37联接，以支持相应背钳行星爪组件，背钳行星齿轮48与背钳大齿轮45的内齿啮合，位于背钳大齿轮45的内齿腔内有若干行星爪组件按照钳口中心圆周均匀分布。背钳卡紧机构具体的传动过程与主钳卡紧机构类似，在实际应用中，行星爪组件的数量最优化选择也为3个，其原理同主钳卡紧结构。在这里，背钳大齿轮45与背钳的壳体为动配合，配合面为背钳大齿轮45下端面环槽与背钳底板37上位于钳口位置的凸台。

如图11所示，所述背钳起升机构由起升液压马达50、起升液压马达支座51、起升机构联轴器52、蜗杆53、蜗轮54、背钳导轨槽33、起升轴55、起升齿轮57组成。其中，起升液压马达支座51固定在背钳底板37上，起升液压马达50固定于起升液压马达支座51的端部；蜗杆53安装在起升液压马达支座51的尾部，其与起升液压马达50的输出轴通过起升机构联轴器52联接；起升齿轮57位于背钳导轨槽凸出端58内，与蜗杆53相配合的蜗轮54位于背钳导轨槽凸出端58外，两者分别固定配合在起升轴55的两端。由于起升齿轮57与导轨3内嵌的齿条56啮合，所以当起升液压马达50动作时，将实现背钳沿导轨3上下移动。配合对称的两根竖直导轨，这样的起升机构也一共有2组，沿背钳钳口中心对称布置。

如图12所示，所述背钳转向机构由背钳转向挡块60、背钳转轴59以及开于背钳底板37上的凸台阶梯孔61构成；其中，背钳转向挡块60为开口形式，位于凸台阶梯孔61内，其下端面与背钳底板37的上端面配合，其上端面则由背钳大齿轮45的下端面限位；背钳转轴59安装在背钳大齿轮45内、外齿之间的孔内，其上端面与背钳大齿轮45的上端对齐，其下端面则由背钳底板37位于钳口位置的凸台进行限位。在使用时，变换背钳转向挡块60缺口的方向，就能决定背钳的工作转向，工作转向与背钳转向挡块60的缺口方向相反。

如图14结合图15、图16以及图17所示，所述卡瓦4包括下列组件：

一个底端带有联接法兰62、两侧带有导轨支座66的卡瓦座63。

置于卡瓦座63内，由牙板78、垫块77、压板73以及侧壁上带有阶梯缺口的楔形座76组成的卡瓦体75，垫块73通过燕尾槽与楔形座76相联接，牙板78通过螺钉与垫块77固定，卡瓦体75共分4组，每两组卡瓦体之间通过提杆72相互铰接，铰接轴上端与由连杆四组件67、68、69和70构成的连杆机构相联接。在使用时，如果改变垫块77的厚度，就可以在不改变卡瓦体75竖直方向行程下，实现对任意直径的抽油杆与油管的卡紧。

一个由定心套80、越位槽81组成的定心装置，越位槽81位于卡瓦座63的内壁上，定心套80通过越位槽81后转动一定角度，其伸出端置于卡瓦座63底端的环形槽中，实现定位。具体使用时，需要首先把定心套80安装在卡瓦座63底端环形槽中。图中所示，环形槽与卡瓦座内壁之间开有4个越位槽81，当定心套80从卡瓦上部下放时，定心套的两个伸出端进入到越位槽81中，当定心套80到达底端位置后，转动一定角度，定心套80的伸出端会从越位槽81位置转动到环形槽中，实现定心套80在卡瓦座63中的定位。

一个由限位块74、卡瓦座63的限位槽组成的防扭转机构。限位块74安装在卡瓦座63上端面的限位槽中，卡紧管柱时，限位块74的两个侧面分别与楔形座76侧壁上的阶梯缺口接触，以保证卡瓦体在卡紧管柱时不发生旋转。

由卡瓦动力油缸64、连杆四组件67、68、69、70组成的驱动机构，此驱动机构固定于卡瓦座63上，通过提杆72与卡瓦体75连接，以驱动卡瓦体75沿卡瓦座63的内壁上下运动。

将上面所述的四个大部分联结成一个整体，是这样实现的：将所述的一组竖直导轨3，其底端对称固定于导轨支座66上，其上部则依次穿过背钳导轨槽33与主钳导轨槽7，且此竖直导轨3中内嵌的齿条56与置于背钳导轨槽凸出端58中的起升齿轮57相啮合；连接后，所述主钳1的钳口、背钳2的钳口以及卡瓦4的卡口，均在同一中心轴线上；联接后，主钳、背钳、卡瓦以及竖直导轨组成为一个整体作业钳。

以上是本发明所述的这种作业钳的基本实施方案。此外，在此基础上，还可以做以下进一步优化设计：

首先，在所述背钳2的背钳侧壁板32上开有一个排液口34，而背钳上盖板31的上部固定有一个具有弹性的集液橡胶筒35，在此集液橡胶筒35包围的空间内沿背钳上盖板31的外周开有集液槽，此集液槽内开有一条仅与排液口34连通的孔道。这样，由于在上卸管子螺纹时，主钳的底板与背钳的上盖板之间恰好是管柱中残留液体排出的区域，因此，采用这个优化方案可以在上卸管柱时收集管柱中残留的液体并排出。

更进一步，如图13所示，在所述背钳2的内部增加一组主钳举升油缸36以及活塞杆，此油缸的缸体底部与背钳底板37做固定联接，此油缸的活塞杆头部穿出背钳上盖板31固定于主钳底板8的外表面上，所述主钳举升油缸36沿钳口对称分布。主钳举升油缸采用单作用方式，控制此油缸动作，就可以实现主钳相对背钳的上下运动。这样，由于主钳和背钳之间采用主钳举升油缸进行联接，在背钳沿导轨上下运动时，主钳在油缸的举升下可同步运动；当背钳停止运动时，通过控制主钳举升油缸伸出，还可以进一步实现主钳主动起升。此外，当主钳卡紧管柱后，在自身重力与主钳举升油缸的作用下，管柱公扣可以稳定进入母扣之中，对中精度由主钳与背钳的定位精度来保证。当然，还有一种简单但效果较差的替代方式，即主钳1与背钳2之间的联接采用弹簧联接方式，但是弹簧的尺寸会较大，而且主钳1相对背钳2会发生不期望的颤动。

下面，分别叙述采用本发明实现卸扣操作的流程和实现上扣操作的流程。

卸扣操作的流程如图18、图19、图20、图21、图22所示。操作之前，需要将主钳转向挡块12搬向逆时针方向，参见图，将背钳转向挡块60搬向顺时针方向，参见图12，通过卡瓦4将管柱83悬持在井口，主钳1与背钳2位于管柱83的接箍82之下。控制背钳中的起升机构动作，背钳2与主钳1沿导轨3向上运动，当背钳2的钳口与接箍82上端面对齐时，背钳2停止运动。主钳液压马达9旋转，将动力经与主钳花键轴17配合的主钳驱动齿轮18传递给主钳惰轮20，主钳惰轮20与主钳大齿轮13外齿啮合，带动主钳大齿轮13绕钳口中心逆时针方向旋转，此时主钳制动油缸26的活塞杆处于收缩状态，制动机构处于制动状态，主钳行星架在制动机构的制动力作用下暂时不动，主钳大齿轮13的内齿带动主钳行星爪组件逆时针方向转动，使主钳行星爪16的外曲牙板接触管子，同时，背钳液压马达39旋转，将动力经与输出轴配合的背钳驱动齿轮42传递给背钳惰轮44，背钳惰轮44与背钳大齿轮45外齿啮合，带动背钳大齿轮45绕钳口中心旋转，背钳大齿轮45的内齿带动背钳行星爪组件顺时针方向转动，使背钳行星爪49外曲牙板接触管子接箍82。然后，主钳制动油缸26的活塞杆伸出，主钳制动刹带28松开，主钳大齿轮13、行星架及主钳行星爪16连同管子83一起逆时针转动，实现卸扣操作。卸扣完毕，主钳制动油缸26的活塞杆收缩，主钳制动刹带28绷紧主钳行星下联接板，主钳行星架暂时不动，主钳大齿轮13顺时针转动，其内齿带动主钳行星爪组件也作顺时针转动，主钳行星爪16离开管柱，主钳大齿轮上的主钳芯轴11转至与主钳转向挡块12接触，这时主钳行星爪16处于完全收回状态，然后背钳大齿轮45逆时针转动，其内齿带动背钳行星爪组件也作逆时针转动，背钳行星爪49离开管柱，背钳大齿轮45上的背钳芯轴59转至与背钳转向挡块60接触，这时背钳行星爪49处于完全收回状态。此后，背钳起升机构动作，带动主钳下移，露出管子接箍82，完成一次卸扣操作。之后吊环85悬持吊卡84抓住接箍82的下端面，卡瓦动力油缸64动作，抬起卡瓦体75，吊卡84将下一根管柱拉出井口，并使下一根管柱接箍82位于图18所示位置，卡瓦动力油缸64动作，放下卡瓦体75，卡瓦4将管柱83再次悬持在井口，从而可以开始下一根管柱的卸扣操作。

上扣操作的流程如图23、图24、图25、图26、图27所示。操作之前，需要将主钳转向挡块12搬向顺时针方向，参见图7，将背钳转向挡块60搬向逆时针方向，参见图12，卡瓦4将管柱83悬持在井口，主钳1与背钳2位于管柱83的接箍82之下。背钳起升机构动作，背钳2与主钳1沿导轨3向上运动，当背钳2的钳口与接箍82上端面对齐时，背钳2停止运动。主钳举升油缸36动作，进一步将主钳举升一段距离。主钳液压马达9旋转，将动力经与主钳花键轴17配合的主钳驱动齿轮18传递给主钳惰轮20，主钳惰轮20与主钳大齿轮13外齿啮合，带动主钳大齿轮13绕钳口中心顺时针方向旋转，此时主钳制动油缸26的活塞杆处于收缩状态，制动机构处于制动状态，主钳行星架在制动机构的制动力作用下暂时不动，主钳大齿轮13的内齿带动主钳行星爪组件顺时针方向转动，使主钳行星爪16外曲牙板接触管子，同时，背钳液压马达39旋转，将动力经与输出轴配合的背钳驱动齿轮42传递给背钳惰轮44，背钳惰轮44与背钳大齿轮45外齿啮合，带动背钳大齿轮45绕钳口中心旋转，背钳大齿轮45的内齿带动背钳行星爪组件逆时针方向转动，使背钳行星爪49外曲牙板接触管子接箍82。然后，主钳制动油缸26的活塞杆伸出，主钳制动刹带28松开，主钳大齿轮13、行星架及主钳行星爪16连同管子83一起顺时针转动，实现上扣操作。上扣完毕，主钳制动油缸26的活塞杆收缩，主钳制动刹带28绷紧主钳行星架下联接板，主钳行星架暂时不动，主钳大齿轮13顺时针转动，其内齿带动行星爪组件也作逆时针转动，主钳行星爪16离开管柱，主钳芯轴11转至与主钳转向挡块12接触，这时主钳行星爪处16于完全收回状态，然后背钳大齿轮45顺时针转动，其内齿带动行星爪组件也作顺时针转动，背钳行星爪49离开管柱，背钳转轴59转至与背钳转向挡块60接触，这时行星爪49处于完全收回状态。此后，背钳起升机构动作，带动主钳下移，露出管子接箍82，完成一次卸扣操作。之后卡瓦动力油缸64动作，抬起卡瓦体75，吊卡84将管柱送至井口，卡瓦动力油缸64动作，放下卡瓦体75，卡瓦4将管柱83再次悬持在井口，吊卡84松开接箍82移走，从而可以开始下一根管柱的上扣操作。

本发明在具体应用时，由技术人员按照以上所述的流程，以常规液压控制方法驱动本发明中所述的各种相应液压油缸动作即可，由于这种控制是可以在远离井口的操作室内完成的，因此应用本发明能够实现远程控制，使操作工人可以远离井口，保证了工作时的人身安全。

Claims (5)

1.一种石油修井用自动化井口作业钳，由主钳(1)、背钳(2)、内嵌齿条(56)的一组竖直导轨(3)以及卡瓦(4)组成，其特征在于：

所述主钳(1)外部为壳体结构，此壳体由主钳上盖板(6)、主钳侧壁板(5)以及主钳底板(8)联接后组成，其中主钳上盖板(6)与主钳底板(8)中心开有主钳钳口，主钳上盖板(6)与主钳底板(8)两侧对称开有主钳导轨槽(7)，主钳(1)内部包含主钳驱动机构、主钳卡紧机构、主钳制动机构以及主钳转向机构，其中，

所述主钳驱动机构由主钳液压马达(9)、主钳液压马达支座(10)、主钳花键轴(17)、主钳驱动齿轮(18)、主钳惰轮轴(19)及主钳惰轮(20)组成，其中，主钳液压马达支座(10)上开有两个通孔，分别固定主钳花键轴(17)和主钳惰轮轴(19)，主钳驱动齿轮(18)与主钳惰轮(20)分别固定于主钳花键轴(17)和主钳惰轮轴(19)的中部，两者的外齿相啮合，主钳液压马达(9)固定于主钳液压马达支座(10)的上表面，主钳液压马达(9)的输出端采用内花键孔与主钳花键轴(17)配合；

主钳液压马达支座(10)固定于主钳底板(8)上；

所述主钳卡紧机构由一个具有内、外齿的主钳大齿轮(13)以及主钳大齿轮盖(15)、主钳行星齿轮(23)、主钳花键套(24)、主钳芯轴(11)、主钳行星爪(16)、主钳行星上联接板(21)和主钳行星下联接板(22)构成，其中，

主钳花键套(24)的内孔为光孔，此孔与主钳芯轴(11)的外表面相配合，主钳行星齿轮(23)与主钳行星爪(16)串接于所述主钳花键套(24)的外部花键上，形成单个主钳行星爪组件；

主钳芯轴(11)的两端分别与主钳行星上联接板(21)和主钳行星下联接板(22)配合构成单个主钳行星架，以支持并包容相应主钳行星爪组件；

所述主钳大齿轮(13)及主钳大齿轮盖(15)构成主钳大齿轮主体，主钳行星架被包容于其中，主钳大齿轮(13)及主钳大齿轮盖(15) 均沿主钳上盖板(6)与主钳底板(8)中心所开有的主钳钳口中心对中布置，若干主钳行星爪组件围绕主钳钳口中心圆周均匀分布，主钳行星齿轮(23)与主钳大齿轮(13)的内齿啮合，主钳行星架中的主钳行星上联接板(21)和主钳行星下联接板(22)分别与主钳大齿轮盖(15)的下端面和主钳大齿轮(13)的内部阶梯面进行动配合；

上述主钳大齿轮主体与主钳(1)的壳体为动配合，配合面为主钳行星下联接板(22)的端面环槽和主钳底板(8)位于主钳钳口位置的凸台；

所述主钳驱动机构分布在主钳大齿轮主体两侧，驱动机构中的主钳惰轮(20)与所述卡紧机构中的主钳大齿轮(13)的外齿啮合；

所述主钳制动机构主要由制动刹带(28)、制动油缸(26)组成，其中，此主钳制动机构位于主钳大齿轮主体侧面且不与主钳驱动机构发生干涉的位置，制动刹带(28)环绕主钳行星下联接板(22)的圆周伸出端，此刹带的一端通过定位块(30)固定在主钳底板(8)上，另一端通过制动联轴节(27)与制动油缸(26)的活塞杆头部相联接；

所述主钳转向机构由开于主钳大齿轮盖(15)端面上的弧形阶梯孔道(38)、主钳转向挡块(12)以及主钳芯轴(11)的头部构成，其中，主钳转向挡块(12)采用开口式结构，其上端面由弧形阶梯孔道(38)限位，其下端面则与主钳行星上联接板(21)的上端配合，主钳芯轴(11)的头部伸出弧形阶梯孔道(38)，卡于主钳转向挡块(12)的开口内；

所述背钳(2)外部亦为壳体结构，此壳体由背钳上盖板(31)、背钳侧壁板(32)以及背钳底板(37)联接后组成，其中背钳上盖板(31)与背钳底板(37)的中心均开有背钳钳口，背钳上盖板(31)与背钳底板(37)两侧对称开有背钳导轨槽(33)，背钳(2)内部包含背钳驱动机构、背钳卡紧机构、背钳起升机构以及背钳转向机构，其中，

所述背钳驱动机构由背钳液压马达(39)、背钳液压马达支座(40)、背钳驱动齿轮(42)、背钳惰轮轴(43)以及背钳惰轮(44)组成，其中，背钳液压马达支座(40)固定在背钳底板(37)上，背钳液压马达(39)则固定于背钳液压马达支座(40)的上表面，背钳 液压马达支座(40)上开有两个通孔，分别安装背钳液压马达输出轴(41)和背钳惰轮轴(43)，在背钳液压马达输出轴(41)的端部配合固定背钳驱动齿轮(42)，在背钳惰轮轴(43)的中部配合固定背钳惰轮(44)，背钳驱动齿轮(42)与背钳惰轮(44)的外齿相啮合；

所述背钳卡紧机构由一个具有内、外齿的背钳大齿轮(45)、背钳行星齿轮(48)、背钳花键套(47)、背钳芯轴(46)以及背钳行星爪(49)组成，其中，背钳花键套(47)的内孔为光孔，配合于背钳芯轴(46)的外表面，背钳行星齿轮(48)与背钳行星爪(49)串接于背钳花键套(47)的外部花键上，形成一个背钳行星爪组件，背钳芯轴(46)的两端分别与背钳上盖板(31)和背钳底板(37)联接，以支持相应背钳行星爪组件，背钳行星齿轮(48)与背钳大齿轮(45)的内齿啮合，位于背钳大齿轮(45)的内齿腔内有若干背钳行星爪组件围绕背钳钳口中心圆周均匀分布；

所述背钳大齿轮(45)与背钳的壳体为动配合，配合面为背钳大齿轮(45)下端面环槽与背钳底板(37)上位于背钳钳口位置的凸台；

所述背钳驱动机构分布在背钳大齿轮(45)的两侧，驱动机构中的背钳惰轮(44)与所述背钳卡紧机构中的背钳大齿轮(45)的外齿相啮合；

所述背钳起升机构由起升液压马达(50)、起升液压马达支座(51)、起升机构联轴器(52)、蜗杆(53)、蜗轮(54)、背钳导轨槽(33)、起升轴(55)、起升齿轮(57)组成，其中，起升液压马达支座(51)固定在背钳底板(37)上，起升液压马达(50)固定于起升液压马达支座(51)的端部；蜗杆(53)安装在起升液压马达支座(51)的尾部，其与起升液压马达(50)的输出轴通过起升机构联轴器(52)联接；起升齿轮(57)位于背钳导轨槽凸出端(58)内，与蜗杆(53)相配合的蜗轮(54)位于背钳导轨槽凸出端(58)外，起升齿轮(57)与蜗轮(54)分别固定配合在起升轴(55)的两端；

上述背钳起升机构有2组，沿背钳钳口中心对称布置；

所述背钳转向机构由背钳转向挡块(60)、背钳转轴(59)以及开于背钳底板(37)上的凸台阶梯孔(61)构成；其中，背钳转向挡块(60)为开口形式，位于凸台阶梯孔(61)内，其下端面与背钳底 板(37)的上端面配合，其上端面则由背钳大齿轮(45)的下端面限位；背钳转轴(59)安装在背钳大齿轮(45)内、外齿之间的孔内，其上端面与背钳大齿轮(45)的上端对齐，其下端面则由背钳底板(37)位于背钳钳口位置的凸台进行限位；

所述卡瓦(4)包括下列组件，

一个底端带有联接法兰(62)、两侧带有导轨支座(66)的卡瓦座(63)；

置于卡瓦座(63)内，由牙板(78)、垫块(77)、压板(73)以及侧壁上带有阶梯缺口的楔形座(76)组成的卡瓦体(75)，垫块(77)通过燕尾槽与楔形座(76)相联接，牙板(78)通过螺钉与垫块(77)固定，每两组卡瓦体之间通过提杆(72)相互铰接；

一个由定心套(80)、越位槽(81)组成的定心装置，越位槽(81)位于卡瓦座(63)的内壁上，定心套(80)通过越位槽(81)后转动一定角度，其伸出端置于卡瓦座(63)底端的环形槽中，实现定位；

一个由限位块(74)、卡瓦座(63)的限位槽组成的防扭转机构，限位块(74)安装在卡瓦座(63)上端面的限位槽中，卡紧管柱时，限位块(74)的两个侧面分别与楔形座(76)侧壁上的阶梯缺口接触，以保证卡瓦体在卡紧管柱时不发生旋转；

由卡瓦动力油缸(64)、连杆四组件(67，68，69，70)组成的驱动机构，此驱动机构固定于卡瓦座(63)上，通过提杆(72)与卡瓦体(75)连接，以驱动卡瓦体(75)沿卡瓦座(63)的内壁上下运动；

所述的一组竖直导轨(3)，其底端对称固定于导轨支座(66)上，其上部则依次穿过背钳导轨槽(33)与主钳导轨槽(7)，且此竖直导轨(3)中内嵌的齿条(56)与置于背钳导轨槽凸出端(58)中的起升齿轮(57)相啮合；

所述主钳、背钳、卡瓦以及竖直导轨连接后，所述主钳(1)的主钳钳口、背钳(2)的背钳钳口以及卡瓦(4)的卡口，均在同一中心轴线上；主钳、背钳、卡瓦以及竖直导轨组成为一个整体作业钳。

2.根据权利要求1所述的一种石油修井用自动化井口作业钳，其特征在于：所述背钳(2)的背钳侧壁板(32)上开有一个排液口 (34)，背钳上盖板(31)的上部固定有一个具有弹性的集液橡胶筒(35)，在此集液橡胶筒(35)包围的空间内沿背钳上盖板(31)的外周开有集液槽，此集液槽内开有一条仅与排液口(34)连通的孔道。

3.根据权利要求1或2所述的一种石油修井用自动化井口作业钳，其特征在于：所述背钳(2)内部包含一组主钳举升油缸(36)，此油缸的缸体底部与背钳底板(37)做固定联接，此油缸的活塞杆头部穿出背钳上盖板(31)固定于主钳底板(8)的外表面上，所述主钳举升油缸(36)沿主钳钳口对称分布。

4.根据权利要求3所述的一种石油修井用自动化井口作业钳，其特征在于：所述主钳驱动机构与背钳驱动机构均至少有2组，分别沿相应主钳钳口和背钳钳口中心对称布置。

5.根据权利要求4所述的一种石油修井用自动化井口作业钳，其特征在于：所述主钳卡紧机构中和背钳卡紧机构中，行星爪组件的数量均为3个。 

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