CN102606094B - 钻杆定位装卸卡钳 - Google Patents

Abstract

一种钻杆定位装卸卡钳，属于油田机械领域。本发明的目的是提供一种尽可能的减少工作人员在井口的工作时间、加大操作时工人与井口设备的距离，提高装卸钻杆的精度，可以代替人力执行钻杆装卸工作的钻杆定位装卸卡钳。本发明是由装卸部分、定位部分、辅助部分三部分组成。本发明应用不仅是降低油气井开采成本、提高工程质量的需要，更是保障石油工人人身安全，提高工人工作条件的需要。钻杆定位安装卡钳，可以代替人力执行钻杆装卸工作，本装置运用现有成熟技术，用两组液压卡钳抓取和旋紧钻杆，两个轴向的丝杠控制卡钳水平位置，并由感应导轨监控位移，达到自动装卸钻杆的效果。

Description

钻杆定位装卸卡钳

技术领域

本发明属于油田机械领域。

背景技术

油气钻井的钻杆装卸作业主要由人力进行，石油钻杆由井架悬吊于井口上方，由石油工人将钻杆扶正到正确位置，用人力将钻杆与下一级钻杆旋扣安装到位。这种作业方式不仅需要高强度体力劳动，安装精度依赖操作人员操作水平，还具有很高的危险性。

在目前的钻井作业中，钻杆一般是吊运至井口旋转机构上方，由若干名技术人员手扶对准螺纹，借助大钳进行定位,手动旋紧至下一级钻杆进行下钻作业。这种工作方式需要大量体力劳动，钻井设备的大量油污也使得工作条件非常恶劣。拆卸钻杆过程与安装钻杆同样需要大量体力劳动。装卸钻杆过程中比较依赖操作人员的经验和主观判断。安全性较差。一方面，钻井如果发生井喷，很容易导致井口正在作业的工人受伤；另一方面，较为沉重的钻杆如侧向倒下或坠落，也将对下方工人生命安全产生重大威胁。钻井平台井口安全事故具有难预见性和难避免性，即使生产过程中严格遵守操作规程，设备零件制作达标，仍然有不可控制的地质因素或其他自然因素可以导致安全事故。

发明内容

本发明的目的是提供一种尽可能的减少工作人员在井口的工作时间、加大操作时工人与井口设备的距离，提高装卸钻杆的精度，可以代替人力执行钻杆装卸工作的钻杆定位装卸卡钳。

本发明是由装卸部分、定位部分、辅助部分三部分组成：

a、装卸部分：钻杆定位卡钳直接安装于钻杆卡钳架上,旋紧卡钳安装于钻杆旋紧环上，钻杆旋紧环由钻杆旋紧电机驱动，钻杆旋紧卡钳，钻杆旋紧环与钻杆旋紧电机构成的系统安装在钻杆卡钳架上，钻杆卡钳架上部装有钻杆缓冲环，钻杆卡钳架与钻杆定位卡钳、钻杆旋紧卡钳、钻杆旋紧环、钻杆旋紧电机、钻杆缓冲环由纵向丝杠驱动；

b、定位部分：纵向丝杠驱动钻杆卡钳架在纵向运动支架上作平动，纵向丝杠刚性固定于钻杆卡钳架上，其螺纹部分位于横向运动支架内部，由纵向丝杠驱动电机驱动；纵向丝杠上有感应导轨，隐藏于横向运动支架内部；纵向运动支架安装在横向运动支架上，横向运动支架由横向丝杠驱动，由横向感应导轨控制和校正；机座上的横向丝杠驱动电机驱动横向丝杠；

c、辅助部分：支架配重安装于横向运动支架上，纵向运动支架的对侧。

本发明应用不仅是降低油气井开采成本、提高工程质量的需要，更是保障石油工人人身安全，提高工人工作条件的需要。钻杆定位安装卡钳，可以代替人力执行钻杆装卸工作，本装置运用现有成熟技术，用两组液压卡钳抓取和旋紧钻杆，两个轴向的丝杠控制卡钳水平位置，并由感应导轨监控位移，达到自动装卸钻杆的效果。

本发明有如下有益效果：

1、安全性高。生产过程中需要人员接触钻杆的步骤是设定安装，在设定安装时由于固定卡钳夹紧待安装钻杆，在紧急情况下（如井喷和钻杆坠落）所有作用力都由钻杆定位装卸卡钳承担。在设定安装结束后，人员可以撤离井口区域，由钻杆定位装卸卡钳自行装、卸作业。降低人员和设备的风险系数。

2、减轻人员工作量。由于旋紧钻杆所需扭矩较大，工作人员工作量大，由自动装置代替人力能减少人员工作量和强度，同时改善其工作条件。

3、安装精度高。相比人工安装钻杆，钻杆定位装卸卡钳不依赖主观经验和判断，完全按照数据进行安装，单次作业质量具有均一性。目前技术感应导轨所使用的常规原件对位置的控制比手工更加精确，提高工作质量。

4、安装效率高。机械的运行速度快于人工，例如在旋紧步骤中，机器夹持钻杆可以以较高转速短时间内安装完毕，工作周期缩短，同样工作时间内进行的工作循环数量增加，提高生产效率。

5、制造成本低。本发明运用成熟技术，电力驱动，结合传感与数控技术，制造材料常见。机器成本可以预见能控制在合理的范围。

6、适应范围广。本发明可以用于陆地，海洋油气钻井平台，改变尺寸设计还可用于其他矿产开采，建筑、矿井事故救援等领域。

7、气候适应能力强。由于油气钻井在全球范围内分布广泛，石油工作人员装卸钻杆时可能面对影响施工的恶劣气候，钻杆定位装卸卡钳可以在各种气候条件下工作，提高生产效率，改善工人工作条件。

附图说明

图1是本发明结构示意图；

图2是本发明图1的后视图；

图3是本发明图1的俯视图；

图4是本发明图3的后视图；

图5是本发明局部立体视图；

图6是本发明立体示意图；

图7是本发明工作示意图。

具体实施方式

本发明是由装卸部分、定位部分、辅助部分三部分组成：

a、装卸部分：钻杆定位卡钳7直接安装于钻杆卡钳架1上,旋紧卡钳2安装于钻杆旋紧环3上，钻杆旋紧环3由钻杆旋紧电机4驱动，钻杆旋紧卡钳2，钻杆旋紧环3与钻杆旋紧电机4构成的系统安装在钻杆卡钳架1上，钻杆卡钳架1上部装有钻杆缓冲环6，钻杆卡钳架1与钻杆定位卡钳7、钻杆旋紧卡钳2、钻杆旋紧环3、钻杆旋紧电机4、钻杆缓冲环6由纵向丝杠5驱动；

b、定位部分：纵向丝杠5驱动钻杆卡钳架1在纵向运动支架8上作平动，纵向丝杠5刚性固定于钻杆卡钳架1上，其螺纹部分位于横向运动支架12内部，由纵向丝杠驱动电机10驱动；纵向丝杠5上有感应导轨，隐藏于横向运动支架12内部；纵向运动支架8安装在横向运动支架12上，横向运动支架12由横向丝杠9驱动，由横向感应导轨14控制和校正；机座15上的横向丝杠驱动电机驱动横向丝杠；

c、辅助部分：支架配重11安装于横向运动支架12上，纵向运动支架8的对侧。

图1、2、3、4、5、6中图示说明：

1.钻杆卡钳架 2.钻杆旋紧卡钳 3.钻杆旋紧环 4.钻杆旋紧电机 5.纵向丝杠 6.钻杆缓冲环 7.钻杆定位卡钳 8.纵向运动支架 9.横向丝杠 10.纵向丝杠驱动电机 11.支架配重 12.横向运功支架 13.横向丝杠驱动电机 14.横向感应导轨 15.机座；

图7中图示说明：

A.待装卸的钻杆；B.定位系统；C.旋紧系统。

 一、装卸部分：

完成装卸部分工作的主要是钻杆卡钳架1与钻杆定位卡钳7、钻杆旋紧卡钳2、钻杆旋紧环3、钻杆旋紧电机4、钻杆缓冲环6。

钻杆定位卡钳7直接安装于钻杆卡钳架1上,旋紧卡钳2安装于钻杆旋紧环3上，钻杆旋紧环3由钻杆旋紧电机4驱动，能做旋转动作，同时钻杆旋紧卡钳2，钻杆旋紧环3与钻杆旋紧电机4构成的系统能在钻杆卡钳架1上沿轴向自由运动，以适应不同螺纹特征的钻杆在旋紧过程中的给进距离。钻杆卡钳架1上部装有钻杆缓冲环6，钻杆缓冲环6是安全装置，一方面停止吊运中钻杆的摆动，另一方面当钻杆位置过偏时会先接触钻杆缓冲环6，使之发生挠性形变，传感器反馈给井架停止下降钻杆，防止损坏设备。

钻杆卡钳架1与钻杆定位卡钳7、钻杆旋紧卡钳2、钻杆旋紧环3、钻杆旋紧电机4、钻杆缓冲环6组成一个系统，在纵向运动支架上作平动，由纵向丝杠5驱动。

二、定位部分：

完成定位工作的主要是纵向丝杠5、纵向运动支架8、纵向丝杠驱动电机10，横向丝杠9、横向运动支架12、横向丝杠驱动电机13，横向感应导轨14。

钻杆卡钳架1在纵向运动支架8上作平动，由纵向丝杠5驱动。纵向丝杠5采用驱动端旋转，丝杠平动的方案。纵向丝杠刚性固定于钻杆卡钳架1上，随钻杆卡钳架1运动，其螺纹部分位于横向运动支架12内部，由纵向丝杠驱动电机10驱动。纵向丝杠上有感应导轨，隐藏于横向运动支架12内部。防止泥污影响精度。

纵向运动支架8安装在横向运动支架12上，横向运动支架带动整个纵向运动支架做横向运动，横向运动支架由横向丝杠9驱动，由横向感应导轨14控制和校正。横向丝杠的动力来源是安装在机座15上的横向丝杠驱动电机。横向丝杠9和纵向丝杠5的合运动可以使钻杆卡钳架1在一定范围内做任意移动。

定位系统在工作前，先要将机座15固定于井口，然后将一根钻杆用钻杆定位卡钳7卡紧，由技术人员进行一次设定安装，带有传感导轨的纵向丝杠5和横向感应导轨14记录安装位坐标，在自动安装中，钻杆吊运至经过钻杆缓冲环，由钻杆定位卡钳7卡紧。系统将当前横纵坐标与设定安装存储的标准坐标进行比对，判断横向丝杠驱动电机13和纵向丝杠驱动电机10的正、反转。此时两个丝杠带动钻杆卡钳架1向安装位运动，从而带动钻杆卡钳架1上钻杆定位卡钳7所夹持的钻杆运动，当两条感应导轨测得的坐标与设定坐标吻合时就停止丝杠驱动电机，达到自动定位的效果。

三、其他功能部分。

支架配重11安装于横向运动支架12上，纵向运动支架8的对侧，使运动部分重心落在横向丝杠上，消除轴扭矩。

机座15承载着运动机构，起到稳定，吸震，模块化装拆的作用。下方有固定装置，该固定装置的设计根据实际情况，可以是具有缓冲性能的地脚螺栓。也可以是标准化的接插件。使得一台机器可以用于不同的井场或者不同类的钻井设备。 

本发明工作流程：

图4中A代表待装卸的钻杆。

B代表由钻杆卡钳架与钻杆定位卡钳组成的夹持系统，

C代表由旋紧卡钳、钻杆旋紧环、钻杆旋紧电机组成的旋紧系统。

钻杆A下降至钻杆卡钳架内部，由定位系统B夹持，整体随着钻杆卡钳架，由纵向丝杠和横向丝杠驱动，达到预定安装位，此时钻杆旋紧卡钳夹紧，钻杆定位卡钳松开，旋转卡钳先反转直至钻杆内外螺纹口接合，然后正转旋紧两级钻杆。达到预定预紧力扭矩时，钻杆旋紧电机停转，所有卡钳松开，系统等待下一次安装。

 本发明目的由下述方案实现。钻杆定位装卸卡钳主要由机座，卡钳夹持旋转机构，横向动作机构，纵向动作机构，方位传感校正机构五部分组成。  

机座固定于钻井井口，机座圆孔中心与旋转机构同轴。

1、夹持系统：

卡钳夹持机构由定位卡钳和旋转卡钳组成，定位卡钳负责定位，旋转卡钳负责安装（拆卸）。整个卡钳系统安装于纵向动作机构的滑动架轨道上，并安装有丝杠。卡钳机构上方装有缓冲环，吊装的钻杆经过缓冲环下降到定位卡钳中，由定位卡钳夹紧，待横向动作机构和纵向动作机构定位完毕后，定位卡钳松开，钻杆下降至安装高度。旋转卡钳夹紧，由旋转卡钳夹持钻杆安装至下一级钻杆，旋转卡钳在轴向有活动距离，满足钻杆旋紧过程中的轴向位移。当旋转阻力等于设置旋紧度时，旋转驱动电机断开，所有卡钳松开，等待钻杆下钻之后进行下一次工作流程。

拆卸工作是安装工作的逆过程，由旋转卡钳分离已安装的钻杆，由于拆卸工作只需卡钳部分停止在安装位，不需要定位，拆卸作业的速度比安装作业快，技术和精度要求也相对低。

2、运动系统：

横向动作机构固定于机座横向丝杠和传感导轨上。由横向驱动电机驱动，传感导轨传回横向动作机构当前位置，将此当前位置与目的位置进行比对，根据与目的位置的正（或负）距离，控制驱动电机正转（或反转），直到当前位置等于目的位置，停止电机，锁定位置。

纵向动作机构以横向动作机构为基础，为防止井口油污损坏设备，纵向丝杠的螺纹活动部分隐藏在位于横向机构上的齿轮箱内部，另一端固定于卡钳座上。由纵向驱动电机驱动，纵向丝杠上有触点接触传感导轨传回横向动作机构当前位置，将此当前位置与目的位置比对，根据与目的位置的正（或负）距离，控制纵向驱动电机正转（或反转），直到当前位置等于目的位置，停止电机，锁定位置。卡钳夹持机构安装于纵向动作机构上，本身具有自重。设计方案为平衡卡钳系统自重在横向动作机构上纵向动作机构的对面设平衡配重。这样的设计是为了避免在井口多油污泥沙条件下更多的导轨所带来的不确定阻力影响精度，也是为了避免动作机构在平行导轨之间成角度而卡死。

3、传感系统：

方位传感矫正机构在该设备中有三个，横向传感导轨，纵向丝杠上的传感导轨，钻转卡钳和驱动电机之间的定扭矩齿轮。其中，横向传感导轨与横向丝杠平行，起到传感横向动作机构位置的作用，同时固定横向动作机构，防止其绕丝杠发生轴转动导致机构偏移。纵向导轨固定于横向动作机构上，平行于纵向动作机构的丝杠。传感导轨的原理是直线型电位器，外部有软性密封套防止杂物进入。动作部分有触点接触电位器，不同位置有不同的电阻特征，这种电阻特征能反映动作部分的位置。它可以控制电机驱动装置产生相应的动作，也可以在当前位置有误差时进行微调。达到自动定位的效果。扭矩齿轮能够测出其当前承受的扭矩。先由设定人员设定旋紧钻杆时合理的紧度下扭矩齿轮的扭矩。在实际工作时，当钻杆安装到位并且旋紧扭矩达到预设时，扭矩齿轮就断开，并控制旋转卡钳驱动电机停机。这样可以保证钻杆既达到足够紧固，又不至扭矩过大而滑丝，损坏钻杆设备。 

4、作业流程：

在钻杆定位装卸卡钳开始工作之前，先要进行设定安装，设定安装是让定位卡钳夹紧钻杆，断开所有驱动电机，由技术人员手动将钻杆安装到位，机器记录安装位置的所有传感器位置数据和钻杆旋紧的扭矩数据。为保证精确可以进行多次设定安装，由计算机对多次传感器数据取平均值。之后的作业阶段就由钻杆定位装卸卡钳将所有钻杆按照该设置安装。不需要人工。根据实际制造出的机械精度和传感器实际情况，可以在一定数量的工作循环之后进行重新设置，防止现实情况下的外界因素导致的数据偏移。

整个作业流程具备可逆性，在拆卸钻杆时，由旋紧系统反转分离两段钻杆，再由井架上的吊运装置吊离井口。

Claims (1)

1.一种钻杆定位装卸卡钳，其特征在于：是由装卸部分、定位部分、辅助部分三部分组成：

a、装卸部分：钻杆定位卡钳（7）直接安装于钻杆卡钳架（1）上,旋紧卡钳（2）安装于钻杆旋紧环（3）上，钻杆旋紧环（3）由钻杆旋紧电机（4）驱动，钻杆旋紧卡钳（2），钻杆旋紧环（3）与钻杆旋紧电机（4）构成的系统安装在钻杆卡钳架（1）上，钻杆卡钳架（1）上部装有钻杆缓冲环（6），钻杆卡钳架（1）与钻杆定位卡钳（7）、钻杆旋紧卡钳（2）、钻杆旋紧环（3）、钻杆旋紧电机（4）、钻杆缓冲环（6）由纵向丝杠（5）驱动；

b、定位部分：纵向丝杠（5）驱动钻杆卡钳架（1）在纵向运动支架（8）上作平动，纵向丝杠（5）刚性固定于钻杆卡钳架（1）上，其螺纹部分位于横向运动支架（12）内部，由纵向丝杠驱动电机（10）驱动；纵向丝杠（5）上有感应导轨，隐藏于横向运动支架（12）内部；纵向运动支架（8）安装在横向运动支架（12）上，横向运动支架（12）由横向丝杠（9）驱动，由横向感应导轨（14）控制和校正；机座（15）上的横向丝杠驱动电机驱动横向丝杠；

c、辅助部分：支架配重（11）安装于横向运动支架（12）上，纵向运动支架（8）的对侧。

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