CN102777164A - 钻井的自动化装置 - Google Patents

Abstract

这是一种把现有钻井井台人工操作改成自动化的装置，不改变原井台上的设备构造，只安装一个转臂装置即可完成。该转臂装置由转臂、外臂、抱夹机构、转臂轴、轴座、液压控制机构、电器控制线路系统组成。轴座安装在井台边上。外臂在转臂内可以伸缩，抱夹机构安装在外臂前端，可以转动方向，夹爪可以张开与收拢。夹爪张开随转臂转动向井台边上被吊起的钻杆“横扫”过去，捕捉钻杆后，转臂反转，抱夹机构转动改变方向。钻杆被移送到井口正上方自动对正，钻杆落入井口接头或小鼠洞。取钻杆过程中可以把钻杆从井口移送到指定位置，因本机装有推杆机构，非常方便、快速把钻杆排列整齐。该装置成本低，改造、安装快，可以减轻工人劳动强度，提高效率。

Description

钻井的自动化装置

技术领域

本发明涉及一种石油及天然气的钻井设备，特别是钻井的自动化装置。

背景技术

现有的石油天然气钻井，井台上操作主要是全靠人工，工人把钢丝绳吊着的钻杆从井台边到井口来回往返拉动，钻杆与井口的对正、大钳的推进与后退、卡瓦的推进与拉开等繁重的体力劳动，一方面消耗工人巨大的体力，二方面工效太慢。国外有少许自动化钻井，但钻井设备价格昂贵，而主要是井台上设备构造与现有钻井井台设备构造有很大区别。也就是说，在不改变原有钻井井台设备构造条件下，如要把大量的现有钻井井台设备改成自动化操作，是根本不可能的。

发明内容

本发明是为了解决把现有钻井井台操作改成自动化而不改变原钻井井台设备情况下而设计的。

发明要点：钻井井台上工人主要循环地从事把钢丝绳吊着的钻杆从井台边到井口往返拉动、接钻杆、取钻杆这样的繁重劳动，要完成钻杆的对接，井台主要工作有：卡瓦的移动、张开与解扣；大钳的推进与拉开；钻杆拉动与对正。现在已普遍使用一种“自动卡瓦”，自动卡瓦要配合整个井台实现自动化是具备了条件的，也只略加改动。大钳的推进与拉开，因井口位置是固定的，只加上机械推拉移动装置和把上面的开关改成自动的也就能配合整个井台操作自动化。难点，在于钻杆的移动与对正。因现有井台上被吊拉起来的钻杆是飘摆不定的，尤其是初始位置是不定的，所以只能一直用人工手推。慢慢移动对正井口里那一根钻杆的螺纹导向口(往往几个人同时操作)。所以，只要解决了钻杆移动与对正问题，整过井台实现自动化就完全可能了。

本发明主要解决钻杆的捕捉、移动与对正。该装置主要由转臂、外臂、抱夹机构、转臂轴、轴座、底盘、液压机构、电器控制线路组成。轴座与底盘固成一体，转臂轴与转臂垂直连固成一体，转臂轴安装于轴座内，受旋转液压油缸控制，可以正、反转动自如。外臂呈方形管状，插入转臂内相应方形管滑道，受管道内液压缸(活塞杆)控制，可以在转臂内滑动伸缩自如。抱夹机构由剪式夹爪结构、夹爪轴销、后柄、液压缸、上夹板、下夹板、夹板座组成。剪式夹爪结构的轴销安装固定在上夹板上。两条后柄之间安装有液压缸(及活塞杆)。液压缸活塞杆的伸长与收回，控制了夹爪的张开与合拢。上、下夹板互相平行，由夹板座组合成一个整体。夹板座从前臂前部侧面卡进去，上、下夹板分别在外臂前部的上面和下面。上、下夹板上都开有对应的垂直于夹板平面的孔。外臂上、下面也开有孔，与卡进的上、下夹板上的孔同心。一根轴穿过上夹板、外臂、下夹板。于是抱夹机构被安装在外臂前端，并可以绕轴转动，可以从外臂前部的左侧面转动到右侧面。抱夹机构的转动，由安装在外臂壳体内的旋转液压油缸控制。该装置整体上是一个转臂机构，就如机械厂里的摇臂钻床一样。对钻杆的捕捉、移动与对正，是这样实现的：钻杆从井台下边被钢丝绳拉上来的初始位置(或钻杆起钻后立着堆放在井台边上的位置)，我们把它作为一个点(一个大致的区域)，以下称钻杆点。把井口位置作为一个点。把本装置轴座、底盘安装位置作为一个点(以下称圆点)。这样三点连线即成一个三角形。圆点设置在井台边上，与另外两点大致(尽可能)成等腰三角形(这里按等腰三角形叙述)，圆点是等腰三角形的顶点。当需要把井台边钻杆移动到井口的时候，转臂向钻杆点区域转动。这时，夹爪已张开，并且面向钻杆点这一方向，转臂带着已张开相当大距离的夹爪，向着被钢丝绳吊着的飘摆不定的钻杆“横扫”过去。两夹爪上相对安装有传感器(比如光电传感器)。当钻杆进入两夹爪之间的抱夹范围，则传感器立即启动相应开关，使后柄上的液压机构动作，两夹爪立即收拢而抱住钻杆，并不抱死，并留有适量(较小)间隙。同时，使转臂转动立刻停止。当夹爪一收拢，触动行程开关，使转臂改变旋转方向，同时抱夹机构转动，使夹爪朝向井口点一方，随转臂向井口点方向转动。当被抱夹机构抱住的钻杆正对井口上方时，转臂立即停止转动，这时吊钻杆的钢丝绳放下钻杆，钻杆头落进井口钻杆的螺纹头内。这时操作人员按一个开关，表示这一个捕捉、移动、对正钻杆过程结束。随即，夹爪松开，转臂反转到适当位置，让出井口附近空间。在下一次需要捕捉、移动、对正钻杆的时候，工人再按一下开关，就重复上述动作。同理，起钻杆时，把抱夹机构的捕捉点定在井口点，运送点是井口边上钻杆点或指定位置。其他动作，过程与上述相同。转臂距井台面有一定高度，甚至于工人可以随便走动，一般障碍物都能让过。

本发明的有益效果是：1.可以在现有井台加一个转臂机构，井台上其他设施基本可以保留，或略加改变就能实现井台操作自动化。2.结构简单，成本低。3.减轻工人劳动强度，提高工作效率。4.改造、安装时间短，一安上就用，基本不影响原生产秩序。5.对钻杆的螺纹损伤比人工操作要大为减小。

附图说明

图1是转臂机构在井台上安装位置和转臂转动捕捉钻杆图。

图2是抱夹机构结构图。

图3是抱夹机构与外臂安装配合图。

图4是抱夹机构在外臂前端转动图。

图5是钻杆被移送到井口并对正井口图。

图6是抱夹机构下边为堆放钻杆而设置的推杆机构图。

图7是井架上边安装一台同样转臂机构图。

图8是抱夹机构为“游标卡尺”式结构图。

图9是抱夹机构为“滑块滑道”式结构图。

附图中，钢丝绳1、钻杆2、抱夹机构3、外臂4、转臂5、转臂轴6、井口(或小鼠洞)7、轴座8、底盘9、夹爪10、传感器11、轴销12、挡墩13、后柄14、液压缸15、上夹板16、下夹板17、夹板座18、夹板轴19、旋转液压油缸20、夹板齿轮21、油缸轴22、油缸齿轮23、推杆24、推杆套25、推块26、推块盒27、支架28、井架29、游标块30、游标块盒31、滑道32、滑块33、角块34、挡板35、中挡墩36。

图1中，转臂机构底盘9、钻杆2下边位置、井口7位置三点成一个三角形。为叙述方便，这里把上述三点看作等腰三角形。底盘9在井台边缘上，在等腰三角形的顶点，即安装位置，用螺钉固定在井台上。轴座8与底盘9连成一体。转臂轴6与转臂5连成一体。转臂轴6插入轴座8内，可以正反转动自如。外臂4插入转臂5内，可以滑动伸缩自如。抱夹机构3安装在外臂4前端。

图2中，夹爪10、轴销12、后柄14组成一个剪式(也叫做钳式)夹爪机构。轴销12固定在上夹板16上。上夹板16、下夹板17互相平行，由夹板座18连固成一个整体。夹爪机构的两个后柄14之间安装有液压缸(包括活塞杆)15，液压缸15底部与一个后柄14连接(铰连)，液压缸15中的活塞杆与另一后柄14相连接(铰连)。液压缸15的活塞杆伸长，则两个夹爪10张开；液压缸15的活塞杆收缩，则两夹爪10向内抱拢。液压缸15左边设置了四个挡墩13，以限制后柄14的张开与收拢角度，也就是限制夹爪10张开与抱拢角度。当两边后柄14被液压缸15(包括活塞杆)向内拉，靠住中间两个挡墩13时，两边夹爪10就是抱住钻杆2的角度，并与钻杆2之间有少量间隙，并不抱死钻杆。当两边后柄14被液压缸15(包括活塞杆)向外推，靠住外边两个挡墩13时，两边夹爪10即张开到最大角度。两边夹爪10上相对安装有传感器11(比如光电传感器)。当钻杆一旦进入图2中二个传感器11相对连线位置以内，则传感器11立即作出反应而控制相应开关动作。

图3中，外臂4的前端嵌进抱夹机构的上夹板16和下夹板17里边，外臂4前端有与上夹板16和下夹板17相适应的轴孔。夹板轴19穿过上夹板16和下夹板17与外臂4相应孔。抱夹机构3被安装在外臂4上，并可以绕夹板轴19转动。转臂5内安装有作用于外臂4的液压缸15。

图4中，抱夹机构绕夹板轴19顺时针转动。外臂4内安装有旋转液压油缸20。旋转液压油缸20的输出轴即油缸轴22上安装有油缸齿轮23。在同一平面上，夹板轴19上安装有夹板齿轮21。夹板齿轮21与上夹板16连在一起，二者只能同步转动。夹板齿轮21与油缸齿轮23相咬合。这样，通过旋转液压油缸20即可控制抱夹机构正、反转动。夹板齿轮21可以布置在上夹板16外平面，相应油缸齿轮23升高成与夹板齿轮21为同一平面咬合。

夹板齿轮21布置在上夹板16下边的，外臂4相应平面上要制成凹坑，以让出夹板齿轮21和油缸齿轮23的安装位置。图3中的虚线就是夹板齿轮21布置在上夹板16下边这种情况。

图5中，抱夹机构3的夹爪10抱住钻杆2，随转臂5转动，已对正井口7。抱夹机构3已从图1中的位置转动到外臂4的这一侧面。

图6中，为了井台上堆放钻杆方便，在抱夹机构3的下夹板17的下平面，夹爪10合拢刚好抱住钻杆的位置，横向设置了推杆推块机构。图中是把下边翻转来画的。推杆推块机构中间有推块26，在推块盒27内可以滑动。推块盒27的两边布置有推杆套25(即液压缸)，推杆24(即活塞杆)插在推杆套25内，可以滑动。推块26内与推块盒27之间安装有液压缸，推杆套25和推块盒27都固定在下夹板17下面。

图7中，由支架28把一个同样转臂机构固定在井架29上，两台转臂机构动作协调一致，上、下抱夹机构正抱住钻杆2的情况。

图8中，是抱夹机构3采用“游标卡尺”方式。图9中，是抱夹机构3采用“滑块滑道”方式。

具体实施方式

以下结合实施例进一步描述。

传感器11的导线，经由抱夹机构3、外臂4、转臂5传到轴座8管内。液压油管经外臂4、转臂5传到轴座8管内。图中未画出。

外臂4伸长、收回长度，有行程开关控制、数控控制、手按开关控制几种。轴座8内安装有旋转液压油缸，用来带动和控制转臂轴6即带动、控制转臂5左、右转动。转臂轴6是管状，内空。轴座8内还安装有用于升降的液压缸。图中未画出。转臂5可以受升降的液压缸控制升降。抱夹机构3转动角度和转臂5转动角度也有数控和手动开关控制、及简单的角度传感器控制。控制线路由轴座8内拉出连在一个控制面板上。控制面板上有相应的按键和开关，由操作人员操作。控制线路中的相关传感器、行程开关、相关电子元器件等，图中未画出。以下结合每一过程用文字叙述。

具体工作过程：

一、捕捉钻杆和移动过程。如图1中，操作人员按下一个相应启动开关，则转臂5反时针转动。抱夹机构3的夹爪10已张开，在转臂5带动下，对着被钢丝绳1吊着的钻杆2横扫过去。钻杆2一旦进入二夹爪10上的两个传感器11的连线位置，则传感器11立即控制相应开关：1、使转臂5立即停止转动。2、同时使后柄14之间的液压缸15的活塞杆收回，拉后柄14收拢(参看图3)，夹爪10即抱住钻杆2。3、夹爪10收拢(抱住钻杆2，并有少许间隙)后，触动另一传感器(图中未画出)，使轴座8内的旋转液压油缸带动转臂轴6，从而带动转臂5顺时针转动。4、转臂5顺时针方向转动开始，外臂4中的旋转液压油缸20反时针转动经油缸齿轮23带动夹板齿轮21顺时针方向转动，整个抱夹机构3顺时针方向转动。如图4。

二、对正钻杆过程。如图5。当钻杆2被转送到离井口7较近位置时，转臂5的转动开始减速。这种减速是由程序中以转臂5转动的角度来确定的。当钻杆2对正井口7正上方。转臂5立即停止转动。操作人员按另一开关，使钢丝绳1落下钻杆2，钻杆2与夹爪10之间有少许间隙，钻杆2可以自由落下。钻杆2落进井口中的相应螺纹槽内。这时操作人员按下相关开关：1、使抱夹机构3上的液压缸15的活塞杆伸长，夹爪10张开。2、夹爪10张开后，触动相关传感器(图中未画出)，使转臂5开始反时针方向转动到左边适当位置停下来。同时，抱夹机构3也转动到外臂4左边，以备下一工作循环使用。

三、取钻杆过程：取钻杆过程，只是把上述井口位置改成捕捉钻杆位置，把上述捕捉钻杆位置(一个区域)改成正对钻杆位置。转臂5转动方向、移动钻杆与上述过程相反。抱夹机构3始终是转臂5左转，它也左转，转臂5右转，它也右转。同理，其他动作和过程按“捕捉点”(也叫钻杆点)和井口点的变化而相适应。

为了使钻杆2上部摆动减小，井架29上边适当位置可以安装同样一台转臂机构，由支架28固定在井架29上。如图7。上、下二台转臂机构动作互相协调。

四、堆放钻杆过程：抱夹机构3下夹板17上安装有用于堆放、排列钻杆用的推杆机构。能够方便快速使钻杆2在井台上边整齐堆放，如图6。该图是把图3中的抱夹机构翻过来看的。图6中，a图是推杆24收回推杆套25，推块26收回推块盒27内，这是未堆放钻杆2时情况。b图是从图中下方向上排列钻杆2情况。1、抱夹机构3对正所要堆放的空位置。2、下边推杆24伸出长度以不碰到其他钻杆为准。上边推杆24伸出以挡住图中要堆放钻杆的上方空位。3、抱夹机构3夹爪10张开。4、推块26把钻杆2从原被抱夹位置推出来，进入所对的空位。5、钻杆2落下。6、推杆24、推块26各自收回到如a图中去，堆放结束。c图是钻杆2从图中上方向下堆放的情况。其步骤与上述相同，只是下推杆24挡住所要堆放空位的下方，上推杆24伸出长度与b图中下推杆24长度相同。其他过程与b图相同。

抱夹机构3实施例：抱夹机构3有三种方式：“剪式结构”、“游标卡尺”式结构和“滑块滑道”式结构。以上实施例是以剪式结构进行描述。以下叙述“游标卡尺”式结构和“滑块滑道”式结构。这两种结构的优点是夹爪10张开的距离可以比“剪式结构”夹爪10张开距离大。

“游标卡尺”式结构，如图8。一个夹爪10固定在游标块30上，另一个夹爪10固定在游标块盒31上。上夹板16、下夹板17固定在游标块盒31上。液压缸15带动游标块30，从而带动上边的夹爪10伸出与收拢。只是游标块盒31上那一个夹爪10要靠外臂4的伸长与缩短来使其在所在空间位置进行进退。因此，使用时，在抱住钻杆后，而要松开钻杆时，须游标块30先带其上夹爪10松开，随即，外臂4少后退一点，带游标块盒31，即带其上的夹爪10后退一点，即松开钻杆2。抱住钻杆无所谓，只要一个夹爪10合拢一样抱夹。

“滑块滑道”式结构，如图9。图9中，上图是滑道32的构造图，及与上夹板16、下夹板17(图中虚线)的连接图。角块34上、下各一块，上边与上夹板16成一体，下边与下夹板17成一体。下图是抱夹机构3主要零部件安装图。二块滑块33插进滑道相应槽内，两块滑块33上各固定一件夹爪10，夹爪10上相对安装有传感器11。两块滑块33上相对应的最外边上角各固定一个挡墩13，两块滑块33的中间位置有一个中挡墩36。中挡墩36固定在上边那块角块34上。两件液压缸15的端头都固定在中挡墩36上。另一端(活塞杆)各自固定在滑块33相对应外端的挡墩13上。两根活塞杆同时伸长，则滑块33向两边滑动，两个夹爪10距离拉大。相反距离缩小。活塞杆与液压缸15之间设置了限位装置，以限制活塞杆的行程，从而限制滑块33向外的行程。两滑块33靠拢即两夹爪10抱住钻杆的合适位置。挡板35低于滑块33，固定在下边那一块角块34上，作用是滑块33拉开，夹爪10捕捉钻杆2时，钻杆2不碰撞滑道32。

Claims (9)

1.钻井的自动化装置，主要由转臂、外臂、抱夹机构、转臂轴、轴座、液压机构、电器控制系统组成，其特征在于：

(1).外臂安装在转臂内，可以伸长与缩短；

(2).转臂轴安装在轴座内，可以转动，捕捉钻杆和对正钻杆是靠转臂的转动角度和外臂的伸长缩短尺寸来定位的；

(3).抱夹机构安装在外臂前端，可以转动。

2.根据权利要求1所述的钻井的自动化装置，其特征在于，夹爪上安装有传感器，钻杆一进入夹爪的抱夹范围，夹爪立即收拢抱住钻杆，转臂立即停止转动。

3.根据权利要求1所述的钻井的自动化装置，其特征在于，转臂和外臂内安装有液压缸，带动和控制前臂伸缩。

4.根据权利要求1所述的钻井的自动化装置，其特征在于，抱夹机构的转动是由安装在外臂上的旋转液压油缸控制的，夹爪的张开与收拢是由液压缸控制的。

5.根据权利要求1所述的钻井的自动化装置，其特征在于，轴座内安装有旋转液压油缸，控制转臂轴和转臂转动，轴座内安装有用于升降转臂轴和转臂的液压缸。

6.根据权利要求1所述的钻井的自动化装置，其特征在于，抱夹机构下边安装有用于堆放、排列钻杆用的推杆机构。

7.根据权利要求1所述的钻井的自动化装置，其特征在于，抱夹机构有剪式结构、游标卡尺式结构和滑块滑道式结构。

8.根据权利要求1所述的钻井的自动化装置，其特征在于，被抱夹机构抱住的钻杆对正井口时，转臂立即停止转动。

9.根据权利要求1所述的钻井的自动化装置，其特征在于，推杆装置有两根推杆，推杆套中间有一个推块、推块盒。

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