CN105156043B - 一种地面钻具自动移送系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种地面钻具自动移送系统，其包括排管架、辅助排管架以及位于排管架与辅助排管架之间的轨道，轨道上有能够往返运行于排管架与辅助排管架之间的移送小车，其还包括PLC控制器、传感器组和电磁阀组。传感器的信号反馈至PLC控制器，PLC控制器的输出信号发送给电磁阀执行相应动作，实现钻井作业过程中钻具在地面上的自动移送。本发明还涉及一种地面钻具自动移送方法，其包括取钻和送钻两个过程，实现钻具在排管架及辅助排管架之间的自动往复移送。
Description
技术领域
本发明涉及石油勘探设备技术，具体是一种地面钻具自动移送系统及方法。
背景技术
随着能源需求的急剧扩大及油气勘探开发的技术进步，陆地油气开采大多超过5000米甚至达到10000米以上，钻井作业钻具移送量非常巨大，目前钻井作业地面钻具移送采用人工配合吊机的方法进行。CN 104373062 A公开了一种移送小车、钻具移送机构及方法，该对比文献中，移送小车在钻具排管架与猫道排管架之间来回移送钻具，钻具排管架与猫道排管架间设置输送轨道以限制移送小车的行车路径。但该方案未采用自动化技术，如果由人工控制整个输送过程，输送效率仍较低。因而，如何应用自动化技术实现钻井钻具移送的高效性及安全性成为了亟待解决的问题，这也是国家对智能制造装备研发的要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种地面钻具自动移送系统及方法，其能够实现钻井作业过程中钻具在地面上的自动移送。
本发明的技术方案如下：
一种地面钻具自动移送系统，包括排管架、辅助排管架以及位于排管架与辅助排管架之间的轨道，轨道上有能够往返运行于排管架与辅助排管架之间的移送小车，移送小车包括具有轮子的底盘和围成平行四边形的四连杆机构和位于四连杆机构顶端的叉子，一支杆的顶端与四连杆机构转动连接且另一端与底盘转动连接，底盘上具有滑轨，四连杆机构的底部与滑轨滑动连接，四连杆机构的底部还连接有推动其在滑轨上滑动的B油缸，其还包括PLC控制器；排管架靠近移送小车的一端通过A油缸支承于地面，一A传感器用于检测A油缸的升降高度，A油缸与PLC控制器之间连接有A电磁阀，A传感器与PLC控制器连接；移送小车的B油缸内置有用于测量活塞杆移动距离的位移传感器，一马达驱动移送小车在轨道上运行，轨道上对应移送小车的的极限位置设有A限位传感器和B限位传感器，A限位传感器靠近辅助排管架，B限位传感器靠近排管架，B油缸与PLC控制器之间连接有B电磁阀，马达与PLC控制器之间连接有C电磁阀，位移传感器、A限位传感器和B限位传感器分别与PLC控制器连接；辅助排管架远离移送小车的一端的支腿通过D油缸支承于地面，另一端设有用于检测该端高度的B传感器，D油缸与PLC控制器之间连接有D电磁阀，B传感器与PLC控制器连接，辅助排管架靠近移送小车的一端设置拉线式位移传感器，拉线式位移传感器用于检测辅助排管架上钻具最高层的高度。
一种地面钻具自动移送方法，其包括取钻过程和送钻过程。其中，取钻过程包括如下步骤：
步骤一、调整排管架，PLC控制器发送信号至A电磁阀，A电磁阀控制A油缸上升，A传感器检测A油缸上升的实际高度并将该高度反馈给PLC控制器实现闭环控制，A油缸上升到目标高度停止时，排管架与A油缸连接的一端高于另一端。
步骤二、调整辅助排管架，PLC控制器发送信号至D电磁阀，D电磁阀控制D油缸上升，B传感器检测辅助排管架的实际高度并将该高度反馈给PLC控制器实现闭环控制，D油缸上升到目标高度停止时，辅助排管架与D油缸连接的一端高于另一端，辅助排管架上的钻具滚至较低端。
步骤三、调整移送小车，PLC控制器采集拉线式位移传感器的信号，确定辅助排管架上钻具最高层的实际高度值，PLC控制器依据该高度值计算B油缸的目标位移量，PLC控制器发送信号至B电磁阀控制B油缸，B油缸通过推动四连杆机构在滑轨上滑动使移送小车升降，位移传感器检测B油缸的实际位移量并将该位移量反馈给PLC控制器实现闭环控制，当B油缸的实际位移量与目标位移量相等时，移送小车升降停止。
步骤四、获取钻具，PLC控制器发送信号至C电磁阀控制马达运转，使移送小车在轨道上朝辅助排管架前进，移送小车的叉子到达辅助排管架上最高层钻具的下方，移送小车继续前进直至极限位置时A限位传感器发送信号至PLC控制器，PLC控制器控制移送小车停止前进，PLC控制器发送信号至B电磁阀控制B油缸，B油缸通过推动四连杆机构在滑轨上滑动使移送小车上升到设定高度，位于移送小车的叉子上方的钻具脱离辅助排管架而受叉子支撑。
步骤五、移送钻具，PLC控制器发送信号至C电磁阀控制马达运转，使移送小车在轨道上朝排管架前进，移送小车前进到极限位置时，B限位传感器发送信号至PLC控制器，PLC控制器控制移送小车停止前进，PLC控制器发送信号至B电磁阀控制B油缸，B油缸通过推动四连杆机构在滑轨上滑动使移送小车下降到设定高度，位于移送小车叉子上的钻具脱离移送小车由排管架支撑并滚至排管架的较低端。
送钻过程包括如下步骤：
步骤一、调整排管架，PLC控制器发送信号至A电磁阀，A电磁阀控制A油缸下降，A传感器检测A油缸下降的实际高度并将该高度反馈给PLC控制器实现闭环控制，A油缸下降到目标高度停止时，排管架与A油缸连接的一端低于另一端，排管架上的钻具滚至排管架的较低端。
步骤二、调整辅助排管架，PLC控制器发送信号至D电磁阀，D电磁阀控制D油缸下降，B传感器检测辅助排管架的实际高度并将该高度反馈给PLC控制器实现闭环控制，D油缸下降到目标高度停止时，辅助排管架与D油缸连接的一端低于另一端。
步骤三、调整移送小车，PLC控制器采集A传感器的信号，确定排管架的实际高度值，PLC控制器依据该高度值计算B油缸的目标位移量，PLC控制器发送信号至B电磁阀控制B油缸，B油缸通过推动四连杆机构在滑轨上滑动使移送小车下降，位移传感器检测B油缸的实际位移量并将该位移量反馈给PLC控制器实现闭环控制，当B油缸的实际位移量与目标位移量相等时，移送小车停止下降。
步骤四、获取钻具，PLC控制器发送信号至C电磁阀控制马达，移送小车向排管架运行直至到达极限位置，PLC控制器发送信号至B电磁阀控制B油缸，B油缸通过推动四连杆机构在滑轨上滑动使移送小车上升到设定高度，位于移送小车的四连杆机构上方的钻具脱离排管架由移送小车支撑，排管架上的钻具滚至较低端。
步骤五、移送钻具，PLC控制器发送信号至C电磁阀控制马达，使移送小车在轨道上朝辅助排管架前进，移送小车前进到极限位置时，A限位传感器发送信号至PLC控制器，PLC控制器控制移送小车停止前进，PLC控制器采集拉线式位移传感器的信号，确定辅助排管架上钻具最高层的实际高度值，PLC控制器依据该高度值计算B油缸的目标位移量，PLC控制器发送信号至B电磁阀控制B油缸，B油缸通过推动四连杆机构在滑轨上滑动使移送小车下降到设定高度，移送小车上的钻具脱离移送小车由辅助排管架支撑并滚至辅助排管架的较低端。
本方案的移送系统，PLC控制器是自动移送系统的控制核心，外围传感器的信号进入PLC控制器的数字/模拟量输入模块，操纵台的操纵信号进入PLC控制器的数字/模拟量输入模块，PLC控制器的输出信号由数字/模拟量输出模块发送给操纵台的显示器及电磁阀等执行元件，控制的逻辑通过控制程序实现。
本方案的移送方法包含使钻具从辅助排管架通过移送小车移送到排管架——“取钻”、从排管架通过移送小车移送到辅助排管架——“送钻”两个移送过程。其利用PLC控制器的逻辑控制功能及传感器的实时反馈功能，通过程序控制，实现以移送小车为载体，将钻具在排管架及辅助排管架之间的自动往复移送。
本发明采用PLC控制器结合传感器形成闭环控制，硬件设计简单，信息处理速度快，造价低，具有较高的可靠性、高效性和安全性。
附图说明
图1为本发明地面钻具自动移送系统的结构主视图；
图2为本发明地面钻具自动移送系统的结构俯视图；
图3为本发明地面钻具自动移送系统中移送小车的结构主视图；
图4为图3中B油缸的行程与移送小车实际高度h的几何关系图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。
一种地面钻具自动移送系统，如图1和图2所示，其包括排管架3、辅助排管架5以及位于排管架3与辅助排管架5之间的轨道15，轨道15上有能够往返运行于排管架3与辅助排管架5之间的移送小车4，移送小车4采用背景技术中的专利文献公开的移送小车，该移送小车4包括具有轮子的底盘42和围成平行四边形的四连杆机构9和位于四连杆机构9顶端的叉子41，一支杆43的顶端与四连杆机构9转动连接且另一端与底盘42转动连接，底盘42上具有滑轨11，四连杆机构9的底部与滑轨11滑动连接，四连杆机构9的底部还连接有推动其在滑轨11上滑动的B油缸8。
本移送系统是通过设置自动控制装置来实现自动移送钻具的，以PLC控制器2为主控单元，以电磁阀、油缸和马达12为电控执行单元，传感器为信息检测与反馈单元。
排管架3靠近移送小车4的一端通过A油缸6支承于地面，排管架3的另一端通过销轴固定，A油缸6由A电磁阀19控制其升降，A油缸6的升降高度用A传感器7检测，A电磁阀19、A传感器7通过电缆线与PLC控制器2连接。
移送小车4的B电磁阀20控制B油缸8推动四连杆机构9在滑轨11上滑动，使得移送小车4作升降运动，B电磁阀20通过电缆线与PLC控制器2连接。B油缸8内置位移传感器10，用于测量活塞杆的移动距离，位移传感器10通过电缆线与PLC控制器2连接。C电磁阀21控制马达12使得移送小车4在轨道15上作进退运动，C电磁阀21通过电缆线与PLC控制器2连接。轨道15上对应移送小车4的极限位置设有A限位传感器14和B限位传感器13，A限位传感器14靠近辅助排管架5，B限位传感器13靠近排管架3，A限位传感器14和B限位传感器13通过电缆线与PLC控制器2连接。
辅助排管架5远离移送小车4的一端的支腿由D油缸17支承于地面，D油缸17由D电磁阀22控制其升降运动，辅助排管架5的升降高度用B传感器16检测。辅助排管架5靠近移送小车4的一端设置拉线式位移传感器1810，拉线式位移传感器18用于检测辅助排管架5上钻具最高层的高度。D电磁阀22、B传感器16、拉线式位移传感器18通过电缆线与PLC控制器2连接。
PLC控制器2是自动移送系统的控制核心，外围检测传感器的信号进入PLC控制器2的数字/模拟量输入模块，操纵台的操纵信号进入PLC控制器2的数字/模拟量输入模块，PLC控制器2的输出信号由数字/模拟量输出模块发送给操纵台的显示器及上述中的电磁阀，控制的逻辑通过内载的控制程序实现。
基于上述地面钻具自动移送系统的地面钻具自动移送方法，其分为取钻过程和送钻过程，该两个过程在实际生产中既可能交错进行，也可能是单个过程的连续。由于本发明中的移送小车4并非直降直升的结构，因此，如图3所示，取移送小车4上与四连杆机构9相关的铰接点A、B、C、D、E，B油缸8的行程需要经过换算，才能得到移送小车4的升降量。图4是B油缸8的行程与移送小车4的实际高度的关系示意图，根据移送小车4的运行轨迹，建立数学模型，得出B油缸8的行程与移送小车4的实际高度的关系函数，其中设：AB＝x，CB＝L1，CE＝L2，∠DCB＝∠θ，则有：h＝L2Sinθ，θ＝f1(L1)，L1＝f2(x)，可得h＝f(x)。由于所得关系函数是多变量含反三角函数的高次函数h＝f(x)，可通过计算机仿真，建立仿真数学模型h＝f0(x)，复合率可达98％以上。在PLC控制器2中编制该函数关系h＝f0(x)程序，建立B油缸8行程与移送小车4实际高度的一一对应关系。
上述取钻过程包括如下五个步骤：
步骤一、调整排管架3，PLC控制器2发送信号至A电磁阀19，A电磁阀19控制A油缸6上升，A传感器7检测A油缸6上升的实际高度H2并将该高度H2反馈给PLC控制器2实现闭环控制，A油缸6上升到目标高度H1停止时，排管架3与A油缸6连接的一端高于另一端，从而形成一个滚动坡道。
步骤二、调整辅助排管架5，PLC控制器2发送信号至D电磁阀22，D电磁阀22控制D油缸17上升，B传感器16检测辅助排管架5的实际高度H4并将该高度H4反馈给PLC控制器2实现闭环控制，D油缸17上升到目标高度H3停止时，辅助排管架5与D油缸17连接的一端高于另一端，从而形成一个滚动坡道，辅助排管架5上的钻具滚至较低端。
步骤三、调整移送小车4，PLC控制器2采集拉线式位移传感器18的信号，确定辅助排管架5上钻具最高层的实际高度值H0，PLC控制器2依据该高度值H0经h＝f0(x)函数转化为B油缸8的目标位移量X1，PLC控制器2发送信号至B电磁阀20控制B油缸8，B油缸8通过推动四连杆机构9在滑轨11上滑动使移送小车4升降，位移传感器10检测B油缸8的实际位移量X2并该位移量X2反馈给PLC控制器2实现闭环控制，当B油缸8的实际位移量X2等于经h＝f0(x)函数转化为B油缸8的目标位移量X1时，移送小车4升降停止。
步骤四、获取钻具，PLC控制器2发送信号至C电磁阀21控制马达12运转，使移送小车4在轨道15上朝辅助排管架5前进，移送小车4的叉子41到达辅助排管架5上最高层钻具的下方，移送小车4继续前进直至极限位置时A限位传感器14发送信号至PLC控制器2，PLC控制器2控制移送小车4停止前进，PLC控制器2发送信号至B电磁阀20控制B油缸8，B油缸8通过推动四连杆机构9在滑轨11上滑动，使得B油缸8的位移量为设定值X′，使移送小车4上升到设定高度H′，位于移送小车4的叉子41上方的钻具脱离辅助排管架5而受叉子41支撑。
步骤五、移送钻具，PLC控制器2发送信号至C电磁阀21控制马达12运转，使移送小车4在轨道15上朝排管架3前进，移送小车4前进到极限位置时，B限位传感器13发送信号至PLC控制器2，PLC控制器2控制移送小车4停止前进，PLC控制器2发送信号至B电磁阀20控制B油缸8，B油缸8通过推动四连杆机构9在滑轨11上滑动，使得B油缸8的位移量为设定值X″，使移送小车4下降到设定高度H″，此时移送小车4低于排管架3，位于移送小车4叉子41上的钻具脱离移送小车4由排管架3支撑，并沿滚动坡道向滚至排管架3的较低端。
重复上述步骤一至五，可进行连续多次取钻。
送钻过程包括如下五个步骤：
步骤一、调整排管架3，PLC控制器2发送信号至A电磁阀19，A电磁阀19控制A油缸6下降，A传感器7检测A油缸6下降的实际高度H2并将该高度H2反馈给PLC控制器2实现闭环控制，A油缸6下降到目标高度H5停止时，排管架3与A油缸6连接的一端低于另一端，排管架3上的钻具滚至排管架3的较低端。
步骤二、调整辅助排管架5，PLC控制器2发送信号至D电磁阀22，D电磁阀22控制D油缸17下降，B传感器16检测辅助排管架5的实际高度H4并将该高度H4反馈给PLC控制器2实现闭环控制，D油缸17下降到目标高度H6停止时，辅助排管架5与D油缸17连接的一端低于另一端。
步骤三、调整移送小车4，PLC控制器2依据高度值H5计算B油缸8的目标位移量X″′，PLC控制器2发送信号至B电磁阀20控制B油缸8，B油缸8通过推动四连杆机构9在滑轨11上滑动使移送小车4下降，位移传感器10检测B油缸8的实际位移量X″″并该位移量X″″反馈给PLC控制器2实现闭环控制，当B油缸8的实际位移量X″″与目标位移量X″′相等时，移送小车4停止下降；
步骤四、获取钻具，PLC控制器2发送信号至C电磁阀21控制马达12，移送小车4向排管架3运行直至到达极限位置，PLC控制器2发送信号至B电磁阀20控制B油缸8，B油缸8通过推动四连杆机构9在滑轨11上滑动使移送小车4上升到设定高度H″′，位于移送小车4的四连杆机构9上方的钻具脱离排管架3由移送小车4支撑，排管架3上的钻具滚至较低端；
步骤五、移送钻具，PLC控制器2发送信号至C电磁阀21控制马达12，使移送小车4在轨道15上朝辅助排管架5前进，移送小车4前进到极限位置时，A限位传感器14发送信号至PLC控制器2，PLC控制器2控制移送小车4停止前进，PLC控制器2采集拉线式位移传感器18的信号，确定辅助排管架5上钻具最高层的实际高度值H0，PLC控制器2依据该高度值H0计算B油缸8的目标位移量X1，PLC控制器2发送信号至B电磁阀20控制B油缸8，B油缸8通过推动四连杆机构9在滑轨11上滑动，当B油缸8的实际位移量X2与目标位移量X1相等时，使移送小车4下降到设定高度H″′，移送小车4上的钻具脱离移送小车4由辅助排管架5支撑并滚至辅助排管架5的较低端。
Claims (1)
1.一种采用地面钻具自动移送系统的地面钻具自动移送方法，其特征在于：包括取钻过程和送钻过程，其中，
取钻过程包括如下步骤：
步骤一、调整排管架，PLC 控制器发送信号至 A 电磁阀，A 电磁阀控制 A 油缸上升，A传感器检测 A 油缸上升的实际高度并将该高度反馈给 PLC 控制器实现闭环控制，A 油缸上升到目标高度停止时，排管架与 A 油缸连接的一端高于另一端；
步骤二、调整辅助排管架，PLC 控制器发送信号至 D 电磁阀，D 电磁阀控制 D 油缸上升，B 传感器检测辅助排管架的实际高度并将该高度反馈给 PLC 控制器实现闭环控制，D油缸上升到目标高度停止时，辅助排管架与 D 油缸连接的一端高于另一端，辅助排管架上的钻具滚至较低端；
步骤三、调整移送小车，PLC 控制器采集拉线式位移传感器的信号，确定辅助排管架上钻具最高层的实际高度值，PLC 控制器依据该高度值计算 B 油缸的目标位移量，PLC 控制器发送信号至 B 电磁阀控制 B 油缸，B 油缸通过推动四连杆机构在滑轨上滑动使移送小车升降，位移传感器检测 B 油缸的实际位移量并将该位移量反馈给 PLC 控制器实现闭环控制，当 B 油缸的实际位移量与目标位移量相等时，移送小车升降停止；
步骤四、获取钻具，PLC 控制器发送信号至 C 电磁阀控制马达运转，使移送小车在轨道上朝辅助排管架前进，移送小车的叉子到达辅助排管架上最高层钻具的下方，移送小车继续前进直至极限位置时 A 限位传感器发送信号至 PLC 控制器，PLC 控制器控制移送小车停止前进，PLC 控制器发送信号至 B 电磁阀控制 B 油缸，B 油缸通过推动四连杆机构在滑轨上滑动使移送小车上升到设定高度，位于移送小车的叉子上方的钻具脱离辅助排管架而受叉子支撑；
步骤五、移送钻具，PLC 控制器发送信号至 C 电磁阀控制马达运转，使移送小车在轨道上朝排管架前进，移送小车前进到极限位置时，B 限位传感器发送信号至 PLC 控制器，PLC控制器控制移送小车停止前进，PLC 控制器发送信号至 B 电磁阀控制 B 油缸，B 油缸通过推动四连杆机构在滑轨上滑动使移送小车下降到设定高度，位于移送小车叉子上的钻具脱离移送小车由排管架支撑并滚至排管架的较低端；
送钻过程包括如下步骤：
步骤一、调整排管架，PLC 控制器发送信号至 A 电磁阀，A 电磁阀控制 A 油缸下降，A传感器检测 A 油缸下降的实际高度并将该高度反馈给 PLC 控制器实现闭环控制，A 油缸下降到目标高度停止时，排管架与 A 油缸连接的一端低于另一端，排管架上的钻具滚至排管架的较低端；
步骤二、调整辅助排管架，PLC 控制器发送信号至 D 电磁阀，D 电磁阀控制 D 油缸下降，B 传感器检测辅助排管架的实际高度并将该高度反馈给 PLC 控制器实现闭环控制，D油缸下降到目标高度停止时，辅助排管架与 D 油缸连接的一端低于另一端；
步骤三、调整移送小车，PLC 控制器采集 A 传感器的信号，确定排管架的实际高度值，PLC 控制器依据该高度值计算 B 油缸的目标位移量，PLC 控制器发送信号至 B 电磁阀控制 B油缸，B 油缸通过推动四连杆机构在滑轨上滑动使移送小车下降，位移传感器检测 B油缸的实际位移量并将该位移量反馈给 PLC 控制器实现闭环控制，当 B 油缸的实际位移量与目标位移量相等时，移送小车停止下降；
步骤四、获取钻具，PLC 控制器发送信号至 C 电磁阀控制马达，移送小车向排管架运行直至到达极限位置，PLC 控制器发送信号至 B 电磁阀控制 B 油缸，B 油缸通过推动四连杆机构在滑轨上滑动使移送小车上升到设定高度，位于移送小车的四连杆机构上方的钻具脱离排管架由移送小车支撑，排管架上的钻具滚至较低端；
步骤五、移送钻具，PLC 控制器发送信号至 C 电磁阀控制马达，使移送小车在轨道上朝辅助排管架前进，移送小车前进到极限位置时，A 限位传感器发送信号至 PLC 控制器，PLC控制器控制移送小车停止前进，PLC 控制器采集拉线式位移传感器的信号，确定辅助排管架上钻具最高层的实际高度值，PLC 控制器依据该高度值计算 B 油缸的目标位移量，PLC 控制器发送信号至 B 电磁阀控制 B 油缸，B 油缸通过推动四连杆机构在滑轨上滑动使移送小车下降到设定高度，移送小车上的钻具脱离移送小车由辅助排管架支撑并滚至辅助排管架的较低端；
上述地面钻具自动移送系统包括排管架、辅助排管架以及位于排管架与辅助排管架之间的轨道，轨道上有能够往返运行于排管架与辅助排管架之间的移送小车，移送小车包括具有轮子的底盘和围成平行四边形的四连杆机构和位于四连杆机构顶端的叉子，一支杆的顶端与四连杆机构转动连接且另一端与底盘转动连接，底盘上具有滑轨，四连杆机构的底部与滑轨滑动连接，四连杆机构的底部还连接有推动其在滑轨上滑动的 B 油缸，其还包括PLC 控制器；
排管架靠近移送小车的一端通过 A 油缸支承于地面，一 A 传感器用于检测 A 油缸的升降高度，A 油缸与 PLC 控制器之间连接有 A 电磁阀，A 传感器与 PLC 控制器连接；
移送小车的 B 油缸内置有用于测量活塞杆移动距离的位移传感器，一马达驱动移送小车在轨道上运行，轨道上对应移送小车的的极限位置设有 A 限位传感器和 B 限位传感器，A 限位传感器靠近辅助排管架，B 限位传感器靠近排管架，B 油缸与 PLC 控制器之间连接有 B 电磁阀，马达与 PLC 控制器之间连接有 C 电磁阀，位移传感器、A 限位传感器和 B 限位传感器分别与 PLC 控制器连接；
辅助排管架远离移送小车的一端的支腿通过 D 油缸支承于地面，另一端设有用于检测该端高度的 B 传感器，D 油缸与 PLC 控制器之间连接有 D 电磁阀，B 传感器与 PLC控制器连接，辅助排管架靠近移送小车的一端设置拉线式位移传感器，拉线式位移传感器用于检测辅助排管架上钻具最高层的高度。
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