CN105569566B - 一种自动化钻机 - Google Patents
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Abstract
一种自动化钻机，井架的两侧设有双扇形指梁，底座上设有两个相对应的下沉式立根盒；猫道自动翻进、翻出及前后平移置入的管具；翻转机械手夹持猫道输送来的管具并翻转至竖直状态，在上、卸扣时夹紧下边的管具施加反扭矩；双排管机上、下移动管具，对扣管具，竖直移运或排放立根。该钻机采用电液复合驱动，全方位视频监控系统，集成控制，司钻在控制室操作相应的程序即可实现钻机的钻进和接卸立根工作，可实现真正地全自动化、离线作业、作业效率可提高到现役钻机的3倍且安全可靠；并且在井场搬家时，可满立根整体移运，大大提高作业效率和降低人员劳动强度。
Description
技术领域
本发明涉及一种油气钻采用钻机，可实现自动化操作、离线作业。
背景技术
现役钻机属于半自动化，仅钻进过程实现自动化，其他辅助作业需要工人配合机械操作，钻机自动化程度低、危险性大、生产效率低。
例如，陆地钻机进行钻具移运和上钻台面作业过程：首先，专用车辆将钻具运输至井场，采用现场吊车将钻具吊至钻具架；然后，工人将钻具推入猫道，由钻台面的气动绞车下放钢丝绳挂住钻具顶部，利用索具直接把钻具沿猫道提升至钻台面；最后，由2名工人用铁钩钩住钻具下部，慢慢移送到小鼠洞中，用吊卡卡住钻具。上述操作需要3-4名工人配合，操作效率低、安全性差、对钻具的损坏程度大。
又例如，陆地钻机的接立根作业过程中，采用液气大钳以及液压猫头和B型钳配合进行上、卸扣；立根盒安装在钻台面上，立根存放需要井架工上二层台拉拽管具，钻台面需要专人扶正管具。整个接立根、存立根过程，自动化程度低，工人劳动强度大，危险性较高。
发明内容
本发明在于提高钻机的自动化水平，使得钻机能自动输送钻具、二层台无人值守、自动接卸立根、自动排放立根，从而实现离线作业。
为了达到上述目的，本发明提供了一种自动化钻机，主要由井架、底座、猫道、顶驱、钻台面组成,其特征在于：在上述井架的两侧设有双扇形指梁，在上述底座上设有两个于前述扇形指梁相对应的下沉式立根盒；上述猫道自动翻进、翻出及前后平移置入的管具；
还包括安装于井场地面、位于前述两立根盒之间的翻转机械手，夹持猫道输送来的管具并翻转至竖直状态，在上、卸扣时夹紧下边的管具施加反扭矩；
还包括安装在井架的后大门侧的两个排管机，其中每个排管机均可上、下移动管具，对扣管具，竖直移运或排放立根。
本发明中，猫道安装在井场地面上，可自动实现管具的翻进、翻出及前后的平移动作，自动实现管具从管子堆场向翻转机械手的移运功能。翻转机械手的功能是自动实现管具从水平状态到竖直状态，并在上、卸扣时夹紧下边的管具施加反扭矩。双排管机可以上下移动、旋转、变幅及夹持，可自动实现管具的上下移动、对扣、立根排放、立根竖直方向移运。
猫道、翻转机械手和其中一个排管机相互配合，可实现管具的高自动化处理：猫道水平移运管具到既定位置，翻转机械手夹紧管具；然后翻转机械手带动管具从水平状态翻转到竖直状态；排管机下移，抓住管具并上提管具至既定高度；猫道、翻转机械手复位，重复上一动作流程，将下一根管具运送到竖直状态，排管机下移，上下两根管具对接；由铁钻工等工具对两根管具进行上扣，此时翻转机械手夹持管具施加反扭矩；双排管机抓住管具上提，至下边一根管具高于台面一定高度停止；猫道、翻转机械手再次复位，输送第三根管具至竖直状态；排管机下移，上下两根管具对接；由铁钻工等工具对两根管具进行上扣， 3根管具接成1个立根；排管机抓住立根上提，当管具高于钻台面后，长排管机带动立根回收，旋转至双扇形指梁目标位置下放立根。卸立根作业过程与上述接立根、立根排放作业过程相反。
同时，另一排管机与顶驱相互配合，可实现钻井过程中高自动化的管具起、下钻处理工作：起立根时，顶驱与铁钻工配合卸立根；该排管机旋转，伸出至井口中心，抓取立根上端；该排管机收回，旋转至指梁目标位置；该排管机下移，下放立根；该排管机复位。下钻过程与上述起钻过程相反。
这样，两个排管机均可独立工作，使得接、卸、排放立根操作，和管具起、下钻处理操作同时进行。另外，在一个排管机出现故障时，还可实现管具在指梁与井口间移运管具的功能。
另外，本发明中，立根盒的安装位置由传统的钻台面上下沉至底座上，重心位置有效下移9米至14米，在井场搬家时，可满立根整体移运，大大提高了搬家效率和降低人员劳动强度。双扇形指梁均布于自升式井架两侧，满载时载荷对称分布、受力好。当一侧扇形指梁用于存储井场上来的管具接成的立根，另一侧扇形指梁则可用于存储起钻过程中的立根。因此，接卸立根和起下钻工作可同时进行。
该钻机采用电液复合驱动，集成控制，司钻在控制室操作相应的程序即可实现钻机的钻进和接卸立根工作，可实现真正地全自动化、离线作业、作业效率可提高到现役钻机的3倍且安全可靠。
作为一种优选，本专利的一种自动化钻机，其特征还在于：上述猫道包括对称分布的两对支腿、液缸驱动的成对内翻转臂、液缸驱动的成对外翻转臂，以及主车、小车、安装座、减速机；支腿位于猫道的主体两侧，其外侧由支腿油缸支撑到地面，内侧经销轴铰接于安装座；主车上设有V道；减速机设于猫道两端，经链条驱动小车带动管具在主车上前后运动。存储在管子堆场的管具放置到猫道的支腿上；猫道同侧的支腿油缸同时驱动支腿向上旋转，支腿外侧太高，管具沿着支腿方向向内滑向内翻转臂；内翻转臂在内内翻转液缸的驱动下向内翻转，将管具翻转至主车的V道上；小车经减速机、链条驱动向前行驶推动管具向前平移，此时内翻转臂已复位；管具被运退到既定位置时，交给翻转机械手，小车停止并且后退至初始位置，等待移运下一根管具。相反，当管具下钻台时，翻转机械手将管具放到猫道的主车的V道上后，小车带动管具向后运动，至既定位置后，小车退回初始位置；外翻转臂在外翻转液缸的驱动下将管具向外翻转放到支腿上。
作为一种优选，本专利的一种自动化钻机，其特征还在于：上述翻转机械手主要由钳体、翻转臂及安装架、导向装置组成；安装架固定在井场地面上，靠近钻台一边与翻转臂经销轴铰接，在安装架上铰接有驱动翻转臂旋转90度的翻转液缸；钳体安装在翻转臂上夹紧或松开置入的管具，具有凹槽的导向装置固定在钳体外侧的安装架上。该导向装置的导向头的安装板上设有不同定位安装孔，通过调整安装孔的位置来适应不同规格的管具。初始状态时，翻转臂叠放在安装架上；工作时，钳体先打开，猫道将管具运到既定位置，导向装置将管具顺利导入翻转机械臂，两钳体闭合夹紧管具；然后翻转臂在翻转液缸的驱动下，带动管具从水平状态围绕销轴向上翻转到竖直状态。第一根管具交给已待命的任一排管机，排管机上提管具至既定高度。翻转机械手重复上一动作流程，将下一根管具运送到竖直状态，等待铁钻工等工具上扣。
作为进一步优化，本专利的一种自动化钻机，其特征还在于：上述钳体有两个，分别位于翻转臂的上、下端，其钳头主要由沿着竖轴旋转的一对滚轮、钳体夹紧液缸、连杆、钳体固定座组成。在翻转机械手夹持管具上提时，成对滚轮可以具有导向扶正功能；滚轮不能在管具的径向方向旋转，在配合铁钻工上、卸扣时夹紧下边的管具施加反扭矩，具有传统钻机卡瓦的功能。
作为一种优选，本专利的一种自动化钻机，其特征还在于：上述两个排管机为长排管机和短排管机；
排管机主要由安装座、立柱、上夹钳、下扶正钳、上机械臂、下机械臂、上滑车、下滑车、伸缩液缸、钢丝绳、提升绞车组成；
其中，安装座固定在钻台或井架上，具有回转支撑带动立柱转动，立柱上安装有导轨，上述滑车在导轨上滑动；
其中，上机械臂为平行四边行机构，其上端铰接在上滑车上，中部经旋转臂铰接在下滑车上；上机械臂的上端和旋转臂的外端经伸缩液缸相连接；用于夹持管具的上夹钳位于上机械臂的下端；立柱的一端安装有提升绞车，经钢丝绳拉动上述上滑车/下滑车为上机械臂上、下移动提供动力；
其中，下机械臂为平行四边行机构，其上端铰接在上滑车上、中部经旋转臂铰接在立柱下端上，或其上端铰接在立柱下端上、中部经旋转臂铰接在下滑车上；下机械臂的上端和旋转臂的外端经伸缩液缸相连接；用于管具扶正导向的下扶正钳位于下机械臂的下端；
上述短排管机的上机械臂的上下移动的行程小于长排管机的上机械臂的上下移动的行程。
作为一种优选，为保证上述双排管机在移运管具时的平稳性，本专利的双排管机其特征还在于：上述长排管机的上夹钳下方还设有将钻具从鼠洞提出钻台面，并与铁钻工配合实现管具的上扣的吊钳。
这样，长排管机用于接、卸立根，其原理如下：上机械臂向下运动，到达指定位置后上机械臂带动吊钳向管具伸出，吊钳卡持管具；翻转机械手的钳体继续夹持管具，长排管机的上机械臂上移，下机械臂伸出，下扶正钳扶正管具，下扶正钳上的滚轮在摩擦力的作用下朝管具轴向滚动；当将单根提升钻台一定高度，长排管机的上机械臂停止等待下一根管具；待翻转机械手和猫道退回到初始位置，输送下一根管具就位，长排管机的上机械臂下移并在下扶正钳的辅助下调整上边管具的位置姿态使上、下两根管具对扣，铁钻工对管具旋扣、紧扣；完成接双根动作后，长排管机的上机械臂先向下移动吊钳脱离管具，上夹钳夹持管具；然后上机械臂上移，将双根管具提升钻台一定高度，等待下一根管具；翻转机械手和猫道退回到初始位置，输送下一根管具就位，长排管机的上机械臂下移并在下扶正钳的辅助下使上、下两根管具对扣，然后铁钻工对管具旋扣、紧扣，如此一系列动作循环，即完成接立根的工作。
长排管机也用来排放立根，其原理如下：长排管机的上夹钳抓持立根上移，此时吊钳、下扶正钳扶正立根，将立根管具提升钻台一定高度，上下机械臂同时缩回，主体旋转对准指梁目标列后，长排管机的上下机械臂同时伸出至目标位置后，长排管机的上机械臂下移放置立根至立根盒对应位置，长排管机的上夹钳、吊钳、下扶正钳依次脱离；长排管机复位等待下一指令。
短排管机可同时用于与顶驱、铁钻工、卡瓦配合完成起下钻工作。
作为一种优选，本专利的一种自动化钻机，其特征还在于：上述双扇形指梁主要由存储架和卡子总成组成，存储架的每一个钻具存放位置前都设有一个卡子总成；卡子总成主要由翻转气缸、连杆、指头以及检测指头开合状态的传感器组成。传感器可以检测每一个卡子的开合状态。当司钻从控制室观察双排管机运送管具到双扇形指梁的指定列时，按下操控按钮，相应列目标位置前的所有卡子总成开启；当管具下放到目标位置后，卡子总成在翻转气缸的驱动下自动关闭，以很好的隔离和保护每一个管具，避免管具倾倒。
为方便司钻能从控制室清楚的观察双排管机运送管具到双扇形指梁情况以及每个钻具存放位置的情况的，从而实现远程自动化控制，作为进一步优化，本专利的一种自动化钻机，其特征还在于：上述井架上安装有监控每个卡子总成存放钻具情况的摄像头。
为方便该钻机的搬运和拆装，以及实现管具处理的全自动化，作为进一步优化，本专利的一种自动化钻机，其特征还在于：上述井架为自升式井架；该钻机还包括液压吊卡、铁钻工、动力卡瓦；铁钻工主要由旋扣钳、紧扣钳、加紧钳组成，上扣、卸扣通过控制系统一键操作。
为方便猫道、翻转机械手、两排管机相互配合，作为进一步优化，本专利的一种自动化钻机，其特征还在于：上述钻台面的边缘开放式设置半圆形鼠洞。这样，接、卸立根作业时管具均在钻台面外边，不仅利于操作，也减少了与钻机其他部分的碰撞。
附图说明
以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本发明。
图1：本发明钻机的结构示意图；
图2：图1所示钻机中猫道1的结构示意图；
图3：图2所示猫道在支腿1-2移运管具时的状态示意图；
图4：图2所示猫道在内翻转臂1-3翻转管具时的状态示意图；
图5：图2所示猫道在小车1-8水平移运管具时的状态示意图；
图6：图1所示钻机中翻转机械手2的结构示意图；
图7：图6所示翻转机械手中夹持钳2-1的结构示意图；
图8：图1所示钻机中长排管机10和短排管机13组成的双排管机的结构示意图；
图9：图1所示钻机中双扇形指梁9的结构示意图；
图10：图9所示双扇形指梁中卡子总成9-2的结构示意图；
图11：图1所示钻机中翻转机械手2在与猫道1配合交接管具时的状态示意图；
图12：图1所示钻机中长排管机10在吊取管具处于竖直时的状态示意图；
图13： 图1所示钻机中翻转机械手2与长排管机10在配合对接管具时的状态示意图；
图14：图1所示钻机中铁钻工7在上扣时的状态示意图；
图15：图1所示钻机中翻转机械手2与长排管机10在配合接立根时的状态示意图；
图16：图1所示钻机中立根排放（起、下钻工作作业时）的示意图；
图17：图1所示钻机中短排管机13与顶驱11配合交接立根状态示意图。
图中标记：猫道1，翻转机械手2，立根盒3，底座4，鼠洞5，动力卡瓦6，铁钻工7，自升式井架8，双扇形指梁9，长排管机10，顶驱11，管具12，管具12-1，管具12-2，短排管机13，立根14，支腿油缸1-1，支腿1-2,内翻转臂1-3,主车1-4,内翻转液缸1-5,外翻转臂1-6,外翻转液缸1-7,小车1-8,安装座1-9,减速机1-11，链条1-12，钳体2-1，翻转臂2-2，安装架2-3，销轴2-5，翻转液缸2-7，导向装置2-8，滚轮2-1-1，钳体夹紧液缸2-1-2，连杆2-1-3，钳体固定座2-1-4，下安装座10-1，立柱10-2，下扶正钳10-3，伸缩液缸10-4，下机械臂10-5、上滑车10-6，吊钳10-7，上夹钳10-8，下滑车10-9，上机械臂 10-10，钢丝绳10-11，提升绞车10-12，上安装座10-13，下安装座13-1，立柱13-2，下扶正钳13-3，伸缩液缸13-4，下机械臂13-5，下滑车13-7，上机械臂13-8，上夹钳13-9，钢丝绳13-10，提升绞车13-11，上安装座13-12，存储架9-1，卡子总成9-2，指头9-2-1，翻转气缸9-2-2，连杆9-2-3，传感器9-2-4，旋扣钳7-1，紧扣钳7-2，加紧钳7-3。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
如图1所示，本实施例钻机的主要设备从低到高、从左到右依次包括：猫道1、翻转机械手2、底座4、立根盒3、动力卡瓦6、铁钻工7、自升式井架8、双扇形指梁9、长排管机10、顶驱11、短排管机13。其中，翻转机械手2安装在井场地面上，立根盒3安装在底座4上，双扇形指梁9位于自升式井架8两侧，双排管机10安装在自升式井架8后大门侧
猫道1安装在井场地面上，可自动实现管具的翻进、翻出及前后的平移动作，自动实现管具从管子堆场向翻转机械手2的移运功能。如图2-图5所示，猫道1主要有4个对称分布的支腿1-2、4个对称分布的内翻转臂1-3、主车1-4、小车1-8、4个对称分布的外翻转臂1-6及相应的执行和控制机构组成。其中，支腿1-2位于猫道1的主体两侧，靠近中间主车1-4；支腿1-2的外侧设计有一个支腿油缸1-1，内侧与安装座1-9通过销轴铰接。其中，主车1-4上设计有V型的V道，管具翻入V道时在惯性的作用下左右摆动。其中，在猫道1两端设有减速机1-11，链条1-12连接小车1-8并与减速机1-11上的齿轮啮合，减速机1-11经链条1-12驱动下小车1-8在主车1-4上前后运动。主车1-4上间隔设有4个对称分布的外翻转臂1-6；外翻转液缸1-7一端固定在主车1-4内部，另一端连接外翻转臂1-6。如图3所示，在支腿油缸1-1的驱动下，支腿1-2外端围绕内端铰点向上旋转，管具12-1顺着支腿1-2滑向内侧的内翻转臂1-3；如图4所示，内翻转臂1-3在内翻转液缸1-5的驱动下，带动管具12-1向主车1-4内翻转，将管具放入主车1-4的V道上；如图5所示，小车1-8向前行驶推动管具12-1向前平移。管具12-1移动到既定位置时小车1-8停止，待翻转机械手2夹持。相反，当管具12-1下钻台时，翻转机械手2将管具放到猫道1的主车1-4的V道上后，小车1-8带动管具向后运动，至既定位置后，小车1-8退回初始位置；外翻转臂1-6在外翻转液缸1-7的驱动下将管具向外翻转放到支腿1-2上。
翻转机械手2的功能是自动实现管具从水平状态到竖直状态，并在上、卸扣时夹紧下边的管具施加反扭矩。如图6、图7、图11、图12、图13、图15所示，翻转机械手2主要由钳体2-1、翻转臂2-2、导向装置2-8及安装架2-3组成。其中，安装架2-3固定在地面上，靠近钻台一边与翻转臂2-2通过销轴2-5铰接；安装架2-3与翻转臂2-2两侧各设置有一个翻转液缸2-7；钳体2-1安装在翻转臂2-2上，上下各有一个，其钳头主要由沿着竖轴旋转的一对滚轮2-1-1、钳体夹紧液缸2-1-2、连杆2-1-3、钳体固定座2-1-4组成；具有V型等凹槽的导向装置2-8固定在钳体2-1外侧的安装架2-3上。在翻转机械手2夹持管具上提时，成对滚轮2-1-1可以具有导向扶正功能；滚轮2-1-1不能在管具的径向方向旋转，在配合铁钻工7上、卸扣时夹紧下边的管具施加反扭矩，具有传统钻机卡瓦的功能。在夹紧油缸2-1-2的驱动下钳体2-1开合并可夹持不同管径的管具。如图6所示初始状态时，翻转臂2-2叠放在安装架2-3上；如图11所示工作时，钳体2-1先打开，猫道1将管具运到既定位置，导向装置2-8将管具顺利导入翻转机械臂2，两钳体2-1闭合夹紧管具；然后翻转臂2-2在翻转液缸2-7的驱动下，带动管具从水平状态围绕销轴2-5向上翻转到如图12所示的竖直状态。
如图14所示，铁钻工7主要功能是代替传统钻机的液气大钳对管具进行上扣和卸扣，由旋扣钳7-1，紧扣钳7-2，加紧钳7-3组成。上扣时，上下管具对扣完成后，加紧钳7-3夹紧下边一根管具，先用旋扣钳7-1对上边一根管具高速施加扭矩，使上边管具的公扣旋进下边管具的母扣，然后用紧扣钳7-2进行紧扣达到管具对应的扭矩。卸扣时动作相同，旋扣方向相反。这一系列动作可通过控制系统控制一键完成。
如图8、图12、图13、图15、图16所示，长排管机10可以上下移动、旋转、变幅及夹持，可自动实现管具的上下移动、对扣、立根排放、立根竖直方向移运，主要由下安装座10-1、立柱10-2、下扶正钳10-3、伸缩液缸10-4、下机械臂10-5、上滑车10-6、吊钳10-7、上夹钳10-8、下滑车10-9、上机械臂 10-10、钢丝绳10-11、提升绞车10-12、上安装座10-13组成。其中，下安装座10-1通过螺栓安装在钻台上，其上边设计有回转支撑，可在齿轮的驱动下实现回转；上安装座10-13通过铰销安装在井架8上；立柱10-2两端分别于上、下安装座铰接连接；立柱10-2上安装有导轨（图中未示出），上滑车10-6、下滑车10-9在导轨上可上下滑动。
上机械臂10-10为平行四边行机构，其上端铰接在上滑车10-6上，中部经旋转臂（未标出）铰接在下滑车10-9上；同时，上机械臂10-10的上端和旋转臂的外端经伸缩液缸10-4相连接；上机械臂10-10下端设计有上夹钳10-8用于夹持管具，上夹钳10-8下方设计有吊钳10-7，该吊钳10-7可将钻具从鼠洞5提出钻台面，并与铁钻工7配合实现管具的上扣。立柱10-2的上端安装有提升绞车10-12，经钢丝绳10-11拉动上滑车10-6为上机械臂10-10的上、下移动提供动力。
下机械臂10-5为平行四边行机构，其上端铰接在上滑车10-6上，中部经旋转臂（未标出）铰接在立柱上；同时，下机械臂10-5的上端和旋转臂的外端经伸缩液缸10-4相连接。下机械臂10-5下端设计有下扶正钳10-3用于管具扶正导向。
如图8、图17所示，短排管机13，可以上下移动、旋转、变幅及夹持，与顶驱相互配合，可实现钻井过程中高自动化的管具起、下钻处理工作，主要由下安装座13-1、立柱13-2、下扶正钳13-3、伸缩液缸13-4、下机械臂13-5、下滑车13-7、上机械臂13-8、上夹钳13-9、钢丝绳13-10、提升绞车13-11、上安装座13-12组成。其中，下安装座13-1通过螺栓安装在钻台上，其上边设计有回转支撑，可在齿轮的驱动下实现回转；上安装座13-12通过铰销安装在井架8上；立柱13-2两端分别于上、下安装座铰接连接；立柱13-2上安装有导轨（图中未示出），上滑车（图中未示出）、下滑车13-7在导轨上可上下滑动。
上机械臂13-8为平行四边行机构，其上端铰接在上滑车（图中未示出）上，中部经旋转臂（未标出）铰接在下滑车13-7上；同时，上机械臂13-8的上端和旋转臂的外端经伸缩液缸13-4相连接；上机械臂13-8下端设计有上夹钳13-9用于夹持管具；立柱的上端安装有提升绞车13-11，经钢丝绳13-10拉动上滑车为上机械臂上、下移动提供动力。
下机械臂13-5为平行四边行机构，其上端铰接在上滑车（图中未示出）上，中部经旋转臂（未标出）铰接在立柱13-2下端上；同时，下机械臂13-5的上端和旋转臂的外端经伸缩液缸13-4相连接。下机械臂13-5下端设计有下扶正钳13-3用于管具扶正导向。
短排管机13与长排管机10相比，总体机构基本相同。仅短排管机13的上机械臂13-8的上下移动行程小于长排管机10，且夹钳下方无吊钳。
如图9、图10、图16所示，双扇形指梁9位于立根盒3的上方，并配合立根盒3存储立根，主要由存储架9-1和卡子总成9-2组成。存储架9-1的每一个钻具存放位置前都设有一个卡子总成9-2。卡子总成9-2主要由翻转气缸9-2-2、连杆9-2-3、指头9-2-1、传感器9-2-4组成。传感器9-2-4可以检测每一个卡子的开合状态；自升式井架8上安装有摄像头，可以清楚的看到每个钻具存放位置的情况。当司钻从控制室观察双排管机10运送管具12到双扇形指梁9的指定列时，按下操控按钮，相应列目标位置前的所有卡子总成9-2开启；当管具12下发到目标位置后，卡子总成9-2在翻转气缸9-2-2的驱动下自动关闭，以很好的隔离和保护每一个管具，避免管具倾倒。双扇形指梁9均布于自升式井架8两侧，满载时载荷对称分布、受力好。当一侧扇形指梁用于存储井场上来的管具接成的立根，另一侧扇形指梁则可用于存储起钻过程中的立根。因此，接卸立根和起下钻工作可同时进行。
长排管机10接立根原理如下：上机械臂10-10向下运动，到达指定位置后上机械臂10-10带动吊钳10-7向管具12-1伸出，如图12所示吊钳10-7卡持管具12-1；翻转机械手2的钳体2-1继续夹持管具，长排管机10上机械臂10-10上移，下机械臂10-5伸出，下扶正钳10-3扶正管具12-1，下扶正钳上的滚轮在摩擦力的作用下朝管具轴向滚动；如图13所示，当将单根12-1提升钻台一定高度，长排管机10的上机械臂10-10停止等待下一根管具。待翻转机械手2和猫道1退回到初始位置，输送下一根管具12-2就位，长排管机10的上机械臂10-10下移并在下扶正钳10-3的辅助下调整上边管具的位置姿态使上、下两根管具对扣，然后如图所示14，铁钻工7对管具旋扣、紧扣；完成接双根动作后，长排管机10的上机械臂10-10先向下移动吊钳10-7脱离管具，上夹钳10-8夹持管具；然后上机械臂10-10上移，将双根管具提升钻台一定高度，等待下一根管具；翻转机械手2和猫道1退回到初始位置，输送下一根管具就位，如图15所示，长排管机10的上机械臂10-10下移并在下扶正钳10-3的辅助下使上、下两根管具对扣，然后铁钻工对管具旋扣、紧扣，如此一系列动作循环，即完成接立根的工作。
长排管机10排放立根原理如图16所示。长排管机10的上夹钳10-8抓持立根上移，此时吊钳10-7、下扶正钳10-3扶正立根，将立根管具提升钻台一定高度，上下机械臂同时缩回，主体旋转对准指梁9目标列后，指梁9该列的目标位置以前的卡子总成9-1在气缸9-2－2驱动下自动开启，长排管机10的上下机械臂同时伸出至目标位置后，长排管机10的上机械臂下移放置立根至立根盒3对应位置，指梁卡子总成9-1自动关闭，长排管机10的上夹钳10-8，吊钳10-7，下扶正钳10-3依次脱离；长排管机10复位等待下一指令。与此同时，短排管机13可同时与顶驱、铁钻工、卡瓦配合完成起下钻工作。
该实施例中，钻机整个工作过程为如下步骤1-7所示。
步骤1，猫道1输送管具到翻转机械手2。存储在管子堆场的管具12-1放置到猫道1的支腿1-2上；猫道1同侧的两个支腿油缸1-1同时驱动支腿1-2向上旋转，支腿1-2外侧太高，管具12-1沿着支腿方向向内滑向内翻转臂1-3，如图3；内翻转臂1-3在内内翻转液缸1-5的驱动下向内翻转，将管具12-1翻转至主车1-4的V道上，如图4；小车1-8如图5所示向前行驶推动管具向前平移，此时内翻转臂1-3已复位；管具12-1被运退到既定位置时，交给翻转机械手2，小车1-8停止并且后退至初始位置，如图2所示等待移运下一根管具。
步骤2，翻转机械手2将管具从水平状态调整到竖直状态。猫道1将管具运到既定位置，导向装置2-8将管具顺利导入翻转机械臂2，如图11所示翻转机械手2上下两个钳体2-1同时夹紧管具12-1；在翻转液缸2-7的驱动下翻转臂2-2带动管具12-1围绕销轴2-5向上旋转90度，如图12将管具从水平状态调整到竖直，此时管具处于鼠洞5中心。
步骤3，长排管机10接住单根。安装在井架后大门侧的长排管机10，沿着轨道向下运动，到达指定位置后上机械臂10-10在伸缩液缸10-4的驱动下向管具12-1伸出，同时吊钳10-7卡持管具12-1，翻转机械手2的钳体2-1继续夹持管具，长排管机10上移，翻转机械手2的钳体2-1的滚轮2-1-1在摩擦力的作用下朝管具轴向滚动。当将单根12-1提升钻台一定高度，长排管机10停止等待下一根管具。
步骤4，翻转机械手2、长排管机10、铁钻工7共同接双根。翻转机械手2和猫道1退回到初始位置，重复上述动作，输送下一根管具12-2。下一根管具12-2就位后，长排管机10下移并通过调整姿态使上、下两根管具对扣，如图13。然后铁钻工7对管具旋扣、紧扣，如图14。
步骤5，翻转机械手2、长排管机10、铁钻工7共同接立跟。完成接双根动作后，长排管机10上移，将双根管具提升钻台一定高度，等待下一根管具。同时翻转机械手2和猫道1退回到初始位置，输送下一根管具。待下一根管具就位后，，如图15所示长排管机10下移并通过调整姿态使上、下两根管具对扣，然后铁钻工对管具旋扣、紧扣。如此一系列动作循环，即完成接立根的工作。
步骤6，立根的排放。完成接立根的工作后，要进行立根的排放。如图16示，长排管机10抓住立根上提，当管具高于钻台面后，接立根接机械手10带动立根回收，旋转，行走至双扇形指梁9目标列；双扇形指梁9的卡子总成9-2打开；长排管机10下放立根；双扇形指梁9的卡子总成9-2闭合。长排管机10复位等待下一指令。钻机的卸立根作业过程和上述过程相反。钻机的接、卸立根工作与钻机的起下钻工作可并行进行。作业区域和设备不存在干扰。
步骤7，下钻。钻机的起下钻工作主要有顶驱11、铁钻工7和动力卡瓦6配合短排管机13完成。短排管机13运行到目标立根所在位置，双扇形指梁9的卡子总成9-2打开；短排管机13抓稳立根14，回缩，行走旋转将立根交给顶驱11；顶驱11带动立根下移，将立根对准井口原有钻具；铁钻工7上扣，此时井口原有钻具用动力卡瓦6卡住施加反扭矩；上好扣后铁钻工7复位，顶驱11向下钻井。在下钻的同时，接立根、立根排放工作可同时进行。起钻作业与下钻作业过程相反。
该实施例子，立根盒3的安装位置由传统的钻台面上下沉至底座4上，重心位置有效下移9米至14米，在井场搬家时，可满立根整体移运，大大提高了搬家效率和降低人员劳动强度。另外，该钻机采用电液复合驱动，全方位视频监控系统，集成控制，司钻在控制室操作相应的程序即可实现钻机的钻进和接卸立根工作，可实现真正地全自动化、离线作业、作业效率可提高到现役钻机的3倍且安全可靠。
Claims (10)
1.一种自动化钻机，主要由井架、底座、猫道、顶驱、钻台面组成,其特征在于：在上述井架的两侧设有双扇形指梁，在上述底座上设有两个与前述双扇形指梁相对应的下沉式立根盒；上述猫道自动翻进、翻出及前后平移置入的管具；
还包括安装于井场地面、位于前述两立根盒之间的翻转机械手，夹持猫道输送来的管具并翻转至竖直状态，在上、卸扣时夹紧下边的管具施加反扭矩；
还包括安装在井架的后大门侧的两个排管机，其中每个排管机均可上、下移动管具，对扣管具，竖直移运或排放立根。
2.根据权利要求1所述的一种自动化钻机，其特征在于：上述猫道包括对称分布的两对支腿、液缸驱动的成对内翻转臂、液缸驱动的成对外翻转臂，以及主车、小车、安装座、减速机；支腿位于猫道的主体两侧，其外侧由支腿油缸支撑到地面，内侧经销轴铰接于安装座；主车上设有V道；减速机设于猫道两端，经链条驱动小车带动管具在主车上前后运动。
3.根据权利要求1或2所述的一种自动化钻机，其特征在于：上述翻转机械手主要由钳体、翻转臂及安装架、导向装置组成；安装架固定在井场地面上，靠近钻台一边与翻转臂经销轴铰接，在安装架上铰接有驱动翻转臂旋转90度的翻转液缸；钳体安装在翻转臂上夹紧或松开置入的管具，具有凹槽的导向装置固定在钳体外侧的安装架上。
4.根据权利要求3所述的一种自动化钻机，其特征在于：上述钳体有两个，分别位于翻转臂的上、下端，其钳头主要由沿着竖轴旋转的一对滚轮、钳体夹紧液缸、连杆、钳体固定座组成。
5.根据权利要求3所述的一种自动化钻机，其特征在于：上述两个排管机为长排管机和短排管机；
排管机主要由安装座、立柱、上夹钳、下扶正钳、上机械臂、下机械臂、上滑车、下滑车、伸缩液缸、钢丝绳、提升绞车组成；
其中，安装座固定在钻台或井架上，具有回转支撑带动立柱转动，立柱上安装有导轨，上述滑车在导轨上滑动；
其中，上机械臂为平行四边行机构，其上端铰接在上滑车上，中部经旋转臂铰接在下滑车上；上机械臂的上端和旋转臂的外端经伸缩液缸相连接；用于夹持管具的上夹钳位于上机械臂的下端；立柱的一端安装有提升绞车，经钢丝绳拉动上述上滑车/下滑车为上机械臂上、下移动提供动力；
其中，下机械臂为平行四边行机构，其上端铰接在上滑车上、中部经旋转臂铰接在立柱下端上，或其上端铰接在立柱下端上、中部经旋转臂铰接在下滑车上；下机械臂的上端和旋转臂的外端经伸缩液缸相连接；用于管具扶正导向的下扶正钳位于下机械臂的下端；
上述短排管机的上机械臂的上下移动的行程小于长排管机的上机械臂的上下移动的行程。
6.根据权利要求5所述的一种自动化钻机，其特征在于：上述长排管机的上夹钳下方还设有将钻具从鼠洞提出钻台面，并与铁钻工配合实现管具的上扣的吊钳。
7.根据权利要求5所述的一种自动化钻机，其特征在于：上述双扇形指梁主要由存储架和卡子总成组成，存储架的每一个钻具存放位置前都设有一个卡子总成；卡子总成主要由翻转气缸、连杆、指头以及检测指头开合状态的传感器组成。
8.根据权利要求7所述的一种自动化钻机，其特征在于：上述井架上安装有监控每个卡子总成存放钻具情况的摄像头。
9.根据权利要求8所述的一种自动化钻机，其特征在于：上述井架为自升式井架；该钻机还包括液压吊卡、铁钻工、动力卡瓦；铁钻工主要由旋扣钳、紧扣钳、加紧钳组成，上扣、卸扣通过控制系统一键操作。
10.根据权利要求9所述的一种自动化钻机，其特征在于：上述钻台面的边缘开放式设置半圆形鼠洞。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |