CN106285513A - 带压修井机智能起下管系统 - Google Patents

Abstract

带压修井机智能起下管系统涉及石油机械，修井机设有机架（1）、管柱提升装置和铁钻工装置（2），铁钻工装置（2）包括背钳机构（3）和旋扣钳机构（4），它还包括用于检测油管接箍位置的接箍检测部件、用于收集卸下油管残液的残液收集装置（5）、用于油管的横竖管状态转换装置（6）、设有抓握机械手（7）的油管升降装置（8）和控制各部件动作的控制装置，铁钻工装置（2）固定在一个可水平方向前后移动的滑台（11）上。它具有结构设计合理、使用方便可靠、定位精度高及自动化程度高的优点。

Description

带压修井机智能起下管系统

技术领域

本发明涉及石油机械，具体涉及一种带压修井机利用机械手的智能起下管系统，使用智能PLC控制，实现井口无人作业。

背景技术

现在石油行业的带压修井作业，大部分采用传统的液压提升机构，配有桅杆式钢丝绳升降系统，进行起下油管的作业，全部由人工在井口现场进行操作。就是近几年生产的带压修井机，也只解决了起、下油管的提升、下降动力和防止油井井喷等问题，地面以上的作业还是由桅杆钢丝绳提升，人工来进行操作。井上作业经常会产生残液喷出污染井口的问题，还可能产生井喷、爆炸事故。管柱接箍螺纹连接处经常会由于泥沙栓塞、锈蚀等原因出现卡死现象，旋扣钳无法旋扣，也需要人工冲扣，人工作业又脏又累、还存在安全隐患。石油系统急需要智能化程度更高的无人操作平台，来实现井口操作的智能控制，以替代传统的作业形式。由于起下管作业智能控制系统技术复杂、需要克服的关键技术较多，多少年来一直没有得到解决。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种带压修井机智能起下管系统，使用智能控制实现井口无人化作业。

本发明的技术解决方案是：带压修井机智能起下管系统，修井机设有机架、管柱提升装置和铁钻工装置，铁钻工装置包括背钳机构和旋扣钳机构，它还包括用于检测油管接箍位置的接箍检测部件、用于收集卸下油管残液的残液收集装置、用于油管的横竖管状态转换装置、设有抓握机械手的油管升降装置和控制各部件动作的控制装置，残液收集装置由两个可以卡紧在管柱上构成一个圆筒形的半圆筒体构成，铁钻工装置固定在一个可水平方向前后移动的滑台上，油管提起后由接箍检测部件检测到接箍，通过管柱提升装置将接箍定位到铁钻工装置处由背钳机构钳紧接箍，旋扣钳机构旋下油管，铁钻工装置移出，残液收集装置由驱动机构驱动卡紧在拆下油管下方的管柱上收集油管中流出的残液，由横竖管状态转换装置将油管移出井柱位置，再由竖直转为水平状态，油管升降装置通过其抓握机械手将水平状态的油管送到地面。

本发明的技术效果是：它具有结构设计合理、使用方便可靠、定位精度高及自动化程度高的优点，全部过程通过PLC控制进行远程操作，实现井口工作台无人作业。彻底改变了传统的全部由人工作业的模式，使油田的修井作业，实现了井口无人操作的智能化作业，提高工作效率、降低劳动强度和安全操作。

附图说明

图1为本发明智能带压修井机的俯视结构示意图；

图2为本发明铁钻工部分的俯视结构示意图；

图3为本发明油管提升装置的结构示意图；

图4为本发明油管提升装置的侧视结构示意图；

图5为本发明转换机械手的结构示意图；

图6为本发明铁钻工部分的结构示意图；

图7为本发明冲扣钳部分的结构示意图；

图8为本发明旋扣钳部分的俯视结构示意图；

图9为本发明滑台竖轨部分的结构示意图；

图10为本发明铁钻工装置背钳机构的剖视结构示意图；

图11为本发明冲扣钳钳体部分的剖视结构示意图。

具体实施方式

如图1至11所示，本发明是一种带压修井机智能机械手起、下管系统，采用在配有固定导柱的大型升降液压缸，在活塞杆顶部安装能够精确定位的水平方向旋转180°、垂直方向旋转90°的双机械手机构，并在机械手手臂处安装用以感知机械手压力的应变片压力传感器、铁钻工系统、提升机机械手系统、在修井机上承载平台400mm处安装有用以检测接箍的开放式涡流测试装置、自动残液收集机构和带压修井机装置安装在一起，在PLC的控制下对油管的起、下井过程实现井口无人操作的智能作业。

带压修井机智能起下管系统：

修井机设有机架1、管柱提升装置和铁钻工装置2，铁钻工装置2包括背钳机构3和旋扣钳机构4，它还包括用于检测油管接箍位置的接箍检测部件、用于收集卸下油管残液的残液收集装置5、用于油管的横竖管状态转换装置6、设有抓握机械手7的油管升降装置8、油管存放装置9和控制各部件动作的控制装置，残液收集装置5由两个可以卡紧在管柱上构成一个圆筒形的半圆筒体10构成，铁钻工装置2固定在一个可水平方向前后移动的滑台11上，油管提起后由接箍检测部件检测到接箍，通过管柱提升装置将接箍定位到铁钻工装置2处由背钳机构3钳紧接箍，旋扣钳机构4旋下油管，铁钻工装置2移出，残液收集装置5由驱动机构驱动卡紧在拆下油管下方的管柱上收集油管中流出的残液，由横竖管状态转换装置6将油管移出井柱位置，再由竖直转为水平状态，油管升降装置8通过其抓握机械手7将水平状态的油管送到地面。

所述背钳机构3和旋扣钳机构4之间还设有冲扣机构12，背钳机构3、旋扣钳机构4和冲扣机构12按从下至上的顺序固定在一个可水平方向前后移动的滑台11上，冲扣机构12上设有用于嵌入油管的钳口部13、设于钳口部13两侧用于钳住油管的冲扣钳夹紧装置14和于钳口部13的两侧作用在冲扣机构12上的冲扣液压缸15，背钳机构3钳紧油管接箍，冲扣钳夹紧装置14钳紧接箍上方的油管并由冲扣液压缸15进行冲击，使冲扣机构12对钳住的油管施加冲击扭力，之后由旋扣钳机构4对油管旋扣。

铁钻工系统：

直线行走式小型铁钻工系统，包括背钳机构3和用于装卸上方油管的旋扣钳机构4，所述背钳机构3和旋扣钳机构4之间还设有冲扣机构12，背钳机构3、旋扣钳机构4和冲扣机构12按从下至上的顺序固定在一个可水平方向前后移动的滑台11上，冲扣机构12上设有可绕管柱转动的转动部40，转动部40设有用于嵌入油管的钳口部13、设于钳口部13两侧采用液压驱动的用于钳住油管的冲扣钳夹紧装置14和于钳口部13的两侧作用在转动部40上的冲扣液压缸15，背钳机构3钳紧油管接箍，冲扣钳夹紧装置14钳紧接箍上方的油管并由冲扣液压缸15进行冲击，使冲扣机构12对钳住的油管施加冲击扭力，之后由旋扣钳机构4对油管旋扣。

所述冲扣机构12上设有圆弧形分布的齿牙16，通过齿牙16与角度传感器连接，以获得冲扣机构12的转角。

所述滑台11设有竖轨17及升降液压缸42，背钳机构3、旋扣钳机构4和冲扣机构12固定在竖轨17上，由升降液压缸42推动可上下移动。

所述冲扣机构12的转动部40与背钳机构3之间设有相配合的由圆形的凸环和凹槽构成的卡嵌部41，以使转动部40绕管柱转动。

所述旋扣钳机构4与冲扣机构12间设有用于缓冲弹簧18。

所述旋扣钳机构4是通过液压马达19驱动旋扣部件20进行旋扣的。

开放式接箍涡流测试机构，是精确设定接箍位置的关键，是解决无人操作起、下油管的必须要解决的技术问题。直线行走式小型铁钻工系统，钳口的工作范围为Φ60-145mm、旋扣器夹紧专用双活塞杆油缸、背钳机构和冲扣钳机构之间的同心连接的卡嵌部，是在起管过程中，是保证油管扣全部能够卸开的关键、在下管过程中，是保证油管扣全部能够上到标准扭矩的关键。冲扣机构卸扣过程，在油管扣上锈或咬死时将扣冲开；上扣过程，将各按箍处扣的扭矩上成一致，也就是说上扣的程度是一样的。

残液收集装置：

残液收集装置5，包括将残液收集到与其连接的容器内的残液收集筒21，所述残液收集筒21由两个在边角处相铰接的可以卡紧在管柱上构成一个紧密连接的整圆筒形的半圆筒体10构成，其中一个半圆筒体10固定在一“L”形支臂22的端部上，支臂22的另一端通过两个连杆23与机架1呈四边形结构连接，支臂22可由驱动装置驱动将其端部的半圆筒体10靠近管柱，另一个半圆筒体10通过两个连杆23首尾依次相铰接在支臂22上，半圆筒体10铰接在外侧连杆23的自由端，内侧连杆23与一液压缸24连接，通过该液压缸24驱动可以将两个半圆筒体10围绕管柱合抱成一体。

残液收集筒21的内壁设有用于扶正油管的扶正部。

自动残液收集装置在起油管时，收集筒底部与接箍结合的同时，其内壁的扶正部也抵靠在接箍上方的油管上，起到进一步扶正油管与接箍对位的作用用；在下油管时，在油管进入接箍口之前起扶正作用，确保正确对扣。

旋扣钳机构：

旋扣钳机构4，包括可竖向移动的旋扣钳本体，旋扣钳本体设有与驱动装置连接用于卸扣的滚轮25，其特征在于，所述滚轮25为两对，分别固定两个滚轮架26上，两个滚轮架26可相向运动地固定在导轨27上，滚轮架26与一可转动地固定在一轴上的连杆23的一端铰接，该连杆23的另一端与液压缸24缸杆铰接，通过液压缸24可以驱动两对滚轮25夹紧油管，通过驱动滚轮25转动可以进行旋扣动作。导轨27起限位作用，使两对滚轮25，只能在直线上运动，确保对位精确。旋扣钳机构4是通过液压马达19驱动滚轮25同向转动对油管进行旋扣的。

横竖管状态转换装置：

横竖管状态转换装置6，包括两个转换机械手28和两个角度驱动装置29，两个转换机械手28分隔一段距离固定在一梁架30上，该梁架30固定在一角度驱动装置29的输出端以实现转换机械手28抓取的油管在竖平面上的转动，该角度驱动装置29固定在另一角度驱动装置29的输出端以实现转换机械手28抓取的油管在水平面上的转动。

角度驱动装置29采用液压马达驱动的回转减速器制成，并采用机械定位转角。实现水平面上转动的角度驱动装置29由液压缸驱动，可以上下移动，以使机械手抓取的油管能够产生竖向的位移。

油管提升装置：

剪叉式油管提升机，包括剪叉式提升装置，所述剪叉式提升装置由剪叉机构31、设有竖向滑道32的支架和驱动剪叉机构31使其顶部的升降台33沿竖向滑道32升降的升降机液压缸34构成，剪叉机构31顶部的升降台33两侧设有油管抓取装置，油管抓取装置由转换机械手28和驱动其动作的抓取液压缸35构成，通过油管抓取装置抓取油管并由剪叉式提升装置完成油管的升降过程。

所述转换机械手28由固定在所述抓取液压缸35缸杆两侧的铰接座36、一端与铰接座36铰接的连杆23和与连杆23另一端铰接的卡爪37构成，卡爪37于前段的内侧设有用于卡紧油管的卡紧部38，卡爪37于中段与连杆23铰接，卡爪37于后端与抓取液压缸35缸杆铰接，通过缸杆伸缩可以控制转换机械手28开合。该结构可以使转换机械手角度张开的最大化，便于油管的抓取和松脱，也可以适应不同粗细的管径。

所述剪叉机构31与所述竖向滑道32于接触部位设有导向轮39。

剪叉式单侧提升机机械手系统采用剪叉式单侧提升机构，顶部配有两个机械手抓起油管；起管时，将油管从横竖管状态转换装置主机械手手爪中接过。送到油管架上、下管时，从油管架上将油管抓住，上升交给主机械手，放到井口内。

油管存放装置：

用于在地面上存放油管，送管器托板为设有一个存放平面的架体结构，油管平行放在油管存放装置上，通过驱动装置可以驱动存放平面向一边倾斜，从而可以使排列在其上的油管向一边滚动，起管存放时向外侧滚动，下管时向内侧滚动则方便机械手抓取。

本发明钳口的工作范围为Φ60-145mm，整个系统可通过车载作业，可以适用于油管管径Φ60-145mm的范围进行修井作业。

起管过程，操作工首先操作带压修井机，将油管从井口提起。这时横竖管状态转换装置的机械手可以起到扶正油管的作用。当接箍到达接箍涡流测量装置时，由PLC控制，使接箍顶部停在带压修井机提升系统上承载平台400mm处，这时进入全自动过程。铁钻工前行，钳口中心和油管中心重合，背钳夹紧接箍，冲扣钳夹紧油管，开始冲扣。检测到油管扣松开后停止动作，松开冲扣钳，旋扣钳夹紧油管开始卸扣。当油管扣全部卸开后，铁钻工退回原位，残液收集系统前行夹紧接箍，横竖管状态转换装置上升100mm放液。残液放完后，残液收集系统退回原位。横竖管状态转换装置水平方向旋转先180°将管移出，再竖向旋转90°将管平放交给剪叉式提升机将管下放到送管器托板上，送管器将油管下放到油管架上。反之，则完成下管过程，冲扣钳可以按照压力传感器的指示将油管旋紧。

Claims (2)

1.带压修井机智能起下管系统，修井机设有机架（1）、管柱提升装置和铁钻工装置（2），铁钻工装置（2）包括背钳机构（3）和旋扣钳机构（4），其特征在于，它还包括用于检测油管接箍位置的接箍检测部件、用于收集卸下油管残液的残液收集装置（5）、用于油管的横竖管状态转换装置（6）、设有抓握机械手（7）的油管升降装置（8）和控制各部件动作的控制装置，残液收集装置（5）由两个可以卡紧在管柱上构成一个圆筒形的半圆筒体（10）构成，铁钻工装置（2）固定在一个可水平方向前后移动的滑台（11）上，油管提起后由接箍检测部件检测到接箍，通过管柱提升装置将接箍定位到铁钻工装置（2）处由背钳机构（3）钳紧接箍，旋扣钳机构（4）旋下油管，铁钻工装置（2）移出，残液收集装置（5）由驱动机构驱动卡紧在拆下油管下方的管柱上收集油管中流出的残液，由横竖管状态转换装置（6）将油管移出井柱位置，再由竖直转为水平状态，油管升降装置（8）通过其抓握机械手（7）将水平状态的油管送到地面。

2.如权利要求1所述的带压修井机智能起下管系统，其特征在于，所述背钳机构（3）和旋扣钳机构（4）之间还设有冲扣机构（12），背钳机构（3）、旋扣钳机构（4）和冲扣机构（12）按从下至上的顺序固定在一个可水平方向前后移动的滑台（11）上，冲扣机构（12）上设有用于嵌入油管的钳口部（13）、设于钳口部（13）两侧用于钳住油管的冲扣钳夹紧装置（14）和于钳口部（13）的两侧作用在冲扣机构（12）上的冲扣液压缸（15），背钳机构（3）钳紧油管接箍，冲扣钳夹紧装置（14）钳紧接箍上方的油管并由冲扣液压缸（15）进行冲击，使冲扣机构（12）对钳住的油管施加冲击扭力，之后由旋扣钳机构（4）对油管旋扣。