CN107477306B - 一种连续油管牵引机器人的电液控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种连续油管牵引机器人的电液控制系统，属于石油天然气开发设备领域，该液压控制系统，包括油箱、微型电机、微型液压泵、阀件组及阀件组电控组件，电机由地面通过铠装电缆供电，电机连接液压泵，油箱供给液压油，液压泵连通阀件组，其中液压泵的出液口与四个单向阀连通，单向阀分别与四个三位四通电磁换向阀连通，四个三位四通电磁换向阀分别与前后伸缩缸和前后支撑缸连通。本发明的优点在于：通过电液控制系统实现牵引机器人伸缩爬行；井下牵引机器人的液压系统自带液压站，无需地面供给液压油；伸缩缸和支撑缸分别采用中位机能为O型和中位机能为Y型的三位四通阀；可适用于水平井测井和设备输送以及小井眼井的牵引控制作业。

Description

一种连续油管牵引机器人的电液控制系统

技术领域

本发明涉及石油天然气开发设备领域，特别是一种连续油管牵引机器人的液压控制系统。

背景技术

水平井技术广泛运用于深部、深海及复杂油气资源的勘探开发，其应用过程中仪器输送的难题逐渐成为油气田开发和油气储运的技术关键。常规的油管输送、泵入输送、连续管输送在面对水平井、大位移井、定向井时存在效率低、成本高和连续管屈曲变形等问题。因此，井下牵引器作为一种新型输送方式逐渐发展起来。

对于井下牵引器，按不同的运动方式可分为：轮式、伸缩式、履带式、冲击式，其中伸缩式井下牵引器具有越障能力强、牵引力大等优点，具备较强的水平井段设备输送作业能力。

90年代后期，国外公司开发出能够在井下独立作业的水平井牵引器。经过多年发展，有代表的牵引器产品有：法国Schlumberger公司的MaxTRAC伸缩式牵引器、英国的Sondex有限公司的Sondex轮式牵引器、英国的ExproGroup公司的SmarTract伸缩式牵引器。

对于国内而言，因国外都采取严格的技术保密措施，致使国内对井下牵引器的研究还处于刚起步的阶段。从2002年后，国内对牵引器的探索取得了一定的效果。此后，中国石油大学、哈尔滨工业大学、西南石油大学、西安石油大学等国内院校和研究院也开始了对井下牵引器的研究。但是对液压驱动的牵引机器人研究的很少，更没有比较好的产品投入市场。

在上述研究的基础上，创新性地提出了一种集成式液压系统的伸缩式牵引器的控制系统，该控制系统通过电液控制系统实现牵引机器人伸缩爬行；井下牵引机器人的液压系统自带液压站，无需地面供给液压油；伸缩缸和支撑缸分别采用中位机能为O型和中位机能为Y型的三位四通阀，实现了支撑过程中伸缩缸与伸缩机构之间无相对运动，也实现了系统断电后支撑机构能够收回，这大大提高了牵引器的牵引效率和可靠性；可适用于水平井测井和设备输送以及小井眼井的牵引控制作业。

本发明提出了一种连续油管牵引机器人的电液控制系统，比较实用、完美和方便地解决了上述问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种连续油管牵引机器人的电液控制系统，牵引机器人包括从左至右依次设置的前工作短节、液压控制短节和后工作短节，前工作短节中沿其轴向贯穿有前中心轴，后工作短节沿其轴向贯穿有后中心轴，前中心轴和后中心轴的分别顶在液压控制短节两端，所述的前工作短节的前端和后端分别设置有滑动腔A、滑动腔B，短节的前端和后端分别设置有滑动腔C和滑动腔D；

所述的前工作短节前端设置有前支撑块和压力传感器A，滑动腔B中设置有位移传感器A，后工作短节的前端设置有后支撑块和压力传感器B，后工作短节的后端设置有位移传感器B；牵引机器人的控制系统包括油箱、微型电机、微型液压泵、油滤、溢流阀、单向阀A、单向阀B、单向阀C、单向阀D、三位四通电磁换向阀A、三位四通电磁换向阀B、三位四通电磁换向阀C、三位四通电磁换向阀D、后伸缩缸、后支撑缸、前伸缩缸和前支撑缸；

所述的微型电机与液压泵连接，液压泵的进口经油滤后连接在油箱上，液压泵的出口溢流阀并联后分别连接在单向阀A、单向阀B、单向阀C和单向阀D上，单向阀A与三位四通电磁换向阀A相连，三位四通电磁换向阀B与后伸缩缸相连，单向阀B与三位四通电磁换向阀B相连，三位四通电磁换向阀B与后支撑缸相连，单向阀C与三位四通电磁换向阀C相连，三位四通电磁换向阀C与前伸缩缸相连，单向阀D与三位四通电磁换向阀D相连，三位四通电磁换向阀D与前支撑缸；

所述的滑动腔A、滑动腔B、滑动腔C和滑动腔D中分别设置有前支撑缸、前伸缩缸、后伸缩缸和后支撑缸。

所述的换向阀D的P口与单向阀连通，换向阀D的A口与前支撑缸左腔连通，换向阀D的B口与前支撑缸右腔连通，换向阀D的左右两腔经T口与油箱连通；换向阀C的P口与单向阀连通，换向阀CA、B两口分别与前伸缩缸左右两腔连通，换向阀C的T口连通油箱；换向阀B的P口与单向阀连通，换向阀B的A口与后支撑缸左腔连通，换向阀B的B口与后支撑缸右腔连通，换向阀B的左右两腔经T口与油箱连通；换向阀A的P口与单向阀连通，换向阀A的A、B两口分别与后伸缩缸左右两腔连通，换向阀A的T口连通油箱。

所述的换向阀A、换向阀C采用中位机能位为O型的三位四通电磁换向阀，此换向阀在中位时，各油口全部封闭，使得执行机构与伸缩刚体之间无相对运动，换向阀B、换向阀D采用中位机能为Y型的三位四通电磁换向阀，此阀在中位时，P口封闭保压，执行元件两腔与回油腔连通，保证了系统断电情况下支撑臂可收回。

所述的控制系统通过传感器控制和时间控制两种方式来判断活塞的运动状态和控制换向阀的换向。

传感器包括位移传感器A、位移传感器B、压力传感器A和压力传感器B，位移传感器A、位移传感器B位于伸缩缸位置，力传感器A和压力传感器B位于支撑块上。

所述液压控制系统安装于伸缩式井下牵引机器人内部，控制单元安装在液压控制短节内。

本发明具有以下优点：

1、通过液压控制系统实现连续油管牵引机器人的牵引爬行，液压控制系统自带液压源，只需地面一根铠装电缆给电机供电，避免了使用地面液压站。

2、阀件组采用了电磁换向阀，提高了控制效率。此外,以油液为工作介质，有吸振的能力，因而运动平稳；液压元件相对运动表面因有液压油自行润滑，因此工作寿命长。

3、结合传感器控制和时间控制两种控制方式，减少了活塞运动的失误。

4、伸缩缸和支撑缸分别采用中位机能为O型和中位机能为Y型的三位四通换向阀。伸缩缸采用O型中位机能，确保支撑缸左端进液时，伸缩缸缸体相对于中心轴保持静止；支撑缸采用Y型中位机能，确保系统意外断电后，支撑缸缸体可以与油箱连通，避免支撑机构锁止在套管壁上。

附图说明

图1为本发明的三位四通电磁换向阀处于中位时的液压回路图；

图2为本发明的牵引机器人的简单机构；

图3为牵引机器人复位时的液压回路图；

图4为A状态的液压回路图；

图5为A状态运行至B状态的液压回路图；

图6为B状态运行至C状态的液压回路图；

图7为C状态运行至D状态的液压回路图；

图8为D状态运行至E状态的液压回路图；

图9为E状态运行至F状态的液压回路图；

图10为F状态运行至A状态的液压回路图；

图11为向前爬行原理示意图；

图12为本发明的液压控制流程图；

图中：1-油箱，2-油滤，3-微型液压泵，4-溢流阀，5-单向阀A，6-单向阀B，7-单向阀C，8-单向阀D，9-三位四通电磁换向阀A，10-三位四通电磁换向阀B，11-三位四通电磁换向阀C，12-三位四通电磁换向阀D，13-后伸缩缸，14-后支撑缸，15-前伸缩缸，16-前支撑缸，17-电微型机，18-压力传感器A，19-后支撑块，20-前支撑块，21-前中心轴，22-液压控制短节，23-位移传感器A，24-压力传感器B，25-位移传感器B。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

一种连续油管牵引机器人的电液控制系统，包括油箱1、微型电机17、液压泵3、油滤2、溢流阀4、单向阀5、6、7、8，三位四通电磁换向阀9、10、11、12，前支撑缸16、后支撑缸14、前伸缩缸15和后伸缩缸13。电机17与液压泵3连接，液压泵3经过油滤2与油箱1连通，液压油经油箱1进入液压泵3，从液压泵出口流经单向阀5、6、7、8，之后进入三位四通电磁换向阀9、10、11、12。换向阀12的P口与单向阀8连通，A口与前支撑缸16左腔连通，B口与前支撑缸16右腔连通，左右两腔经T口与油箱1连通；换向阀11的P口与单向阀7连通，A、B两口分别与前伸缩缸15左右两腔连通，T口连通油箱1；换向阀10的P口与单向阀6连通，A口与后支撑缸14左腔连通，B口与后支撑缸14右腔连通，左右两腔经T口与油箱1连通；换向阀9的P口与单向阀5连通，A、B两口分别与后伸缩缸13左右两腔连通，T口连通油箱1。

所述液压泵3与油箱1之间接有油滤2，对液压油进行过滤，控制油的洁净程度。

所述液压泵3与三位四通电磁换向阀9、10、11、12之间要各连通一个单向阀5、6、7、8。

所述控制系统通过传感器控制和时间控制两种方式来判断活塞的运动状态和控制换向阀的换向。

所述运动传感器包括位移传感器23、25和压力传感器18、24，位移传感器23、25位于伸缩缸内，压力传感器18、24位于支撑块19、20上。

所述液压泵3与单向阀之间要接一个压力控制阀即溢流阀4，平时系统工作时，阀口关闭，过载时溢流，当系统压力超过调定的压力时，阀口才打开，对油路系统起保护作用。

所述所有换向阀的P口在中位时封闭保压，换向阀的前后支撑缸两腔要与油箱连通，换向阀在中位时所有油口全部封闭，系统保持压力。

所述液压控制系统安装于伸缩式井下牵引机器人内部，控制单元安装在液压控制短节内。

本发明的工作过程如下：

电机通电复位-A状态：如图3-4所示，电机通电，牵引机器人复位，牵引机器人完全伸长为复位状态，前支撑块20和后支撑块19都处于收缩状态，压力传感器压力为零，此时，地面通过铠装电缆启动微型电机17，系统开始运行，液压油从油箱1经油滤2，从液压泵3出口流出，单向阀8打开，电磁铁7YA通电，换向阀12从中位换至左位，液压泵3输出的液压油经换向阀12从P口进A口出进入前支撑缸16左腔，右腔液压油从B出进经T口流入油箱1，活塞向右运动推动前支撑块20支撑(一个圆周上，均匀分布三个摩擦块，示意图中简化为一个)，首先判断压力传感器18在设定时间t1内压力是否达到设定值P1，如果达到设定值P1，此时右腔液压油全部流入油箱1，左腔液压油压力变大，左腔多余的液压油可以通过A口经T口流入油箱1，如果在设定时间t1内压力值没达到P1，则直接进行下一个动作，进入下一个状态。

A状态-B状态：如图5所示，随着时间持续，单向阀5、7打开，1YA、5YA开始通电，三位四通换向阀9、11从中位换到左位，液压油经过单向阀5、7，从P口进A口处出进入伸缩缸左腔，右腔液压油经过B口从T口出流入油箱1，伸缩缸13、15内活塞开始向右运动，此时，液压控制短节22开始向前运动，中心轴21也开始向前运动，开始判断位移传感器23、25在设定时间t2内位移值是否达到设定值S1，如果位移传感器23、25的位移值达到设定值S1即活塞运动到缸体最右，1YA、5YA断电，换向阀从左位恢复到中位，液压油流经到P口停止，换向阀9、11左腔充满液压油，右腔液压油全部经B口从T口出流入油箱，运动结束；如果位移传感器23、25在设定时间t2内位移值没达到设定值S1，则直接进入下一个运动，进入下一个状态。

B状态-C状态：如图6所示，单向阀6打开，3YA通电，换向阀10从中位换到左位，液压泵输出的液压油经换向阀10从P口进A口出进入后支撑缸13左腔，右腔液压油从B口出经T口流入油箱，后支撑活塞向右运动推动后支撑块19支撑(一个圆周上，均匀分布三个摩擦块，示意图中简化为一个)，判断压力传感器24在设定时间t3内压力值是否达到设定值P2，如果压力传感器24在设定时间t3内压力值达到设定值P2，此时右腔液压油全部流入油箱1，左腔液压油压力变大，左腔多余的液压油可以通过A口经T口流入油箱1；如果压力传感器24在设定时间t3内压力值没达到设定值P2，则系统直接进入下一个动作，进入下一个状态。

C状态-D状态：如图7所示，此时，后支撑块19开始支撑，压力传感器检测到压力，单向阀8打开，7YA断电，8YA开始通电，换向阀12从左位变为右位，液压油经过单向阀8，从换向阀12的P口进经B口出，进入支撑缸16右腔，支撑缸16左腔液压油经A口从T口出流入油箱1，即活塞开始向左运动，开始判断压力传感器18在设定时间t4内压力值是否达到设定值P3，如果在设定时间内压力值达到了设定值，此时前支撑缸16右腔充满液压油，左腔的液压油全部流入油箱1，前支撑块20与井壁脱离接触，解除支撑作用；如果压力传感器18在设定时间内压力值没有达到设定值，则直接开始下一个动作，进入下一个状态。

D状态-E状态：如图8所示，前支撑块20解除支撑作用后，单向阀5、7打开，2YA、6YA开始通电，换向阀9、11从中位换到右位，液压油经过单向阀5、7，从P口进B口处出进入伸缩缸右腔，左腔液压油经过A口从T口出流入油箱1，伸缩缸13、15活塞开始向左运动，此时，液压控制短节22和中心轴21开始向前运动，开始判断位移传感器23、25在设定时间t5内位移值是否达到设定值S2,如果位移传感器23、25在设定时间内位移值达到设定值即活塞运动到缸体最左，2YA、6YA断电，换向阀9、11从右位恢复到中位，液压油流经到P口停止，换向阀右腔充满液压油，左腔液压油全部经A口从T口出流入油箱1，运动结束；如果位移传感器在设定时间内位移值没达到设定值，则直接开始下一个运动，进入下一个状态。

E状态-F状态：如图9所示，单向阀8打开，电磁铁7YA通电，换向阀12从中位换至左位，液压泵输出的液压油经换向阀12从P口进A口出进入前支撑缸16左腔，右腔液压油从B出进经T口流入油箱，活塞向右运动推动前支撑块20支撑(一个圆周上，均匀分布三个摩擦块，示意图中简化为一个)，开始判断压力传感器18在设定时间t6内压力值是否达到设定值P4，如果在设定时间内压力值达到设定值，此时右腔液压油全部流入油箱1，左腔液压油压力变大，左腔多余的液压油可以通过A口经T口流入油箱1,前支撑块20开始支撑；如果在设定时间内压力值没有达到设定值，则直接开始下一个运动，进入下一个状态。

F状态-A状态：如图10所示，前支撑块20开始支撑，单向阀6打开，3YA断电，4YA通电，换向阀10从左位换到右位，液压油经换向阀10从P口进B口出进入后支撑缸14右腔，左腔液压油从B口出经T口流入油箱1，开始判断压力传感器24在设定时间t7内压力值是否达到设定值P5，如果压力传感器24在设定时间t7内压力值达到设定值P5即活塞运动到缸体最左时，后支撑缸14右腔充满液压油，左腔的液压油全部流入油箱1，后支撑块19与井壁脱离接触，解除支撑作用；如果压力传感器24在设定时间内压力值没达到设定值，则直接开始下一个运动，进入下一个状态。

让牵引机器人重复“A状态→B状态→C状态→D状态→E状态→F状态→A状态”的过程，可使牵引机器人实现井下牵引爬行。

Claims (6)

1.一种连续油管牵引机器人的电液控制系统，其特征在于：牵引机器人包括从右至左依次设置的前工作短节、液压控制短节（22）和后工作短节，前工作短节中沿其轴向贯穿有前中心轴（21），后工作短节沿其轴向贯穿有后中心轴，前中心轴（21）和后中心轴的分别顶在液压控制短节（22）两端，所述的前工作短节的前端和后端分别设置有滑动腔A、滑动腔B，后工作短节的前端和后端分别设置有滑动腔C和滑动腔D；

所述的前工作短节前端设置有前支撑块（20）和压力传感器A（18），滑动腔B中设置有位移传感器A（23），后工作短节的前端设置有后支撑块（19）和压力传感器B（24），后工作短节的后端滑动腔D设置有位移传感器B（25）；

牵引机器人的控制系统包括油箱（1）、微型电机（17）、微型液压泵（3）、油滤（2）、溢流阀（4）、单向阀A（5）、单向阀B（6）、单向阀C（7）、单向阀D（8）、三位四通电磁换向阀A（9）、三位四通电磁换向阀B（10）、三位四通电磁换向阀C（11）、三位四通电磁换向阀D（12）、后伸缩缸（13）、后支撑缸（14）、前伸缩缸（15）和前支撑缸（16）；

所述的微型电机（17）与液压泵（3）连接，液压泵（3）的进口经油滤（2）后连接在油箱（1）上，液压泵（3）的出口与溢流阀（4）并联后分别连接在单向阀A（5）、单向阀B（6）、单向阀C（7）和单向阀D（8）上，单向阀A（5）与三位四通电磁换向阀A（9）相连，三位四通电磁换向阀A（9）与后伸缩缸（13）相连，单向阀B（6）与三位四通电磁换向阀B（10）相连，三位四通电磁换向阀B（10）与后支撑缸（14）相连，单向阀C（7）与三位四通电磁换向阀C（11）相连，三位四通电磁换向阀C（11）与前伸缩缸（15）相连，单向阀D（8）与三位四通电磁换向阀D（12）相连，三位四通电磁换向阀D（12）与前支撑缸（16）；

所述的滑动腔A、滑动腔B、滑动腔C和滑动腔D中分别设置有前支撑缸（16）、前伸缩缸（15）、后伸缩缸（13）和后支撑缸（14）。

2.根据权利要求1所述一种连续油管牵引机器人的电液控制系统，其特征在于：所述的换向阀D（12）的P口与单向阀（8）连通，换向阀D（12）的A口与前支撑缸（16）左腔连通，换向阀（12）D的B口与前支撑缸（16）右腔连通，换向阀（12）D的左右两腔经T口与油箱（1）连通；换向阀C（11）的P口与单向阀（7）连通，换向阀C（11）A、B两口分别与前伸缩缸（15）左右两腔连通，换向阀C（11）的T口连通油箱（1）；换向阀B（10）的P口与单向阀（6）连通，换向阀B（10）的A口与后支撑缸（14）左腔连通，换向阀B（10）的B口与后支撑缸（14）右腔连通，换向阀B（10）的左右两腔经T口与油箱（1）连通；换向阀A（9）的P口与单向阀（5）连通，换向阀A（9）的A、B两口分别与后伸缩缸（13）左右两腔连通，换向阀A（9）的T口连通油箱（1）。

3.根据权利要求2所述一种连续油管牵引机器人的电液控制系统，其特征在于：所述的换向阀A（9）、换向阀C（11）采用中位机能位为O型的三位四通电磁换向阀，此换向阀在中位时，各油口全部封闭，使得对应执行机构无相对运动，换向阀B（10）、换向阀D（12）采用中位机能为Y型的三位四通电磁换向阀，此阀在中位时，P口封闭保压，执行元件两腔与回油腔连通，保证了支撑缸能收回。

4.根据权利要求1所述一种连续油管牵引机器人的电液控制系统，其特征在于：所述的控制系统通过传感器控制和时间控制两种方式来判断活塞的运动状态和控制换向阀的换向。

5.根据权利要求4所述一种连续油管牵引机器人的电液控制系统，其特征在于：传感器包括位移传感器A（23）、位移传感器B（25）、压力传感器A（18）和压力传感器B（24），位移传感器A（23）、位移传感器B（25）位于伸缩缸位置，压力传感器A（18）和压力传感器B（24）位于支撑块上。

6.根据权利要求5所述一种连续油管牵引机器人的电液控制系统，其特征在于：所述电液控制系统安装于伸缩式井下牵引机器人内部，控制单元安装在液压控制短节内。