CN109973032A - 一种单斜块弹簧片支撑式连续油管牵引机器人 - Google Patents

Abstract

本发明属于油气开发领域，涉及一种单斜块弹簧片支撑式连续油管牵引机器人。该机器人由前后工作短节和控制短节组成。其主要特征是：整体结构对称布置，前后为工作短节，中间为控制短节，短节间通过螺栓锁紧。工作短节采用了一种单斜块柔性弹簧片结构，通过推杆推动单斜块支撑出弹簧片锁紧井壁，能够适应不同管径，在断电或遇阻情况可自动解锁。控制短节集成了机器人的液压系统和和控制系统。与现有牵引机器人相比的优点是：抓靠效果好、管径适应范围广、自动解锁、牵引力大、结构简单、能够承受钻具的反扭矩、特别适用于复杂的井下工况。

Description

一种单斜块弹簧片支撑式连续油管牵引机器人

技术领域

本发明涉及石油天然气开发设备领域，尤其涉及一种单斜块弹簧片支撑式连续油管牵引机器人。

背景技术

随着水平井技术的广泛应用，其作业过程中仪器运送难的问题日益凸显。为解决井下仪器输送困难的难题，井下牵引器作为一种新型的仪器输送工具逐渐发展起来。截止到目前为止，井下牵引器已发展为轮式、伸缩式、履带式、螺旋式、偏心支撑式等多种类型，其中工程中最常用的为轮式和伸缩式。

轮式牵引器如国外Welltect公司的轮式牵引器、Asker公司的PowerTrac轮式牵引器、Sondex公司的轮式牵引器、Schlumberger公司的Tufftrac轮式牵引器和国内中船重工719所的QYQ1型和MHPT-1型轮式牵引器、哈尔滨工业大学的油水井轮式牵引器等。这类牵引器通过可张开和收合的支撑臂将驱动轮推靠于套管壁上，靠转动的驱动轮与套管壁之间产生的摩擦力带动牵引器在水平井中定向移动。同时，由于轮式牵引器的驱动轮与套管接触面积小，而且是连续接触，因此此类牵引器牵引力小，仅适用于套管直径无变径或套损变形不严重的井况。

伸缩式井下牵引器如国外的斯伦贝谢公司的MaxTRAC牵引器、Smart公司的SmarTract伸缩式牵引器和国内国防科技大学的凸轮自锁伸缩式管道机器人、西南石油大学的液压伸缩式井下牵引器。这类牵引器通过两组或多组可张开和收合的抓靠臂交替支撑到管壁上，一组抓靠臂撑在管壁上保持静止，另一组由油缸或电机带动相向或相背滑动，实现牵引器在水平井内的定向移动，此类牵引器井下环境适应与通过性方面具有较强优势、且能提供较大的牵引力，但目前伸缩式牵引器所采用的各种支持机构多为刚性结构，对井壁变化的适应性有限，且很容易出现牵引器卡堵的现象。

从应用方面来说，国外的轮式和伸缩式井下牵引器都已成熟应用，但由于国外各大油服对我国采取了严格的技术保密措施和“只提供服务不提供设备”的战略，使得我国牵引器研究起步较晚，到目前为止，国内仅有中船重工719所的QYQ1型和MHPT-1型轮式牵引器应用成功的报道，同类型或其他类型的牵引器都停留在理论设计或是样机试验阶段，还未见有伸缩式井下牵引器应用成功的报道。

从技术难点方面来说，国外的技术封锁、复杂狭小的井下空间、如何避免发生卡堵给井下牵引器的设计带来了很大的困难。尤其是卡堵问题，一旦发生，将造成及其严重的后果和巨大的经济损失。

目前看来，轮式牵引机器人牵引力小，不能用来牵引连续油管，伸缩式牵引机器人牵引力较大，更适合用来牵引连续油管，伸缩式牵引机器人牵引力在井下最可靠的支撑机构是弹簧片式支撑机构，国内外主要有重庆科技学院和美国WWT公司对此类牵引机器人的支撑机构做了研究。

重庆科技学院申请了专利(专利号：201220404293.6，一种电控液压驱动连续油管井下牵引器)，该专利公布了一种含有弹簧片式支撑机构的连续油管牵引机器人，该牵引机器人采用伺服换向阀控制钻井液撑出三组三斜面支撑块，从而支撑出弹簧片，卡紧井壁。伺服换向阀需要电机驱动，体积庞大，在牵引机器人内布置困难，使牵引机器人难以小型化，且三斜面支撑块机构形状复杂，使对应的弹簧片结构冗长。

WWT公司的Oil Tubing Tractors伸缩式牵引器主要有两种弹簧片式支撑机构，一种是专利US6640894公布的滚轮式支撑机构，该支撑机构在弹簧片上布置有两个斜面，在支撑块上布置有两个滚轮，液压力推动支撑块径向移动，从而使滚轮推动弹簧片撑出，卡住井壁，该支撑机构滚轮和弹簧片上的斜面是点接触，接触面积很小，这样使支撑机构支撑力很小。专利US8302679在专利US6640894的基础上，采用连杆机构和滚轮机构支撑出弹簧片，连杆机构结构复杂，支撑不稳定容易失效。

总之，伸缩式牵引机器人更适合牵引连续油管，而伸缩式支撑机构的刚性支撑机构容易卡堵失效，适应管径范围小。现有牵引机器人的弹簧片支撑机构有着结构复杂，不适用于小井眼，支撑不稳定，支撑力小等一系列缺陷。

发明内容

基于目前的伸缩式牵引机器人的容易卡堵，管径适应能力弱，结构复杂，不能抵抗钻具扭矩等问题，影响了长水平井段连续油管钻井的应用。本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种拥有适用于小井眼、支撑力大、结构简单、支撑稳定的弹簧片支撑机构的连续油管牵引机器人及其配套的控制系统。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种单斜块弹簧片支撑式连续油管牵引机器人，包括后工作短节、控制短节、控制系统和前工作短节，所述的前工作短节由中心轴、伸缩缸端盖、伸缩缸液压腔、伸缩缸缸体、双螺纹接头、支撑缸左环形液压槽、支撑推杆、支撑缸缸体、支撑缸右环形液压槽、支撑缸液压腔、弹簧片左支撑架、防转平键、高强度销、固连杆、防尘圈、单斜块、摩擦块、润滑槽活塞、润滑槽堵头、弹簧片、防尘筒、弹簧片右支撑架以及各部分相应的密封结构组成。工作短节工作时，由推杆推动摩擦块带动弹簧片产生弹性变形，逐步贴近井壁并最终锁紧。弹簧片相对于轮式支撑结构具有更大的接触面积，对井壁的凹坑和凸起适应性更强；相对于传统滑块式支撑机构，弹簧片的支撑过程中与井壁的接触面积是逐渐增大，受力更加均匀且具有一定的自调节能力，支撑机构不易卡堵；在弹簧片弹性范围内的变形都能锁紧，井径适应性更强。同时，由于弹簧片是弹性变形，在意外情况如控制机构断电的情况下，弹簧片能依靠自身弹性收回，具备意外解锁能力。

所述的液压系统包括Y型中位机能三位四通电磁换向阀、O型中位机能三位四通电磁换向阀、溢流阀、油箱、油滤、液压泵、电机、单向阀、支撑缸、伸缩缸；工作短节的支撑和伸缩均由液压系统驱动，相对于电机驱动，具有更大的驱动力。

所述的控制短节包括控制短节端盖、长螺钉、密封垫、导流接头、液压管接头、中空接头、液压油管、环形支撑架、电气短节外壁、电路板支撑架、电路板、电机、固定螺钉、电机支撑架、电机连杆、联轴器、支撑架、液压泵、液压泵连杆、双螺纹接头、压力补偿孔、压力补偿弹簧、孔用组合动密封、密封活塞、储液短节外壁、液压管通道、油箱、阀组短节外壁、阀体连杆、Y型中位机能三位四通电磁换向阀、单向阀、阀体、O型中位机能三位四通电磁换向阀。控制短节将所有的阀组、电气控制部分、压力补偿和油箱集中在一个短节中，不再分散在各个短节，具有更高的集成度；液压系统的控制不需受外界压力影响，不需要地面发送信号，自动化程度更高；电气控制部分传输距离更短，效率更高。

所述的中心轴设计有连接螺纹、密封槽、液压流道和线缆通道。机器人的伸缩和结构围绕中心轴运动和设计，将密封槽、液压流道、线缆通道等集成在中心轴上，有利于缩减体积，提高系统集成度；使用螺纹连接便于拆装。

所述支撑推杆设计有密封沟槽、环形液压孔、支撑缸右液压腔进液口、止转键槽和螺纹孔。支撑缸推杆是位于中心轴与外壁间，在支撑缸推杆上设计环形液压孔，使其与中心轴外壁组成环形空间，使从中心轴流出的油液能够缓冲后进入支撑缸，并在避免伸缩缸带动中心轴运动时影响支撑缸的进液。设计了止转键槽，防止推杆带动斜块发生转动，提高了运行安全性。

所述的单斜块设计有沉头孔、支撑斜面(21b)，斜面斜度14～25°。沉头孔设计使单斜块安装即美观又牢靠。支撑斜面斜度过小则推动力较小，支撑缸行程过长，斜度过大则推动阻力大易卡堵，该角度范围经验证是相对合适的。

所述的摩擦块设计有螺钉孔、润滑油储液槽、润滑通道、压力平衡孔，其斜面斜度与单斜块一致。摩擦块的设计考虑到了安装、配合以及运行润滑等问题。设计的润滑油储液槽以及润滑油通道、压力平衡孔能够为接触面提供润滑，使弹簧片的支撑过程更加顺畅。

所述的弹簧片左支撑架设计有集油槽、止转键槽和销孔。集油槽能够为容纳一部分液压油，实现缓冲进液和使支撑缸动作更加平稳。止转键槽与推杆的止转键槽组成完整的键槽，插入键后能防止推杆的相对转动，提高支撑结构稳定性。

所述的弹簧片上设计有活动键槽、螺纹连接孔和活动销孔。弹簧片采用一端销链接连接，一端采用活动销，增加了弹簧片的自由度，防止其拉伸变形，保证弹簧片的变形始终是弹性变形。

所述的导流接头设计有导流通道和线缆通道，通道弯角小于10°。将进入机器人的流道和线缆通道集中，减小控制短节连接端端面面积，有利于机器人小型化。

本发明具有以下优点：

(1)本发明工作短节中的支撑机构结构简单，支撑臂(弹簧片)与井壁之间为柔性贴合，更容易适应不规则的井壁，使其管径适应能力加强；此外，弹簧片还具备自恢复能力，能够在意外情况下，使牵引机器人从井壁解锁，从而避免卡堵现象的发生。

(2)本发明工作短节中的各执行机构均为液压驱动，使机器人具备大的牵引力。

(3)本发明的动力系统和控制系统均集成到了机器人机身内部，使机器人具备更高的执行效率、自动化程度更高。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明前工作短节全剖视图；

图3为本发明中心轴水平方向和垂直方向的全剖视图；

图4为本发明支撑推杆的全剖视图；

图5为本发明单斜块结构示意图；

图6为本发明摩擦块的局部剖视图；

图7为本发明弹簧片左支撑架全剖视图；

图8为本发明弹簧片局部剖视图；

图9为本发明后工作短节结构示意图；

图10为本发明液压控制系统原理图；

图11为本发明控制短节局部剖视图；

图中，1-后工作短节；2，4-锁紧螺母；3-控制短节；5-前工作短节；6-中心轴；6a，6f-连接螺纹；6e-密封槽；6b，6c，6h，6g-液压流道；6d-线缆通道；7-伸缩缸端盖；8-伸缩缸液压腔；9-伸缩缸缸体；10-双螺纹接头；11-支撑缸左环形液压槽；12-支撑推杆；12a，12c，12g-密封沟槽；12b，12d-环形液压孔；12e-支撑缸右液压腔进液口；12f止转键槽；12h-螺纹孔；13-支撑缸缸体；14-支撑缸右环形液压槽；15-支撑缸液压腔；16-弹簧片左支撑架；16a-集油槽；16b-止转键槽；16c-销孔；17-防转平键；18，27-高强度销；19-固连杆；20-内六角圆柱螺钉；21-单斜块；21a-沉头孔；21b-支撑斜面；22-摩擦块；22a-润滑通道；22b-润滑油储液槽；22c-压力平衡孔；22d-螺钉孔；23-润滑槽活塞；24润滑槽堵头；25-弹簧片；26-防尘筒；28，30-弹簧片右支撑架；31，34，37-三位四通电磁换向阀；38-溢流阀；39，69-油箱；40-油滤；41，60-液压泵；42，55-电机；43，76-单向阀；44，83-控制短节端盖；45-长螺钉；47-导流接头；48，75，78液压管接头；49，81-中空接头；50，61，73，79-液压油管；51-环形支撑架；52-电气短节外壁；53-电路板支撑架；54-电路板；55-电机；56-电机支撑架；57-电机连杆；58-联轴器；59-液压泵支撑架；62-液压泵连杆；63，70-双螺纹接头；64-压力补偿孔；65-压力补偿弹簧；66-密封活塞；67-储液短节外壁；68-液压管通道；71-阀组短节外壁；72-阀体连杆；74-Y型中位机能三位四通电磁换向阀；77-阀体；80-O型中位机能三位四通电磁换向阀。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述，本发明的保护范围不局限于以下所述：

如图1～11所示，一种单斜块弹簧片支撑式连续油管牵引机器人，它包括后工作短节1、控制短节3、前工作短节5和液压系统，前工作短节5和后工作短节1通过螺纹连接到控制短节3并通过锁紧螺母2、4锁紧，液压系统置于控制短节3内，所述的前工作短节5由中心轴6作为主体，伸缩缸缸盖7、伸缩缸缸体9和双螺纹接头10分别通过螺纹连接套装在中心轴6活塞的左右两端，形成伸缩缸液压腔8，伸缩缸液压腔8的密封分别由轴用组合动密封、孔用静密封、孔用动密封和轴用动密封组成，支撑推杆12套装于中心轴6上，并置于双螺纹接头10的右端，双螺纹接头10、支撑缸缸体13、弹簧片左支撑架16依次通过螺纹连接，并与支撑推杆12构成支撑缸液压腔15，支撑缸液压腔15的密封由孔用动密封、轴用动密封和孔用静密封组成，支撑推杆12和弹簧片左支撑架16上分别设计有止转键槽12f和16b，用于放置防转平键17，支撑推杆12通过内六角圆柱头螺钉20与单斜块21相连，并通过轴用动密封和防尘圈密封，摩擦块22的斜面与单斜块21斜面配合，并通过内六角圆柱头螺钉连接到弹簧片25上，弹簧片25通过高强度销18、27分别连接于弹簧片左支撑架16和弹簧片右支撑架28，弹簧片右支撑架28套装于中心轴6上，防尘筒26套装在中心轴6上并通过内六角圆柱头螺钉连接于弹簧片右支撑架28内侧，固连杆19通过紧定螺钉连接弹簧片左支撑架16和弹簧片右支撑架28。

所述的后工作短节1除了弹簧片右支撑架30与前工作短节弹簧片右支撑架28结构不同外，其余零件均与前工作短节相同，只是布置方式不同。

所述的控制短节3可分为电气、储液和阀组三个部分。

电气部分包括：控制短节端盖44、导流接头47、中空接头49、电气部分外壁52、双螺纹接头63、电机55、液压泵60、电路板54、液压油管50、55，液压泵60通过螺栓连接到液压泵支撑架59上，液压泵支撑架通过液压泵连杆62和固定螺钉固连在双螺纹接头63上，电机55通过螺钉连接到电机支撑架56上，电机支撑架56通过电机连杆57和固定螺钉连接到液压泵支撑架59上，电机55和液压泵60通过联轴器58连接。电路板54与电路板支撑架53固连，电路板支撑架53通过固定螺钉与电机支撑架56和环形支撑架51固连，液压油管50穿过电气部分通过液压管接头48连接导流接头47与后端连接。控制短节端盖44、导流接头47和中空接头49通过长螺钉45连接，液压油管61连接于液压泵60、油箱69和阀体77；电气部分密封由位于中空接头49和双螺纹接头63上的孔用静密封完成。

储液部分包括：双螺纹接头63、70、储液部分外壁67、压力补偿弹簧65、密封活塞66、液压管通道68；双螺纹接头63、70和储液部分外壁67通过螺纹连接，压力补偿弹簧65置于双螺纹接头63和密封活塞66之间，密封活塞66与双螺纹接头70之间的空间构成油箱69，前端液压管道和电缆经液压管通道68通过，储液部分外壁67上设计有压力补偿孔64，该部分用静密封和轴用组合动密封来密封。

阀组部分包括：双螺纹接头70、阀组部分外壁71、阀体77、三位四通电磁换向阀74、80、单向阀76、溢流阀38、液压油管73、79、中空接头81、导流接头82和控制短节端盖83；三位四通电磁换向阀74、80、单向阀76、溢流阀38集成到阀体77上，阀体77通过阀体连杆72和固定螺钉与双螺纹接头70固连，液压油管73通过液压管接头75连接于阀体77并通过管道向左最终连接到导流接头47，液压油管79通过液压管接头78连接于阀体77和导流接头82；双螺纹接头70、阀组部分外壁71和中空接头81通过螺纹连接，中空接头81、导流接头82和控制部分端盖通过长螺钉连接，阀组部分由孔用静密封实现密封。

本发明的工作过程如下：将单斜块弹簧片支撑式连续油管牵引机器人下入至水平段，通过电缆向控制部分3提供动力源并传输信号，电路板54在接收处理信号后驱动电机55转动，液压泵60在电机55的作用下，首先往前工作短节5中的支撑缸液压腔15泵入高压液体，驱动支撑推杆12向右移动，弹簧片25在支撑推杆12的作用下锚定井壁，锚定完成后，液压泵60在电路板54的控制指令下往前工作短节5、后工作短节1中的伸缩缸液压腔8泵入高压液体，中心轴6和后工作短节1在压强的作用下向前相对爬行一个伸缩缸距离，完成一个收缩动作，收缩动作完成后，后工作短节1的支撑缸液压腔进液，后工作短节1的弹簧片锚定井壁，动作完成后，前工作短节5的弹簧片25在液压或是自身恢复力的作用下缩回，待弹簧片25缩回到位，后工作短节1的伸缩缸进液，中心轴6和前工作短节5在压强的作用下向前爬行一个伸缩缸行程，完成一个展开动作，牵引机器人恢复至初始状态，此时，牵引机器人向前行走了一个伸缩缸距离，如此循环打液，单斜块弹簧片支撑式连续油管牵引机器人即可连续向前爬行。

Claims (10)

1.一种单斜块弹簧片支撑式连续油管牵引机器人，包括后工作短节(1)、控制短节(3)、前工作短节(5)，前工作短节和后工作短节结构包括支撑机构和伸缩机构，其特征在于：所述支撑机构包括支撑缸(15)、支撑缸推杆(12)、单斜块(21)、弹簧片左支撑架(16)和弹簧片右支撑架(28)，弹簧片两端分别连接在弹簧片左支撑架(16)和弹簧片右支撑架(28)上，支撑缸内的支撑缸推杆，通过推动单斜块，撑出弹簧片卡紧井壁。

2.根据权利要求1所述的一种单斜块弹簧片支撑式连续油管牵引机器人，所述控制短节内布置有该牵引机器人的液压控制系统，其特征在于：液压控制系统包括Y型中位机能三位四通电磁换向阀，Y型中位机能三位四通电磁换向阀控制液压油推出和收回单斜块，从而撑出和收回弹簧片。

3.根据权利要求2所述的一种单斜块弹簧片支撑式连续油管牵引机器人，其特征在于：所述液压控制系统高度集成，由有控制电路板(54)、由Y型(31、37、74)和O型(80、34)中位机能三位四通电磁换向阀以及泄压阀组成的阀组(77)、集成油箱(69)、电机(55、42)、液压泵(60、41)、压力补偿弹簧(65)、压力补偿孔(64)等核心结构及各类密封件组成。其液压控制系统依次分为三个部分，分别是：电气部分、储液部分、阀组部分；各部分由双螺纹接头(63、70)间隔并与外壁(52、67、71)通过螺纹连接组成筒体外形，并通过内部相应的各类支撑架(51、56、59)、连接架(53、62、72)组成内部连接结构，并设置有密封结构密封。

4.根据权利要求1所述的一种单斜块弹簧片支撑式连续油管牵引机器人，所述前工作短节(5)和后工作短节(1)还包括中心轴(6)，其特征在于：所述中心轴(6)左端设计有连接控制短节(3)的连接螺纹(6a)，右端设计有连接工具串或连续油管的连接螺纹(6f)，活塞处设计有密封伸缩缸左右两端液压腔的密封槽(6e)，内部设计有沟通伸缩缸左右液压腔的液压流道(6h)、(6g)和沟通支撑缸左右液压腔的液压流道(6c)、(6b)，还有用于布线的线缆通道(6d)。

5.根据权利要求1所述的一种单斜块弹簧片支撑式连续油管牵引机器人，其特征在于：所述的前工作短节(5)中的单斜块(21)上设计有用于连接支撑推杆(12)的沉头孔(21a)和支撑斜面(21b)，斜面斜度14～25°。

6.根据权利要求1所述的一种单斜块弹簧片支撑式连续油管牵引机器人，其特征在于：所述的前工作短节(5)和后工作短节(1)上的摩擦块(22)上设计有用于连接弹簧片的螺钉孔(22d)，润滑油储液槽(22b)，润滑通道(22a)和压力平衡孔(22c)，其斜面斜度与单斜块一致。

7.根据权利要求1所述的一种单斜块弹簧片支撑式连续油管牵引机器人的工作短节，其特征在于：所述的前工作短节(5)和后工作短节(1)上的弹簧片左支撑架(16)上设计有集油槽(16a)、止转键槽(16b)、销孔(16c)。

8.根据权利要求1所述的一种单斜块弹簧片支撑式连续油管牵引机器人，其特征在于：所述前工作短节(5)和后工作短节(1)通过螺纹连接到控制短节(3)并通过锁紧螺母(2)、(4)锁紧，前工作短节(5)和后工作短节(1)上的弹簧片(25)上设计有活动键槽25(a)、螺纹连接孔25(b)和活动销孔(25c)。

9.根据权利要求1所述的一种单斜块弹簧片支撑式连续油管牵引机器人，其特征在于：所述的控制短节(3)中的导流接头(47、82)设计有沟通工作短节液压流道的导流通道和线缆通道，通道弯角小于10°。

10.根据权利要求1所述得一种单斜块弹簧片支撑式连续油管牵引机器人，其特征在于单斜块(21)为圆锥体，支撑斜面上设计有沟槽(21b)，与摩擦块(22)配合；弹簧片左支撑架(16)设计有止转键槽，与支撑缸推杆(12)和防转平键配合，以上结构能够使机器人支撑机构能够抵抗钻具钻进时的反扭矩。