CN110454102B - 一种铁钻工自动找中的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种铁钻工自动找中的方法，包括：使钻具位于旋扣钳的钳口内，控制旋扣钳整体运动以使第一摩擦轮触碰到所述钻具，再使旋扣钳整体转动角度θ，以使第二摩擦触碰到所述钻具；使旋扣钳回转
Figure DDA0002172373620000011
角度以使钻具位于第一摩擦轮和第二摩擦轮的中间位置；使旋扣钳整体向钻具移动，直至所述第三摩擦轮触碰钻具后停止，然后控制旋扣钳整体背离钻具移动，使钻具位于第一摩擦轮、第二摩擦轮和第三摩擦轮的中心位置，再使第一摩擦轮、第二摩擦轮和第三摩擦轮同时夹紧钻具，完成找中操作。本发明的对中方法简单易操作，控制流程简单，工作可靠，对工作场合要求高的铁钻工的对中使用具有极其有益的效果。

Description

一种铁钻工自动找中的方法
技术领域
本发明涉及装卸钻具的铁钻工技术领域，具体涉及一种铁钻工自动找中的方法。
背景技术
在石油工程的钻井和地质钻探的钻井项目中，铁钻工是一种比较方便高效装卸钻具的重要设备。铁钻工能快速地实现钻具的连接，对其进行上、卸扣操作，对提高作业效率有很重要的意义。其中上、卸扣操作主要由旋扣钳和冲扣钳完成。目前国内外企业生产的铁钻工主要针对石油钻井，自动化程度也相当高，但针对地质钻探钻井的铁钻工几乎没有。石油钻井的铁钻工的位置固定，基本长时间不变，找取钻具中心由铁钻工的安装位置而确定。地质钻探有别于石油钻井，其钻杆尺寸相对较小、作业环境条件复杂且恶劣，需要频繁更换打井位置。地质钻探的铁钻工的频繁移动和环境条件，对钻具找中有很大的影响。
在要求较高的场合，现有技术需要对钻具对中时，往往使铁钻工整体作为浮动件，借助别的机构及检测件使铁钻工整体运动，以使钻具位于旋扣钳及冲扣钳的中心位置，实现铁钻工的找中，但该种方法费时费力，成本高，影响钻探工作的高效作业。
因此，设计一种铁钻工自动找中的方法对更好地满足要求较高场合的铁钻工的使用至关重要。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提供一种铁钻工自动找中的方法，以使铁钻工能够简单方便地实现对钻具的找中。
本发明提供一种铁钻工自动找中的方法，所述铁钻工包括旋扣钳和回转机构所述旋扣钳能带动所述旋扣钳整体旋转，所述旋扣钳包括左、右夹紧动臂和楔形板，所述左、右夹紧动臂以所述楔形板为中心对称设置，所述左、右夹紧动臂各自的一端分别与所述楔形板的两侧斜边接触并活动连接，所述左、右夹紧动臂各自的另一端分别设有第一摩擦轮和第二摩擦轮，所述左、右夹紧动臂各自在两端之间设有转动点；所述楔形板位于头部的两斜边交集点处设有第三摩擦轮，所述方法包括：
使钻具位于所述旋扣钳的钳口内，控制所述旋扣钳整体运动以使所述第一摩擦轮触碰到所述钻具，再以所述回转机构为转点，使所述旋扣钳整体转动一角度，以使所述第二摩擦轮触碰到所述钻具，转动角度记为θ；
使所述回转机构转动带动所述旋扣钳回转
Figure BDA0002172373600000021
角度以使所述钻具位于所述第一摩擦轮和第二摩擦轮的中间位置；
使所述旋扣钳整体向钻具移动，直至所述第三摩擦轮触碰所述钻具后停止，然后控制所述旋扣钳整体背离所述钻具移动，使所述钻具位于所述第一摩擦轮、第二摩擦轮和第三摩擦轮的中心位置，再使所述第一摩擦轮、第二摩擦轮和第三摩擦轮同时夹紧所述钻具，完成找中操作。
上述的铁钻工自动找中的方法，控制所述旋扣钳整体背离所述钻具移动的距离为L，以使所述钻具位于所述第一摩擦轮、第二摩擦轮和第三摩擦轮的中心位置，所述钻具的半径为R0，所述L为理想移动距离。钻具半径R0和理想移动距离L存在以下关系：
Figure BDA0002172373600000022
L1：左或右夹紧动臂靠近钻具端的臂长；
L2：左或右夹紧动臂背离钻具端的臂长；
α：楔形板斜边与中心对称轴的夹角；
θ：夹紧动臂两端之间的夹角；
H1：夹紧动臂转动点到楔形板斜边顶点的初始位置的距离；
H2：夹紧动臂转动点到楔形板斜边顶点的终止位置的距离；
XA：以第三摩擦轮圆心的初始位置为坐标系原点的夹紧动臂折点横坐标；
yA：以第三摩擦轮圆心的初始位置为坐标系原点的夹紧动臂折点纵坐标；
Ra：第三摩擦轮半径；
Rb：夹紧动臂与楔形板接触的滑轮半径；
Rc：第一或第二摩擦轮半径；
上述的铁钻工自动找中的方法，所述铁钻工还包括伸缩臂和控制装置，所述伸缩臂的一端与所述回转机构枢接，所述伸缩臂的另一端与所述旋扣钳枢接，所述控制装置控制所述回转机构转动及控制所述伸缩臂伸缩，以使所述旋扣钳整体运动。
上述的铁钻工自动找中的方法，所述控制装置控制所述回转机构转动以使所述旋扣钳整体转动θ角度及回转
Figure BDA0002172373600000031
角度。
上述的铁钻工自动找中的方法，所述控制装置控制所述伸缩臂运动以使所述旋扣钳整体向所述钻具移动及整体背离所述钻具移动。
上述的铁钻工自动找中的方法，通过所述回转机构上的角度传感器记录所述旋扣钳的转动角度。
上述的铁钻工自动找中的方法，所述楔形板由液压驱动。
上述的铁钻工自动找中的方法，通过在所述摩擦轮的表面贴压力传感器以检测所述摩擦轮是否触碰到所述钻具。
上述的铁钻工自动找中的方法，所述左、右夹紧动臂与所述楔形板连接的一端通过弹性元件连接所述左、右夹紧动臂。
上述的铁钻工自动找中的方法，使所述第一摩擦轮、第二摩擦轮和第三摩擦轮同时夹紧所述钻具时，通过驱动所述楔形板向所述钻具移动，带动所述第三摩擦轮向所述钻具靠近，同时所述楔形板带动所述左、右夹紧动臂各自绕自身的转动点旋转，使所述第二摩擦轮和所述第三摩擦轮靠近所述钻具，以实现夹紧所述钻具。
本发明的技术方案通过控制伸缩臂和回转机构工作，以控制旋扣钳的前后左右运动，使钻杆置于钳口之间，再由控制装置控制伸缩臂和回转机构及楔形板运动，完成找中，其实现方法简单易操作，能够快速方便地对钻具进行找中，无需对铁钻工的结构进行过多修改，也无需增添复杂的结构件，通过控制程序就能够实现铁钻工对钻具的找中，以方便后续旋扣钳和冲扣钳对钻具的上、卸扣工作，在实际工作中具有极大的推广应用价值。
附图说明
图1为本发明一实施例铁钻工结构示意图；
图2为本发明一实施例旋扣钳结构示意图；
图3为本发明一实施例钻具位于第一摩擦轮和第二摩擦轮中间位置的结构示意图；
图4为本发明一实施例使旋扣钳背离钻具移动L距离的结构示意图；
图5为本发明一实施例三个摩擦轮夹紧钻具的结构示意图；
图6为本发明一实施例摩擦轮表面贴压力传感器的结构示意图；
图7为本发明一实施例理想找中状态时各尺寸示意图；
附图标号说明：
旋扣钳A、冲扣钳B、伸缩臂C、回转机构D；
1、钻具 2、摩擦轮 21、第一摩擦轮 22、第二摩擦轮 23、第三摩擦轮 3、马达 4、夹紧动臂 5、复位弹簧 6、切线轮 7、楔形板，8、压力传感器。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明的较佳实施例进行详细说明，以便更清楚理解本发明的目的、特点和优点。应理解的是，附图所示的实施例并不是对本发明范围的限制，而只是为了说明本发明技术方案的实质精神。
本发明的铁钻工自动找中的方法，是以现有铁钻工结构件为基础，设计的简便易行的操作方法。
如图1所示，铁钻工主要包含旋扣钳A、冲扣钳B、伸缩臂C、回转机构D和控制装置(图上未示出)等。
伸缩臂C的一端与所述回转机构D枢接，所述伸缩臂C的另一端与所述旋扣钳A枢接，所述控制装置控制所述回转机构D转动及控制所述伸缩臂C伸缩，以使所述旋扣钳A及冲扣钳B整体运动。
现有技术需要对钻具对中时，往往使铁钻工整体作为浮动件，借助别的机构及检测件使铁钻工整体运动，以使钻具位于旋扣钳A及冲扣钳B的中心位置，实现铁钻工的找中。
为了能够不借助别的机构，使铁钻工不需增加复杂机构就能快速方便实现对钻工的自动找中操作，本发明主要通过控制铁钻工自身的各部件进行一系列动作，来实现对钻具的找中工作。
本发明所采用的技术方案，首先使伸缩臂C和回转机构D工作，控制旋扣钳A和冲扣钳B的前后左右运动，使钻具置于钳口之间，然后由控制装置的自动找中程序控制伸缩臂C和回转机构D及楔形板7运动，具体通过顶进楔形板7，进行定心夹紧，完成找中。对中完成方便后续旋扣A钳和冲扣钳B对钻具进行上、卸扣的操作。本发明找中操作步骤中不涉及冲扣钳B的内部动作，因而进行找中操作方法说明时不对冲扣钳B进行具体说明。
上述使钻具置于钳口之间的操作可通过目测人工控制完成。
使钻具位于钳口之后的具体操作如下所述。
如图2所示，使钻具1位于所述旋扣钳A的钳口内之后，控制所述旋扣钳A整体运动以使所述第一摩擦轮21触碰到所述钻具1，再以回转机构D为转点，使所述旋扣钳A整体转动一角度，以使所述第二摩擦轮22触碰到所述钻具1，转动角度记为θ；
上述方法中转动角度θ是检测记录所得，为了便于接下来的动作中
Figure BDA0002172373600000051
角度的计算；
再使所述旋扣钳A回转
Figure BDA0002172373600000052
角度以使所述钻具1位于所述第一摩擦轮21和第二摩擦轮22的中间位置，如图3所示；
接下来使所述旋扣钳A整体向钻具1移动，直至所述第三摩擦轮23触碰所述钻具1后停止，然后控制所述旋扣钳A整体背离所述钻具1移动，使所述钻具1位于所述第一摩擦轮21、第二摩擦轮22和第三摩擦轮23的中心位置，如图4所示；
再使所述第一摩擦轮21、第二摩擦轮22和第三摩擦轮23同时夹紧所述钻具1，如图5所示，完成找中操作。
具体地，使所述第一摩擦轮、第二摩擦轮和第三摩擦轮同时夹紧所述钻具时，通过驱动所述楔形板向所述钻具移动，带动所述第三摩擦轮向所述钻具靠近，同时所述楔形板带动所述左、右夹紧动臂各自绕自身的转动点旋转，使所述第二摩擦轮和所述第三摩擦轮靠近所述钻具，以实现夹紧所述钻具。
上述的铁钻工自动找中的方法，控制所述旋扣钳整体背离所述钻具移动的距离为L，以使所述钻具位于所述第一摩擦轮、第二摩擦轮和第三摩擦轮的中心位置，所述钻具1的半径为R0，所述L为理想移动距离。钻具半径R0和理想移动距离L存在以下关系：
Figure BDA0002172373600000053
上述距离L的推导过程如下所述。
图7为旋扣钳A夹紧钻具1的示意图，通过理论推导可以得到钻具半径R0与移动距离L之间的关系。
图中，L1，L2，H1，Ra，Rb，Rc，xA，yA，α，θ的含义如下：
L1：左或右夹紧动臂靠近钻具端的臂长；
L2：左或右夹紧动臂背离钻具端的臂长；
α：楔形板斜边与中心对称轴的夹角；
θ：夹紧动臂两端之间的夹角；
H1：夹紧动臂转动点到楔形板斜边顶点的初始位置的距离；
H2：夹紧动臂转动点到楔形板斜边顶点的终止位置的距离；
XA：以第三摩擦轮圆心的初始位置为坐标系原点的夹紧动臂折点横坐标；
yA：以第三摩擦轮圆心的初始位置为坐标系原点的夹紧动臂折点纵坐标；
Ra：第三摩擦轮半径；
Rb：夹紧动臂与楔形板接触的滑轮半径；
Rc：第一或第二摩擦轮半径；
根据图7中几何关系可以得到：
H1-L＝H2
三角形△ABC正弦定理可得：
Figure BDA0002172373600000061
β＝180°-α-γ1
通过以上式子可以推出：
Figure BDA0002172373600000062
在摩擦轮a(第三摩擦轮)初始位置建立坐标系，则A点的坐标恒定为(xA，-yA)，假设D点的坐标为(xD，-yD)，可以得到旋扣钳A夹紧时的位置几何关系：
xD 2+(yD-Ra-L-R0)2＝(R0+RC)2
(xD-xA)2+(yD-yA)2＝L1 2
Figure BDA0002172373600000063
xD＝xA-L1sin(180°-θ-γ1)
Figure BDA0002172373600000064
联立上式可得：
Figure BDA0002172373600000071
将γ1带入上式可得R0与L的关系表达式：
Figure BDA0002172373600000072
式中，L1，L2，H1，Ra，Rb，Rc，xA，yA，α，θ，都为结构参数，可以唯一确定，则对应钻具半径R0，有被唯一的移动距离L表达。
表1列出了一组不同半径的钻具对应移动距离L的示例。
表1
钻杆外径R<sub>0</sub>mm 101.6 121 127 133 156
L值mm 129.6 118.8 115.5 112.2 99.8
上述的铁钻工自动找中的方法，所述控制装置控制所述回转机构转动及控制所述伸缩臂伸缩，以使所述旋扣钳整体运动。
具体地，所述控制装置控制所述回转机构转动以使所述旋扣钳整体转动θ角度及回转
Figure BDA0002172373600000073
角度。
进一步地，所述控制装置控制所述伸缩臂运动以使所述旋扣钳整体向所述钻具移动及整体背离所述钻具移动。
本发明中，可通过在所述回转机构D上安装角度传感器，通过所述回转机构上的角度传感器记录所述旋扣钳A的转动角度。
所述楔形板7可由液压、电动等驱动，优选液压驱动。该楔形板7被驱动相对所述旋扣钳A的其他部分运动时，由于左、右夹紧动臂4的一端与所述楔形板7的两侧斜边接触，会被推动，从而左、右夹紧动臂4绕自身的转点旋转，其上另一端的摩擦轮便会跟着转动，以实现对钻具的夹紧与松开动作。
上述的铁钻工自动找中的方法，可通过在所述摩擦轮2的表面贴压力传感器以检测所述摩擦轮是否触碰到所述钻具。在所述摩擦轮的表面贴压力传感器8的结构示意如图6所示。
为了使三个摩擦轮2夹紧钻具1后能够自动复位，可使所述左、右夹紧动臂4与所述楔形板7连接的一端通过弹性元件如复位弹簧5连接所述左、右夹紧动臂4。
如图2所示，在后续需要旋转或松开所述钻具1时，所述第一摩擦轮21、第二摩擦轮22、第三摩擦轮23分别可通过马达3如驱动电机驱动旋转，以旋转所述钻具1。
如图4所示，为了减小摩擦，本发明的左、右夹紧动臂4与所述楔形板7连接的一端各自设有切线轮6，以滚动的形式与所述楔形板7相对运动。
本发明的技术方案通过控制伸缩臂和回转机构工作，以控制旋扣钳的前后左右运动，使钻杆置于钳口之间，再由控制装置控制伸缩臂和回转机构及楔形板运动，完成找中，其实现方法简单易操作，能够快速方便地对钻具进行找中，无需对铁钻工的结构进行过多修改，也无需增添复杂的结构件，利用机电控制及可编程控制器进行找中流程的操作，通过控制程序就能够实现铁钻工对钻具的自动找中，结构简洁，控制流程简单，工作可靠，方便后续旋扣钳和冲扣钳对钻具的上、卸扣工作，在实际工作中具有极大的推广应用价值。
上述各实施例仅用于说明本发明，其中实施例的各零部件、装置及方法步骤都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (10)

1.一种铁钻工自动找中的方法，所述铁钻工包括旋扣钳和回转机构，所述回转机构能带动所述旋扣钳整体旋转，所述旋扣钳包括左、右夹紧动臂和楔形板，所述左、右夹紧动臂以所述楔形板为中心对称设置，所述左、右夹紧动臂各自的一端分别与所述楔形板的两侧斜边接触并活动连接，所述左、右夹紧动臂各自的另一端分别设有第一摩擦轮和第二摩擦轮，所述左、右夹紧动臂各自在两端之间设有转动点；所述楔形板位于头部的两斜边交集点处设有第三摩擦轮，所述方法包括：
首先使钻具位于所述旋扣钳的钳口内，控制所述旋扣钳整体运动以使所述第一摩擦轮触碰到所述钻具，再以所述回转机构为转点，使所述旋扣钳整体转动一角度，以使所述第二摩擦轮触碰到所述钻具，转动角度记为θ；
再使所述旋扣钳回转
Figure FDA0002483937310000011
角度以使所述钻具位于所述第一摩擦轮和第二摩擦轮的中间位置；
再使所述旋扣钳整体向钻具移动，直至所述第三摩擦轮触碰所述钻具后停止，然后控制所述旋扣钳整体背离所述钻具移动，使所述钻具位于所述第一摩擦轮、第二摩擦轮和第三摩擦轮的中心位置，再使所述第一摩擦轮、第二摩擦轮和第三摩擦轮同时夹紧所述钻具，完成找中操作。
2.根据权利要求1所述的铁钻工自动找中的方法，其特征在于，控制所述旋扣钳整体背离所述钻具移动的距离为L，以使所述钻具位于所述第一摩擦轮、第二摩擦轮和第三摩擦轮的中心位置，所述钻具的半径为R0，所述L为理想移动距离，钻具半径R0和理想移动距离L存在以下关系：
Figure FDA0002483937310000012
L1：左或右夹紧动臂靠近钻具端的臂长；
L2：左或右夹紧动臂背离钻具端的臂长；
α：楔形板斜边与中心对称轴的夹角；
θ：夹紧动臂两端之间的夹角；
H1：夹紧动臂转动点到楔形板斜边顶点的初始位置的距离；
H2：夹紧动臂转动点到楔形板斜边顶点的终止位置的距离；
xA:以第三摩擦轮圆心的初始位置为坐标系原点的夹紧动臂转动点横坐标；
yA：以第三摩擦轮圆心的初始位置为坐标系原点的夹紧动臂转动点纵坐标；
Ra:第三摩擦轮半径；
Rb：夹紧动臂与楔形板接触的滑轮半径；
Rc:第一或第二摩擦轮半径。
3.根据权利要求1或2所述的铁钻工自动找中的方法，其特征在于，所述铁钻工还包括伸缩臂和控制装置，所述伸缩臂的一端与所述回转机构枢接，所述伸缩臂的另一端与所述旋扣钳枢接，所述控制装置控制所述回转机构转动及控制所述伸缩臂伸缩,以使所述旋扣钳整体运动。
4.根据权利要求3所述的铁钻工自动找中的方法，其特征在于，所述控制装置控制所述回转机构转动以使所述旋扣钳整体转动θ角度及回转
Figure FDA0002483937310000021
角度。
5.根据权利要求3所述的铁钻工自动找中的方法，其特征在于，所述控制装置控制所述伸缩臂运动以使所述旋扣钳整体向所述钻具移动及整体背离所述钻具移动。
6.根据权利要求3所述的铁钻工自动找中的方法，其特征在于，通过所述回转机构上的角度传感器记录所述旋扣钳的转动角度。
7.根据权利要求1或2或4至6任一项所述的铁钻工自动找中的方法，所述楔形板由液压驱动。
8.根据权利要求1或2或4至6任一项所述的铁钻工自动找中的方法，其特征在于，通过在所述摩擦轮的表面贴压力传感器以检测所述摩擦轮是否触碰到所述钻具。
9.根据权利要求1或2或4至6任一项所述的铁钻工自动找中的方法，其特征在于，所述左、右夹紧动臂与所述楔形板连接的一端通过弹性元件连接所述左、右夹紧动臂。
10.根据权利要求9所述的铁钻工自动找中的方法，其特征在于，使所述第一摩擦轮、第二摩擦轮和第三摩擦轮同时夹紧所述钻具时，通过驱动所述楔形板向所述钻具移动，带动所述第三摩擦轮向所述钻具靠近，同时所述楔形板带动所述左、右夹紧动臂各自绕自身的转动点旋转，使所述第二摩擦轮和所述第三摩擦轮靠近所述钻具，以实现夹紧所述钻具。
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