CN113638702B - 管杆共用的井口操作装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种井口操作装置，该井口操作装置包括固定至井口的井口平台基座模块和支承在所述井口平台基座模块上的油管作业模块，该井口操作装置还包括支承在所述井口平台基座模块上的抽油杆作业模块，所述油管作业模块和所述抽油杆作业模块均能在其工作位置和非工作位置之间移动；其中，在所述油管作业模块或所述抽油杆作业模块处于工作位置时，所述抽油杆作业模块或所述油管作业模块处于非工作位置，从而使得该井口操作装置能够选择性地用于油管或抽油杆在井口处的起下作业。此外，本发明还涉及一种利用上述井口操作装置对油管和抽油杆进行自动化起下作业的方法，该方法包括根据具体的作业对象选择性地启用针对油管或抽油杆的起下功能。

Description

管杆共用的井口操作装置

技术领域

本发明涉及石油修井作业设备、尤其涉及井口自动化装置，具体地涉及一种管杆共用(即同时能够适用于抽油杆和油管)的井口操作装置。

背景技术

现在市场上所使用的修井作业设备的井口操作装置为半自动化的，常常需要人工介入作业流程，且现有的井口操作装置通常只能适应油管一种作业对象，已有的井口操作装置无法完成对抽油杆的自动化作业，因而抽油杆基本由人工操作，导致修井作业的自动化程度较低，作业效率低，同时现场作业环境具有一定风险，影响油田作业的安全性。

因而，需要提出一种自动化的井口操作装置，使得能够同时实现对两种不同的作业对象的自动化起下作业。

发明内容

因此，本发明就是基于这样的背景而提出的，其旨在提出一种管杆共用的井口操作装置，使得一方面能够对油管进行自动化的起下作业，且另一方面还能够针对具有不同杆径规格的抽油杆进行自动化的起下作业，极大地提升了修井作业设备的自动化、智能化的程度，提高了工作效率和作业安全性。

根据本发明的一方面，其提出了一种井口操作装置，该井口操作装置包括固定至井口的井口平台基座模块和支承在所述井口平台基座模块上的油管作业模块，其中，该井口操作装置还包括支承在所述井口平台基座模块上的抽油杆作业模块，所述油管作业模块和所述抽油杆作业模块均能在其工作位置和非工作位置之间移动；其中，在所述油管作业模块或所述抽油杆作业模块处于工作位置时，所述抽油杆作业模块或所述油管作业模块处于非工作位置，从而使得该井口操作装置能够选择性地用于油管或抽油杆在井口处的起下作业。

根据本发明的另一方面，其提出了一种利用上述井口操作装置对油管和抽油杆进行自动化起下作业的方法，该方法包括根据具体的作业对象选择性地启用针对油管或抽油杆的起下功能。

通过采用本发明的井口操作装置，能够实现对油管和抽油杆的自动化起下作业，且能够适用于不同的杆管规格。由于利用该井口操作装置进行的起下作业过程全程自动化，提高了作业效率和作业安全性。

附图说明

通过以下参照附图的描述，本发明的上述和其它特征和优点将变得更加容易理解，其中：

图1示出了根据本发明的井口操作装置的示意性立体图；

图2示出了根据本发明的井口操作装置中的油管钳模块的安装示意图；

图3示出了根据本发明的井口操作装置中的机械手模块的示意图；

图4A和图4B分别示出了防溅筒模块处于闭合状态和打开状态的示意图；

图5示出了电涡流检测模块的结构示意图；

图6示出了根据本发明的井口操作装置对油管进行起下作业时的示意图；

图7示出了根据本发明的井口操作装置中所包括的卡瓦模块的结构示意图；

图8示出了根据本发明的井口操作装置对抽油杆进行起下作业时的示意图；以及

图9A以局部示意图的形式示出了抽油杆的端部结构，图9B示出了抽油杆的端部结构与定位机构(一侧的卡块)配合的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例进一步详细地说明本发明。在以下描述中可能使用的关于方位的说明，比如“水平”、“竖直”、“内”、“外”等，除非具有明确说明，仅为了方便描述，而无欲对发明技术方案形成任何限定。另外，在下文中还使用了例如“第一”、“第二”等术语来描述本申请的元件，这些术语仅用于区分各个元件，而无欲限制这些元件的本质、序列、顺序或数目。

本发明涉及的是油田修井机设备的自动化的井口操作装置，该井口操作装置是修井机的一个必要的组成部分。现有技术中存在的井口操作模块通常包括井口平台基座模块和油管作业模块。本发明相比于现有技术的一个重大改进在于，本发明的井口操作装置还集成有抽油杆作业模块，使得该井口操作装置能够适用于油管和抽油杆两种不同的作业对象，以实现根据具体的作业对象选择性地启用相应的起下功能。

根据本发明的一具体实施例，如图1至9B所示，井口操作装置1包括固定至井口的井口平台基座模块2以及支承在该井口平台基座模块2上的油管作业模块3和抽油杆作业模块4，井口平台基座模块2包括井口安装座5和安装在该井口安装座5上的上平台6和下平台7。油管作业模块3包括油管钳模块8以执行对油管9与接箍10之间的螺纹旋紧和旋松作业。相应地，抽油杆作业模块4包括抽油杆钳模块11以执行对抽油杆12与接箍10’之间的螺纹旋紧和旋松作业，油管钳模块8与抽油杆钳模块11在处于非工作位置(如第一避让工位)时关于井口中心彼此相对地布置在上平台6上(见图1)。油管钳模块8与抽油杆钳模块11均包括主钳8a,11a和背钳8b,11b(见图2和图4A)，其中主钳用于抓持由接箍连接的上方油管或抽油杆，背钳用于抓持接箍下方的(通常与接箍成一体的)油管或抽油杆以与主钳配合完成旋松/旋紧操作。在针对油管9执行起下作业时，接箍下方的油管由卡瓦模块13(下面详述)固定保持，而在针对抽油杆12执行起下作业时，接箍下方的抽油杆则由特定的定位机构14(见图9B，下面详述)固定保持。

油管钳模块8能够通过水平驱动装置15和升降驱动装置16(如图2所示)实现水平方向的位移和竖直方向的位移，如此确保油管钳模块8能够处于适合的作业位置。同样地，抽油杆钳模块11也包括类似的水平驱动装置和升降驱动装置。

根据一有利的实施例，尤其参见图2和3，为了确保接箍螺纹的旋松和旋紧作业更可靠的进行，在油管作业模块3上还设置有包括用于扶持抽油杆12的扶杆机械手17(能适应不同杆径规格的抽油杆)的扶杆机械手模块18，而在与之相对的抽油杆作业模块4上设置有包括用于扶持油管9的扶管机械手17’(能适应不同管径规格的油管)的扶管机械手模块18’。尤其参见图3，所述扶杆机械手17和所述扶管机械手17’除了能够跟随相应的作业模块进行水平运动，还能够经由升降机构19,19’进行升降运动和经由各自的驱动缸20,20’绕各自的回转中心进行摆动。在由油管钳模块8的主钳8a执行旋松/旋紧操作时，位于对面的抽油杆作业模块4上的扶管机械手17’能够被摆出至井口中心位以起到对油管9的辅助扶持作用。相应地，在由抽油杆钳模块11的主钳11a执行旋松/旋紧操作时，位于对面的油管作业模块3上的扶杆机械手17能够被摆出至井口中心位以起到对抽油杆12的辅助扶持作用。

有利地，油管钳模块8和抽油杆钳模块11均能在非工作位置和工作位置之间移动，例如通过如上所述的水平驱动装置沿位于上平台上的滑动轨道在上述位置之间平移。当然，也可以设想通过其他驱动机构、例如通过旋转驱动机构实现在上述位置之间的旋转移动，只要能实现上述位置切换功能即可。

根据本发明一具体实施例，油管钳模块8和抽油杆钳模块11能在如下三个工位之间移动：第一避让工位和第二待机工位(作为非工作位置)以及第三作业工位(作为工作位置)。在所述第一避让工位，所述油管钳模块8和所述抽油杆钳模块11位于所述上平台6上的距离井口中心位最远的位置以避开正在带着油管9或抽油杆12进行升降作业的吊卡；在所述油管钳模块8的第二待机工位，扶杆机械手17被摆动以达到井口中心位，使得与吊卡共同抱扶抽油杆12以配合处于第三作业工位的抽油杆钳模块11作业，而在所述抽油杆钳模块11的第二待机工位，扶管机械手17’被摆动以达到井口中心位，使得与吊卡共同抱扶油管9以配合处于第三作业工位的油管钳模块8作业；在所述第三作业工位，所述油管钳模块8和所述抽油杆钳模块11进行所述螺纹旋紧和旋松作业。

如图4A和4B所示，井口操作装置1还包括防溅筒模块21，该防溅筒模块21设置成在水平方向上的运动与抽油杆钳模块11同步。所述防溅筒模块21包括能够打开或闭合的两个互补的防溅筒部件22、驱动缸23以及连杆机构24。所述两个互补的防溅筒部件22能够在所述驱动缸23的作用下经由连杆机构24打开(见图4B)或闭合(见图4A)。在执行起管的作业时，当油管钳模块8完成油管9与接箍的旋松作业且回退至第二待机工位后，防溅筒模块21被控制移动至闭合并把油管接箍包住，如图4A所示。因此，当油管卸扣完全后，吊卡带动被旋出的油管上移，油管内部的油污将溅射到防溅筒的筒壁上且沿筒壁流入井口平台基座模块内的收集腔内，该收集腔有油污收集功能并且能经由排污口与排污管连通。这样，通过防溅筒模块防止了因油管内部污水的喷溅而对井口平台等装置设备造成污染。

应注意的是，在对抽油杆12执行起下作业时，该防溅筒模块21处于不工作或停用状态。

另外，井口操作装置1还包括检测装置。根据本发明的具体实施例，该检测装置可包括固定至所述井口安装座5且位于所述下平台7下方的电涡流检测模块25(见图1和5)和设置在所述上平台6上的光幕检测模块26(见图1)。电涡流检测模块25用于检测油管接箍是否已进入至井口操作装置1中，光幕检测模块26用于检测并确定油管/抽油杆接箍10,10’是否处于适合作业的高度位置。这些检测模块允许基于检测到的信号而适时地控制吊卡的运行以最终使其停在合适的高度位置。有利地，光幕检测模块26的工作高度被设置成能够沿竖向方向调节，以适应因油管9和抽油杆12的结构、尺寸比例等的不同而导致的最佳工作位置变化，从而能够选择性地匹配抽油杆和油管两种作业对象。

应理解的是，本领域中已知的其他类型的检测装置也是可行的，只要能够实现上述旨在实现的检测功能。

如前面提及的，在由油管钳模块8对油管9执行旋松或旋紧作业时，位于接箍10下方的油管由卡瓦模块13固定保持。如图1所示，该卡瓦模块13设置在下平台7上且与电涡流检测模块25同心地布置。具体地，如图7所示，卡瓦模块13包括本体28、左曲柄29、右曲柄29’、连杆30、能够相对运动的一对卡瓦31。该对卡瓦能够经由各自的曲柄连杆机构在打开位置和闭合位置之间运动，在所述打开位置，所述卡瓦模块13允许油管9从其中通过；在所述闭合位置，所述卡瓦模块13允许卡住油管9而承受油管向下的额定负载。

与之对比，在由抽油杆钳模块11对抽油杆12执行旋松或旋紧作业时，位于接箍10’下方的抽油杆通过特定的定位机构14(见图9B)固定保持。如图9A可见，抽油杆端部结构相较于油管较为复杂，除了接箍部段(为了清楚性，图中被移除)外，还包括方形部段、锥形部段33等。正因为这一点，现有的井口操作装置无法同时实现对抽油杆和油管的操作，抽油杆基本都是通过人工操作。根据本发明的井口操作装置很好地解决了这一问题。

如前面提及的，本发明相对于现有技术的一个重大改进点在于集成了抽油杆作业模块。为了将抽油杆作业模块4有效地集成在同一井口操作装置中且能够适应多种不同规格的抽油杆的起下作业，该抽油杆作业模块4优选地包括设置在抽油杆作业平台34(图1)上的抽油杆定位机构14和杆径检测对中机构(未具体示出)，杆径检测对中机构能够检测抽油杆12的杆径规格并在被驱动时带动抽油杆12至工作位置(即井口中心位)。此外，抽油杆定位机构14包括适用于相应的杆径规格的卡块32，以在抽油杆12落在卡块32上后利用抽油杆的锥形部段33与卡块32之间的配合作用而保持抽油杆12，如此抽油杆的向下的额定负载经由卡块32转移至整个井口操作装置1。

如图6和8所示，由于根据本发明的井口操作装置1同时集成有油管作业模块3和抽油杆作业模块4，井口操作装置的控制系统能够根据具体的作业对象选择性地启用针对相应的作业对象(油管9或抽油杆12)的起下作业流程。

在进行起下作业流程之前，抽油杆作业模块和油管作业模块均处于第一避让工位；在对油管或抽油杆进行起下作业过程中，例如，当抽油杆作业模块处于第三作业工位时，油管作业模块可处于第二待机工位以对抽油杆的起下作业提供辅助作用；类似地，当油管作业模块处于第三作业工位时，抽油杆作业模块可处于第二待机工位以对油管的起下作业提供辅助作用。

尤其有利的是，通过将机械手错开地设置在对应的大钳模块(将油管钳模块和抽油杆钳模块统称为大钳模块)中——即扶管机械手设置在抽油杆钳模块上，而扶杆机械手设置在油管钳模块上，可以使系统结构紧凑、作业的时间节拍重叠，从而使得在大钳模块运动的同时还允许相应的机械手摆出，而不需要等待大钳模块运动到位后，再让机械手摆出。这样，可以极大地提高修井作业系统的工作效率。

根据本发明的井口操作装置能够实现对油管和抽油杆的自动化起下作业，且能够适用于不同的杆管规格。由于利用该井口操作装置进行的起下作业过程全程自动化，提高了作业效率、作业安全性，自动化和智能化程度非常高。

应当指出，上面说明的实施例仅应被视为示例性的，本发明不限于这些实施例。通过考虑本说明书的内容，本领域技术人员可在不偏离本发明的范围或精神的情况下做出多种改变和变型。本发明的真实范围由所附权利要求以及等同方案限定。

Claims (12)

1.一种井口操作装置，该井口操作装置包括固定至井口的井口平台基座模块和支承在所述井口平台基座模块上的油管作业模块，其特征在于，该井口操作装置还包括支承在所述井口平台基座模块上的抽油杆作业模块，所述油管作业模块和所述抽油杆作业模块均能在其工作位置和非工作位置之间移动；其中，在所述油管作业模块或所述抽油杆作业模块处于工作位置时，所述抽油杆作业模块或所述油管作业模块处于非工作位置，从而使得该井口操作装置能够选择性地用于油管或抽油杆在井口处的起下作业；其中，所述井口平台基座模块包括井口安装座以及安装在所述井口安装座上的上平台和下平台；所述油管作业模块包括油管钳模块以执行对油管与接箍之间的螺纹旋紧和旋松作业；所述抽油杆作业模块包括抽油杆钳模块以执行对抽油杆与接箍之间的螺纹旋紧和旋松作业，其中，所述油管钳模块与所述抽油杆钳模块在处于各自的非工作位置时关于井口中心彼此相对地布置在所述上平台上。

2.根据权利要求1所述的井口操作装置，其特征在于，所述油管钳模块与所述抽油杆钳模块均包括水平驱动装置和升降驱动装置。

3.根据权利要求2所述的井口操作装置，其特征在于，在所述油管作业模块上设置有包括用于扶持抽油杆的扶杆机械手的扶杆机械手模块，而在所述抽油杆作业模块上设置有包括用于扶持油管的扶管机械手的扶管机械手模块，所述扶杆机械手和所述扶管机械手能够跟随相应的作业模块进行水平运动，且能够进行升降运动和绕各自的回转中心摆动。

4.根据权利要求3所述的井口操作装置，其特征在于，所述油管钳模块和所述抽油杆钳模块中的每一者均包括作为所述非工作位置的第一避让工位和第二待机工位以及作为所述工作位置的第三作业工位；

其中，在所述第一避让工位，所述油管钳模块和所述抽油杆钳模块位于所述上平台上的距离井口中心最远的位置以避开正在进行升降作业的吊卡；

其中，在所述油管钳模块的第二待机工位，所述扶杆机械手能够被摆动至中心位，使得与吊卡共同抱扶抽油杆以配合所述抽油杆钳模块作业；在所述抽油杆钳模块的第二待机工位，所述扶管机械手能够被摆动至中心位，使得与吊卡共同抱扶油管以配合所述油管钳模块作业；

其中，在所述第三作业工位，所述油管钳模块和所述抽油杆钳模块进行所述螺纹旋紧和旋松作业。

5.根据权利要求4所述的井口操作装置，其特征在于，所述井口操作装置还包括与所述抽油杆钳模块在水平方向上同步运动的防溅筒模块，所述防溅筒模块包括两个互补的防溅筒部件，所述两个互补的防溅筒部件能够打开或闭合；在油管钳模块完成旋松作业且回退至第二待机工位后，所述两个互补的防溅筒部件被控制移动至闭合以围在接箍周围。

6.根据权利要求5所述的井口操作装置，其特征在于，所述井口平台基座模块包括收集腔，使得在吊卡带动被旋出的油管上移时收集沿着防溅筒的筒壁流下的油污，该收集腔经由排污口与排污管连通。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的井口操作装置，其特征在于，所述井口操作装置还包括固定至所述井口安装座且位于所述下平台下方的第一检测模块，该第一检测模块用于检测油管的接箍是否已进入至井口操作装置中。

8.根据权利要求7所述的井口操作装置，其特征在于，所述井口操作装置还包括设置在所述上平台上的第二检测模块，所述第二检测模块用于检测并确定抽油杆或油管的接箍处于适合作业的高度位置。

9.根据权利要求8所述的井口操作装置，其特征在于，所述第二检测模块的工作高度被设置成能够沿竖向方向调节，以适应性地匹配抽油杆和油管两种作业对象。

10.根据权利要求1至6中任一项所述的井口操作装置，其特征在于，在所述下平台上设置有卡瓦模块，所述卡瓦模块能够在打开位置和闭合位置之间运动；在所述打开位置，所述卡瓦模块允许油管或抽油杆从其中通过；在所述闭合位置，所述卡瓦模块允许卡住油管而承受油管向下的额定负载。

11.根据权利要求1至6中任一项所述的井口操作装置，其特征在于，所述抽油杆作业模块包括抽油杆定位机构和杆径检测对中机构，所述杆径检测对中机构能够检测抽油杆的杆径规格，所述抽油杆定位机构包括适用于相应的杆径规格的卡块，以在抽油杆落在卡块上后通过所述卡块保持所述抽油杆而承受抽油杆向下的额定负载。

12.一种利用根据权利要求1至11中任一项所述的井口操作装置对油管和抽油杆进行自动化起下作业的方法，其特征在于，该方法包括根据具体的作业对象选择性地启用针对油管或抽油杆的起下功能。