CN116877005A - 一种带压作业管柱的自动抓取与传输装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种带压作业管柱的自动抓取与传输装置，属于石油及天然气修井设备技术领域，包括配电箱、开放管仓、动力猫道机构、管柱抓取机构、猫道底座、液压挡板、管柱；其特征在于：所述配电箱固定在猫道底座上，设置在动力猫道机构前端两边；所述动力猫道机构包括升降台、液压杆、动力猫道框架、承座滑轨和升降装置；所述管柱抓取机构包括框架、导柱、链传动装置、翻转电机、机械臂躯体、机械臂、电永磁吸盘；所述开放管仓、管柱抓取机构、猫道底座按照从左到右顺序设置。本发明解决了带压作业管柱自动抓取与传输过程风险高、效率低、对人的依赖性强的问题，实现了带压作业管柱抓取与传输的无人化。

Description

一种带压作业管柱的自动抓取与传输装置

技术领域

本发明提供了一种带压作业管柱的自动抓取与传输装置，属于石油与天然气修井设备技术领域。

背景技术

带压(不压井)修井作业是在井口有压且不实施压井的条件下进行钻修井作业的新工艺，是一项兼具安全、环保、低耗、高效的作业技术，成为非常规油气开发不可或缺的重要手段。其中管柱的抓取和传输是带压作业中不可缺少的一部分，目前出现的大部分新型管柱抓取与传输装置，其结构都是主要由管柱抓取部分和动力猫道部分组成，其中管柱抓取部分主要采用钩臂式，少部分运用机械臂式或者电永磁吸盘等方式，前者需要工人在在旁协作，通过液压杆使钩臂上旋，钩起管柱，管柱因重力滚落，正好落入猫道承座，达到抓取管柱到猫道的功能，由于离管柱抓取近距离接触，工人无法得到安全保障且效率较低；后者通过机械臂抓取管柱移动到猫道上方或者下放电永磁吸盘抓取管柱，再上升移动到猫道处，虽然安全性较钩臂式提高，但还需工人在旁控制，无法做到无人化，存在安全隐患。动力猫道目前大部分采用固定式动力猫道和举升式动力猫道，也需要工人在旁协作，无法做到无人化作业，无法保障工人的安全，且效率低下。以上常规带压作业带压作业管柱的抓取与传输，需要工人在旁协作，由于带压作业过程中有高压、中毒、井喷等危险因素的存在，工人的安全难以得到保障，且管柱抓取和运输效率低下，所以管柱的抓取与传输还存在以下问题:①需要工人在管仓和猫道旁协同作业，无法做到完全自动化，工人始终存在安全隐患；②管柱的传输速度明显低于管柱下入速度，导致整个作业辅助时间长，效率低下；③带压作业装置操作人员远离井口，与二层台井口工沟通配合较为困难，造成施工难度大，安全风险高。

无人化的管柱抓取与传输，提高安全性是目前管柱抓取与传输的主要研究方向，其次在保证安全性的前提下提升起下管柱效率，可以得到巨大的经济效益，近年来国内外开展带压作业自动化研究，不仅提高了工人的安全性，也增加了管柱抓取与传输效率。目前管柱抓取与传输的安全性和效率还有待进一步提高，对安全完井、修井作业意义重大。本发明的的管柱自动抓取与传输装置具有无人化作业、高安全性、高效率的特点，其中电永磁机械臂的挡板，以及猫道承座上的电永磁表面都是增加管柱抓取传输的双重保险，确保作业的安全性，新型的管柱抓取方式与传输方式在保证安全性的同时也提高了效率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种带压作业管柱的自动抓取与传输装置，以解决管柱抓取与传输过程不完全自动化、管柱自动抓取与传输过程中工人存在安全隐患、管柱抓取与传输的效率低等问题，以及对管柱抓取部分和动力猫道部分进行双重保险，确保作业的安全。

为达到解决上述问题的目的，本发明所采取的技术方案是提供一种带压作业管柱的自动抓取与传输装置，包括配电箱、开放管仓、动力猫道机构、管柱抓取机构、猫道底座、液压挡板、管柱；所述配电箱位于动力猫道机构两侧，并固定在猫道底座上；所述开放管仓采用露天形式，采用两个凸台上的细轨道承载管柱，并设有挡边，防止管柱滑落；所述液压挡板设置在猫道底座尾部，通过液压杆连接，起到将管柱抵拢升降台的作用；所述开放管仓、管柱抓取机构、猫道底座按照从左到右顺序设置，配电箱、动力猫道机构和液压挡板与猫道底座连接，同在右侧。

上述的一种带压作业管柱的自动抓取与传输装置，所述管柱抓取机构由框架、导柱、链传动装置、翻转电机、机械臂躯体、机械臂、电永磁吸盘组成，位于动力猫道机构左侧中间位置；所述框架顶部前后有圆角，有利于机械臂旋转通过，在其底部左右两侧固定着导柱，中间固定着链传动装置；所述的导柱与机械臂躯体左右两通孔配合，导柱穿过机械臂躯体通孔并延伸到框架顶端；所述链传动装置位于机械臂躯体凹处位置，且机械臂躯体和链条连接，通过链传动装置控制机械臂躯体的上下运动。

上述的一种带压作业管柱的自动抓取与传输装置，所述机械臂躯体起承载作用，其后顶部与翻转电机通过螺栓连接固定；所述翻转电机，能够实现带动机械臂做旋转运动；所述机械臂与翻转电机两端配合固定，机械臂抓取管柱部位与后端之间由液压杆连接，通过液压杆完成机械臂的前伸收缩运动，且机械臂抓取管柱部位螺栓连接两块电永磁吸盘，通过电永磁开关控制管柱的抓取和放下，电永磁吸盘靠近猫道方向焊接有挡板，防止机械臂在运动过程中，管柱掉落发生安全事故，机械臂手臂旁有设计电线槽以及控制槽。

上述的一种带压作业管柱的自动抓取与传输装置，所述动力猫道机构由升降台、液压杆、动力猫道框架、承座滑轨和升降装置组成；动力猫道框架前端有通孔，猫道底座的圆杆穿过通孔，形成旋转配合，动力猫道框架用于承载升降台、承座滑轨、升降装置和管柱；所述液压杆一头固定在猫道底座旋转连接，另一头与动力猫道框架固定，依靠电力控制使动力猫道框架完成0°到90°立起运动；所述承座滑轨与升降台焊接固定，承座滑轨滑动配合在动力猫道框架中间凸出轨道上，承座形状上表面为U型，表面有电永磁吸盘，起到吸紧管柱防止掉落的风险；所述升降装置与升降台底部焊接固定，升降装置卡槽还与动力猫道框架两侧凸出轨道滑动配合，升降装置依靠电力驱动带动升降台完成升降运动。

本发明的一种带压作业管柱的自动抓取与传输装置的工作方法，包括下管过程和起管过程。

下管的管柱抓取与传输过程包括以下步骤：

(1)机械臂躯体处于设置最低点，机械臂前伸到开放管仓的管柱下方；

(2)机械臂躯体开始上升，抓取管柱后开始上升；

(3)当管柱上升至超过开放管仓挡边，在机械臂躯体继续上升的同时，机械臂开始翻转，并且前伸过的机械臂开始收缩；

(4)当机械臂完成180°翻转并完全收缩，正好将管柱放于动力猫道机构的承座滑轨上；

(5)机械臂翻转归位，同时机械臂躯体下降，液压挡板收缩将承座滑轨上的管柱抵拢升降台；

(6)动力猫道框架立起的同时升降装置带动升降台沿猫道方向上升，当动力猫道框架立起达到90°时，管柱上升至二层台高度，管柱抓取机构回到初始位置，等待下一次抓取；

起管的管柱抓取与传输过程包括以下步骤：

(1)动力猫道框架呈90°竖立，二层台将管柱运送到升降台上；

(2)动力猫道框架下躺的同时升降装置(305)带动升降台沿猫道方向下降，当动力猫道框架呈0°平躺时，升降装置承载着管柱到达底部；

(3)机械臂翻转到管柱上方，电永磁吸盘开始工作，抓取管柱后反方向翻转，同时机械臂前伸；

(4)当机械臂翻转回到0°，管柱越过开放管仓挡边，机械臂躯体继续下降到最低点，将管柱放入开放管仓；

(5)机械臂收缩，机械臂躯体上升到顶点，等待下一次抓取；

上述技术方案可以看出，本发明与现有技术相比，具有如下优点：1)动力猫道机构、管柱抓取机构完成的管柱抓取和传输运动，实现了管柱抓取与传输过程的自动化作业，过程实现无人化作业；2)带有挡板的电永磁吸盘和具有电永磁表面的承座滑轨抓取管柱和猫道传输更加稳定，双层保险防止管柱掉落；3)明显降低人员风险，提高带压作业的安全性，提高了带压作业管柱由地面传输至作业二层台的传输效率，传输时间大大缩短，创造更大的经济效益。

附图说明

图1是本发明带压作业管柱的自动抓取与传输装置的结构示意图；

图2是管柱抓取机构的结构示意图；

图3是下管时管柱抓取机构的工作示意图，a)为抓取初始位置；b)为机械臂前伸运动；c)为机械臂躯体上升运动；d)为机械臂躯体上升运动的同时，机械臂旋转收缩运动；e)为机械臂旋转收缩运动完成，管柱抓取到猫道位置；

图4是起管时管柱抓取机构的工作示意图，a)为抓取初始位置；b)为机械臂旋转前伸运动的同时，机械臂躯体下降运动；c)为机械臂旋转前伸运动完成，机械臂躯体下降运动；d)机械臂躯体完成下降运动；e)为机械臂收缩；

图5是动力猫道机构的结构示意图；

图6是下管时动力猫道机构的工作示意图，a)为传输初始位置；b)为动力猫道机构立起运动的同时，升降台在举升装置作用下上升；c)动力猫道机构完成90°立起，管柱上升至二层台；

图7是起管时动力猫道机构的工作示意图，a)为传输初始位置；b)为动力猫道机构下躺运动的同时，升降台在举升装置作用下下降；c)动力猫道机构完成下躺运动，升降台到达底部；

图中：配电箱1、开放管仓2、动力猫道机构3、升降台301、液压杆302、动力猫道框架303、承座滑轨304、升降装置305、管柱抓取机构4、框架401、导柱402、链传动装置403、翻转电机404、机械臂躯体405、机械臂406、电永磁吸盘407、猫道底座5、液压挡板6、管柱7。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对发明的技术方案进行详细的描述，并配合附图作详细说明：

如图1所示，包括配电箱(1)、开放管仓(2)、动力猫道机构(3)、管柱抓取机构(4)、猫道底座(5)、液压挡板(6)、管柱(7)；所述配电箱(1)位于动力猫道机构(3)两侧，并固定在猫道底座(5)上，内部中空，用于机构供电；所述开放管仓(2)采用露天形式，采用两个凸台上的细轨道承载管柱(7)，并设有挡边，防止管柱(7)滑落；所述液压挡板(6)连接在猫道底座(5)尾部，通过液压杆连接，起到将管柱(7)抵拢升降台(301)的作用；猫道底座(5)头部占重大，后半部分采用“梯子型”结构减少重量和节约材料，采用两个墩座承座，尾部配有一个管柱承座；所述开放管仓(2)、管柱抓取机构(4)、猫道底座(5)按照从左到右顺序设置，配电箱(1)、动力猫道机构(3)和液压挡板(6)与猫道底座(5)连接，同在右侧。

如图2所述，管柱抓取机构(4)由框架(401)、导柱(402)、链传动装置(403)、翻转电机(404)、机械臂躯体(405)、机械臂(406)、电永磁吸盘(407)组成，管柱抓取机构(4)位于动力猫道机构(3)左侧中间位置背靠动力猫道机构(3)；所述框架(401)顶部前后有圆角，有利于机械臂(406)旋转通过，在其底部左右两侧固定着导柱(402)，中间固定着链传动装置(403)；所述的导柱(402)与机械臂躯体(405)左右两通孔配合，导柱(402)穿过机械臂躯体(405)通孔并延伸到框架(401)顶端；所述链传动装置(403)由传动支架与链传动组成，位于机械臂躯体(405)凹处位置，且机械臂躯体(405)和链条连接，通过链传动装置(403)驱动机械臂躯体(405)做垂直运动。

所述机械臂躯体(405)起承载作用，带动机械臂(406)等一起完成垂直运动，其后顶部与翻转电机(404)通过螺栓连接固定；所述翻转电机(404)呈圆柱形，其两端与机械臂(406)配合固定，能够实现带动机械臂(406)做旋转运动；所述机械臂(406)抓取管柱部位与后端之间由液压杆连接，通过液压杆完成机械臂的前伸收缩运动，且机械臂(406)抓取管柱部位螺栓连接两块电永磁吸盘(407)，通过电永磁开关控制管柱(7)的抓取和放下，电永磁吸盘(407)靠近猫道方向焊接有凸起的挡板，起定位作用，保证管柱(7)准确落入承座，还能防止机械臂(406)在运动过程中，管柱(7)掉落发生安全事故，机械臂(406)手臂旁有设计电线槽以及控制槽。

如图5所述动力猫道机构(3)由升降台(301)、液压杆(302)、动力猫道框架(303)、承座滑轨(304)和升降装置(305)组成；动力猫道框架(303)前端有通孔，猫道底座(5)的圆杆穿过通孔，形成旋转配合，动力猫道框架(303)用于承载升降台(301)、承座滑轨(304)、升降装置(305)和管柱(7)，其内部中空，用于节省材料和可以放置升降装置(305)所需的电线；所述液压杆(302)一头固定在猫道底座(5)旋转连接，另一头与动力猫道框架(303)固定，依靠电力控制使动力猫道框架(303)完成0°到90°立起运动；所述承座滑轨(304)与升降台(301)焊接固定，承座滑轨(304)滑动配合在动力猫道框架(303)中间凸出轨道上，承座形状上表面为U型，表面有电永磁吸盘，起到吸紧管柱(7)防止立起上升或下躺下降运动时掉落的作用；所述升降装置(305)与升降台(301)底部焊接固定，升降装置(305)卡槽还与动力猫道框架(303)两侧凸出轨道滑动配合，升降装置(305)依靠电力驱动带动升降台完成升降运动。

如图3、图6所示为本发明的一种带压作业管柱的自动抓取与传输装置下管时的工作过程，包括以下详细步骤：

1)机械臂躯体(405)处于设置最低点，机械臂(406)液压杆伸长，完成前伸运动，使电永磁吸盘(407)到开放管仓(2)的管柱(7)下方，且管柱(7)与电永磁吸盘(407)的挡板接触，挡板起到管柱(7)定位和防掉落作用；

2)机械臂躯体(405)在链传动装置(403)驱动下开始上升，依靠电永磁吸盘(407)工作抓取管柱(7)，管柱(7)开始上升；

3)当管柱(7)上升至超过开放管仓(2)挡边，在机械臂躯体(405)继续上升的同时，机械臂(406)在翻转电机(404)的驱动下，开始翻转，并且前伸过的机械臂(406)，其液压杆开始收缩，电永磁吸盘(407)的挡板防止管柱(7)上升旋转运动过程中掉落；

4)当机械臂(406)完成180°翻转并完全收缩，管柱(7)正好处于动力猫道机构(3)的承座滑轨(304)上，电永磁吸盘(407)停止工作释放管柱(7)；

5)机械臂(406)翻转回0°，机械臂躯体(405)下降，液压挡板(6)收缩将承座滑轨(304)上的管柱(7)抵拢升降台(301)，抵拢行程很小，不影响起管的时候管柱(7)抓取；

6)动力猫道框架(303)在液压杆(302)作用下开始立起，同时升降装置(305)带动升降台(301)和承座滑轨(304)沿猫道方向上升，承座滑轨(304)承座的电永磁表面工作，起固定管柱(7)作用，当动力猫道框架(303)立起达到90°时，管柱(7)上升至二层台高度，管柱抓取机构(4)回到初始位置，等待下一次抓取；

如图4、图7所示为本发明的一种带压作业管柱的自动抓取与传输装置起管时的工作过程，包括以下详细步骤：

(1)动力猫道框架(303)呈90°竖立，二层台将管柱(7)运送到升降台(301)上，管身被工作的承座滑轨(304)里承座的电永磁表面磁吸固定；

(2)动力猫道框架(303)在液压杆(302)作用下开始下躺，同时升降装置(305)带动升降台(301)和承座滑轨(304)沿猫道方向下降，当动力猫道框架(303)呈0°平躺时，升降装置(305)承载着管柱(7)到达底部，机械臂(406)呈收缩状态在最高点等候；

(3)机械臂(406)翻转到180°，电永磁吸盘(407)开始工作，抓取管柱(7)后反方向翻转和机械臂前伸，同时机械臂躯体(405)通过链传动装置(403)驱动下降，电永磁吸盘(407)上的挡板防止管柱(7)掉落；

(4)当机械臂(406)翻转回到0°，管柱(7)刚好通过开放管仓(2)挡边，机械臂躯体(405)继续降到最低点，电永磁吸盘(407)停止工作，管柱(7)放入开放管仓(2)；

(5)机械臂(406)收缩，机械臂躯体(405)上升到顶点，等待下一次抓取；

应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的前提下，还将可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。凡熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，当可利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明的实质技术对上述实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变，均仍属于本发明的技术方案的范围内。

Claims (6)

1.一种带压作业管柱的自动抓取与传输装置，其特征在于：包括配电箱(1)、开放管仓(2)、动力猫道机构(3)、管柱抓取机构(4)、猫道底座(5)、液压挡板(6)、管柱(7)；所述配电箱(1)固定在猫道底座(5)上，设置在动力猫道机构(3)前端两边；所述动力猫道机构(3)由升降台(301)、液压杆(302)、动力猫道框架(303)、承座滑轨(304)和升降装置(305)组成，完成管柱(7)传输运动；所述动力猫道框架(303)有通孔，猫道底座(5)的圆杆穿过通孔，形成旋转配合；所述升降装置(305)与升降台(301)焊接固定，升降装置(305)完成升降台(301)沿猫道方向的升降运动；所述液压杆(302)一头固定在猫道底座(5)旋转连接，另一头与动力猫道框架(303)固定，完成动力猫道机构(3)的立起与下躺运动；所述液压挡板(6)设置在猫道底座(5)尾部，通过液压杆连接；所述管柱抓取机构(4)设置在猫道底座(5)左侧中间位置，包括框架(401)、导柱(402)、链传动装置(403)、翻转电机(404)、机械臂躯体(405)、机械臂(406)、电永磁吸盘(407)，用于完成管柱(7)的抓取运动；所述导柱(402)穿过机械臂躯体(405)的通孔；所述链传动装置(403)的链条与机械臂躯体(405)固定，完成机械臂躯体(405)的升降运动；所述机械臂躯体(405)与翻转电机(404)、机械臂(406)固定连接；所述翻转电机(404)完成机械臂(406)的翻转运动；所述开放管仓(2)、管柱抓取机构(4)、猫道底座(5)按照从左到右顺序设置，配电箱(1)、动力猫道机构(3)和液压挡板(6)与猫道底座(5)连接，同在右侧。

2.根据权利要求1所述的一种带压作业管柱的自动抓取与传输装置，所述动力猫道机构(3)由升降台(301)、液压杆(302)、动力猫道框架(303)、承座滑轨(304)和升降装置(305)组成；所述承座滑轨(304)与升降台(301)焊接固定，承座滑轨(304)与动力猫道框架(303)中间凸出轨道滑动配合，承座形状上表面为U型，表面为电永磁表面；所述升降装置(305)与升降台(301)底部焊接固定，升降台(301)与动力猫道框架(303)的凸出轨道滑动配合，升降装置(305)卡槽还与动力猫道框架(303)两侧凸出轨道滑动配合，升降装置(305)完成升降台(301)沿猫道方向的升降运动。

3.根据权利要求1所述的一种带压作业管柱的自动抓取与传输装置，所述管柱抓取机构(4)包括框架(401)、导柱(402)、链传动装置(403)、翻转电机(404)、机械臂躯体(405)、机械臂(406)、电永磁吸盘(407)；所述框架(401)顶部前后有圆角，其底部面向猫道方向左右两侧固定着导柱(402)，中间固定着链传动装置(403)；所述的导柱(402)与机械臂躯体(405)左右两通孔配合，导柱(402)穿过机械臂躯体(405)通孔并延伸到框架(401)顶端；所述机械臂躯体(405)凹处是链传动装置(403)通过的位置，机械臂躯体(405)和链条固定连接。

4.根据权利要求3所述的一种带压作业管柱的自动抓取与传输装置，所述机械臂躯体(405)后顶部与翻转电机(404)通过螺栓连接固定；所述机械臂(406)圆孔与翻转电机(404)两端圆杆固定配合，机械臂(406)抓取管柱部位与后端之间由液压杆连接，且机械臂(406)抓取管柱部位固定连接两块电永磁吸盘(407)，电永磁吸盘(407)靠近猫道方向焊接有挡板。

5.一种带压作业管柱的自动抓取与传输装置运动特征在于：下管柱(7)时，管柱抓取机构(4)处于初始位置，机械臂(406)前伸，带有挡板的电永磁吸盘(407)前伸到管柱(7)下方，且管柱(7)与挡板接触，通过电永磁吸力抓取管柱(7)，在链传动装置(403)驱动下，承载着翻转电机(404)和机械臂(406)的机械臂躯体(405)开始上升运动，带动管柱(7)上升，当上升到管柱(7)能翻转通过开放管仓(2)挡边高度时，在翻转电机(404)的作用下，整个机械臂(406)开始翻转，同时前伸的机械臂(406)开始收缩，当机械臂(406)翻转至180°，管柱(7)正好处于动力猫道机构(3)的承座滑轨(304)U型槽上，电永磁吸盘(407)中断吸力，管柱(7)平稳传输到承座滑轨(304)U型面上，机械臂(406)回旋，液压挡板(6)收缩将管柱(7)抵拢到升降台(301)，液压杆(302)开始伸长旋转，与之连接的动力猫道框架(303)逐渐立起，在立起的同时，升降装置(305)开始带动升降台(301)、承座滑轨(304)和管柱(7)沿着动力猫道框架(303)凸出的轨道抬升，当动力猫道框架(303)立起至90°，管柱(7)上升到二层台,管柱抓取机构(4)回到初始位置，等待下一次抓取。

6.一种带压作业管柱的自动抓取与传输装置运动特征在于：起管柱(7)时，动力猫道框架(303)呈90°竖立，二层台将管柱(7)运送到升降台(301)上；动力猫道框架(303)在液压杆(302)作用下开始下躺，同时升降装置(305)带动升降台(301)和承座滑轨(304)沿猫道方向下降，当动力猫道框架(303)呈0°平躺时，升降装置(305)承载着管柱(7)到达底部，机械臂(406)呈收缩状态在最高点等候；机械臂(406)翻转到180°，电永磁吸盘(407)开始工作，抓取管柱(7)后反方向翻转，同时机械臂前伸；当机械臂(406)翻转回到0°，机械臂躯体(405)降到最低点，管柱(7)放入开放管仓(2)；机械臂(406)收缩，机械臂躯体(405)上升到顶点，等待下一次抓取。