專利名稱：油井鉆桿矯直的激光跟蹤自動定位裝置及其定位方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種石油鉆探技術(shù)領(lǐng)域的定位裝置及定位方法，具體是一種油井
鉆桿矯直的激光跟蹤自動定位裝置及其定位方法。
背景技術(shù)：
隨著我國經(jīng)濟持續(xù)快速的增長，石油資源在國民經(jīng)濟中所處的戰(zhàn)略地位日漸突 現(xiàn)。除了積極從國際原油市場上籌措石油資源外，我國也加大了對國內(nèi)石油資源的開采和 勘探。石油工業(yè)專用的無縫鋼管抓油井管(包含有鉆柱構(gòu)件(鉆桿、鉆鋌等)和套管)是 石油工業(yè)的基礎(chǔ)物資。目前，鉆井鉆探深度已達(dá)10000米以上，這對鉆桿提出了更高的要 求，特別是直度的要求。直度偏差大的鉆桿，使得誤差隨油井深度不斷累計，直至巨大的離 心力致其折斷，將導(dǎo)致價值數(shù)千萬元、乃至上億元的油井報廢。根據(jù)《美國石油學(xué)會標(biāo)準(zhǔn)鉆 桿規(guī)范(APISPEC 5D)》，鉆桿的兩端加厚端(晃頭)、兩端矯直盲區(qū)、兩端1. 5m弦高等都必 需檢測和矯直。 石油鉆井鉆桿的特點是鉆桿長8-13m，兩端鐓粗后直徑比管體增大20-30mm，兩端 鐓粗長度約150mm，正是由于兩端鐓粗加厚后，先進(jìn)的全自動斜輥矯直機也不得不避開這一 段加厚部分只對鉆桿中間管體部分進(jìn)行矯直，這就造成在鉆桿兩端存在一段約500mm長的
矯直盲區(qū)。 針對鉆桿兩端的矯直盲區(qū)，美國石油協(xié)會API標(biāo)準(zhǔn)中，專門制訂了質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)即， 加厚端相對于管體中間直線段的跳動量《2mm，矯直盲區(qū)段相對于管體中間直線段的彎曲 度《1.2mm。這些要求對于通過熱加工出來的非等直徑、高強度的鉆桿來說，如果不經(jīng)過后 續(xù)的矯直處理是不可能達(dá)到的。目前，在鋼鐵行業(yè)內(nèi)，對這一段矯直盲區(qū)的檢測矯直幾乎都 依賴人工操作簡易檢測裝置和壓力矯直機來完成。 鉆桿經(jīng)人工操作矯直和人工檢測完畢后，操作鉆桿進(jìn)入壓力矯直系統(tǒng)中，由于鉆 桿兩端存在鐓粗部分，兩個V形支撐夾具只能支撐鉆桿等直徑的管體部分，然后操作壓力 矯直機壓頭對鉆桿進(jìn)行矯直。由于鉆桿兩端未經(jīng)自動矯直機矯直的矯直盲區(qū)部分的長度大 約只有500mm長，鉆桿真正的彎曲點一般離鉆桿端面約250mm處。鉆桿鐓粗部分長約150mm， 每個V形支撐夾具的寬度約100mm長，壓力矯直機壓頭的寬度約120mm長，如果兩個V形夾 具支撐在鉆桿的等直徑的管體上，壓力矯直機壓頭作用在兩個V形夾具的中間，于是壓力 矯直機壓頭作用點離開鉆桿端面就大大于250mm，這樣就不能使壓力矯直機壓頭真正作用 在鉆桿的彎曲點上進(jìn)行矯直。正是由于此緣故，目前一些操作人員只好把鉆桿直的部分適 當(dāng)矯彎，使鉆桿變成S形狀。這樣做的結(jié)果，雖然從檢測角度看，鐓粗部分相對于管體直線 段部分的跳動量也許達(dá)到了要求，實際上鉆桿還是呈彎曲狀態(tài)。 為了提高矯直質(zhì)量，工程人員對夾具作了改進(jìn)，針對不同的鉆桿設(shè)計了階梯狀的 支撐夾具，這種階梯夾具大大改善的矯直效果，真正達(dá)到了矯直盲區(qū)矯直的目的。但是，在 批量化、快節(jié)拍生產(chǎn)情況下，操作人員依靠手工來操作傳動輸送系統(tǒng)、依賴目測來把鉆桿的 端部送到階梯夾具中就非常困難，操作速度非常慢，影響了生產(chǎn)效率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種油井鉆桿矯直的激光跟蹤自動 定位裝置及其定位方法，能實現(xiàn)鉆桿軸向移動的準(zhǔn)確定位，還可以進(jìn)一步改進(jìn)夾具的支撐 結(jié)構(gòu)，即階梯夾具的開檔可以根據(jù)不同的管徑和鋼級自動調(diào)節(jié)，提高矯直質(zhì)量，提高矯直效 率、降低勞動強度。 本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的 本發(fā)明涉及油井鉆桿矯直的激光跟蹤自動定位裝置，包括第一階梯夾具、第一激 光位移傳感器、第二階梯夾具、第二激光位移傳感器、步進(jìn)電機、絲桿和編碼器，其中第一 激光位移傳感器固定安裝在第一階梯夾具上且激光束正對于階梯夾具的階梯內(nèi)邊緣，第一 階梯夾具轉(zhuǎn)動設(shè)置于絲桿的左側(cè)，第二激光位移傳感器固定安裝在第二階梯夾具上且激光 束正對于階梯夾具的階梯內(nèi)邊緣，第二階梯夾具轉(zhuǎn)動設(shè)置于絲桿的右側(cè)，絲桿的一端與步 進(jìn)電機的輸出軸相連接，編碼器固定設(shè)置于步進(jìn)電機的末端，絲桿與待測鉆桿相平行，階梯 夾具正對于待測鉆桿。 所述的第一階梯夾具和第二階梯夾具的下端為階梯型結(jié)構(gòu)，階梯型結(jié)構(gòu)的階梯深 度為待測鉆桿首尾兩端加厚端的厚度。 所述的絲桿左右兩端分別設(shè)計為左旋和右旋螺紋結(jié)構(gòu)，該絲杠左端螺紋旋向與第 一階梯夾具的螺紋旋轉(zhuǎn)方向相同，絲杠右端螺紋旋向與第二階梯夾具的螺紋旋轉(zhuǎn)方向相 同，當(dāng)步進(jìn)電機旋轉(zhuǎn)時，第一和第二階梯夾具同時向內(nèi)或向外移動。 所述的步進(jìn)電機為雙輸出軸步進(jìn)電機，其前端輸出軸與絲桿固定連接，后端輸出 軸與編碼器連接，該步進(jìn)電機固定安裝在矯直機頂部，由控制系統(tǒng)控制其正傳或反轉(zhuǎn)，從而 控制第一移動夾具和第二移動夾具的開檔距離； 所述的編碼器的為旋轉(zhuǎn)編碼器，安裝在步進(jìn)電機的尾部，編碼器的輸出信號提供
給控制系統(tǒng)用于檢測第一階梯夾具和第二階梯夾具左右移動的開檔距離。 本發(fā)明涉及上述油井鉆桿矯直的激光跟蹤自動定位裝置的定位方法，包括以下步
驟 第一步、控制系統(tǒng)通過傳動系統(tǒng)驅(qū)動鉆桿左端移動到檢測位置進(jìn)行檢測；
第二步、控制系統(tǒng)根據(jù)鉆桿鋼級和壁厚控制驅(qū)動步進(jìn)電機帶動絲桿旋轉(zhuǎn)，將第一 階梯夾具和第二階梯夾具同時向內(nèi)或同時向外移動，調(diào)整兩個階梯夾具之間的開檔距離到 要求位置； 第三步、控制系統(tǒng)通過傳動系統(tǒng)驅(qū)動鉆桿由左向右移動，在鉆桿移動過程中，在第
一階梯夾具上的激光位移傳感器的激光束作用在鉆桿外表面上，處于正常的檢測跟蹤狀
態(tài)，當(dāng)鉆桿左端加厚端端面移動到第一階梯夾具的階梯內(nèi)側(cè)邊緣時，鉆桿左端端面離開了
激光位移傳感器光束的檢測范圍，即表示鉆桿左端加厚端端面已進(jìn)入了第一階梯夾具的階
梯位置，達(dá)到了預(yù)定的矯直夾緊定位位置，從而為鉆桿左端的矯直做好了準(zhǔn)備； 第四步、對定位好的鉆桿左端進(jìn)行矯直，矯直完畢后，向左移動，使鉆桿的右端移
動到檢測位置進(jìn)行檢測； 第五步、控制系統(tǒng)通過傳動系統(tǒng)驅(qū)動鉆桿由右向左右移動，在鉆桿移動過程中，在 第二階梯夾具上的激光位移傳感器的激光束作用在鉆桿外表面上，處于正常的檢測跟蹤狀
4態(tài)，當(dāng)鉆桿右端加厚端端面移動到第二階梯的階梯內(nèi)側(cè)邊緣時，鉆桿右端端面離開了激光
位移傳感器光束的檢測范圍，即表示鉆桿右端加厚端端面已進(jìn)入了第二階梯夾具的階梯位
置，達(dá)到了預(yù)定的矯直夾緊定位位置，從而為鉆桿右端的矯直做好了準(zhǔn)備。 本發(fā)明實現(xiàn)了鉆桿兩端加厚端進(jìn)入階梯夾具缺口內(nèi)的精確定位，從而為進(jìn)一步實
現(xiàn)鉆桿兩端矯直盲區(qū)的自動化矯直做好了準(zhǔn)備。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下特點及
效果實現(xiàn)了鉆桿兩端矯直盲區(qū)矯直過程的快速、準(zhǔn)確定位；方法簡單、可靠；可以自動調(diào)
整階梯夾具的開檔距離，達(dá)到最佳的矯直效果；為連接檢測、矯直整個自動化過程起到了十
分重要的作用。


圖1為本發(fā)明初始狀態(tài)示意圖；
圖2為本發(fā)明工作狀態(tài)示意圖。
具體實施例方式
下面對本發(fā)明的實施例作詳細(xì)說明，本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行 實施，給出了詳細(xì)的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施 例。 如圖1、2所示，本實施例包括第一階梯夾具5、第一激光位移傳感器3、第二階梯 夾具6、第二激光位移傳感器4、步進(jìn)電機7、絲桿8和編碼器9，其中第一激光位移傳感器 3固定安裝在第一階梯夾具5上，且激光束正對于階梯夾具的階梯內(nèi)邊緣，第一階梯夾具5 轉(zhuǎn)動設(shè)置于絲桿8的左側(cè)。第二激光位移傳感器4固定安裝在第二階梯夾具6上，且激光 束正對于階梯夾具的階梯內(nèi)邊緣，第二階梯夾具6轉(zhuǎn)動設(shè)置于絲桿8的右側(cè)。絲桿8的一 端與步進(jìn)電機7的輸出軸相連接，編碼器9固定設(shè)置于步進(jìn)電機7的末端，絲桿8與待測鉆 桿1相平行，第一階梯夾具5、第二階梯夾具6的下端正對于待測鉆桿1。
所述的第一階梯夾具和第二階梯夾具的下端為階梯型結(jié)構(gòu)，階梯型結(jié)構(gòu)的階梯深 度為待測鉆桿1首尾兩端加厚端的厚度。 所述激光位移傳感器3和激光位移傳感器4的激光束分別正對于第一階梯夾具和 第二階梯夾具的階梯內(nèi)邊緣，以檢測當(dāng)鉆桿1加厚端的端面進(jìn)入第一階梯夾具或第二階梯 夾具時的定位位置。 所述的絲桿8左右兩端分別設(shè)計為左旋和右旋螺紋結(jié)構(gòu)，該絲杠8左端螺紋旋向 與第一階梯夾具5的螺紋旋轉(zhuǎn)方向相同，絲杠8右端螺紋旋向與第二階梯夾具6的螺紋旋 轉(zhuǎn)方向相同，當(dāng)步進(jìn)電機7旋轉(zhuǎn)時，第一階梯夾具5和第二階梯夾具6同時向內(nèi)或向外移 動。 所述的步進(jìn)電機7為雙輸出軸步進(jìn)電機，其前端輸出軸與絲桿8固定連接，后端輸 出軸與編碼器9連接，該步進(jìn)電機固定安裝在矯直機頂部，由控制系統(tǒng)控制其正傳或反轉(zhuǎn)， 從而控制第一階梯夾具5和第二階梯夾具6的開檔距離； 所述的編碼器9的為旋轉(zhuǎn)編碼器，安裝在步進(jìn)電機7的尾部，編碼器9的輸出信號 提供給控制系統(tǒng)用于檢測第一階梯夾具5和第二階梯夾具6左右移動的開檔距離。
如圖1所示，本實施例通過以下方式進(jìn)行工作定位
第一步、控制系統(tǒng)通過傳動系統(tǒng)驅(qū)動鉆桿1左端移動到檢測位置進(jìn)行檢測；
第二步、控制系統(tǒng)根據(jù)鉆桿1鋼級和壁厚控制驅(qū)動步進(jìn)電機7帶動絲桿8旋轉(zhuǎn)，將 第一階梯夾具5和第二階梯夾具6同時向內(nèi)或同時向外移動，調(diào)整兩個階梯夾具之間的開 檔距離到要求位置； 第三步、控制系統(tǒng)通過傳動系統(tǒng)驅(qū)動鉆桿1由左向右移動，在鉆桿移動過程中，在 第一階梯夾具5上的激光位移傳感器3的激光束作用在鉆桿1外表面上，處于正常的檢測 跟蹤狀態(tài)，當(dāng)鉆桿1左端加厚端端面移動到第一階梯夾具5的階梯內(nèi)側(cè)邊緣時，鉆桿1左端 端面離開了激光位移傳感器3光束的檢測范圍，即表示鉆桿1左端加厚端端面已進(jìn)入了第 一階梯夾具5的階梯位置，達(dá)到了預(yù)定的矯直夾緊定位位置，從而為鉆桿1左端的矯直做好 了準(zhǔn)備； 第四步、對定位好的鉆桿1左端進(jìn)行矯直，矯直完畢后，向左移動，使鉆桿1的右端 移動到檢測位置進(jìn)行檢測； 第五步、控制系統(tǒng)通過傳動系統(tǒng)驅(qū)動鉆桿1由右向左移動，在鉆桿移動過程中，在 第二階梯夾具6上的激光位移傳感器4的激光束作用在鉆桿1外表面上，處于正常的檢測 跟蹤狀態(tài)，當(dāng)鉆桿1右端加厚端端面移動到第二階梯6的階梯內(nèi)側(cè)邊緣時，鉆桿1右端端面 離開了激光位移傳感器4激光束的檢測范圍，即表示鉆桿1右端加厚端端面已進(jìn)入了第二 階梯夾具6的階梯位置，達(dá)到了預(yù)定的矯直夾緊定位位置，從而為鉆桿1右端的矯直做好了 準(zhǔn)備。 上述方法，實現(xiàn)了鉆桿1兩端加厚端進(jìn)入階梯夾具內(nèi)的精確定位，從而為進(jìn)一步 實現(xiàn)鉆桿1兩端矯直盲區(qū)的自動化矯直做好了準(zhǔn)備。
權(quán)利要求
一種油井鉆桿矯直的激光跟蹤自動定位裝置，其特征在于，包括第一階梯夾具、第一激光位移傳感器、第二階梯夾具、第二激光位移傳感器、步進(jìn)電機、絲桿和編碼器，其中第一激光位移傳感器固定安裝在第一階梯夾具上且激光束正對于階梯夾具的階梯內(nèi)邊緣，第一階梯夾具轉(zhuǎn)動設(shè)置于絲桿的左側(cè)，第二激光位移傳感器固定安裝在第二階梯夾具上且激光束正對于階梯夾具的階梯內(nèi)邊緣，第二階梯夾具轉(zhuǎn)動設(shè)置于絲桿的右側(cè)，絲桿的一端與步進(jìn)電機的輸出軸相連接，編碼器固定設(shè)置于步進(jìn)電機的末端，絲桿與待測鉆桿相平行，階梯夾具正對于待測鉆桿。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的油井鉆桿矯直的激光跟蹤自動定位裝置，其特征是，所述的 第一階梯夾具和第二階梯夾具的下端為階梯型結(jié)構(gòu)，階梯型結(jié)構(gòu)的階梯深度為待測鉆桿首 尾兩端加厚端的厚度。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的油井鉆桿矯直的激光跟蹤自動定位裝置，其特征是，所述的 絲桿左右兩端分別為左旋和右旋螺紋結(jié)構(gòu)，該絲杠左端螺紋旋向與第一階梯夾具的螺紋旋 轉(zhuǎn)方向相同，絲杠右端螺紋旋向與第二階梯夾具的螺紋旋轉(zhuǎn)方向相同。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的油井鉆桿矯直的激光跟蹤自動定位裝置，其特征是，所述的 步進(jìn)電機為雙輸出軸步進(jìn)電機，其前端輸出軸與絲桿固定連接，后端輸出軸與編碼器連接， 該步進(jìn)電機固定安裝在矯直機頂部。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的油井鉆桿矯直的激光跟蹤自動定位裝置，其特征是，所述的編碼器的為旋轉(zhuǎn)編碼器，編碼器的輸出信號提供給控制系統(tǒng)用于檢測第一階梯夾具和第二 階梯夾具左右移動的開檔距離。
6. —種根據(jù)權(quán)利要求1所述的油井鉆桿矯直的激光跟蹤自動定位裝置的定位方法，其特征在于，包括以下步驟第一步、控制系統(tǒng)通過傳動系統(tǒng)驅(qū)動鉆桿左端移動到檢測位置進(jìn)行檢測； 第二步、控制系統(tǒng)根據(jù)鉆桿鋼級和壁厚控制驅(qū)動步進(jìn)電機帶動絲桿旋轉(zhuǎn)，將第一階梯夾具和第二階梯夾具同時向內(nèi)或同時向外移動，調(diào)整兩個階梯夾具之間的開檔距離到要求位置；第三步、控制系統(tǒng)通過傳動系統(tǒng)驅(qū)動鉆桿由左向右移動，在鉆桿移動過程中，在第一 階梯夾具上的激光位移傳感器的激光束作用在鉆桿外表面上，處于正常的檢測跟蹤狀態(tài)， 當(dāng)鉆桿左端加厚端端面移動到第一階梯夾具的階梯內(nèi)側(cè)邊緣時，鉆桿左端端面離開了激光 位移傳感器光束的檢測范圍，即表示鉆桿左端加厚端端面已進(jìn)入了第一階梯夾具的階梯位 置，達(dá)到了預(yù)定的矯直夾緊定位位置，從而為鉆桿左端的矯直做好了準(zhǔn)備；第四步、對定位好的鉆桿左端進(jìn)行矯直，矯直完畢后，向左移動，使鉆桿的右端移動到 檢測位置進(jìn)行檢測；第五步、控制系統(tǒng)通過傳動系統(tǒng)驅(qū)動鉆桿由右向左右移動，在鉆桿移動過程中，在第二 階梯夾具上的激光位移傳感器的激光束作用在鉆桿外表面上，處于正常的檢測跟蹤狀態(tài)， 當(dāng)鉆桿右端加厚端端面移動到第二階梯的階梯內(nèi)側(cè)邊緣時，鉆桿右端端面離開了激光位移 傳感器光束的檢測范圍，即表示鉆桿右端加厚端端面已進(jìn)入了第二階梯夾具的階梯位置， 達(dá)到了預(yù)定的矯直夾緊定位位置，從而為鉆桿右端的矯直做好了準(zhǔn)備。
全文摘要
一種石油鉆井技術(shù)領(lǐng)域的油井鉆桿矯直的激光跟蹤自動定位裝置，包括兩個階梯夾具、兩個激光位移傳感器、步進(jìn)電機、絲桿和編碼器，其中兩個階梯夾具分別轉(zhuǎn)動設(shè)置于絲桿的兩側(cè)，下端為階梯結(jié)構(gòu)，下端正對于待測鉆桿，兩個激光位移傳感器分別固定安裝在兩個階梯夾具上，激光束激光束分別正對于階梯夾具的階梯內(nèi)邊緣。本發(fā)明能實現(xiàn)鉆桿軸向移動的準(zhǔn)確定位，還可以進(jìn)一步改進(jìn)夾具的支撐結(jié)構(gòu)，即階梯夾具的開檔可以根據(jù)不同的管徑和鋼級自動調(diào)節(jié)，提高矯直質(zhì)量，提高矯直效率、降低勞動強度。
文檔編號B21D43/00GK101716634SQ20091031097
公開日2010年6月2日 申請日期2009年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月7日
發(fā)明者時輪, 王海麗, 胡德金, 裴景玉, 許黎明 申請人:上海交通大學(xué)