本發(fā)明涉及石油機(jī)械，具體涉及一種直線(xiàn)行走式小型鐵鉆工，用于帶壓修井機(jī)利用機(jī)械手的智能起下管系統(tǒng)，使用智能PLC控制，實(shí)現(xiàn)井口無(wú)人作業(yè)。

背景技術(shù)：

現(xiàn)在石油行業(yè)的帶壓修井作業(yè)，大部分采用傳統(tǒng)的液壓提升機(jī)構(gòu)，配有桅桿式鋼絲繩升降系統(tǒng)，進(jìn)行起下油管的作業(yè)，全部由人工在井口現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行操作。就是近幾年生產(chǎn)的帶壓修井機(jī)，也只解決了起、下油管的提升、下降動(dòng)力和防止油井井噴等問(wèn)題，地面以上的作業(yè)還是由桅桿鋼絲繩提升，人工來(lái)進(jìn)行操作。井上作業(yè)經(jīng)常會(huì)產(chǎn)生殘液噴出污染井口的問(wèn)題，還可能產(chǎn)生井噴、爆炸事故。管柱接箍螺紋連接處經(jīng)常會(huì)由于泥沙栓塞、銹蝕等原因出現(xiàn)卡死現(xiàn)象，旋扣鉗無(wú)法旋扣，也需要人工沖扣，人工作業(yè)又臟又累、還存在安全隱患。石油系統(tǒng)急需要智能化程度更高的無(wú)人操作平臺(tái)，來(lái)實(shí)現(xiàn)井口操作的智能控制，以替代傳統(tǒng)的作業(yè)形式。由于起下管作業(yè)智能控制系統(tǒng)技術(shù)復(fù)雜、需要克服的關(guān)鍵技術(shù)較多，多少年來(lái)一直沒(méi)有得到解決。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是：提供一種直線(xiàn)行走式小型鐵鉆工，用于帶壓修井機(jī)智能起下管系統(tǒng)，使用智能控制實(shí)現(xiàn)井口無(wú)人化作業(yè)。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：直線(xiàn)行走式小型鐵鉆工，包括背鉗機(jī)構(gòu)和用于裝卸上方油管的旋扣鉗機(jī)構(gòu)，所述背鉗機(jī)構(gòu)和旋扣鉗機(jī)構(gòu)之間還設(shè)有沖扣機(jī)構(gòu)，背鉗機(jī)構(gòu)、旋扣鉗機(jī)構(gòu)和沖扣機(jī)構(gòu)按從下至上的順序固定在一個(gè)可水平方向前后移動(dòng)的滑臺(tái)上，沖扣機(jī)構(gòu)上設(shè)有可繞管柱轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)部，轉(zhuǎn)動(dòng)部設(shè)有用于嵌入油管的鉗口部、設(shè)于鉗口部?jī)蓚?cè)用于鉗住油管的沖扣鉗夾緊裝置和于鉗口部的兩側(cè)作用在轉(zhuǎn)動(dòng)部上的沖扣液壓缸，背鉗機(jī)構(gòu)鉗緊油管接箍，沖扣鉗夾緊裝置鉗緊接箍上方的油管并由沖扣液壓缸進(jìn)行沖擊，使沖扣機(jī)構(gòu)對(duì)鉗住的油管施加沖擊扭力，之后由旋扣鉗機(jī)構(gòu)對(duì)油管旋扣。

本發(fā)明的技術(shù)效果是：它具有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理、使用方便可靠、定位精度高及自動(dòng)化程度高的優(yōu)點(diǎn)，全部過(guò)程通過(guò)PLC控制進(jìn)行遠(yuǎn)程操作，實(shí)現(xiàn)井口工作臺(tái)無(wú)人作業(yè)。徹底改變了傳統(tǒng)的全部由人工作業(yè)的模式，使油田的修井作業(yè)，實(shí)現(xiàn)了井口無(wú)人操作的智能化作業(yè)，提高工作效率、降低勞動(dòng)強(qiáng)度和安全操作。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明智能帶壓修井機(jī)的俯視結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明鐵鉆工部分的俯視結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明油管提升裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明油管提升裝置的側(cè)視結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為本發(fā)明轉(zhuǎn)換機(jī)械手的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6為本發(fā)明鐵鉆工部分的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7為本發(fā)明沖扣鉗部分的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖8為本發(fā)明旋扣鉗部分的俯視結(jié)構(gòu)示意圖；

圖9為本發(fā)明滑臺(tái)豎軌部分的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖10為本發(fā)明鐵鉆工裝置背鉗機(jī)構(gòu)的剖視結(jié)構(gòu)示意圖；

圖11為本發(fā)明沖扣鉗鉗體部分的剖視結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

如圖1至11所示，本發(fā)明是一種帶壓修井機(jī)智能機(jī)械手起、下管系統(tǒng)，采用在配有固定導(dǎo)柱的大型升降液壓缸，在活塞桿頂部安裝能夠精確定位的水平方向旋轉(zhuǎn)180°、垂直方向旋轉(zhuǎn)90°的雙機(jī)械手機(jī)構(gòu)，并在機(jī)械手手臂處安裝用以感知機(jī)械手壓力的應(yīng)變片壓力傳感器、鐵鉆工系統(tǒng)、提升機(jī)機(jī)械手系統(tǒng)、在修井機(jī)上承載平臺(tái)400mm處安裝有用以檢測(cè)接箍的開(kāi)放式渦流測(cè)試裝置、自動(dòng)殘液收集機(jī)構(gòu)和帶壓修井機(jī)裝置安裝在一起，在PLC的控制下對(duì)油管的起、下井過(guò)程實(shí)現(xiàn)井口無(wú)人操作的智能作業(yè)。

帶壓修井機(jī)智能起下管系統(tǒng)：

修井機(jī)設(shè)有機(jī)架1、管柱提升裝置和鐵鉆工裝置2，鐵鉆工裝置2包括背鉗機(jī)構(gòu)3和旋扣鉗機(jī)構(gòu)4，它還包括用于檢測(cè)油管接箍位置的接箍檢測(cè)部件、用于收集卸下油管殘液的殘液收集裝置5、用于油管的橫豎管狀態(tài)轉(zhuǎn)換裝置6、設(shè)有抓握機(jī)械手7的油管升降裝置8、油管存放裝置9和控制各部件動(dòng)作的控制裝置，殘液收集裝置5由兩個(gè)可以卡緊在管柱上構(gòu)成一個(gè)圓筒形的半圓筒體10構(gòu)成，鐵鉆工裝置2固定在一個(gè)可水平方向前后移動(dòng)的滑臺(tái)11上，油管提起后由接箍檢測(cè)部件檢測(cè)到接箍，通過(guò)管柱提升裝置將接箍定位到鐵鉆工裝置2處由背鉗機(jī)構(gòu)3鉗緊接箍，旋扣鉗機(jī)構(gòu)4旋下油管，鐵鉆工裝置2移出，殘液收集裝置5由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)卡緊在拆下油管下方的管柱上收集油管中流出的殘液，由橫豎管狀態(tài)轉(zhuǎn)換裝置6將油管移出井柱位置，再由豎直轉(zhuǎn)為水平狀態(tài)，油管升降裝置8通過(guò)其抓握機(jī)械手7將水平狀態(tài)的油管送到地面。

所述背鉗機(jī)構(gòu)3和旋扣鉗機(jī)構(gòu)4之間還設(shè)有沖扣機(jī)構(gòu)12，背鉗機(jī)構(gòu)3、旋扣鉗機(jī)構(gòu)4和沖扣機(jī)構(gòu)12按從下至上的順序固定在一個(gè)可水平方向前后移動(dòng)的滑臺(tái)上，沖扣機(jī)構(gòu)12上設(shè)有用于嵌入油管的鉗口部13、設(shè)于鉗口部13兩側(cè)用于鉗住油管的沖扣鉗夾緊裝置14和于鉗口部13的兩側(cè)作用在沖扣機(jī)構(gòu)12上的沖扣液壓缸15，背鉗機(jī)構(gòu)3鉗緊油管接箍，沖扣鉗夾緊裝置14鉗緊接箍上方的油管并由沖扣液壓缸15進(jìn)行沖擊，使沖扣機(jī)構(gòu)12對(duì)鉗住的油管施加沖擊扭力，之后由旋扣鉗機(jī)構(gòu)4對(duì)油管旋扣。

鐵鉆工：

直線(xiàn)行走式小型鐵鉆工，包括背鉗機(jī)構(gòu)3和用于裝卸上方油管的旋扣鉗機(jī)構(gòu)4，所述背鉗機(jī)構(gòu)3和旋扣鉗機(jī)構(gòu)4之間還設(shè)有沖扣機(jī)構(gòu)12，背鉗機(jī)構(gòu)3、旋扣鉗機(jī)構(gòu)4和沖扣機(jī)構(gòu)12按從下至上的順序固定在一個(gè)可水平方向前后移動(dòng)的滑臺(tái)11上，沖扣機(jī)構(gòu)12上設(shè)有可繞管柱轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)部40，轉(zhuǎn)動(dòng)部40設(shè)有用于嵌入油管的鉗口部13、設(shè)于鉗口部13兩側(cè)采用液壓驅(qū)動(dòng)的用于鉗住油管的沖扣鉗夾緊裝置14和于鉗口部13的兩側(cè)作用在轉(zhuǎn)動(dòng)部40上的沖扣液壓缸15，背鉗機(jī)構(gòu)3鉗緊油管接箍，沖扣鉗夾緊裝置14鉗緊接箍上方的油管并由沖扣液壓缸15進(jìn)行沖擊，使沖扣機(jī)構(gòu)12對(duì)鉗住的油管施加沖擊扭力，之后由旋扣鉗機(jī)構(gòu)4對(duì)油管旋扣。

所述沖扣機(jī)構(gòu)12上設(shè)有圓弧形分布的齒牙16，通過(guò)齒牙16與角度傳感器連接，以獲得沖扣機(jī)構(gòu)12的轉(zhuǎn)角。

所述滑臺(tái)11設(shè)有豎軌17及升降液壓缸42，背鉗機(jī)構(gòu)3、旋扣鉗機(jī)構(gòu)4和沖扣機(jī)構(gòu)12固定在豎軌17上，由升降液壓缸42推動(dòng)可上下移動(dòng)。

所述沖扣機(jī)構(gòu)12的轉(zhuǎn)動(dòng)部40與背鉗機(jī)構(gòu)3之間設(shè)有相配合的由圓形的凸環(huán)和凹槽構(gòu)成的卡嵌部41，以使轉(zhuǎn)動(dòng)部40繞管柱轉(zhuǎn)動(dòng)。

所述旋扣鉗機(jī)構(gòu)4與沖扣機(jī)構(gòu)12間設(shè)有緩沖彈簧18。

所述旋扣鉗機(jī)構(gòu)4是通過(guò)液壓馬達(dá)19驅(qū)動(dòng)旋扣部件20進(jìn)行旋扣的。

開(kāi)放式接箍渦流測(cè)試機(jī)構(gòu)，是精確設(shè)定接箍位置的關(guān)鍵，是解決無(wú)人操作起、下油管的必須要解決的技術(shù)問(wèn)題。直線(xiàn)行走式小型鐵鉆工系統(tǒng)，鉗口的工作范圍為Φ60-145mm、旋扣器夾緊專(zhuān)用雙活塞桿油缸、背鉗機(jī)構(gòu)和沖扣鉗機(jī)構(gòu)之間的同心連接的卡嵌部，是在起管過(guò)程中，是保證油管扣全部能夠卸開(kāi)的關(guān)鍵、在下管過(guò)程中，是保證油管扣全部能夠上到標(biāo)準(zhǔn)扭矩的關(guān)鍵。沖扣機(jī)構(gòu)卸扣過(guò)程，在油管扣上銹或咬死時(shí)將扣沖開(kāi)；上扣過(guò)程，將各按箍處扣的扭矩上成一致，也就是說(shuō)上扣的程度是一樣的。

殘液收集裝置：

殘液收集裝置5，包括將殘液收集到與其連接的容器內(nèi)的殘液收集筒21，所述殘液收集筒21由兩個(gè)在邊角處相鉸接的可以卡緊在管柱上構(gòu)成一個(gè)緊密連接的整圓筒形的半圓筒體10構(gòu)成，其中一個(gè)半圓筒體10固定在一“L”形支臂22的端部上，支臂22的另一端通過(guò)兩個(gè)連桿23與機(jī)架1呈四邊形結(jié)構(gòu)連接，支臂22可由驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)將其端部的半圓筒體10靠近管柱，另一個(gè)半圓筒體10通過(guò)兩個(gè)連桿23首尾依次相鉸接在支臂22上，半圓筒體10鉸接在外側(cè)連桿23的自由端，內(nèi)側(cè)連桿23與一液壓缸24連接，通過(guò)該液壓缸24驅(qū)動(dòng)可以將兩個(gè)半圓筒體10圍繞管柱合抱成一體。

殘液收集筒21的內(nèi)壁設(shè)有用于扶正油管的扶正部。

自動(dòng)殘液收集裝置在起油管時(shí)，收集筒底部與接箍結(jié)合的同時(shí)，其內(nèi)壁的扶正部也抵靠在接箍上方的油管上，起到進(jìn)一步扶正油管與接箍對(duì)位的作用用；在下油管時(shí)，在油管進(jìn)入接箍口之前起扶正作用，確保正確對(duì)扣。

旋扣鉗機(jī)構(gòu)：

旋扣鉗機(jī)構(gòu)4，包括可豎向移動(dòng)的旋扣鉗本體，旋扣鉗本體設(shè)有與驅(qū)動(dòng)裝置連接用于卸扣的滾輪25，其特征在于，所述滾輪25為兩對(duì)，分別固定兩個(gè)滾輪架26上，兩個(gè)滾輪架26可相向運(yùn)動(dòng)地固定在導(dǎo)軌27上，滾輪架26與一可轉(zhuǎn)動(dòng)地固定在一軸上的連桿23的一端鉸接，該連桿23的另一端與液壓缸24缸桿鉸接，通過(guò)液壓缸24可以驅(qū)動(dòng)兩對(duì)滾輪25夾緊油管，通過(guò)驅(qū)動(dòng)滾輪25轉(zhuǎn)動(dòng)可以進(jìn)行旋扣動(dòng)作。導(dǎo)軌27起限位作用，使兩對(duì)滾輪25，只能在直線(xiàn)上運(yùn)動(dòng)，確保對(duì)位精確。旋扣鉗機(jī)構(gòu)4是通過(guò)液壓馬達(dá)19驅(qū)動(dòng)滾輪25同向轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)油管進(jìn)行旋扣的。

橫豎管狀態(tài)轉(zhuǎn)換裝置：

橫豎管狀態(tài)轉(zhuǎn)換裝置6，包括兩個(gè)轉(zhuǎn)換機(jī)械手28和兩個(gè)角度驅(qū)動(dòng)裝置29，兩個(gè)轉(zhuǎn)換機(jī)械手28分隔一段距離固定在一梁架30上，該梁架30固定在一角度驅(qū)動(dòng)裝置29的輸出端以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換機(jī)械手28抓取的油管在豎平面上的轉(zhuǎn)動(dòng)，該角度驅(qū)動(dòng)裝置29固定在另一角度驅(qū)動(dòng)裝置29的輸出端以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換機(jī)械手28抓取的油管在水平面上的轉(zhuǎn)動(dòng)。

角度驅(qū)動(dòng)裝置29采用液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的回轉(zhuǎn)減速器制成，并采用機(jī)械定位轉(zhuǎn)角。實(shí)現(xiàn)水平面上轉(zhuǎn)動(dòng)的角度驅(qū)動(dòng)裝置29由液壓缸驅(qū)動(dòng)，可以上下移動(dòng)，以使機(jī)械手抓取的油管能夠產(chǎn)生豎向的位移。

油管提升裝置：

剪叉式油管提升機(jī)，包括剪叉式提升裝置，所述剪叉式提升裝置由剪叉機(jī)構(gòu)31、設(shè)有豎向滑道32的支架和驅(qū)動(dòng)剪叉機(jī)構(gòu)31使其頂部的升降臺(tái)33沿豎向滑道32升降的升降機(jī)液壓缸34構(gòu)成，剪叉機(jī)構(gòu)31頂部的升降臺(tái)33兩側(cè)設(shè)有油管抓取裝置，油管抓取裝置由轉(zhuǎn)換機(jī)械手28和驅(qū)動(dòng)其動(dòng)作的抓取液壓缸35構(gòu)成，通過(guò)油管抓取裝置抓取油管并由剪叉式提升裝置完成油管的升降過(guò)程。

所述轉(zhuǎn)換機(jī)械手28由固定在所述抓取液壓缸35缸桿兩側(cè)的鉸接座36、一端與鉸接座36鉸接的連桿23和與連桿23另一端鉸接的卡爪37構(gòu)成，卡爪37于前段的內(nèi)側(cè)設(shè)有用于卡緊油管的卡緊部38，卡爪37于中段與連桿23鉸接，卡爪37于后端與抓取液壓缸35缸桿鉸接，通過(guò)缸桿伸縮可以控制轉(zhuǎn)換機(jī)械手28開(kāi)合。該結(jié)構(gòu)可以使轉(zhuǎn)換機(jī)械手角度張開(kāi)的最大化，便于油管的抓取和松脫，也可以適應(yīng)不同粗細(xì)的管徑。

所述剪叉機(jī)構(gòu)31與所述豎向滑道32于接觸部位設(shè)有導(dǎo)向輪39。

剪叉式單側(cè)提升機(jī)機(jī)械手系統(tǒng)采用剪叉式單側(cè)提升機(jī)構(gòu)，頂部配有兩個(gè)機(jī)械手抓起油管；起管時(shí)，將油管從橫豎管狀態(tài)轉(zhuǎn)換裝置主機(jī)械手手爪中接過(guò)。送到油管架上、下管時(shí)，從油管架上將油管抓住，上升交給主機(jī)械手，放到井口內(nèi)。

油管存放裝置：

用于在地面上存放油管，送管器托板為設(shè)有一個(gè)存放平面的架體結(jié)構(gòu)，油管平行放在油管存放裝置上，通過(guò)驅(qū)動(dòng)裝置可以驅(qū)動(dòng)存放平面向一邊傾斜，從而可以使排列在其上的油管向一邊滾動(dòng)，起管存放時(shí)向外側(cè)滾動(dòng)，下管時(shí)向內(nèi)側(cè)滾動(dòng)則方便機(jī)械手抓取。

本發(fā)明鉗口的工作范圍為Φ60-145mm，整個(gè)系統(tǒng)可通過(guò)車(chē)載作業(yè)，可以適用于油管管徑Φ60-145mm的范圍進(jìn)行修井作業(yè)。

起管過(guò)程，操作工首先操作帶壓修井機(jī)，將油管從井口提起。這時(shí)橫豎管狀態(tài)轉(zhuǎn)換裝置的機(jī)械手可以起到扶正油管的作用。當(dāng)接箍到達(dá)接箍渦流測(cè)量裝置時(shí)，由PLC控制，使接箍頂部停在帶壓修井機(jī)提升系統(tǒng)上承載平臺(tái)400mm處，這時(shí)進(jìn)入全自動(dòng)過(guò)程。鐵鉆工前行，鉗口中心和油管中心重合，背鉗夾緊接箍，沖扣鉗夾緊油管，開(kāi)始沖扣。檢測(cè)到油管扣松開(kāi)后停止動(dòng)作，松開(kāi)沖扣鉗，旋扣鉗夾緊油管開(kāi)始卸扣。當(dāng)油管扣全部卸開(kāi)后，鐵鉆工退回原位，殘液收集系統(tǒng)前行夾緊接箍，橫豎管狀態(tài)轉(zhuǎn)換裝置上升100mm放液。殘液放完后，殘液收集系統(tǒng)退回原位。橫豎管狀態(tài)轉(zhuǎn)換裝置水平方向旋轉(zhuǎn)先180°將管移出，再豎向旋轉(zhuǎn)90°將管平放交給剪叉式提升機(jī)將管下放到送管器托板上，送管器將油管下放到油管架上。反之，則完成下管過(guò)程，沖扣鉗可以按照壓力傳感器的指示將油管旋緊。