一种井口无人操作的修井作业系统及工艺 |
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| 申请号 | CN201410013831.2 | 申请日 | 2014-01-13 | 公开(公告)号 | CN104405304A | 公开(公告)日 | 2015-03-11 |
| 申请人 | 中国石油化工股份有限公司; 中国石油化工股份有限公司胜利油田分公司采油工艺研究院; | 发明人 | 王民轩; 寇永强; 张雷; 宋辉辉; 付增; 闫文文; 张辉; 苏秋涵; 唐倩雯; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种井口无人操作的修井作业系统及工艺，其中系统包括智能大钩、智能吊卡、吊卡转运系统及吊卡安装系统，吊卡转运系统及吊卡安装系统位于井口中 心轴 线相同方向的一侧并且吊卡转运系统和吊卡安装系统组合安装在一个 框架 结构的井口作业平台上，所述智能吊卡设置有两个摘挂环，用于吊卡转运系统和吊卡安装系统转运吊卡，使其轮番更换于智能大钩和井口正上方的井口平台上，当其中一个智能吊卡轮换到井口正上方的井口平台进行悬吊油管时，由一侧的吊卡安装系统把此智能吊卡连接到智能大钩上。该发明实现了机械化作业，实现了吊卡转运、吊卡安装的无人化，极大减轻工人劳动强度；吊卡转运及吊卡安装由三维空间运动变为二维平面运动，简化运动路径，作业效率大幅提升。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种井口无人操作的修井作业系统，其特征在于，包括智能大钩、智能吊卡、吊卡转运系统及吊卡安装系统，吊卡转运系统及吊卡安装系统位于井口中心轴线相同方向的一侧并且吊卡转运系统和吊卡安装系统组合安装在一个框架结构的井口作业平台上，所述智能吊卡设置有两个摘挂环，用于吊卡转运系统和吊卡安装系统转运吊卡，使其轮番更换于智能大钩和井口正上方的井口平台上，当其中一个智能吊卡轮换到井口正上方的井口平台进行吊油管时由一侧的吊卡安装系统把此智能吊卡连接到智能大钩上。 |
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| 说明书全文 | 一种井口无人操作的修井作业系统及工艺技术领域[0001] 本发明涉及石油工业修井作业技术，具体地说是一种井口无人操作的修井作业系统及工艺。 背景技术[0002] 修井作业是油田生产过程的重要环节，多年来一直是劳动密集型产业， 目前，大多数油田使用传统的设备作业，一般需要5名以上工人协同作业，一名司钻操作通井机或修井机起下油管，二名工人在井口搬抬吊卡、摘挂吊环、推拉液压钳上卸油管扣，二名工人在井场上拖拉油管，负责井口与油管排之间油管的输送以及油管的排放。尤其是井口小修作业，其工作环节恶劣，工人劳动强度大，并且操作过程中还存在安全隐患。 [0003] 随着以人为本理念以及安全环保意识的增强，这种以长期以来依靠作业工人手动完成的作业模式亟待改变，专利200910180988.3替代井口人工操作的修井作业机械化系统及专利200810012728.0一种油田修井操作机等机械化修井方法采用一个井口固定吊卡和一个游动吊卡配合其他机构来实现机械化修井的，为了使固定吊卡与游动吊卡配合，固定吊卡必须为卡盘式来卡住油管本体，这样就有可能造成油管的损坏，严重时可以造成油管的落井事故，方法的适用性受到限制；专利201320137833.3机械化修井作业吊卡转运装置的机械化修井方法为采用机械的方法模拟人工操作，该方法在吊卡转运时占据井口中心轴线（起下油管的空间），影响了施工效率。 发明内容[0004] 本发明的目的在于提供一种井口无人操作的修井作业系统及工艺，实现井口操作无人化，降低工人的劳动强度，有效提高作业的安全可靠性，同时不影响修井的效率。 [0005] 为了达成上述目的，本发明采用了如下技术方案，一种井口无人操作的修井作业系统，包括智能大钩、智能吊卡、吊卡转运系统及吊卡安装系统，吊卡转运系统及吊卡安装系统位于井口中心轴线相同方向的一侧并且吊卡转运系统和吊卡安装系统组合安装在一个框架结构的井口作业平台上，所述智能吊卡设置有两个摘挂环，用于吊卡转运系统和吊卡安装系统转运智能吊卡，使其轮番更换于智能大钩和井口正上方的井口平台上，当其中一个智能吊卡轮换到井口正上方的井口平台进行悬吊油管时，由一侧的吊卡安装系统把此智能吊卡连接到智能大钩上。 [0006] 所述吊卡安装系统主要由液压马达、中心轴、凸轮、吊卡安装臂、U形吊环推送臂组成，液压马达安装在井口轴线一侧的井口平台面以下，且与井口轴线有一定距离，液压马达带动一根水平的中心轴转动，所述中心轴上分别装有凸轮、吊卡安装臂、U形吊环推送臂，三者置于中心轴不同的角度位置并且跟随中心轴旋转，各自实现将连接板顶起、将智能吊卡推至井口、将井口平台上的智能吊卡的U形吊环推送至智能大钩三个动作，所述连接板一端搭在凸轮上方，另一端铰接在井口正上方一侧的井口平台上。 [0007] 在井口轴线的另外一侧，安装有吊卡推送液压缸，吊卡推送液压缸能带动吊卡推送臂将吊卡推离井口。 [0008] 所述吊卡转运系统由转运液压马达、旋转心轴、转运臂、转运手、支撑架组成，转运液压马达的输出端连接旋转心轴，转运液压马达安装固定在支撑架上，旋转心轴通过轴承安装在支撑架上，支撑架安装固定在作业平台上 ，转运臂上端连接在旋转心轴上，下端内侧设置转运手，转运手本体通过铰接轴连接在转运臂下端内侧；转运手的铰接轴位于转运手本体重心以上，在重力作业下，转运手随转运臂旋转时，转运手的开口一直朝上；铰接轴、转运手本体合称转运手，当转运手进行转运吊卡时，转运手本体钩住智能吊卡的摘挂环。 [0009] 所述智能大钩包括钩体和自动锁闭机构，所述自动锁闭机构设置在钩体入口处的钩尖上，并且包括齿条、齿条伸缩驱动机构，所述自动锁闭机构通过销轴或螺栓连接与钩体上，所述齿条两侧还设置有保证齿条运动轨迹的导向装置；所述齿条伸缩驱动机构包括电机、蜗轮蜗杆，所述电机输出轴与蜗轮蜗杆连接，所述蜗轮与齿条啮合连接；所述电机的开关由继电器控制，所述继电器通过有线或无线方式连接至遥控器；所述齿条前端为锁块，所述钩体钩身上开设对应锁块的限位槽，该限位槽为矩形槽；所述钩体的钩尖内部开设有与齿条导向装置配合的齿条运动轨道，所述齿条沿齿条运动轨道前后直线运动。 [0010] 所述智能吊卡包括开设有吊口的吊卡本体、活门、活门驱动装置、U形吊环，摘挂环、挡块，所述活门设置在吊口处，为一开设有豁口的圆环，并且活门圆环外侧开设有外齿，所述活门外侧的吊卡本体内部设置有与活门外齿相啮合且带动活门旋转的驱动装置，所述驱动装置主要包括连接在一起的电机和蜗轮蜗杆减速器，所述蜗轮蜗杆减速器的输出轴端通过齿轮啮合在活门外齿上；所述智能吊卡为遥控吊卡，电机的开关由继电器控制，所述继电器通过有线或无线方式连接至遥控器，所述遥控吊卡内部还设置有为电机提供电力的电池；所述吊卡本体左右两侧设置吊卡吊耳，吊耳上套有U形吊环，所述U形吊环顶部为U形端部，底部为两个吊环环部，两个吊环环部套在吊卡本体两侧吊卡吊耳上；所述吊卡本体底部设置有底座，所述吊卡外侧的吊耳上还设置有挡块，防止U形吊环从吊卡吊耳上滑脱。所述U形吊环中间位置处设有摘挂环，用于智能吊卡的转运。U形吊环可绕吊卡两侧的吊卡吊耳转动，实现U形摘挂环与大钩之间的摘挂。 [0011] 为了达成上述另一目的，本发明采用了如下技术方案，一种井口无人操作的修井作业工艺，其步骤为：井口设备安装的步骤，吊卡转运系统及吊卡安装系统位于井口中心轴线相同方向的一侧，并且吊卡转运系统和吊卡安装系统组合安装在一个框架结构的井口作业平台上，用于取放不悬挂油管的空智能吊卡，以及将空智能吊卡安放至井口，使智能吊卡承受管柱重量； 起油管的步骤，智能大钩携带空智能吊卡下行，同时智能大钩自动锁闭装置打开，吊卡转运装置同时运行至井口轴线与空智能吊卡相交位置将该智能吊卡旋转式取走，智能大钩继续下行至井口，吊卡安装系统将悬挂油管的智能吊卡的U形吊环与智能大钩连接，智能大钩自动锁闭装置关闭，智能大钩上行起出油管，然后吊卡转运装置把空智能吊卡放置在吊卡安装系统上，当下根油管接箍提升至井口平台以上时，吊卡安装系统将智能吊卡安置在井口上方的井口平台上进行悬挂下一根油管，该智能吊卡关闭活门，牢固悬挂油管；卸完油管扣，智能大钩将单根油管转移至井场，智能大钩带动智能吊卡下行，重复上述步骤，即可实现起油管操作。 [0012] 下油管的步骤，智能大钩携带悬挂有单根油管的智能吊卡下行，使悬挂的单根油管与下部油管接箍连接，智能大钩上提，井口的智能吊卡活门打开，吊卡推送臂将井口的智能吊卡推离井口轴线后，吊卡推送臂复位，此时该智能吊卡位于凸轮上方的连接板上，吊卡转运装置把该空智能吊卡旋转式带走，与此同时，悬挂油管的智能大钩下降至井口，智能大钩的自动锁闭机构打开，吊卡安装装置使智能吊卡的U型吊环与智能大钩脱离，智能大钩上提，当吊卡转运装置带动空智能吊卡旋转至井口轴线与智能大钩相交位置时把智能吊卡挂在智能大钩上，智能大钩自动锁闭装置自动锁闭，该智能大钩带着智能吊卡去井场上吊下一根油管，悬挂油管时智能吊卡关闭活门，牢固悬挂油管。智能大钩上提，悬挂的单根油管与井口油管连接，这样，一根一根的即可实现下油管操作。 [0013] 所述转运手的圆周运动轨迹与井口轴线有两个交点，两个转运手之间的宽度能保证转运手运动到与井口轴线交点位置时，不碰撞井口轴线方向的油管；为了不碰撞作业平台，取放吊卡在圆周运动轨迹与井口轴线两个交点的上部交点处进行。 [0014] 起油管时，转运手在上部交点承接吊卡后，带动吊卡进行圆周旋转，将其转运至井口附近的吊卡安装装置上，等待悬挂下一根油管的接箍；下油管时，转运手将坐在吊卡安装装置上的吊卡逆转运至上部交点处等待大钩取走吊卡。 [0015] 相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：1、实现了机械化作业，既减轻了工人的劳动强度，又减少了安全隐患； 2、与现有普通修井机游动滑车配套使用，结构简单，投资少，操作方便； 3、实现了吊卡转运、吊卡安装无人化，极大减轻工人劳动强度； 4、吊卡转运及吊卡安装由三维空间运动变为二维平面运动，简化运动路径，作业效率大幅提升； 5、本发明结构简单，安装、拆卸方便，并可根据井场实际情况进行布置。 附图说明 [0016] 图1为一种井口无人操作的修井作业系统在进行起油管作业的初始状态结构示意图；图2为一种井口无人操作的修井作业系统在进行下油管作业的初始状态结构示意图； 图3为智能大钩结构示意图； 图4为智能吊卡结构示意图； 图5为吊卡驱动装置结构示意图； 图6为吊卡转运系统结构示意图； 图7为吊卡安装系统俯视图； 图8为吊卡安装系统主视图。 [0017] 图中：11.智能大钩，13.吊卡转运系统，14.吊卡安装系统，15.作业平台，16.油管；21.销轴孔，22.钩体，23.限位槽，24.锁块，25.蜗轮蜗杆，26.齿条，27.电机；31.U形吊环，32.摘挂环，33.吊卡本体，34.吊卡吊耳，35.挡块，36.活门，37.齿轮，38.蜗轮蜗杆减速器，39.电机；310.电池；41.转运液压马达，42.旋转心轴，43.转运臂，44.转运手，45.支撑架；51.安装液压马达，52.中心轴，53.凸轮，54.吊卡安装臂，55.U形吊环推送臂， 56.连接板，57.吊卡推送臂，58.吊卡推送液压缸。 具体实施方式[0018] 有关本发明的详细说明及技术内容，配合附图说明如下，然而附图仅提供参考与说明之用，并非用来对本发明加以限制。 [0019] 如图1-8所示，如图1所示，本发明包括智能大钩11、智能吊卡、吊卡转运系统13及吊卡安装系统14；智能大钩11通过钩体上部销轴孔21通过销轴与修井机游动滑车相连接，用来起下管柱；智能吊卡由两个相同的智能吊卡12（a）、12（b）组成，用来悬挂井内管柱；吊卡转运系统13及吊卡安装系统14位于井口中心轴线相同方向的一侧，用于取放不悬挂油管的空智能吊卡及将空智能吊卡安放至井口使智能吊卡承受管柱重量，吊卡转运系统13和吊卡安装系统14组合安装在一个框架结构的井口平台上，修井时与井口连接。 [0020] 所述智能大钩11，主要由销轴孔21、钩体22、锁块24、蜗轮蜗杆25和齿条26、电机27等组成。钩体22采用销轴通过销轴孔21连接在普通修井机的游动滑车上，电机27固定于智能大钩钩体22的端部，电机27开关通过自动化实现，电机27输出轴带动蜗轮蜗杆 25运动，蜗轮蜗杆25通过销轴或螺栓连接与智能大钩钩体22上，齿条26在智能大钩端部的轨道槽内运动，锁块24通过焊接等方式与齿条26连接，蜗轮蜗杆25带动齿条26驱动锁块24沿着大钩端部所开的轨道运动，当运动到钩体22上所开限位槽23内时，智能大钩锁块24处于关闭状态，当回位到最小位移时，智能大钩锁块24处于打开状态。 [0021] 所述智能吊卡，主要由U形吊环31、摘挂环32、吊卡本体33、挡块35、活门36、齿轮37、蜗轮蜗杆减速器38、电机39、电池310等组成。吊卡本体33与一套U形吊环31连为一体，U形吊环31随吊卡本体33一起转运。吊卡左右两端面有挡块32，防止U形吊环31从吊卡吊耳34上滑脱；U形吊环31中间位置处有摘挂环32，可实施智能吊卡的转运。吊卡本体33左右两侧设置吊卡吊耳34，U形吊环31可绕吊卡吊耳34转动，实现U形吊环31与智能大钩11之间的摘挂。活门36外侧开设有外齿，吊卡本体33内部设置有与活门36外齿相啮合且带动活门旋转的驱动装置，驱动装置主要包括连接在一起的电机39和蜗轮蜗杆减速器38，蜗轮蜗杆减速器38的输出轴端通过齿轮37啮合在活门36的外齿上，吊卡内部还设置有为电机39提供电力的电池310。井口无人操作的修井作业系统中包含两个完全相同的智能吊卡，用于交替悬挂油管。 [0022] 所述吊卡转运系统13，主要由转运液压马达41、旋转心轴42、转运臂43、转运手44、支撑架45组成，用于转运智能吊卡。该吊卡转运系统13位于井口轴线的一侧，井口作业平台面以上，两个转运臂43按井口轴线对称分布，转运臂43进行圆周旋转运动，带动转运手44勾住智能吊卡的摘挂环32，带动智能吊卡跟随转运臂43一同进行旋转圆周运动，从而实现吊卡转运。转运臂43的圆周运动轨迹与井口轴线有两个交点，两个转运臂43之间的宽度能保证转运臂43运动到与井口轴线交点位置时不碰撞井口轴线方向的油管。为了不碰撞井口作业平台，取放智能吊卡在圆周运动轨迹与井口轴线两个交点的上部交点处进行。 [0023] 所述吊卡安装系统14，主要由安装液压马达51、中心轴52、凸轮53、吊卡安装臂54、U形吊环推送臂55、连接板56、吊卡推送臂57及吊卡推送液压缸58组成。安装液压马达51在井口操作平台15上距离井口轴线一定位置，位于井口平台面以下，安装液压马达51带动一根水平的中心轴52转动。中心轴52上的不同位置分别装有凸轮53，吊卡安装臂54以及U形吊环推送臂55，三者之间相隔一定的角度，可以在中心轴52的带动下转动，同时实现将连接板56顶起，将智能吊卡推至井口及将U形吊环31推送至智能大钩11等三个动作，从而实现智能吊卡在井口的安装。在井口轴线的另外一侧，安装有液吊卡推送压缸58，吊卡推送液压缸58可带动吊卡推送臂57将智能吊卡推离井口。吊卡推送液压缸58和安装液压马达51共同配合可以实现智能吊卡在井口的安装及脱离。 [0024] 起油管作业过程为：初始状态（如图1）：一个智能吊卡12（a）放置于井口的井口装置上悬挂井内油管16；另一个智能吊卡12（b）悬挂在智能大钩上；吊卡转运系统13的转运手43轴线平行与井口轴线；吊卡安装系统14的吊卡安装臂54、U形摘挂环推送臂55、连接板23都处于下部死点位置，待命；智能大钩11、吊卡转运系统13、吊卡安装系统14分别在不同的空间内进行运动，时间上存在交叉，并且三者通过智能吊卡在固定的位置产生联系。 [0025] 首先，智能大钩11悬挂智能吊卡12（b）下降，同时吊卡转运系统13转运液压马达41通过旋转心轴42带动转运臂43旋转，当智能大钩11下降至位置A时，转运臂43带动转运手44旋转至位置B，转运手44的位置与智能吊卡12（b）的摘挂环32重合，此时，智能大钩11的锁块24通过电机27带动蜗轮蜗杆25进而带动齿条26遥控开启，转运手44取走智能吊卡12（b），然后转运手44、安装臂14与智能大钩11分别在不同的空间内同时运动；大钩11继续下降至位置C，安装液压马达51旋转带动U形吊环推送臂55将智能吊卡12（a）的U形吊环31举升至位置D，转运手44携带智能吊卡12（b）顺时针旋转运动至不超过位置E的任意位置；然后，智能大钩11上提，智能吊卡12（a）的U形吊环31与智能大钩11连接，智能大钩11通过遥控方式使锁块24锁紧U形吊环31，智能大钩11继续上提，此时，智能大钩11连接智能吊卡12（a），智能吊卡12（a）悬挂油管16上提；油管16上提的同时，安装液压马达51旋转带动凸轮53转动至下部死点位置，然后转运手44带动智能吊卡12（b）运动至位置F，吊卡重量落在连接板56上；接着，安装液压马达51旋转带动U形吊环推送臂55逆时针运动至位置G，U形吊环推送臂55承接智能吊卡12（b）的U形吊环31，U形吊环转运手44回归初始位置待命；当智能大钩11提升井内下一根油管16的接箍露出井口的高度超过智能吊卡12（b）的高度后，智能大钩11停止运动，然后安装液压马达51旋转带动吊卡安装臂54逆时针运动至位置H，运动过程中在凸轮53的作用下连接板 56转动至水平位置，同时吊卡安装臂54推动智能吊卡12（b）本体至井口，然后遥控关闭智能吊卡12（b）的活门36，智能大钩11带动管柱下降，油管接箍座在智能吊卡12（b）的吊卡本体上；智能大钩11带动管柱下降的同时，吊卡安装臂54在安装液压马达51的带动下顺时针转动至下部死点位置待命，同时，在安装液压马达51的带动下U形吊环推送臂55将U形吊环31放于水平位置，为油管卸扣让出空间；卸扣完成后，智能大钩11带动油管上提，使油管16与智能吊卡12（a）脱离并将油管16转移至地面，这样，状态又回到起油管的初始状态，如此循环，即可实现机械化起油管作业。 [0026] 下油管作业过程为：初始状态（如图2）：一个智能吊卡12（a）放置于井口的井口装置上，用于悬挂井内油管；另一个智能吊卡12（b）悬挂在智能大钩11上；吊卡转运系统13的转运手44轴线平行与井口轴线；吊卡安装系统14的吊卡安装臂54拆除；吊卡安装系统14的U形吊环推送臂55和连接板56处于下部死点位置，吊卡推送液压缸58使吊卡推送臂57处于位置K，待命；智能大钩11、吊卡转运系统13、吊卡安装系统14分别在不同的空间内进行运动，时间上存在交叉，并且三者通过智能吊卡11在固定的位置产生联系。 [0027] 首先，智能大钩11悬挂智能吊卡12（b）下降与井场上的油管连接，遥控关闭智能吊卡12（b）的活门36后，智能大钩11携带智能吊卡12（b）连接油管上提至油管本体超过井口油管接箍高度后下降，两根油管上扣连接完成后，智能大钩11携带智能吊卡12（b）连接油管继续上提一定距离，然后遥控打开智能吊卡12（a）的活门36。此后，智能大钩11、吊卡推送液压缸58、吊卡安装液压马达51、吊卡转运液压马达41在不同的空间内同时运动，吊卡推送液压缸58使吊卡推送臂57运动至位置L，将智能吊卡12（a）推离井口轴线后再回位到位置K待命；智能大钩11在吊卡推送液压缸58将智能吊卡12（a）推离井口后便带动智能吊卡12（b）携带油管下行；吊卡安装液压马达51逆时针旋转带动智能吊卡12（a）的摘挂环32到达位置F，吊卡转运液压马达41逆时针旋转带动转运手44到达位置G，摘挂环32与转运手44实现对接，吊卡转运液压马达41继续逆时针旋转，这样吊卡转运装置13将智能吊卡12（a）转运走，智能吊卡12（a）逆时针转运至I、J位置的任何位置待命（不与井口轴线及U形吊环推拉臂55的轨迹产生交集）；此时智能大钩11携带智能吊卡12（b）连接油管下行至井口，同时吊卡安装液压马达51带动U形吊环推送臂55运动至位置H，此时，智能吊卡12（b）座在井口平台上悬挂井内油管，遥控开启智能大钩11的锁块24，智能大钩11继续下行，然后智能大钩11与智能吊卡12（b）脱离，智能吊卡12（b）的U形吊环31在U形吊环推送臂55的带动下顺时针转动至下死点待命，而智能大钩11上提至位置A，然后吊卡转运手44携带智能吊卡12（a）逆时针旋转至位置B，此时智能吊卡12（a）悬挂至智能大钩11上，遥控关闭智能大钩11的锁块24，使锁块24锁紧智能吊卡12（a）的U形吊环31，智能大钩11上提智能吊卡12（a）连接下一根油管，吊卡转运手44顺时针旋转至初始位置待命，这样，状态又回到下油管的初始状态，如此循环，即可实现机械化下油管作业。 [0028] 以上所述仅为本发明的较佳实施例，非用以限定本发明的专利范围，其他运用本发明的专利精神的等效变化，均应俱属本发明的专利范围。 |
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