专利名称：油井钻杆矫直的激光跟踪自动定位装置及其定位方法
技术领域：
本发明涉及的是一种石油钻探技术领域的定位装置及定位方法，具体是一种油井
钻杆矫直的激光跟踪自动定位装置及其定位方法。
背景技术：
随着我国经济持续快速的增长，石油资源在国民经济中所处的战略地位日渐突 现。除了积极从国际原油市场上筹措石油资源外，我国也加大了对国内石油资源的开采和 勘探。石油工业专用的无缝钢管抓油井管(包含有钻柱构件(钻杆、钻铤等)和套管)是 石油工业的基础物资。目前，钻井钻探深度已达10000米以上，这对钻杆提出了更高的要 求，特别是直度的要求。直度偏差大的钻杆，使得误差随油井深度不断累计，直至巨大的离 心力致其折断，将导致价值数千万元、乃至上亿元的油井报废。根据《美国石油学会标准钻 杆规范(APISPEC 5D)》，钻杆的两端加厚端(晃头)、两端矫直盲区、两端1. 5m弦高等都必 需检测和矫直。 石油钻井钻杆的特点是钻杆长8-13m，两端镦粗后直径比管体增大20-30mm，两端 镦粗长度约150mm，正是由于两端镦粗加厚后，先进的全自动斜辊矫直机也不得不避开这一 段加厚部分只对钻杆中间管体部分进行矫直，这就造成在钻杆两端存在一段约500mm长的
矫直盲区。 针对钻杆两端的矫直盲区，美国石油协会API标准中，专门制订了质量标准即， 加厚端相对于管体中间直线段的跳动量《2mm，矫直盲区段相对于管体中间直线段的弯曲 度《1.2mm。这些要求对于通过热加工出来的非等直径、高强度的钻杆来说，如果不经过后 续的矫直处理是不可能达到的。目前，在钢铁行业内，对这一段矫直盲区的检测矫直几乎都 依赖人工操作简易检测装置和压力矫直机来完成。 钻杆经人工操作矫直和人工检测完毕后，操作钻杆进入压力矫直系统中，由于钻 杆两端存在镦粗部分，两个V形支撑夹具只能支撑钻杆等直径的管体部分，然后操作压力 矫直机压头对钻杆进行矫直。由于钻杆两端未经自动矫直机矫直的矫直盲区部分的长度大 约只有500mm长，钻杆真正的弯曲点一般离钻杆端面约250mm处。钻杆镦粗部分长约150mm， 每个V形支撑夹具的宽度约100mm长，压力矫直机压头的宽度约120mm长，如果两个V形夹 具支撑在钻杆的等直径的管体上，压力矫直机压头作用在两个V形夹具的中间，于是压力 矫直机压头作用点离开钻杆端面就大大于250mm，这样就不能使压力矫直机压头真正作用 在钻杆的弯曲点上进行矫直。正是由于此缘故，目前一些操作人员只好把钻杆直的部分适 当矫弯，使钻杆变成S形状。这样做的结果，虽然从检测角度看，镦粗部分相对于管体直线 段部分的跳动量也许达到了要求，实际上钻杆还是呈弯曲状态。 为了提高矫直质量，工程人员对夹具作了改进，针对不同的钻杆设计了阶梯状的 支撑夹具，这种阶梯夹具大大改善的矫直效果，真正达到了矫直盲区矫直的目的。但是，在 批量化、快节拍生产情况下，操作人员依靠手工来操作传动输送系统、依赖目测来把钻杆的 端部送到阶梯夹具中就非常困难，操作速度非常慢，影响了生产效率。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种油井钻杆矫直的激光跟踪自动 定位装置及其定位方法，能实现钻杆轴向移动的准确定位，还可以进一步改进夹具的支撑 结构，即阶梯夹具的开档可以根据不同的管径和钢级自动调节，提高矫直质量，提高矫直效 率、降低劳动强度。 本发明是通过以下技术方案实现的 本发明涉及油井钻杆矫直的激光跟踪自动定位装置，包括第一阶梯夹具、第一激 光位移传感器、第二阶梯夹具、第二激光位移传感器、步进电机、丝杆和编码器，其中第一 激光位移传感器固定安装在第一阶梯夹具上且激光束正对于阶梯夹具的阶梯内边缘，第一 阶梯夹具转动设置于丝杆的左侧，第二激光位移传感器固定安装在第二阶梯夹具上且激光 束正对于阶梯夹具的阶梯内边缘，第二阶梯夹具转动设置于丝杆的右侧，丝杆的一端与步 进电机的输出轴相连接，编码器固定设置于步进电机的末端，丝杆与待测钻杆相平行，阶梯 夹具正对于待测钻杆。 所述的第一阶梯夹具和第二阶梯夹具的下端为阶梯型结构，阶梯型结构的阶梯深 度为待测钻杆首尾两端加厚端的厚度。 所述的丝杆左右两端分别设计为左旋和右旋螺纹结构，该丝杠左端螺纹旋向与第 一阶梯夹具的螺纹旋转方向相同，丝杠右端螺纹旋向与第二阶梯夹具的螺纹旋转方向相 同，当步进电机旋转时，第一和第二阶梯夹具同时向内或向外移动。 所述的步进电机为双输出轴步进电机，其前端输出轴与丝杆固定连接，后端输出 轴与编码器连接，该步进电机固定安装在矫直机顶部，由控制系统控制其正传或反转，从而 控制第一移动夹具和第二移动夹具的开档距离； 所述的编码器的为旋转编码器，安装在步进电机的尾部，编码器的输出信号提供
给控制系统用于检测第一阶梯夹具和第二阶梯夹具左右移动的开档距离。 本发明涉及上述油井钻杆矫直的激光跟踪自动定位装置的定位方法，包括以下步
骤 第一步、控制系统通过传动系统驱动钻杆左端移动到检测位置进行检测；
第二步、控制系统根据钻杆钢级和壁厚控制驱动步进电机带动丝杆旋转，将第一 阶梯夹具和第二阶梯夹具同时向内或同时向外移动，调整两个阶梯夹具之间的开档距离到 要求位置； 第三步、控制系统通过传动系统驱动钻杆由左向右移动，在钻杆移动过程中，在第
一阶梯夹具上的激光位移传感器的激光束作用在钻杆外表面上，处于正常的检测跟踪状
态，当钻杆左端加厚端端面移动到第一阶梯夹具的阶梯内侧边缘时，钻杆左端端面离开了
激光位移传感器光束的检测范围，即表示钻杆左端加厚端端面已进入了第一阶梯夹具的阶
梯位置，达到了预定的矫直夹紧定位位置，从而为钻杆左端的矫直做好了准备； 第四步、对定位好的钻杆左端进行矫直，矫直完毕后，向左移动，使钻杆的右端移
动到检测位置进行检测； 第五步、控制系统通过传动系统驱动钻杆由右向左右移动，在钻杆移动过程中，在 第二阶梯夹具上的激光位移传感器的激光束作用在钻杆外表面上，处于正常的检测跟踪状
4态，当钻杆右端加厚端端面移动到第二阶梯的阶梯内侧边缘时，钻杆右端端面离开了激光
位移传感器光束的检测范围，即表示钻杆右端加厚端端面已进入了第二阶梯夹具的阶梯位
置，达到了预定的矫直夹紧定位位置，从而为钻杆右端的矫直做好了准备。 本发明实现了钻杆两端加厚端进入阶梯夹具缺口内的精确定位，从而为进一步实
现钻杆两端矫直盲区的自动化矫直做好了准备。与现有技术相比，本发明具有以下特点及
效果实现了钻杆两端矫直盲区矫直过程的快速、准确定位；方法简单、可靠；可以自动调
整阶梯夹具的开档距离，达到最佳的矫直效果；为连接检测、矫直整个自动化过程起到了十
分重要的作用。
图1为本发明初始状态示意图；
图2为本发明工作状态示意图。
具体实施例方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行 实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施 例。 如图1、2所示，本实施例包括第一阶梯夹具5、第一激光位移传感器3、第二阶梯 夹具6、第二激光位移传感器4、步进电机7、丝杆8和编码器9，其中第一激光位移传感器 3固定安装在第一阶梯夹具5上，且激光束正对于阶梯夹具的阶梯内边缘，第一阶梯夹具5 转动设置于丝杆8的左侧。第二激光位移传感器4固定安装在第二阶梯夹具6上，且激光 束正对于阶梯夹具的阶梯内边缘，第二阶梯夹具6转动设置于丝杆8的右侧。丝杆8的一 端与步进电机7的输出轴相连接，编码器9固定设置于步进电机7的末端，丝杆8与待测钻 杆1相平行，第一阶梯夹具5、第二阶梯夹具6的下端正对于待测钻杆1。
所述的第一阶梯夹具和第二阶梯夹具的下端为阶梯型结构，阶梯型结构的阶梯深 度为待测钻杆1首尾两端加厚端的厚度。 所述激光位移传感器3和激光位移传感器4的激光束分别正对于第一阶梯夹具和 第二阶梯夹具的阶梯内边缘，以检测当钻杆1加厚端的端面进入第一阶梯夹具或第二阶梯 夹具时的定位位置。 所述的丝杆8左右两端分别设计为左旋和右旋螺纹结构，该丝杠8左端螺纹旋向 与第一阶梯夹具5的螺纹旋转方向相同，丝杠8右端螺纹旋向与第二阶梯夹具6的螺纹旋 转方向相同，当步进电机7旋转时，第一阶梯夹具5和第二阶梯夹具6同时向内或向外移 动。 所述的步进电机7为双输出轴步进电机，其前端输出轴与丝杆8固定连接，后端输 出轴与编码器9连接，该步进电机固定安装在矫直机顶部，由控制系统控制其正传或反转， 从而控制第一阶梯夹具5和第二阶梯夹具6的开档距离； 所述的编码器9的为旋转编码器，安装在步进电机7的尾部，编码器9的输出信号 提供给控制系统用于检测第一阶梯夹具5和第二阶梯夹具6左右移动的开档距离。
如图1所示，本实施例通过以下方式进行工作定位
第一步、控制系统通过传动系统驱动钻杆1左端移动到检测位置进行检测；
第二步、控制系统根据钻杆1钢级和壁厚控制驱动步进电机7带动丝杆8旋转，将 第一阶梯夹具5和第二阶梯夹具6同时向内或同时向外移动，调整两个阶梯夹具之间的开 档距离到要求位置； 第三步、控制系统通过传动系统驱动钻杆1由左向右移动，在钻杆移动过程中，在 第一阶梯夹具5上的激光位移传感器3的激光束作用在钻杆1外表面上，处于正常的检测 跟踪状态，当钻杆1左端加厚端端面移动到第一阶梯夹具5的阶梯内侧边缘时，钻杆1左端 端面离开了激光位移传感器3光束的检测范围，即表示钻杆1左端加厚端端面已进入了第 一阶梯夹具5的阶梯位置，达到了预定的矫直夹紧定位位置，从而为钻杆1左端的矫直做好 了准备； 第四步、对定位好的钻杆1左端进行矫直，矫直完毕后，向左移动，使钻杆1的右端 移动到检测位置进行检测； 第五步、控制系统通过传动系统驱动钻杆1由右向左移动，在钻杆移动过程中，在 第二阶梯夹具6上的激光位移传感器4的激光束作用在钻杆1外表面上，处于正常的检测 跟踪状态，当钻杆1右端加厚端端面移动到第二阶梯6的阶梯内侧边缘时，钻杆1右端端面 离开了激光位移传感器4激光束的检测范围，即表示钻杆1右端加厚端端面已进入了第二 阶梯夹具6的阶梯位置，达到了预定的矫直夹紧定位位置，从而为钻杆1右端的矫直做好了 准备。 上述方法，实现了钻杆1两端加厚端进入阶梯夹具内的精确定位，从而为进一步 实现钻杆1两端矫直盲区的自动化矫直做好了准备。
权利要求
一种油井钻杆矫直的激光跟踪自动定位装置，其特征在于，包括第一阶梯夹具、第一激光位移传感器、第二阶梯夹具、第二激光位移传感器、步进电机、丝杆和编码器，其中第一激光位移传感器固定安装在第一阶梯夹具上且激光束正对于阶梯夹具的阶梯内边缘，第一阶梯夹具转动设置于丝杆的左侧，第二激光位移传感器固定安装在第二阶梯夹具上且激光束正对于阶梯夹具的阶梯内边缘，第二阶梯夹具转动设置于丝杆的右侧，丝杆的一端与步进电机的输出轴相连接，编码器固定设置于步进电机的末端，丝杆与待测钻杆相平行，阶梯夹具正对于待测钻杆。
2. 根据权利要求1所述的油井钻杆矫直的激光跟踪自动定位装置，其特征是，所述的 第一阶梯夹具和第二阶梯夹具的下端为阶梯型结构，阶梯型结构的阶梯深度为待测钻杆首 尾两端加厚端的厚度。
3. 根据权利要求1所述的油井钻杆矫直的激光跟踪自动定位装置，其特征是，所述的 丝杆左右两端分别为左旋和右旋螺纹结构，该丝杠左端螺纹旋向与第一阶梯夹具的螺纹旋 转方向相同，丝杠右端螺纹旋向与第二阶梯夹具的螺纹旋转方向相同。
4. 根据权利要求1所述的油井钻杆矫直的激光跟踪自动定位装置，其特征是，所述的 步进电机为双输出轴步进电机，其前端输出轴与丝杆固定连接，后端输出轴与编码器连接， 该步进电机固定安装在矫直机顶部。
5. 根据权利要求1所述的油井钻杆矫直的激光跟踪自动定位装置，其特征是，所述的编码器的为旋转编码器，编码器的输出信号提供给控制系统用于检测第一阶梯夹具和第二 阶梯夹具左右移动的开档距离。
6. —种根据权利要求1所述的油井钻杆矫直的激光跟踪自动定位装置的定位方法，其特征在于，包括以下步骤第一步、控制系统通过传动系统驱动钻杆左端移动到检测位置进行检测； 第二步、控制系统根据钻杆钢级和壁厚控制驱动步进电机带动丝杆旋转，将第一阶梯夹具和第二阶梯夹具同时向内或同时向外移动，调整两个阶梯夹具之间的开档距离到要求位置；第三步、控制系统通过传动系统驱动钻杆由左向右移动，在钻杆移动过程中，在第一 阶梯夹具上的激光位移传感器的激光束作用在钻杆外表面上，处于正常的检测跟踪状态， 当钻杆左端加厚端端面移动到第一阶梯夹具的阶梯内侧边缘时，钻杆左端端面离开了激光 位移传感器光束的检测范围，即表示钻杆左端加厚端端面已进入了第一阶梯夹具的阶梯位 置，达到了预定的矫直夹紧定位位置，从而为钻杆左端的矫直做好了准备；第四步、对定位好的钻杆左端进行矫直，矫直完毕后，向左移动，使钻杆的右端移动到 检测位置进行检测；第五步、控制系统通过传动系统驱动钻杆由右向左右移动，在钻杆移动过程中，在第二 阶梯夹具上的激光位移传感器的激光束作用在钻杆外表面上，处于正常的检测跟踪状态， 当钻杆右端加厚端端面移动到第二阶梯的阶梯内侧边缘时，钻杆右端端面离开了激光位移 传感器光束的检测范围，即表示钻杆右端加厚端端面已进入了第二阶梯夹具的阶梯位置， 达到了预定的矫直夹紧定位位置，从而为钻杆右端的矫直做好了准备。
全文摘要
一种石油钻井技术领域的油井钻杆矫直的激光跟踪自动定位装置，包括两个阶梯夹具、两个激光位移传感器、步进电机、丝杆和编码器，其中两个阶梯夹具分别转动设置于丝杆的两侧，下端为阶梯结构，下端正对于待测钻杆，两个激光位移传感器分别固定安装在两个阶梯夹具上，激光束激光束分别正对于阶梯夹具的阶梯内边缘。本发明能实现钻杆轴向移动的准确定位，还可以进一步改进夹具的支撑结构，即阶梯夹具的开档可以根据不同的管径和钢级自动调节，提高矫直质量，提高矫直效率、降低劳动强度。
文档编号B21D43/00GK101716634SQ20091031097
公开日2010年6月2日 申请日期2009年12月7日 优先权日2009年12月7日
发明者时轮, 王海丽, 胡德金, 裴景玉, 许黎明 申请人:上海交通大学