一种新型石油钻机动力猫道及其钻具装载方法与流程

本发明涉及石油钻探设备技术领域，特别是涉及一种新型石油钻机动力猫道及其钻具装载方法。

背景技术：

猫道是钻机管柱排放系统的一个重要组成部分，属于输送部分，通过相应的操作可将钻井用的钻杆、钻铤等工具输送至钻井平台上以完成相应的钻井工艺操作，其结构布局的合理性和操作性直接影响着钻井作业的速度、效率、稳定性及安全可靠性。在传统的钻井作业中，陆上以及海上钻机大多采用常规配套的坡道与猫道组合，主要靠钻台上的小绞车与猫道上的小绞车相配合，将位于排管架上的钻具提升到钻台上。

随着钻井深度的增加，钻井自动化的需求越来越高，国内外科技工作者对传统的钻杆输送装置进行了多方面的改进，研制出了一系列自动化程度比较高的猫道系统，使钻杆柱的输送效率和可靠性大大提高，也有效降低了作业成本。

然而，在实际钻井作业过程中，为了进一步提高生产效率，采用顶驱钻进的设备通常都会将两根（或多根）钻杆组装成一柱立根，顶驱每次操作都是对一柱立根进行。这样可以大幅度提高生产效率，减少作业过程中连接钻具的时间，还还有助于提高作业质量，减少安全事故。

目前国际上的动力猫道每次只能输送一根钻具到钻台面，在使用顶驱装置组装钻杆的过程中，顶驱需要花费大量时间等待钻具，效率较低。通常为了提高效率，上述传统组装的做法虽然能够缩短动力猫道的循环时间，但是这种做法会增加设备故障发生率，带来安全风险。而且这种单纯缩短周期的做法，对效率的提高是有限的。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术的不足，设计出一种新型石油钻机动力猫道及其钻具装载方法，解决了现有动力猫道每次只能输送一根钻具、输送效率低的问题。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种新型石油钻机动力猫道,包括第一底座、起升机构、输送机构、控制箱、液压泵站，所述第一底座的两侧壁上对称固定有用以输送多根钻具并对其进行支撑的支腿，起升机构的两端分别通过销轴与第一底座和输送机构铰接，起升机构和输送机构分别与控制箱电连接，所述输送机构包括输送架、顶升液压缸、摆动马达组件、推车、推车驱动机构、装卸机构，所述输送架的中轴线上设置有U形槽，顶升液压缸贯穿固定在U形槽内且其活塞杆可在竖直方向上做伸缩运动；顶升液压缸的两侧分别设置有一个摆动马达组件，所述两个摆动马达组件相对固定在U形槽外侧；所述推车通过推车驱动机构滑动设置在输送架的滑道内，装卸机构分别固定在U形槽两侧，所述顶升液压缸通过液压管线与液压泵站连接。

进一步地，所述摆动马达组件包括第二底座、弹簧导杆、缠绕在弹簧导杆的外表面的弹簧、用以支撑钻具的摆动部件、可带动摆动部件在水平面内转动的摆动马达、连接件，所述第二底座为L形底座，弹簧导杆固定在第二底座的水平段，第二底座竖直段焊接在U形槽底部；所述摆动马达固定在弹簧导杆的顶部且其输出轴与连接件固定连接，连接件与摆动部件固定连接，所述摆动部件与输送架平行设置。

进一步地，所述连接件为联轴器。

进一步地，所述装卸机构包括第一转轴、第二转轴、卸载液压缸、可在卸载液压缸的推动作用下以第一转轴为旋转支点进行转动的卸载翻板，所述卸载翻板包括一体设置的支撑段和卸载段，卸载翻板支撑段的末端通过第一转轴铰接固定在U形槽的底部外侧，卸载翻板卸载段的内侧与卸载液压缸的活塞杆铰接，卸载液压缸的另一端通过第二转轴铰接固定在U形槽底部，所述卸载液压缸通过液压管线与液压泵站连接。

进一步地，所述卸载翻板的支撑段为L形，卸载段为弯折状且与U形槽的槽沿形状相匹配。

进一步地，所述起升机构包括前支撑臂、前支撑液压缸、后支撑臂、后支撑液压缸，前支撑臂的两端分别铰接固定在第一底座前端的耳板和输送架前端，前支撑臂由两个铰接的支杆组成，前支撑液压缸的两端分别固定在所述两个支杆上；后支撑臂的一端固定在第一底座中部的耳板上，另一端固定在输送架后端，所述前支撑液压缸和后支撑液压缸分别通过液压管线与液压泵站连接。

进一步地，所述推车驱动机构包括第三底座、支撑轴承、传动机构、减速制动器、液压马达，所述第三底座固定在输送架的末端，支撑轴承固定在第三底座的左、右两侧，两个支撑轴承之间设置有一个传动轴，传动机构设置在传动轴上，传动轴与液压马达的轴承固定连接，所述减速制动器固定在液压马达上。

进一步地，所述传动机构为链轮与链条传动。

进一步地，所述顶升液压缸至少为两个。

一种新型石油钻机动力猫道的钻具装载方法，具体包括以下步骤：

步骤1：将多根钻具水平排放在支腿上；

步骤2：支腿向上倾斜使钻具滚动到支腿内侧，顶升液压缸的活塞杆全伸至第一位置，装卸机构将第一根钻具翻转至U形槽内；

步骤3：令顶升液压缸左侧的摆动马达组件为A组摆动马达组件，顶升液压缸的活塞杆收缩至第二位置，A组摆动马达组件的摆动部件旋转90°至U形槽的槽口且与U形槽相互垂直的位置，装卸机构将第二根钻具翻转至A组摆动部件上；

步骤4：起升机构将输送架举升至指定位置；

步骤5：推车经推车驱动机构的推动作用将所述第二根钻具输送到钻台面等待设备抓取；

步骤6：A组摆动马达组件的摆动部件旋转至原来位置，顶升液压缸全伸至第一位置，推车经推车驱动机构的推动作用将所述第一根钻具输送到钻台面等待设备抓取；

步骤7：起升机构将输送架输送至第一底座内，结束工作。

所述步骤4之前还包括步骤3.1：令顶升液压缸右侧的摆动马达组件为B组摆动马达组件，顶升液压缸的活塞杆收缩至第三位置，B组摆动马达组件的摆动部件旋转90°至U形槽的槽口且与U形槽相互垂直的位置，装卸机构将第三根钻具翻转至B组摆动部件上；

所述步骤5之前还包括步骤4.1：推车经推车驱动机构的推动作用将所述第三根钻具输送到钻台面等待设备抓取；第三根钻具被抓取后，B组摆动马达组件的摆动部件旋转至原来位置，顶升液压缸伸长至第二位置。

本发明的积极有益效果：

1、本发明的动力猫道装置具有结构紧凑、质量轻、操作简单、效率高、安装快速、工作可靠、系统稳定性高等特点，可满足多用途，多工种作业要求。

2、顶升液压缸及其两侧的摆动马达组件相互配合工作，共同构成了本发明动力猫道装置的分层机构，实现了输送架上多根常用尺寸钻具的一次输送，同时也实现钻具在高位逐次推出，提高了钻具的输送效率，节约了钻具的输送成本；且对于大尺寸或者大质量的钻具也能够实现一次举升一根。

3、本发明的动力猫道装置使用广泛，能够举升多种类型的不同尺寸的钻具，通用性强。

附图说明

图1为本发明新型石油钻机动力猫道的结构示意图；

图2为图1的俯视图；

图3为本发明输送机构的正视结构示意图；

图4为图3的俯视图；

图5为摆动马达组件使用状态的正视结构示意图；

图6为图5的侧视图；

图7为装卸机构的卸载液压缸收缩状态的结构示意图；

图8为装卸机构的卸载液压缸全伸状态的结构示意图；

图9为卸载翻板的结构示意图；

图10为推车驱动机构的结构示意图；

图11为多根钻具的装载过程示意图；

图中标号的具体含义为：1为第一底座，2为起升机构，3为输送机构，4为控制箱，5为液压泵站，6为输送架，6-1为U形槽，7为顶升液压缸，8为摆动马达组件，8-1为第二底座，8-2为弹簧导杆，8-3为弹簧，8-4为摆动部件，8-5为摆动马达，8-6为连接件，9为推车，10为推车驱动机构，10-1为第三底座，10-2为支撑轴承，10-3为传动机构，10-4为减速制动器，10-5为液压马达，10-6为传动轴，11为装卸机构，11-1为第一转轴，11-2为第二转轴，11-3为卸载液压缸，11-4为卸载翻板， 12-1为第一根钻具，12-2为第二根钻具，12-3为第三根钻具，13为支腿，14为前支撑臂，15为前支撑液压缸，16为后支撑臂，17为后支撑液压缸，18为液压管线，19为卸载翻板支撑段，20为卸载翻板卸载段，21为第一位置，22为第二位置，23为第三位置。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中示出的具体实施例来描述本发明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

结合附图说明本实施方式，参见图1、图2，本发明的新型石油钻机动力猫道,包括第一底座1、起升机构2、输送机构3、控制箱4、液压泵站5。

所述第一底座1为桁架式结构，由型材焊接而成，第一底座根据功能可以分成两个部分：前端承重区、后端连接液压泵站和控制箱等。前端承重区主要用于安装起升机构，由于这部分需要承接输送架和钻具的整体重量，在正常工作时，耳板需要承受较大的力，因此第一底座在耳板处需要特别的加固，保障主体受力合理。第一底座1后端主要用于放置液压泵站5和控制箱4等，将液压泵站5和控制箱4后置的一个十分重要的原因是可以提高设备整体的稳定性；在设备进行工作的过程中，由于输送架6需要前移以保证能够顺利将钻具输送到钻台面上，输送架6的前移会造成设备整体重心前移，降低整体的稳定性，将液压泵站5和控制箱4后置，可以最大限度的平衡系统重心的前移，降低系统失稳的风险，提高系统的稳定性，进而提高安全性。

第一底座1的两侧壁上对称固定有用以输送多根钻具并对其进行支撑的支腿13，每侧至少固定有两套支腿13。起升机构2的两端分别通过销轴与第一底座1和输送机构3铰接，起升机构2和输送机构3分别与控制箱4电连接。本发明中的钻具可选用钻杆、钻挺、套管等。

起升机构2将输送架6举升至指定位置，使之高度与钻台面的高度相同，以保证输送架6能够准确的将钻具输送到钻台面上。所述起升机构2包括前支撑臂14、前支撑液压缸15、后支撑臂16、后支撑液压缸17。前支撑臂14采用双折臂结构，右支撑臂16采用单臂结构。前支撑臂14的两端分别铰接固定在第一底座1前端的耳板和输送架6前端，前支撑臂14由两个铰接的支杆14-1组成，前支撑液压缸15的两端分别固定在所述两个支杆14-1上，前支撑液压缸15的伸缩能够驱动前支撑臂14动作，前支撑臂14的双折臂设计在减少整体长度的前提下，也可以保证在展开的状态下将输送架6举升到合适高度。所述后支撑臂16的一端固定在第一底座1中部的耳板上，另一端固定在输送架6后端，后支撑臂16和第一底座1之间固定有后支撑液压缸17，后支撑液压缸17控制后支撑臂16绕后支撑臂的安装轴做回转运动，这样可以保证在满足高度需求的前提下，减少关节数量。所述前支撑液压缸15和后支撑液压缸17分别通过液压管线18与液压泵站5连接。

参见图3、图4，输送机构3的主要作用是将钻具输送到钻台面上。所述输送机构3包括输送架6、顶升液压缸7、摆动马达组件8、推车9、推车驱动机构10、装卸机构11。所述输送架6的中轴线上设置有U形槽6-1，U形槽面结构可以承载钻具的重量和长度。顶升液压缸7均通过螺栓固定在U形槽6-1的底部，且其下端贯穿U形槽6-1，顶升液压缸7的活塞杆可在竖直方向上做伸缩运动以改变活塞杆顶端在U形槽6-1内的相对高度，所述顶升液压缸7通过液压管线18与液压泵站5连接。输送架6上的顶升液压缸7至少为两个，多个顶升液压缸7均匀分布在U形槽6-1的长度方向上。顶升液压缸7的下端内部设置有位移传感器，位移传感器能够检测活塞杆的伸缩长度，从而确定活塞杆顶端在U形槽6-1内的位置，从而判断输送架内有几根钻具。

每个顶升液压缸7的两侧均设置有摆动马达组件8，所述两侧的摆动马达组件8相对固定在U形槽6-1外侧。本发明的新型石油钻机动力猫道能够一次运送多根钻具，根据实际运送钻具的数量，具体选择单个顶升液压缸两侧固定的摆动马达组件的数量。当输送两根钻具时，仅需在每个顶升液压缸的单侧设置一个摆动马达组件即可；当输送三根钻具时，每个顶升液压缸的两侧均需设置有一个摆动马达组件；当需要输送四根钻具时，单个顶升液压缸的一侧设置一个摆动马达组件，另一侧设置两个摆动马达组件。

参见图5、图6，所述摆动马达组件8包括第二底座8-1、弹簧导杆8-2、弹簧8-3、用以支撑钻具的摆动部件8-4、摆动马达8-5、连接件8-6。弹簧8-3缠绕在弹簧导杆8-2的外表面，摆动马达8-5可带动摆动部件8-4在水平面内转动，摆动部件8-4每次转动90°。所述第二底座8-1为L形底座，弹簧导杆8-2固定在第二底座8-1的水平段，第二底座竖直段的顶部焊接在U形槽6-1底部，从而将第二底座8-1与U形槽6-1进行固定。所述摆动马达8-5固定在弹簧导杆8-2的顶部且其输出轴与连接件8-6固定连接，连接件8-6与摆动部件8-4固定连接，本发明采用的连接件8-6为联轴器，所述摆动部件8-4与输送架6平行设置。由于摆动马达8-5通过连接件8-6与摆动部件8-4连接，弹簧导杆8-2上设置有弹簧8-3，当摆动部件8-4上放置有钻具时，在钻具的重力作用下，摆动马达8-5可压缩弹簧8-3沿着弹簧导杆8-2上下移动，同时与顶升液压缸活塞杆的对应位置相配合，从而实现了多个钻具的分层运输。

装卸机构的作用是将支腿内侧的钻具翻转至U形槽6-1内。参见图7、图8，装卸机构11分别固定在U形槽6-1两侧，所述装卸机构11包括第一转轴11-1、第二转轴11-2、卸载液压缸11-3、可在卸载液压缸11-3的推动作用下以第一转轴11-1为旋转支点进行转动的卸载翻板11-4。参见图9，所述卸载翻板11-4包括一体设置的支撑段19和卸载段20，卸载翻板支撑段19的末端通过第一转轴11-1铰接固定在U形槽6-1的底部外侧，卸载翻板卸载段20的内侧与卸载液压缸11-3的活塞杆铰接，卸载液压缸11-3的另一端通过第二转轴11-2铰接固定在U形槽6-1底部。第一转轴11-1和第二转轴11-2对向安装，这样卸载机构液压缸在推动卸载翻板11-4的时候，卸载翻板11-4绕转轴做旋转运动。所述卸载液压缸11-3通过液压管线18与液压泵站5连接。所述卸载翻板11-4的支撑段为L形，卸载段20为弯折状且与U形槽6-1的槽沿形状相匹配，装卸机构11在初始状态时，卸载翻板11-4贴在U形槽6-1的内侧壁，在卸载液压缸11-3的推动作用下，卸载翻板11-4会向对侧转动。

推车9通过推车驱动机构10滑动设置在输送架6的滑道内，推车9由推车本体和导向滚轮组成。参见图10，所述推车驱动机构10包括第三底座10-1、支撑轴承10-2、传动机构10-3、减速制动器10-4、液压马达10-5，所述第三底座10-1固定在输送架6的末端，支撑轴承10-2固定在第三底座10-1的左、右两侧，两个支撑轴承10-2之间设置有一个传动轴10-6，传动轴10-6的左右两侧分别设置有一个传动机构10-3，本发明采用的传动机构10-3为链轮与链条传动，所述传动轴10-6与液压马达10-5的轴承固定连接，所述减速制动器10-4固定在液压马达10-5上。传动机构10-3的链轮紧挨着支撑轴承10-2设置，链条固定在输送架的架体上端，推车在链条（或钢丝绳）的带动下，在输送架的U形槽的上端移动，进而实现推车推动钻具前进和后退。

输送架6上还设置有安全机构，本发明采用的安全机构就是一组安装在输送架两侧的液压缸。通过将档杆伸出一定长度，可以在一定范围内阻止钻具发生弹跳，避免其跳出输送架。

本发明的新型石油钻机动力猫道能够一次运送多根钻具，在运行钻具的过程中，动力猫道的各部分结构之间是联动工作的。下面我们就以三根钻具为例，来具体说明该动力猫道的钻具装载过程：

参见图11，本发明的新型石油钻机动力猫道的钻具装载方法，具体包括以下步骤：

步骤1：将多根钻具水平排放在支腿13上；

步骤2：支腿13向上倾斜使钻具滚动到支腿13内侧，顶升液压缸7的活塞杆全伸至第一位置21，装卸机构11将第一根钻具12-1翻转至U形槽6-1内；

具体地，首先，控制箱4控制第一底座1两侧的支腿液压缸动作，使其活塞杆伸出，从而使支腿13倾斜一定角度，第一钻具由于自身重力的作用会滚动到支腿的内侧，供装卸机构11将其翻转到U形槽6-1内；然后，控制器4控制顶升液压缸7工作，使顶升液压缸7的活塞杆全伸至第一位置21；最后，控制箱4控制卸载液压缸11-3，卸载液压缸11-3的活塞杆伸出，使卸载翻板11-4以第一转轴11-1为旋转支点向对侧方向转动，从而将第一钻具12-1翻转到U形槽6-1内。

步骤3：将所有顶升液压缸7左侧的摆动马达组件均命名为A组摆动马达组件、右侧的摆动马达组件均命名为B组摆动马达组件；控制箱4控制顶升液压缸7工作，使顶升液压缸7的活塞杆收缩至第二位置22；然后，控制所有的A组摆动马达组件转动，使A组摆动部件旋转90°至与U形槽6-1相互垂直的位置，此时，A组摆动部件位于U形槽6-1的槽口位置，即A组摆动部件恰好位于第一钻具12-1的正上方，装卸机构将第二根钻具12-2翻转至A组摆动部件上；由于钻具自身重量的作用，钻具会压着摆动马达、摆动马达压缩弹簧向下运动，直到A组摆动部件的底部与第一根钻具12-1相接触时才停止运动。

步骤3.1：控制箱4控制顶升液压缸7工作，使其活塞杆收缩至第三位置23；然后控制所有的B组摆动马达组件转动，使B组摆动部件旋转90°至与U形槽6-1相互垂直的位置，此时，B组摆动部件位于U形槽的槽口位置，即B组摆动部件恰好位于第二钻具12-2的正上方，装卸机构将第三根钻具12-3翻转至B组摆动部件上，此时输送架6的U形槽6-1内共有3根钻具；

步骤4：控制箱4控制起升机构2动作，前支撑臂14先起升，稍后后支撑臂16起升，将输送架6举升至指定位置；

步骤4.1：推车9经推车驱动机构10的推动作用将所述第三根钻具12-3输送到钻台面等待顶驱（或其他设备）抓取；第三根钻具12-3被抓取后，B组摆动马达组件的摆动部件旋转至原来位置，推车9退回到原始位置，然后，控制顶升液压缸7的活塞杆伸长至第二位置22，此时，第二根钻杆12-2位于U形槽6-1的槽口位置；

步骤5：推车9经推车驱动机构10的推动作用将所述第二根钻具12-2输送到钻台面等待顶驱（或其他设备）抓取；

步骤6：A组摆动马达组件的摆动部件旋转至原来位置，推车9退回到原始位置；然后，控制顶升液压缸7的活塞杆全伸至第一位置21，此时，第一根钻具12-1位于U形槽6-1的槽口位置；然后，推车9经推车驱动机构10的推动作用将所述第一根钻具12-1输送到钻台面等待顶驱（或其他设备）抓取；

步骤7：控制起升机构2动作，后支撑液压缸17缩回，前支撑液压缸15缩回，输送架6回到第一底座1内的原始位置，此时，便完成一个循环的钻具输送工作。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解；依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。