油井作业油管起下自动排放装置的制作方法

本实用新型涉及油田开发技术领域的作业装备，具体是一种油井作业油管起下自动排放装置。

背景技术：

目前井下小修作业是油田生产过程的重要组成部分，主要目的是保证油井正常产能，其主要工作内容是日常维护性作业，包括检泵、解卡、冲砂洗井、简易打捞等，这些作业都必须通过频繁起下油管来实现，4名以上工人要在作业机的大钩下不反复摘挂吊环，搬抬吊卡，搬抬油管，上卸油管丝扣，很多时候还要带喷作业，工作完毕后浑身是油，因此，井下小修作业起下油管的工作是最繁重、危险性最大的工序，工作强度大，环境恶劣，经常发生安全事故。据统计，小修作业中发生的安全事故占油田安全事故的60%以上；且因常年搬抬吊卡及油管，很多作业工人都患有不同程度的腰肌劳损或腰椎间盘突出等疾病，严重影响了工人的生活质量。

因为以上原因，也造成了一线作业工人招聘难的问题。据统计，目前全国石油行业的一线小修作业工人平均年龄大部分都在40岁以上，远远大于行业平均年龄，但因是特殊工种，国家规定其工作年龄上限为47岁，因此，小修作业一线工人“用工荒”的问题也是目前所有石油企业面临的难题。

在传统小修作业中，起下及排放油管的工作都是人工配合小修作业机来完成，每个小修作业队正常情况下基本为4班3倒8小时工作制，或4班2倒12小时工作制。每班组人数最少为4～6人，每个小修作业队为18～32人。据统计，全国油田修井一线工人人数大约在20～40万人之间，如果加上其他后勤服务及管理人员，与修井作业相关的员工人数还要增加至少1倍以上。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种油井作业油管起下自动排放装置，克服上述已有技术存在的缺陷。

本实用新型的技术方案是通过以下方式实现的：

如图1、2、3所示，本实用新型包括主体架 1 、浮动悬梁 4 、悬臂梁 16 、纵臂支架 7 、纵臂 10 、纵臂支架行走机构 15 、涡轮丝杠升降机构 9 和油管排放机构和控制系统，其特征在于:主体架1由两个对称的直角架组成，在两个直角架纵向边之间设有纵撑，在两个纵向边的上端内侧焊有平衡于直角架横向边的两根对称的悬臂梁 16 ，在悬臂梁的上面的横向上设有一根链条 13.c1 ，在悬臂梁 16 左右两侧均匀设有同轴连接的扶正轮 5.a1，在悬臂梁外周套有一根浮动悬梁 4 ，在浮动悬梁 4 上顶面横向上设有一条链条 13.c2，在浮动悬梁 4 的左右内侧设有对称的扶正轮轨道，在浮动悬梁 4 与悬臂梁 16 的链条 13.c1 的对应处开有一个矩形窗，在矩形窗的一侧设有一台带变速器和齿轮 14.d1 的伺服电机 6.b1 ，齿轮 14.d1 与悬臂梁 16 上的链条 13.c1 啮合带动浮动悬梁 4 前后往复运动（图4所示）；在两根浮动悬梁 4 之间设有一个由两根向背方钢组成的且有间距的纵臂支架 7 ，在纵臂支架 7 顶部设有中部带纵向开口的封板，两端设有连接板，在连接板上设有与浮动悬梁4上所设的扶正轮轨道相匹配的扶正轮 5.a2 ，在纵臂支架 7 内侧中部设有两条口相对方钢组成的扶正轮 5.a2 的扶正轨道，在纵臂支架 7 内中部设有一根同心的矩形体纵臂10，在矩形体纵臂 10 的前后两侧中部均匀设有同轴的扶正轮 5.a3 ，扶正轮 5.a3 与纵臂支架 7 上的扶正轨道相匹配，在矩形体纵臂 10 上顶面的中部纵向上设有一条链条 13.c2 ，链条 13.c2 与封板上所设的伺服电机 6.b2 上的齿轮 14d2 相啮合，带动矩形体纵臂 10 左右运动（如图5所示）；在矩形体纵臂 10 的上顶面的两端部设有垂直的涡轮丝杠升降机构 9 ；在纵臂支架封板的纵向中部设有带动纵臂支架 7 在两根浮动悬梁之间前后运动的纵臂支架行走机构15（如图6所示）。上述的所有伺服电机的强电电路都与控制柜的强电控制系统的对应接口相联，弱电电路都通过伺服电机控制器与PLC的对应接口相联，都通过PLC指令或控制柜的控制面盘上的对应按钮指令工作如图7、8所示）。

所述涡轮丝杠升降机构，包括伺服电机 6.b3 、变速器、涡轮、丝杠、固定磁铁架和电永磁吸管盘 8 ，伺服电机轴通过变速器与涡轮相连，涡轮与丝杠相连，丝杠下端与固定磁铁架相连，在固定磁铁架底面设有2-3块电永磁吸管盘8（如图1所示）。

所述纵臂支架行走机构 15 ，包括伺服电机 6.b4 、变速器、传动轴和设在传动轴两端的传动链轮，传动链轮与浮动悬梁上链条 13.c1 相啮合，带动纵臂支架 7 在浮动悬梁 4 之间前后运动（如图6所示）。

所述油管排放机构，包括可折叠的直角架横向边 18 、垂直于横向边末端且可折叠的油管滑道支柱 21 和设在油管滑道支柱折叠处下部且垂直于油管滑道支柱 21 的L型油管滑道 2 ，还包括倒油管支架 11 ，油管滑道支柱 21 与直角架纵向边 17 和直角架横向边 18 构成油管床（如图1所示）。

本实用新型的工作原理：

上述的所有伺服电机的强电电路都与控制柜的强电控制系统的对应接口相联，弱电电路都通过伺服电机控制器与PLC的对应接口相联，都通过PLC指令和控制柜的控制面盘上的对应按钮工作。指令浮动悬梁上的伺服电机，伺服电机按PLC控制的速度和行走距离进行工作，带动链轮在悬臂梁上的链条上行走，从而带动浮动悬梁前后行走，确定与井口的相对合适位置，确定后再指令纵臂支架行走机构上的伺服电机，伺服电机按PLC控制的速度和行走距离进行工作，带动传动轴上的链轮在浮动悬梁上的链条上转动，带动纵臂支架前后行走，确定纵臂支架与油管滑道的相对位置，确定后再指令纵臂支架上的纵臂驱动伺服电机，伺服电机按PLC控制的速度和行走距离进行工作，链轮在纵臂上的链条上转动，促使纵臂左右移动，将其移动到油管滑道上方，再指令涡轮丝杠升降机上的伺服电机，伺服电机按PLC控制的丝杠升降速度和升降高度通过电永磁吸盘将从油井起出而移到油管滑道上的油管吸住，再升起规定高度，通过移动纵臂支架，移到油管床上，通过油管分层垫杆一层层排起来。或通过移动纵臂支架将油管床上的油管移到油管滑道上，通过作业机下到井里，或将外倒在倒管支架上的油管倒在油管床上。

本实用新型具有以下优点：

1、本实用新型通过自动控制，可将从油井里起出的油管自动倒在油管床上，将油管床上的油管自动倒出下入油井里，也可将油管床上的油管自动倒出外运，将外运来的油管自动倒到油管床上；

2、自动控制程序可靠，扑捉油管牢靠，运行点位准确；

3、油管床设在直角架内，油管运行距离短，便于油管排放，节省操作时间；

4、彻底改变了人工排放模式，降低了修井工人的劳动强度和工作的安全性；

5主体架的直角架的横向边设为折叠式便于搬家运输。

附图说明

图1-本实用新型主视结构示意图

图2-本实用新型俯视结构示意图

图3-本实用新型左视结构示意图

图4-浮动悬梁与悬臂梁结构配合示意图（图1A向所示）

图5-纵臂支架与纵臂结构配合示意图（图3B向所示）

图6-纵臂支架行走机构示意图（图2C向所示）

图7-伺服驱动器接线示意图

图8-控制系统结构图

图9-操作程序方框图

图10-向油管床内倒油管示意图

图11-向油管床外倒油管示意图

图中，1-主体框架、2-油管滑道、3-油管分层垫杆、4-浮动悬梁 、5-扶正轮a1a2a3，6-伺服电机b1b2b3b4 ，7-纵臂支架、8-电永磁吸管盘、9-涡轮丝杠升降机构、10-纵臂（是按图1所示方向而定）、11-倒油管支架、12-井口、13-链条c1c2、14-齿轮d1d2、15-纵臂支架行走机构、16-悬臂梁、17-直角架纵向边、18-直角架横向边、19-直角架横撑、20-直角架横撑立柱、21-油管滑道支柱。

具体实施方式

为进一步公开本实用新型的技术方案，下面结合说明书附图通过实施例作详细说明：

如图1、2、3所示，本实用新型包括主体架 1 、浮动悬梁 4 、悬臂梁 16 、纵臂支架 7 、纵臂 10 、纵臂支架行走机构 15 、涡轮丝杠升降机构 9 和油管排放机构，其特征在于:主体架1由两个对称的直角架组成，在两个直角架纵向边之间设有纵撑，在两个纵向边的上端内侧焊有平衡于直角架横向边的两根对称的悬臂梁 16 ，在悬臂梁的上面的横向上设有一根链条 13.c1 ，在悬臂梁 16 左右两侧均匀设有同轴连接的扶正轮 5.a1 ，在悬臂梁外周套有一根浮动悬梁 4 ，在浮动悬梁 4 上顶面横向上设有一条链条 13.c2 ，在浮动悬梁 4 的左右内侧设有对称的扶正轮轨道，在浮动悬梁 4 与悬臂梁 16 的链条 13.c1的对应处开有一个矩形窗，在矩形窗的一侧设有一台带变速器和齿轮 14.d1 的伺服电机 6.b1 ，齿轮 14.d1 与悬臂梁 16 上的链条 13.c1 啮合带动浮动悬梁 4 前后往复运动（图4所示）；在两根浮动悬梁 4 之间设有一个由两根向背方钢组成的且有间距的纵臂支架 7 ，在纵臂支架 7 顶部设有中部带纵向开口的封板，两端设有连接板，在连接板上设有与浮动悬梁4上所设的扶正轮轨道相匹配的扶正轮 5.a2 ，在纵臂支架 7 内侧中部设有两条口相对方钢组成的扶正轮 5.a2 的扶正轨道，在纵臂支架 7 内中部设有一根同心的矩形体纵臂10，在矩形体纵臂 10 的前后两侧中部均匀设有同轴的扶正轮 5.a3 ，扶正轮 5.a3 与纵臂支架 7 上的扶正轨道相匹配，在矩形体纵臂 10 上顶面的中部纵向上设有一条链条 13.c2 ，链条 13.c2 与封板上所设的伺服电机 6.b2 上的齿轮 14d2 相啮合，带动矩形体纵臂 10 左右运动（如图5所示）；在矩形体纵臂 10 的上顶面的两端部设有垂直的涡轮丝杠升降机构 9 ；在纵臂支架封板的纵向中部设有带动纵臂支架 7 在两根浮动悬梁之间前后运动的纵臂支架行走机构15（如图6所示）。上述的所有伺服电机的强电电路都与控制柜的强电控制系统的对应接口相联，弱电电路都通过伺服电机控制器与PLC的对应接口相联，都通过PLC指令或控制柜的控制面盘上的对应按钮指令工作如图7、8、9所示）。

上述的所有伺服电机的强电电路都与控制柜的强电控制系统的对应接口相联，弱电电路都通过伺服电机控制器与PLC的对应接口相联，都通过PLC指令和控制柜的控制面盘上的对应按钮工作。指令浮动悬梁上的伺服电机，伺服电机按PLC控制的速度和行走距离进行工作，带动链轮在悬臂梁上的链条上行走，从而带动浮动悬梁前后行走，确定与井口的相对合适位置，确定后再指令纵臂支架行走机构上的伺服电机，伺服电机按PLC控制的速度和行走距离进行工作，带动传动轴上的链轮在浮动悬梁上的链条上转动，带动纵臂支架前后行走，确定纵臂支架与油管滑道的相对位置，确定后再指令纵臂支架上的纵臂驱动伺服电机，伺服电机按PLC控制的速度和行走距离进行工作，链轮在纵臂上的链条上转动，促使纵臂左右移动，将其移动到油管滑道上方，再指令涡轮丝杠升降机构上的伺服电机，伺服电机按PLC控制的丝杠升降速度和升降高度通过电永磁吸盘将从油井起出而移到油管滑道上的油管吸住，再升起规定高度，通过移动纵臂支架，移到油管床上，通过油管分层垫杆一层层排起来。或通过移动纵臂支架将油管床上的油管移到油管滑道上，通过作业机下到井里；或将外倒在油管支架上的油管倒在油管床上，或将油管床上的油管倒在油管支架上外运（如图10、11所示）。

电气控制系统

电气控制系统是被控对象与控制系统的结合，整个设备的神经中枢，它是保证设备性能的关键因素。对控制系统设计研究也就是对控制对象的性能进行分析研究，然后选择合理的结构参数，使控制系统与被控对象组成一个性能满足要求的系统。电气控制系统在依据设备以及生产工艺要求的情况下，与机械设计相配合的前提下设计合理的控制方案，确保系统的安全可靠性。

涡轮丝杠升降机构的研究主要包括它的动作、运行轨迹设计；吊具设计；驱动方式设计、智能控制器设计、以及能满足上述和井场各种工况要求的可靠性设计等。

如图1所示，为涡轮丝杠升降机构的运动轨迹设计。其中纵臂10，在X轴方向进行往复运动；浮动悬梁4，在Y轴方向进行往复运动，之间无相互影响；涡轮丝杠升降机构在Z向往复的升降运动和纵向的往复运动。每次的工作循环均需四种动作的复合并且多次的运动，从而形成控制意义上的三轴和四轴联动控制（如图2、图3所示）。

驱动方式设计

由于该装置要控制精度高，伺服电机可实现位置、速度的比环境控制，因此驱动设备全部选取为伺服电机。此外，伺服电机还具有恒扭矩特性，高速性能好；抗过载能力强，能够承受三倍的额定负载；运行平稳，响应速度快以及低噪音等特点。传动设备为蜗轮蜗杆减速箱或者螺旋升降机和链轮的传动方式。同时每台伺服电机需配置一台伺服驱动器，如图7伺服驱动器接线示意图所示。伺服驱动器与伺服电机之间存在闭环控制，与上位机存在信号交互，因此对环境以及干扰较敏感，应采取相应的保护以及抗干扰措施。

蜗轮蜗杆减速箱以及螺旋升降机结构简单紧凑，使用性能好，安全性好，具有控制精度高以及反向自锁的功能，但输入转速不宜过大。采用链传动，平均传动比平稳，但瞬时传动精度较低。

控制系统设计

如图8所示为与电气控制系统相结合的控制系统原理图。选用PLC 可编程逻辑控制器 为上位控制器，分别控制六台伺服电机以及电磁吸盘控制器。可编程逻辑控制器是种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作电子系统。它采用一种可编程的存储器，在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，通过数字式或模拟式的输入输出来控制各种类型的机械设备或生产过程。因具有可靠性高、编程容易、组态灵活，输入输出功能模块齐全、安装方便以及运行速度快等特点，在工业生产中得到广泛应用。在可编程逻辑控制器系统设计时，首先应确定控制方案，下一步工作就是可编程逻辑控制器工程设计选型。工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据。由于科学技术的发展，PLC 储存容量以及控制功能基本能满足中小型工程的应用。因此在PLC的设计工程中，主要是输入输出 I/O 点数的计算。在I/O点数估算时应考虑适当的余量，通常根据统计的输入输出点数，再增加10%～20%的可扩展余量后，作为输入输出点数估算数据。实际订货时，需根据制造厂商可编程逻辑控制器的产品特点，对输入输出点数进行圆整。根据该设备所实现的工艺功能，所选PLC应具有数字量输入输出端口，脉冲输出端口。经调研，市面现有PLC基本都能满足数字量输入输出点数的要求。但大多数PLC最多具有四路脉冲输出端口，不能满足现有设备六台伺服电机的设计要求。出于经济性考虑，不可能增加一台PLC或脉冲量输出模块。选择欧姆龙CP1H-40DT型号PLC作为控制器，其具有24路数字量输入点和16路输出点（包括8路脉冲输出），因此扩展一数字量输入输出模块（CP1M-40DT），则控制器具有48路输入点，24路数字量输出点，4路脉冲输出点。除脉冲输出点外均满足设计要求。根据设备设计工况，悬臂梁运动以及升降机运动分别为两台伺服电机同步运动，因此两台电机使用一路脉冲输出信号，通过脉冲分路器解决脉冲分配问题，其工作原理为采用高速光耦合进行脉冲信号隔离，使各路脉冲信号无漏点和干扰。这样所选控制器只需4路脉冲输出信号，满足工况要求。

根据设备所需实现的功能，设计开发系统操作程序，如图9所示，接通主电路电源，按下操作台电源按钮；选择控制方式，该系统提供手自动两种控制方式。

手动操作流程：手动方式可以按下控制柜操作面板上的相应的按钮控制三个方向的四种往复动作（纵臂支架15前后行走、浮动悬梁4前后行走、纵臂10往复行走、涡轮丝杠升降机构9升降往复运动）以及电永磁吸管盘8吸管动作。手动操作模式下，所有电机按钮均为单按钮操作方式，按一下启动，按两次停止；电磁取放料采用点动方式。按下操作台电源按钮，接通电源。手自动选择旋钮到手动挡，根据工况需要进行升降机升降，浮动悬梁4以及纵臂10的往复行走，以及取料放料动作。由于装置驱动方式为伺服控制，位置控制精度高，因此除升降机外均未加限位开关，手动操作应注意机械装置的行程，避免碰撞。自动方式则需将手自动旋钮打至自动位，其次选择工作模式为工作或倒料，当选择完毕，判断设备是否在原点位置，若不在原点，按下回参考点按钮，设备自动回原点。此时按下置位按钮，程序清零，按下程序启动，设备按照设计动作轨迹自动运行。在运行过程中自动判断循环流程的时间长短进行延时，当一层油管起下完成后自动进行下一层的排列。并且在程序执行过程中任意时刻均可进行暂停操作，按程序停止暂停，按程序启动继续执行。当程序执行完成，按下回参考点时，装置自动动作回原点。当程序执行未执行完成而出现故障时，按下复位按钮，程序复位。

程序设计

设备控制系统控制器为欧姆龙CP1H系列PLC，其程序设计选用欧姆龙开发设计编程软件，CX-ONE.该软件为一集成式支持软件开发包，能够满足伺服驱动器、网络、变频器、温度传感器以及常规程序的开发应用。程序设计语言为ST语言，优势在于处理数值计算和文本字符串的编程，减少程序复杂性。此外，CX-ONE还支持程序模拟以及现场监控功能，减少程序调试的工作量，缩短研发周期。该程序采用结构化的编程方法，将程序所需实现的功能进行分组。首先根据操作顺序将程序的输入部分分为公共部分，自动程序部分以及手动程序部分。公共部分包括电源开关、故障报警、回参看点、程序置位复位以及所有手自动程序的执行输出段程序。手自动输入段程序分别编写，采用IL互锁功能进行程序互锁，防止程序重复输出。由于输出段程序同时出现在公共段，因此也将程序的输出进行互锁。虽然程序会有部分冗余，但程序执行安全可靠。

排放油管的实现过程

管架的大小、排放多少定好之后，油管是如何实现在管架上摆放的，我们进行了研究后制订了一下操作的程序

（1）井场准备

①按装置在井场的摆放位置平整场地等；

②按摆放尺寸要求将装置吊放就位，将直角架横向边18折起部分翻转放平，且与地面接触必须平实；

③根据装置的摆放场地与井台井口操作的高度差，以方便操作为前题确定油管滑道2的高度（0.8米、1米或1.2米）并安装油管滑道；

④按装置用电的接地规范使接地桩可靠接地；

⑤将电控柜按要求摆放就位，并按规范连接动力电缆、控制电缆及插头等；

⑥给电控柜送电并确认已受电，手动试验漏电保护并确认可靠；

⑦按“启动”按钮，电控柜内部电路送电并与装置的各个电单元处于连通状态；同时系统也自动进行元件和功能正常化自检，若有异常则系统应有故障报警（故障灯或故障码显示）并予以排除直至正常。

（2）、提油管自动的操作方式

①按下‘自动’操作按钮；

②选择油管规格按键；

③按下‘起管’按钮，此时涡轮丝杠升降机构9自动行驶至起油管的‘等待原点’并停止，此原点应是涡轮丝杠升降机构9在最高点并最靠近油管滑道2一侧，且浮动悬梁4前端不影响油管在滑道内滑行升降；

④输入所提第一根油管的始排位置编码并确认；

⑤在井口工人开始从井内起油管，使油管进入滑道并摘掉吊卡后由井口工推油管使接箍与滑道端部接触；

⑥此时，接箍触碰开关、或由井口工人干预的开关导通，这时自动排管装置便按照预先设定的程序自动使电永磁吸管盘8先行至油管滑道2的正上方并自动下行至油管，吸住油管并自动上升至最高点触发行程开关后停止，纵臂10自动纵向行走或纵向臂支架15单独行走、或浮浮动悬梁4单独行走、至所输入始排编码位置的正上方，电永磁吸管盘8自动下行至油管与油管分层垫杆3接触且触发二个行程开关后停止并释放油管，电永磁吸管盘8再上行至最高点停止，电永磁吸管盘8横向行走至‘等待原点’停止并等待下一根油管自动吊取排放的动作指令。 至此，装置完成了起油管作业中一根油管自动吊取和排放的完整动作循环。

在起油管连续作业的自动排管控制中，油管在装置内管架排放的位置顺序是按照工步④输入的始排位置编码按序后延自动排放，当排完位置编码的最后一个时，系统再自动从编码开始按序在上一层排管，依此循环反复。

起油管作业中若遇突发停电或遇恶劣天气等原因而不得不关闭电控柜电源的情况，当恢复供电而继续起油管作业时，只需按上述工步①再按序操作，装置便会继续进行自动排管的循环动作。

（3）、提油管半自动的操作方式

①按下‘半自动’操作按钮；

②选择油管规格按键；

③按下‘起管’按钮，此时电永磁吸管盘8自动行驶至起油管的‘等待原点’并停止；

④输入所提油管要在管架排放的位置编码并确认；

⑤、工步与上述自动排管的⑤工步完全相同；

⑥、工步与上述自动排管的⑥工步完全相同；

半自动排管与自动排管的区别只是按工步④对丼内提出的每根油管都要输入一个在管架排放的位置编码并确认，若无新位置编码输入并确认，即便是井口工或电控柜有人又给了动作开始信号，装置也不会动作。这是为了在尽可能不降低作业时率的前提下满足某些特殊施工的需要，如冲砂接单根时在管架暂放带水龙头的冲砂管并便于再次快速吊取等。

需要考虑的是要在电控柜设一个‘暂停’按钮。即无论是起油管还是下油管，无论是自动或半自动操作运行，都应有暂停功能，以应对不可预测的突发情况时暂停和起下油管时暂停以对每排油管进行丈量。‘暂停’撤销后系统便即刻自动恢复到原工作状态并继续工作。

（3）、提油管手动的操作方式

按下‘手动’操作按钮，即解除了各功能按钮之间的关联自动动作，实现各键的独立操作运行。但值得注意的是：由于装置内油管排列的接箍间距最小是2mm的毫米级别，且电永磁吸管盘8的横向行走和定位是浮动悬梁行走定位与纵臂支架行走定位的复合运动，因此要手动操作使20多根油管之间都能均衡达到毫米级别间距的精准定位排列非常困难且效率也很低，因此手动操作只能应用于特殊工况的特殊环节，或在对设备进行调试、检修和故障排查时应用。