一种可实现自动找正功能的抽油杆自动吊卡及使用方法与流程

[0001]
本发明涉及石油修井抽油杆作业设备及方法领域，特别涉及一种可实现自动找正功能的抽油杆自动吊卡及使用方法。


背景技术：

[0002]
随着国家对油气资源的不断开发，多数油田已经进入到石油开采的中、后期阶段，修井任务也越来越繁重。据统计，我国油田作业中有85%以上为小修作业，而在小修作业中，工作量最大、耗时最长的工作是起下管柱。现阶段对于抽油杆的起下动作，国内普遍采用双吊卡起下管柱工艺。抽油杆小修作业大部分作业工艺需要井口工人参与，井口工人工作强度大、长时间工作会使工人产生疲惫感，作业安全隐患较高，小修作业效率也会随之降低。
[0003]
针对上述问题，在不影响小修作业的工作效率的前提下，尽可能地降低井口工人的工作强度，减少井口工人的作业安全隐患，研制出一种可实现自动找正功能的抽油杆自动吊卡。井口工人可以远程控制自动吊卡的张开、锁紧。在吊卡无法完全卡住抽油杆时，自动吊卡可以自动找正进而完全卡住抽油杆。同时自动吊卡与卡瓦形成“一吊一卡”的模式，吊卡通过销钉悬吊在吊环上，无需工人频繁地拔插吊卡销子、摘换吊卡，极大地降低井口工人的工作强度，减少井口工人的作业安全隐患，同时可以提高修井作业的工作效率。
[0004]
另外，本发明是在之前申请的中国专利申请号为cn202011073476x（一种油田修井作业抽油杆自动吊卡及使用方法）扩展和升级，cn202011073476x（一种油田修井作业抽油杆自动吊卡及使用方法）夹持抽油杆的方法是三个抽油杆卡爪共同作用卡紧抽油杆的推承面台肩的外切圆，并不适用于所有的抽油杆的夹持，本专利夹持抽油杆的方法是四个抽油杆卡爪先夹持抽油杆扳手方后，抽油杆卡爪后退一小段距离，自动吊卡上提最终抽油杆卡爪夹持抽油杆的推承面台肩位置。


技术实现要素：

[0005]
本发明的目的就是针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种可实现自动找正功能的抽油杆自动吊卡及使用方法，由机械执行模块和动力控制模块组成，能够保证自动吊卡安全可靠地锁紧抽油杆，减少井口工人的作业安全隐患；自动吊卡与卡瓦形成“一吊一卡”的模式，无需井口工人频繁更换吊卡，降低井口工人的工作强度，提高修井作业的工作效率；同时对实现小修作业自动化、智能化具有重大意义。
[0006]
本发明提到的一种可实现自动找正功能的抽油杆自动吊卡，其技术方案是：包括机械执行模块和动力控制模块两部分，机械执行模块又分为旋转执行机构和夹紧执行机构，旋转执行机构包括转筒、箱体端盖挡块、齿轮箱体端盖、推力球轴承、齿轮箱体、大齿轮、1号小齿轮，夹紧执行机构包括可调节支座、抽油杆卡爪、2号小齿轮、带平面盘丝螺纹的大齿轮；所述转筒与齿轮箱体通过推力球轴承连接，齿轮箱体的上部安装齿轮箱体端盖，齿轮箱体端盖的一侧设有箱体端盖挡块，可调节支座通过螺纹连接在齿轮箱体的下表面上，在齿轮箱体内安装2号小齿轮、带平面盘丝螺纹的大齿轮、大齿轮、1号小齿轮，在齿轮箱体的
下侧安装抽油杆卡爪；所述动力控制模块包括行程开关、24v电源、伺服电机、plc控制器通讯设备、接近开关、步进电机驱动器、步进电机、伺服电机驱动器、plc控制器，所述行程开关安装在可调节支座下表面上，所述24v电源、plc控制器、plc控制器通讯设备、步进电机驱动器、伺服电机驱动器安装在齿轮箱体端盖上并通过螺栓连接；所述接近开关安装在齿轮箱体的下端面上；带平面盘丝螺纹的大齿轮上端面与2号小齿轮通过齿轮啮合，下端面与抽油杆卡爪通过盘丝螺纹连接，伺服电机驱动2号小齿轮运转带动带平面盘丝螺纹的大齿轮转动进而带动抽油杆卡爪沿直径方向移动；所述1号小齿轮与大齿轮通过齿轮啮合，步进电机驱动1号小齿轮转动带动大齿轮转动。
[0007]
优选的，上述的转筒两侧安装有吊环吊耳，两个吊环吊耳呈180
°
布置，通过吊环吊耳连接吊环与自动吊卡，并在吊环吊耳上安装有吊卡销子以防止自动吊卡脱落。
[0008]
优选的，上述转筒外侧同时设有两个导轨吊耳，两个导轨吊耳与吊环吊耳呈90
°
布置，导轨吊耳与立柱滑座固定连接以保证自动吊卡沿立柱方向移动。
[0009]
优选的，上述的推力球轴承安装在转筒与自动吊卡之间，在抽油杆卡爪未完全夹持住扳手方时可使齿轮箱体转动确保抽油杆卡爪完全夹紧抽油杆扳手方；同时，自动吊卡移动将两抽油杆对接后，上卸扣钳向井口移动并夹紧抽油杆扳手方，当扳手方平面为正对上卸扣钳的平面时，上卸扣钳夹紧的过程中，自动吊卡因安装有推力球轴承上端抽油杆可以发生转动进而保证上卸扣钳平面与抽油杆扳手方平面平行以夹紧抽油杆。
[0010]
优选的，上述带平面盘丝螺纹的大齿轮驱动的抽油杆卡爪有四个，四个抽油杆卡爪可同时沿径向圆心运动夹紧抽油杆的扳手方上方的推承面台阶位置。
[0011]
优选的，上述带平面盘丝螺纹的大齿轮上方安装有挡块，对大齿轮进行轴向定位，防止在轴向上的力过大导致带平面盘丝螺纹的大齿轮上移而发生盘丝螺纹与抽油杆卡爪分离的现象。
[0012]
优选的，上述伺服电机采用闭环控制，在未达到抽油杆扳手方的正平面上时，伺服电机反转，步进电机启动带动1号小齿轮旋转进而带动大齿轮转动45
°
后伺服电机正转可以保证抽油杆卡爪夹紧抽油杆扳手方。
[0013]
优选的，上述齿轮箱体端盖上方为小型控制台，齿轮箱体端盖上安装有plc控制器、plc控制器通讯设备、步进电机驱动器、伺服电机驱动器，plc控制器通讯设备可以接收接近开关、行程开关和其他plc控制器的信号并传递给plc控制器，plc控制器接收到信号后可以驱动步进电机驱动器和伺服电机驱动器以控制自动吊卡的运转。
[0014]
本发明提到的可实现自动找正功能的抽油杆自动吊卡的使用方法，包括以下过程：下抽油杆过程，在初始位置时，自动吊卡未夹持抽油杆：抽油杆卡爪在远离抽油杆轴线位置，自动吊卡处于张开的状态；动力猫道将抽油杆由水平翻转90
°
，机械手由硬夹持变成软夹持，自动吊卡沿立柱方向下移；在抽油杆一端即将进入吊卡时，接近开关被触发，接近开关发出信号，plc控制器通讯设备接收信号并传递给plc控制器，伺服电机驱动器接收来自plc控制器的信号并驱动伺服电机旋转并驱动夹紧执行机构动作；伺服电机与2号小齿轮通过平键连接，2号小齿轮和带盘丝螺纹的大齿轮内啮合，抽油杆卡爪与带盘丝螺纹的大齿轮通过平面盘丝螺纹啮合；伺服电机正转驱动2号小齿轮旋转，
进而2号小齿轮带动带平面盘丝螺纹的大齿轮转动，最终动力传递到抽油杆卡爪上，使抽油杆卡爪沿直径方向向轴心线方向移动；伺服电机采用闭环控制，并具有测距功能；如果达到某型抽油杆扳手方径设定尺寸，设定尺寸小于扳手方径最大尺寸，即对角线尺寸，小于直角边尺寸，则伺服电机继续前进，通过上述中间传动部件带动抽油杆卡爪前进，接触扳手方径并施加力矩在扳手方径上，同时，扳手方径反力矩作用于抽油杆卡爪上，间接传递到齿轮箱体，齿轮箱体与转筒中间有推力球轴承，在反力矩作用下旋转，直至抽油杆卡爪正对抽油杆扳手方径，完成自找正夹持夹持抽油杆扳手方径，在承受抽油杆承受抽油杆水平方向分力时，依靠带平面盘丝螺纹的大齿轮的平面盘丝螺纹自锁承载水平分力；在抽油杆卡爪未达到抽油杆扳手方的正平面上时，伺服电机反转指定圈数以保证自动吊卡旋转时不与抽油杆干涉；在伺服电机完成反转动作后，发出信号给plc控制器通讯设备，plc控制器通讯设备接收信号并传递给plc控制器，步进电机驱动器接收来自plc控制器的信号并驱动步进电机旋转并驱动旋转执行机构动作；步进电机与1号小齿轮通过平键连接，1号小齿轮与大齿轮内啮合；步进电机驱动1号小齿轮转动，进而1号小齿轮带动大齿轮旋转；由于大齿轮与转筒通过螺钉连接，转筒与齿轮箱体之间安装有推力球轴承，二者可发生相对转动，步进电机旋转带动自动吊卡旋转45
°
；在旋转执行机构完成旋转45
°
动作后，再次向plc控制器通讯设备发出信号，经信号的传输驱动伺服电机旋转带动夹紧执行机构动作，此时伺服电机为开环控制，直到夹紧抽油杆扳手方为止；在夹紧抽油杆扳手方后，伺服电机回退一小段距离，吊环带动自动吊卡上移，抽油杆卡爪端面与抽油杆推承面台阶接触完成抽油杆的夹持动作；在完成抽油杆的夹持动作后自动吊卡沿着立柱方向向下移动至抽油杆的一端与另一根抽油杆的接箍接触，进行上卸扣动作，抽油杆与上卸扣钳端面的位置夹角范围为0~45
°
，夹角为中间值时，上卸扣钳夹紧抽油杆时会发生转动，转筒与齿轮箱体之间的推力球轴承可保证抽油杆可以相对转筒转动，进而保证上卸扣钳可以夹紧抽油杆扳手方；在完成上卸扣动作后，动力猫道机械手张开，猫道回位；自动吊卡沿着立柱方向继续下移，在自动吊卡下方的行程开关与动力卡瓦的上端面接触时，制动电机停止自动卡瓦的下放动作；同时向plc控制器通讯设备发出信号，plc控制器通讯设备接收信号并传递给plc控制器，伺服电机驱动器接收来自plc控制器的信号并驱动伺服电机旋转并驱动夹紧执行机构动作；伺服电机反转驱动抽油杆卡爪返回至初始位置；在完成抽油杆下放动作后，吊环带动自动吊卡沿立柱方向上移至自动吊卡的初始位置；至此，完成自动吊卡下管柱整个动作，自动吊卡准备进行下一周期的动作。
[0015]
与现有技术相比，本发明的有益效果具体如下：本发明由机械执行模块和动力控制模块组成，能够保证自动吊卡安全可靠地锁紧抽油杆，减少井口工人的作业安全隐患；自动吊卡与卡瓦形成“一吊一卡”的模式，无需井口工人频繁更换吊卡，降低井口工人的工作强度，提高修井作业的工作效率；同时对实现小修作业自动化、智能化具有重大意义；本发明基本可以实现任何尺寸抽油杆的夹紧，使用plc控制器和传感器实现吊卡的自动化；提高了修井作业效率、减轻了工人的劳动强度，保证了工人的人身安全，实现了由人机协同操作到自动化、智能化的转变。
附图说明
[0016]
图1是本发明的总体剖视图；图2是本发明的俯视图；图3是本发明初始位置示意图；图4是本发明起抽油杆夹紧抽油杆过程和局部放大图；图5是本发明机械模块的夹紧执行机构示意图；图6是本发明机械模块的旋转执行机构示意图；图7是本发明抽油杆卡爪未夹紧抽油杆的示意图；图8是本发明抽油杆卡爪夹紧抽油杆的示意图；图9是本发明下抽油杆夹紧抽油杆过程和局部放大图；图10是抽油杆一端形状图；上图中：转筒1、箱体端盖挡块2、齿轮箱体端盖3、推力球轴承4、齿轮箱体5、可调节支座6、行程开关7、抽油杆卡爪8、24v电源9、伺服电机10、plc控制器通讯设备11、2号小齿轮12、带平面盘丝螺纹的大齿轮13、接近开关14、步进电机驱动器15、大齿轮16、1号小齿轮17、步进电机18、伺服电机驱动器19、plc控制器20，抽油杆21、外螺纹21.1、卸荷槽21.2、推承面台肩21.3、扳手方21.4、凸缘21.5、圆弧过渡区21.6。
具体实施方式
[0017]
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
[0018]
实施例1，参照图1和图2，本发明提到的一种可实现自动找正功能的抽油杆自动吊卡，包括机械执行模块和动力控制模块两部分，机械执行模块又分为旋转执行机构和夹紧执行机构，旋转执行机构包括转筒1、箱体端盖挡块2、齿轮箱体端盖3、推力球轴承4、齿轮箱体5、大齿轮16、1号小齿轮17，夹紧执行机构包括可调节支座6、抽油杆卡爪8、2号小齿轮12、带平面盘丝螺纹的大齿轮13；所述转筒1与齿轮箱体5通过推力球轴承4连接，齿轮箱体5的上部安装齿轮箱体端盖3，齿轮箱体端盖3的一侧设有箱体端盖挡块2，可调节支座6通过螺纹连接在齿轮箱体5的下表面上，在齿轮箱体5内安装2号小齿轮12、带平面盘丝螺纹的大齿轮13、大齿轮16、1号小齿轮17，在齿轮箱体5的下侧安装抽油杆卡爪8；所述动力控制模块包括行程开关7、24v电源9、伺服电机10、plc控制器通讯设备11、接近开关14、步进电机驱动器15、步进电机18、伺服电机驱动器19、plc控制器20，所述行程开关7安装在可调节支座6下表面上，所述24v电源9、plc控制器20、plc控制器通讯设备11、步进电机驱动器15、伺服电机驱动器19安装在齿轮箱体端盖3上并通过螺栓连接；所述接近开关14安装在齿轮箱体5的下端面上；带平面盘丝螺纹的大齿轮13上端面与2号小齿轮12通过齿轮啮合，下端面与抽油杆卡爪8通过盘丝螺纹连接，伺服电机10驱动2号小齿轮12运转带动带平面盘丝螺纹的大齿轮13转动进而带动抽油杆卡爪8沿直径方向移动；所述1号小齿轮17与大齿轮16通过齿轮啮合，步进电机18驱动1号小齿轮17转动带动大齿轮16转动。
[0019]
优选的，上述的转筒1两侧安装有吊环吊耳，两个吊环吊耳呈180
°
布置，通过吊环吊耳连接吊环与自动吊卡，并在吊环吊耳上安装有吊卡销子以防止自动吊卡脱落。
[0020]
优选的，上述转筒1外侧同时设有两个导轨吊耳，两个导轨吊耳与吊环吊耳呈90
°
布置，导轨吊耳与立柱滑座固定连接以保证自动吊卡沿立柱方向移动。
[0021]
优选的，上述的推力球轴承4安装在转筒1与自动吊卡之间，在抽油杆卡爪8未完全夹持住扳手方时可使齿轮箱体5转动确保抽油杆卡爪8完全夹紧抽油杆扳手方；同时，自动吊卡移动将两抽油杆对接后，上卸扣钳向井口移动并夹紧抽油杆扳手方，当扳手方平面为正对上卸扣钳的平面时，上卸扣钳夹紧的过程中，自动吊卡因安装有推力球轴承4上端抽油杆可以发生转动进而保证上卸扣钳平面与抽油杆扳手方平面平行以夹紧抽油杆。
[0022]
优选的，上述带平面盘丝螺纹的大齿轮13驱动的抽油杆卡爪8有四个，四个抽油杆卡爪8可同时沿径向圆心运动夹紧抽油杆的扳手方上方的推承面台阶位置。
[0023]
优选的，上述带平面盘丝螺纹的大齿轮13上方安装有挡块，对大齿轮16进行轴向定位，防止在轴向上的力过大导致带平面盘丝螺纹的大齿轮13上移而发生盘丝螺纹与抽油杆卡爪8分离的现象。
[0024]
优选的，上述伺服电机10采用闭环控制，在未达到抽油杆扳手方的正平面上时，伺服电机10反转，步进电机18启动带动1号小齿轮17旋转进而带动大齿轮16转动45
°
后伺服电机10正转可以保证抽油杆卡爪8夹紧抽油杆扳手方。
[0025]
优选的，上述齿轮箱体端盖3上方为小型控制台，齿轮箱体端盖3上安装有plc控制器20、plc控制器通讯设备11、步进电机驱动器15、伺服电机驱动器19，plc控制器通讯设备11可以接收接近开关14、行程开关7和其他plc控制器的信号并传递给plc控制器20，plc控制器20接收到信号后可以驱动步进电机驱动器15和伺服电机驱动器19以控制自动吊卡的运转。
[0026]
参照图10，本发明的抽油杆21的一端形状，包括外螺纹21.1、卸荷槽21.2、推承面台肩21.3、扳手方21.4、凸缘21.5、圆弧过渡区21.6。
[0027]
本发明提到的可实现自动找正功能的抽油杆自动吊卡的使用方法，包括以下过程：参照图3，下抽油杆过程，在初始位置时，自动吊卡未夹持抽油杆：抽油杆卡爪8在远离抽油杆轴线位置，自动吊卡处于张开的状态；动力猫道将抽油杆由水平翻转90
°
，机械手由硬夹持变成软夹持，自动吊卡沿立柱方向下移；在抽油杆一端即将进入吊卡时，接近开关14被触发，接近开关14发出信号，plc控制器通讯设备11接收信号并传递给plc控制器20，伺服电机驱动器19接收来自plc控制器20的信号并驱动伺服电机10旋转并驱动夹紧执行机构动作；伺服电机10与2号小齿轮12通过平键连接，2号小齿轮12和带盘丝螺纹的大齿轮13内啮合，抽油杆卡爪8与带盘丝螺纹的大齿轮13通过平面盘丝螺纹啮合；伺服电机10正转驱动2号小齿轮12旋转，进而2号小齿轮12带动带平面盘丝螺纹的大齿轮13转动，最终动力传递到抽油杆卡爪8上，使抽油杆卡爪8沿直径方向向轴心线方向移动；伺服电机10采用闭环控制，并具有测距功能；如果达到某型抽油杆扳手方径设定尺寸，设定尺寸小于扳手方径最大尺寸，即对角线尺寸，小于直角边尺寸，则伺服电机10继续前进，通过上述中间传动部件带动抽油杆卡爪8前进，接触扳手方径并施加力矩在扳手方径上，同时，扳手方径反力矩作用于抽油杆卡爪8上，间接传递到齿轮箱体5，齿轮箱体5与转筒1中间有推力球轴承4，在反力矩作用下旋转，直至抽油杆卡爪8正对抽油杆扳手方径，完成自找正夹持夹持抽油杆扳手方
径，在承受抽油杆承受抽油杆水平方向分力时，依靠带平面盘丝螺纹的大齿轮13的平面盘丝螺纹自锁承载水平分力；参照图7，在抽油杆卡爪8未达某型抽油杆扳手方径设定尺寸时，需要旋转执行机构运动进行调整。
[0028]
参考图2、4~8，在抽油杆卡爪8未达到抽油杆扳手方的正平面上时，伺服电机10反转指定圈数以保证自动吊卡旋转时不与抽油杆干涉；在伺服电机10完成反转动作后，发出信号给plc控制器通讯设备11，plc控制器通讯设备11接收信号并传递给plc控制器20，步进电机驱动器15接收来自plc控制器20的信号并驱动步进电机18旋转并驱动旋转执行机构动作；步进电机18与1号小齿轮17通过平键连接，1号小齿轮17与大齿轮16内啮合；步进电机18驱动1号小齿轮17转动，进而1号小齿轮17带动大齿轮16旋转；由于大齿轮16与转筒1通过螺钉连接，转筒1与齿轮箱体5之间安装有推力球轴承4，二者可发生相对转动，步进电机18旋转带动自动吊卡旋转45
°
；在旋转执行机构完成旋转45
°
动作后，再次向plc控制器通讯设备11发出信号，经信号的传输驱动伺服电机10旋转带动夹紧执行机构动作，此时伺服电机10为开环控制，直到夹紧抽油杆扳手方为止；在夹紧抽油杆扳手方后，伺服电机10回退一小段距离，吊环带动自动吊卡上移，抽油杆卡爪8端面与抽油杆推承面台阶接触完成抽油杆的夹持动作；参照1~2、4~5、8~9，在完成抽油杆的夹持动作后自动吊卡沿着立柱方向向下移动至抽油杆的一端与另一根抽油杆的接箍接触，进行上卸扣动作，抽油杆与上卸扣钳端面的位置夹角范围为0~45
°
，夹角为中间值时，上卸扣钳夹紧抽油杆时会发生转动，转筒1与齿轮箱体5之间的推力球轴承4可保证抽油杆可以相对转筒1转动，进而保证上卸扣钳可以夹紧抽油杆扳手方；在完成上卸扣动作后，动力猫道机械手张开，猫道回位；自动吊卡沿着立柱方向继续下移，在自动吊卡下方的行程开关7与动力卡瓦的上端面接触时，制动电机停止自动卡瓦的下放动作；同时向plc控制器通讯设备11发出信号，plc控制器通讯设备11接收信号并传递给plc控制器20，伺服电机驱动器19接收来自plc控制器20的信号并驱动伺服电机10旋转并驱动夹紧执行机构动作；伺服电机10反转驱动抽油杆卡爪8返回至初始位置；在完成抽油杆下放动作后，吊环带动自动吊卡沿立柱方向上移至自动吊卡的初始位置；至此，完成自动吊卡下管柱整个动作，自动吊卡准备进行下一周期的动作。
[0029]
参考图1~2、5~6，8~9，起抽油杆工况时，自动吊卡下放至卡瓦工作台，通过调整可调节支座6的支座长度，抽油杆卡爪8正对抽油杆扳手方径长度中心位置。可调节支座6的行程开关7发出信号，并传递给plc控制器20，plc控制器20发出指令驱动伺服电机10旋转并驱动夹紧执行机构动作。后续执行过程同上述起抽油杆动作过程，不再赘述。
[0030]
值得一提的是，带平面盘丝螺纹的大齿轮13驱动四个抽油杆卡爪8可同时沿径向向圆心运动夹紧抽油杆的扳手方上方的推承面台阶位置，也可以同时沿直径方向远离圆心直到完全退出齿轮箱体5以达到更换抽油杆卡爪8的目的，更换不同的卡爪可以不同尺寸的油管和抽油杆的起下动。
[0031]
在上述起下抽油杆过程中，自动吊卡完成自动找正夹持抽油杆扳手方径后，上提或下放自动吊卡，抽油杆卡爪8在扳手方径上滑动接触抽油杆推承面台肩，依靠推承面台肩承载抽油杆串重量，而不是依靠伺服电机10动力，伺服电机10动力小，是不能承载抽油杆串重量；推承面台肩是倾斜面，产生水平分力，依靠带平面盘丝螺纹的大齿轮13的平面盘丝螺
纹承载水平分力，并自锁。
[0032]
以上所述，仅是本发明的部分较佳实施例，任何熟悉本领域的技术人员均可能利用上述阐述的技术方案加以修改或将其修改为等同的技术方案。因此，依据本发明的技术方案所进行的相应简单修改或等同变换，尽属于本发明要求保护的范围。