专利名称：全液压齿轮齿条钻机的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及钻机技术领域，具体涉及一种新型的全液压齿轮齿条钻机。
背景技术：
在2000米以内浅油、气、水井的钻井、欠平衡钻井、小井眼钻井、修井、不压井作业
和开窗侧钻等作业均采用液压钻机进行作业。现有的钻机结构复杂，成本高，都具有绞车、 游吊系统、钢丝绳、链条、猫头等结构，操作人员需站在转盘附近的危险区域操作钻柱，操作环境差，另外，维护保养麻烦，且成本高。传统的液压钻机液压系统都是开式的液压系统，对钻机的精确控制都有很大的限制，且现有的液压系统均为单个系统分别布局，系统结构分散，安装维护不便。较多采用液-液控制，少数采用的电-液控制的也只是针对对局部结构(如动力头等)，而国外对整套钻机采用的控制方式也多采用继电器、放大电路的“硬线”连接，采用这种的开环控制，节点多、做不到故障诊断、可靠性差。现有技术中，水龙头主要是气动旋扣器、顶驱。该二种动力单元结构都比较庞大， 而且只能实现上卸扣和提升功能，没有加压钻进功能，在钻井初期需要用钻铤进行加压，使用不方便，增加成本。现有的自动送钻需单独配置游吊系统，游吊系统结构复杂，造价高，操作控制精度不高。钻机的管子是由液压猫道进行处理的，主要有平跑道、斜跑道、移动杆、 支架、电气及液压系统以及拖轮机构等辅助装置几大部分组成，体积比较庞大，结构比较复杂，操作不方便。
实用新型内容为解决现有技术存在的上述缺陷，本实用新型的目的在于提供一种结构紧凑，成本低，操作维护方便，实现精确定位和控制，工作可靠，提高现场作业成功率的全液压齿轮齿条钻机为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案该全液压齿轮齿条钻机，包括动力系统、运载车底盘、分动箱、井架、动力头、钻杆处理装置、液压系统、电控系统，其特征在于 所述动力头为液压动力水龙头，具有动力头机架和水龙头总成，所述动力头机架上安装有4 个液压马达和减速箱，在减速箱的轴端伸入至动力头机架的背面并安装4个小齿轮，小齿轮与安装在井架上的齿条啮合，在4个液压马达的轴头上安装1个编码器，在动力头底部安装2个反扭矩传感器和液压盘式刹车，在水龙头总成中间轴的轴头上安装1个实现自动定向钻井的编码器；所述钻杆处理装置，具有液压管排架、底座、机械臂和动力机构，所述机械臂上设有夹持钻杆的液压背钳，液压背钳通过翻转机构连接在机械臂上，机械臂一端铰接在底座上，底座和机械臂之间连接有推动机械臂翻转的油缸；所述液压系统为闭式液压系统，具有为动力头旋转液压系统、动力头提升液压系统、动力头旋转刹车液压系统和管子处理液压系统，所述动力头旋转液压系统具有提供动力的第1变量泵和第2变量泵，所述第1、2变量泵通过管路连接第1、2变量马达；所述动力头提升液压系统具有提供动力的第
33变量泵和第4变量泵，第3、4变量泵同时连接第3、4、5、6变量马达；所述管子处理液压系统包括管子起升液压缸、背钳缸和绷扣缸，所述管子起升液压缸、背钳缸和绷扣缸与变量液压油泵多功能阀连接，所述动力头旋转刹车液压系统的液压缸与变量液压油泵多功能阀连接；所述电控系统，具有上位机和PLC模块，所述PLC模块通过现场总线控制技术把上位机、 动力头从站、司钻台操作指示机构、司钻台触摸屏组成ftx)fibUS-DP网络，管子处理器、主发动机监测模块、钻井空压机监测模块通过CAN总线并行处理，并采用HMS的Anybus解决方案，通过DP转换器实现CAN总线与ftOfibus -DP网络相连，动力头从站通过两个电液比例阀分别连接动力头提升马达和动力头旋转马达。所述4个液压马达和减速箱之间设有实现动力头的工作制动和驻车制动的多级盘式制动器。所述机械臂上设有自动调垂直度装置。采用上述技术方案的有益效果该全液压齿轮齿条钻机的水龙头使动力头与提升 (加压)系统合为一体，动力头具有旋转(钻井)功能、提升/下放功能、加压钻进功能；在控制系统作用下，实现自动送钻功能、自动定向钻井功能、反扭矩释放的功能。在中间轴的轴头上安装1个分辨率IOM位的编码器，实现自动定向钻井钻水平井或定向井时，刹车钳抱死，通过动力头上下运动来下放钻柱，当涡轮钻具的实际位置与目标靶区偏离时，信号反馈给PLC，PLC给液压马达信号，马达开始工作，当轴头转过设定的角度后，编码器信号反馈给PLC，PLC给盘刹钳信号，盘刹抱死，从而精确的控制钻头的旋转角度和钻压。钻杆处理装置具有可翻转的液压背钳，液压背钳通过翻转机构翻转90°后抓取钻杆，再翻转回原位置，油缸推动机械臂翻转，将钻杆竖直送至井口，通过动力头完成上扣后，用绷扣缸紧扣； 卸扣时，通过液压背钳夹紧钻柱，先由绷扣缸松扣，然后由动力头卸扣，最后由机械臂将井口的钻杆放到地面管排架上。机械臂上设有自动调垂直度装置，在钻机作业前，可对钻杆处理装置的机械臂先调垂直度。结构简单，操作方便，可直接抓取钻杆送到井口，作业效率高。 闭式液压系统，采用基于电液闭环比例技术，指令参量的输入以模拟量的直流电压信号来实现，简化了液压系统，降低了成本，提高了液压系统的精度，提高了系统的可靠性。电控系统采用PLC模块为控制核心，并通过现场总线控制技术把设备组成ibus - DP网络；管子处理器、主发动机监测模块和钻井空压机监测模块(监测柴油机水温、机油压力、转速、运转时间、电瓶电压等参数信息，并可实现故障声光报警)通过CAN总线并行处理，并采用HMS 的Anybus解决方案，实现CAN总线与ibus总线网络相连，它可以实现钻井数据实时处理(储存，打印，回放)，具有集中监视、自动化控制、灵活操作、便利于生产管理和设备管理多种功能。与现有技术相比，简化了的液压系统，降低了成本，提高了液压系统的精度，提高了系统的可靠性。该全液压齿轮齿条钻机既能提供拉力又能提供推力，特别适用于定向井、水平井、测钻井等特殊钻井和复杂情况下浅井、中深井钻井。除钻垂直井眼外，还有较好的水平钻进能力。使用这类钻机钻井时，可直接进行造斜，也可先向下钻出一段垂直井眼， 然后再转向进行水平钻进，从而将套管下到全部的产油气带，大大提高现场作业的成功率。 同时，齿条齿轮钻机所需的占地面积仅为传统钻机占地面积的三分之一左右，是一种结构紧凑、实现精确定位和控制，性能先进，工作可靠，便于移运，成本较低，操作人员少，机动性强，工作效率高。以下结合附图对本实用新型的具体实施例作进一步详细的说明。
图1为全液压齿轮齿条钻机主机结构示意图。图2为动力头的结构示意图。图3为图2的左视图。图4为动力头与齿条配合的结构示意图。图5为钻杆处理装置的结构示意图。图6为液压系统结构示意图。图7为电控系统通讯结构示意图。
具体实施方式
如
图1所示的2000m全液压齿轮齿条钻机，由动力系统、8X8运载车2、分动箱8、 带泵箱9、井架1、动力头5、钻杆处理装置、液压系统、电控系统以及散热水箱4、传动箱7、液压油箱10等主要部件组成。井架1由前支架3和后支架12支撑，钻机由1台630hp柴油机6作为行驶和钻井作业动力。柴油机通过液力传动箱7驱动分动箱8，分动箱8通过摘挂或驱动运载车2行走，或在作业状态时驱动液压泵。液压泵即可驱动动力头的液压马达旋转，实现旋转钻进作业，又可驱动动力头5的提升/加压液压马达及减速箱，完成动力头的提升和下放。如图2、3、4所示动力头为液压动力水龙头，具有动力头机架1. 1，动力头机架1. 1 上设有水龙头总成，水龙头总成包括液压马达1.2、1.4，输入轴1.3、1.5，中间轴1. 15，液压马达1. 2,1. 4分别驱动输入轴1. 3,1. 5，经过中间轴1. 15减速，从而驱动中心管1. 9旋转。 所述动力头机架上安装有4个液压马达1. 6,1. 7,1. 10、1. 11和减速箱1. 12，在减速箱的轴端伸出至动力头机架的背面并安装4个小齿轮1. 13，小齿轮1. 13与安装在井架上的齿条 1. 14啮合，实现动力头的提升/下放功能。在提升/下放的4个液压马达的轴头上安装1 个编码器，与装备系统中的精密压力变送器、工作方式选择开关(恒压、恒速)、转向选择开关(正转/反转)、恒速给定按钮、测速给定按钮配合来实现自动送钻功能。在4个液压马达 1. 11和减速箱1. 12之间的多级盘式制动器，实现动力头的工作制动和驻车制动。在动力头底部安装2个反扭矩传感器和液压盘式刹车1. 8，防止当动力头停止旋转钻进时，钻柱由于反扭矩的释放，造成钻具脱扣。在水龙头总成中间轴1. 15的轴头上安装1个实现自动定向钻井的编码器，编码器的分辨率IOM位，实现自动定向钻井钻水平井或定向井时，刹车钳抱死，通过动力头上下运动来下放钻柱。当涡轮钻具的实际位置与目标靶区偏离时，信号反馈给PLC，PLC给液压马达信号，马达开始工作，当轴头转过设定的角度后，编码器信号反馈给PLC，PLC给盘刹钳信号，盘刹抱死，从而精确的控制钻头的旋转角度和钻压。如图5所示的钻杆处理装置，具有液压管排架2. 1、底座2. 2、机械臂2. 3和动力机构，所述机械臂2. 3上设有夹持钻杆2. 4的液压背钳2. 5，液压背钳2. 5通过翻转机构2. 6 连接在机械臂2. 3上，翻转机构2. 6由小油缸推动翻转，机械臂2. 3的一端铰接在底座2. 2 上，底座2. 2和机械臂2. 3之间连接有推动机械臂翻转的油缸2. 7。液压背钳翻转后抓取钻杆，再翻转回原位置，并由油缸推动机械臂翻转，将钻杆竖直送至井口，通过动力头完成上扣后，用绷扣缸紧扣；卸扣时，通过液压背钳夹紧钻柱，先由绷扣缸松扣，然后由动力头卸扣，最后由机械臂将井口的钻杆放到地面管排架上。所述机械臂上设有自动调垂直度装置。 在钻机作业前，钻杆处理装置的机械臂需要先调垂。机械臂垂直度自动控制功能如下自动调垂时，先由自动调垂功能，将机械臂自动升到与标准垂直位置误差正负3°以内，此时允许自动调垂，控制器采集倾角传感器的信号计算出机械臂当前位置，通过闭环PID功能块计算出液压比例阀需要的开度，从而自动改变PWM输出通道输出，自动调整机械臂位置一直到与标准位置重合。手动调垂模式下操作人员通过手柄直接调整机械臂位置到与标准位置重合。然后将此位置标定，每次机械臂夹取钻杆到此位置后，液压缸停止运动。如图6所示的液压系统为闭式液压系统，具有为动力头旋转液压系统、动力头提升液压系统、动力头旋转刹车液压系统和管子处理液压系统，所述动力头旋转液压系统具有提供动力的第1变量泵3. 1和第2变量泵3. 2，所述第1、2变量泵通过管路连接第1、2变量马达3. 3,3. 4 ；所述动力头提升液压系统具有提供动力的第3变量泵3. 11和第4变量泵 3. 10，第3、4变量泵同时连接第3、4、5、6变量马达3. 12,3. 13,3. 14,3. 15 ；所述管子处理液压系统包括管子起升液压缸3. 8、背钳缸3. 7和绷扣缸3. 6，所述管子起升液压缸、背钳缸和绷扣缸与变量液压油泵多功能阀3. 9连接，所述动力头旋转刹车液压系统的液压缸3. 5与变量液压油泵多功能阀3. 9连接。如图7所示的电控系统，具有上位机(IPC)4. 1和PLC模块4. 2为西门子(SIEMENS) S7-300 PLC,所述PLC模块4. 2通过现场总线4. 4把上位机4. 1、动力头ET200M从站4. 14、 司钻台操作指示机构4. 3、司钻台触摸屏4. 5组成ftOfibus - DP网络。管子处理器4. 9、 主发动机监测模块4. 8、钻井空压机监测模块4. 7通过CAN总线4. 6并行处理，并采用HMS 的Anybus解决方案，通过DP转换器4. 15实现CAN总线与ibus - DP网络相连，动力头 ET200M从站4. 14通过两个电液比例阀4. 12,4. 13分别连接动力头提升马达4. 11和动力头旋转马达4. 10。主发动机监测模块4. 8监测柴油机水温、机油压力、转速、运转时间、电瓶电压等参数信息，并可实现故障声光报警。钻机控制系统还可以增加Bypass旁路控制，提高系统可靠性，在PLC出现故障时，可以实现动力头停车、上提/下放、急停等功能。钻机的PLC 模块由S7-300 CPU模块、24V/5A的电源模块、信号模块(模拟量输入/输出模块，数字量输入/输出模块)、功能模块，通信处理器组成。采用西门子的乂印7编程软件，可以实现对动力头的提升、下放、刹车、急停、正/反旋转钻进、钻速调节等基本动作的控制，通过安装在2 个液压马达轴头端的编码器，可以实现自动送钻、自动定向钻井等复杂工况。PLC与电磁阀块的配合使用，代替了复杂的液压逻辑控制，简化了液压系统，降低了成本，提高了液压系统的精度，提高了系统的可靠性。
权利要求1.一种全液压齿轮齿条钻机，包括动力系统、运载车底盘、分动箱、井架、动力头、钻杆处理装置、液压系统、电控系统，其特征在于所述动力头为液压动力水龙头，具有动力头机架和水龙头总成，所述动力头机架上安装有4个液压马达和减速箱，在减速箱的轴端伸入至动力头机架的背面并安装4个小齿轮，小齿轮与安装在井架上的齿条啮合，在4个液压马达的轴头上安装1个编码器，在动力头底部安装2个反扭矩传感器和液压盘式刹车，在水龙头总成中间轴的轴头上安装1个实现自动定向钻井的编码器；所述钻杆处理装置，具有液压管排架、底座、机械臂和动力机构，所述机械臂上设有夹持钻杆的液压背钳，液压背钳通过翻转机构连接在机械臂上，机械臂一端铰接在底座上，底座和机械臂之间连接有推动机械臂翻转的油缸；所述液压系统为闭式液压系统，具有为动力头旋转液压系统、动力头提升液压系统、动力头旋转刹车液压系统和管子处理液压系统，所述动力头旋转液压系统具有提供动力的第1变量泵和第2变量泵，所述第1、2变量泵通过管路连接第1、2变量马达；所述动力头提升液压系统具有提供动力的第3变量泵和第4变量泵，第3、4变量泵同时连接第3、4、5、6变量马达；所述管子处理液压系统包括管子起升液压缸、背钳缸和绷扣缸， 所述管子起升液压缸、背钳缸和绷扣缸与变量液压油泵多功能阀连接，所述动力头旋转刹车液压系统的液压缸与变量液压油泵多功能阀连接；所述电控系统，具有上位机和PLC模块，所述PLC模块通过现场总线控制技术把上位机、动力头从站、司钻台操作指示机构、司钻台触摸屏组成ftx)fibUS-DP网络，管子处理器、主发动机监测模块、钻井空压机监测模块通过CAN总线并行处理，并采用HMS的Anybus解决方案，通过DP转换器实现CAN总线与 Profibus - DP网络相连，动力头从站通过两个电液比例阀分别连接动力头提升马达和动力头旋转马达。
2.根据权利要求1所述的全液压齿轮齿条钻机，其特征在于所述4个液压马达和减速箱之间设有实现动力头的工作制动和驻车制动的多级盘式制动器。
3.根据权利要求1所述的全液压齿轮齿条钻机，其特征在于所述机械臂上设有自动调垂直度装置。
专利摘要本实用新型公开了一种全液压齿轮齿条钻机，包括动力系统、运载车底盘、分动箱、井架、动力头、钻杆处理装置、液压系统、电控系统，其中所述动力头为液压动力水龙头，所述钻杆处理装置可直接抓取钻杆送到井口，液压系统采用基于电液闭环比例技术，指令参量的输入以模拟量的直流电压信号来实现，简化了液压系统，降低了成本，提高了液压系统的精度，提高了系统的可靠性，电控系统由PLC模块通过现场总线控制技术把设备组成Profibus–DP网络，管子处理器、主发动机监测模块和钻井空压机监测模块通过CAN总线并行处理，并实现CAN总线与Profibus总线网络相连。结构紧凑，成本低，操作维护方便，实现精确定位和控制，工作可靠，提高现场作业成功率。
文档编号E21B7/02GK202131976SQ20112019949
公开日2012年2月1日 申请日期2011年6月14日 优先权日2011年6月14日
发明者余利军, 刘海伟, 张军帅, 焦伟刚, 郑惠玲, 齐然 申请人:上海石油天然气有限公司, 南阳二机石油装备(集团)有限公司