智能电动通井装置及方法
【专利摘要】本发明公开了一种智能电动通井装置及方法，属于石油和天然气生产领域。所述装置包括：吊卡、吊环、大钩、动滑轮组、钢丝绳、顶定滑轮、井架、底定滑轮、滚筒、后联轴器、减速器、制动器、前联轴器、开关磁阻电机、第一动力电缆、控制盒、信号传输电缆、控制单元、第二动力电缆、工业电源输出端子、上行程开关、下行程开关、底盘和地锚。所述方法包括井口的工作人员通过操作控制盒中的按钮，将井中油管提升到地面或将油管下放到井中；通过调整控制盒中的调速按钮，来调节提升油管和下放油管的运行速度。本发明装置与方法具有智能化程度高、工作效率高、安全可靠、操作简单灵活、视场宽阔等特性，能更好地满足修井作业的需要。
【专利说明】智能电动通井装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种石油和天然气生产领域的现场修井装置及控制方法，具体是一种智能电动通井装置及方法。
【背景技术】
[0002]通井机属于石油采油设备中的修井机械，主要用于油水井作业时起下管柱、抽油泵、井下工具以及进行打捞等工作。目前我国陆上石油修井作业所用的设备主要有履带式通井机、轮式通井机、修井机等。其中履带式通井机的用量最大，全国保有量约有3000余台，主要用于油井小修作业。
[0003]油管起下作业主要包括两部分，将井中油管提升到地面或将油管下放到井中。提升油管时，通井机滚筒正向旋转，钢丝绳带动油管向上运动，当油管的下接毂高出井口时，滚筒停止旋转，井口的工作人员将吊卡放置到井口，然后滚筒反向旋转，油管下降直到下一根油管的上接毂坐到吊卡上；下放油管时，滚筒先正向旋转，使油管下接毂高出井口，井口的工作人员将井口的吊卡移出井口，之后滚筒反向旋转，油管开始进入井中，然后井口的工作人员将吊卡放置到井口，滚筒一直反向旋转直到油管上接毂坐到吊卡上。
[0004]通井机由专门的工作人员操作，工作人员在通井机控制室中通过扳动相关的操作杆来控制滚筒的正反转和转速。由于井架在通井机和井口中间，通井机工作人员必须从控制室中透过井架密切注视井口的情况并准确控制油管的高度，稍有疏忽就可以能造成事故。下放油管时，工作人员必须在井口的工作人员指挥下通过反复凑试的方法，才能将油管的下接毂和井口中油管的上接箍相接触。根据目前油田的采油工艺，一般抽油杆和油管都是由长度为8米左右的单根联接而成的，在作业中，通井机是以单根为单位进行提起或下放的。由此可见，工作人员操作通井机时必须长时间地集中精力注视井口的情况并准确控制油管的高度，劳动强度较大，操作步骤也较复杂。通井机的操作传统上以专门的工作人员在通井机控制室中扳动操作杆为主，通常情况下，作业队每小时可以提升或下放油管的数量不超过70根。
[0005]经对现有技术的文献检索发现，中国发明专利(201110206972.2)，中国实用新型专利(201120238629.1,201020175311.9,200820218538.X,200420053570.9,99243437.8，94225440.6,02270736.0,200820054835.5,201320058679.0)以及期刊论文“TJ70DB 电动
通井机的研制与应用”(作者袁李峰)和“新型液压轮式通井机的研制”(作者陈宜亮等)，这些文献设计或公开的通井机中，都设有控制室或控制台，都需要专门的工作人员操作通井机。由此，在作业中通井机的操作仍然以专门的工作人员在控制室中扳动操作杆为主。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于针对目前修井作业中存在的上述问题，提供一种智能电动通井装置及方法，能够准确、及时地控制油管的高度，不配备专门的操作室或控制室，减少了修井作业需要工作人员的人数，具有体积小、实时性强、操作简单灵活的特性，并解决上述【背景技术】中的不足，以更好地满足修井作业现场的需要。
[0007]为达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的:
一种智能电动通井装置，包括吊卡、吊环、大钩、动滑轮组、钢丝绳、顶定滑轮、井架、底定滑轮、滚筒、后联轴器、减速器、制动器、前联轴器、开关磁阻电机、第一动力电缆、控制盒、信号传输电缆、控制单元、第二动力电缆、工业电源输出端子、上行程开关、下行程开关、底盘和地锚；所述井架、底定滑轮、滚筒、减速器、制动器、开关磁阻电机和控制单元都固定在底盘上；底盘通过地锚固定在地面上，保证整个装置工作时不发生移动和侧翻；油管的接毂坐到吊卡上，所述吊卡挂在吊环的下端，所述吊环的上端挂在大钩上，所述大钩的上端和动滑轮组相连，所述动滑轮组连接钢丝绳；所述顶定滑轮固定在井架的最高端，顶定滑轮的中心在井口的中心线上；所述钢丝绳从顶定滑轮的轮毂中穿过，并通过底定滑轮连接到滚筒上；所述滚筒后端通过后联轴器连接减速器，所述减速器后端连接制动器，所述制动器后端通过前联轴器连接开关磁阻电机，所述开关磁阻电机后端通过第一动力电缆连接控制单元，所述控制单元通过第二动力电缆连接工业电源输出端子，所述控制盒、上行程开关、下行程开关通过信号传输电缆连接控制单元，所述上行程开关固定在井架的上端，顶定滑轮的下方；所述下行程开关固定在井架的下端，井口的上方；当大钩一直向上运行，超过某一最大位移时，大钩触动上行程开关，上行程开关向控制单元发出停止开关磁阻电机转动的信号；当大钩一直向下运行，低于某一最小位移时，大钩触动下行程开关，下行程开关向控制单元发出停止开关磁阻电机转动的信号。所述的控制盒中有调速旋钮、提升油管按钮和下放油管按钮。
[0008]一种智能电动通井方法，包括如下步骤:
1)清理待修油井的现场，将智能电动通井装置放置在距离井口一定距离处，使得顶定滑轮的中心在井口中心线上；打地锚，将底盘固定在地面上；将控制单元通过第二动力电缆连接到油井现场的工业电源输出端子上；
2)将整个油井管柱的油管从油井中提升出来，并放到井场上的油管排上，包括如下步
骤:
a.将油管的接毂坐到吊卡上，将吊环的下端挂在吊卡上；
b.按下控制盒的提升油管按钮，控制单元接收到开关磁阻电机正向转动信号，控制开关磁阻电机正向转动，输出一定的转速和扭矩；开关磁阻电机经前联轴器带动制动器转动，经减速器降低转速、提高扭矩后，经后联轴器带动滚筒转动，滚筒以一定的速度和扭矩缠绕钢丝绳，钢丝绳经过底定滑轮、顶动滑轮和动滑轮组对大钩产生大于油管重力的拉力，大钩经吊环和吊卡带动油管向上运动；当上一根油管完全提出井口，下一根油管的上接毂高出井口一定高度时，松开提升油管按钮，控制单元接收到开关磁阻电机停止转动信号，控制开关磁阻电机停止转动；
c.将上一根油管停在井口上空；将另一吊卡置于井口；
d.按下控制盒的下放油管按钮，经过与步骤b相反的过程，当下一根油管的上接毂坐到另一吊卡上时，松开下放油管按钮，开关磁阻电机停止转动；
e.井口的工作人员使用液压钳对上一根油管卸扣，使得上一根油管与油井管柱脱离；使用工具接住脱离的油管，并将油管放置在井场上的油管排上；将吊环与吊卡分离，并将吊环复位； f.重复上述步骤a-e，将整个油井管柱的油管都提升出来，放置在井场上的油管排
上；
3)进行修井作业，修井结束后，将油井管柱的油管全部下放到井里去，包括如下步骤:
g.将油管排上的油管的接毂坐到吊卡上，将吊环的下端挂在吊卡上；按下提升油管按钮，大钩带动油管离开井场上的油管排到在井口上空；
h.当油管的下接毂和井口中油管的上接箍相接触时，松开提升油管按钮，使用液压钳上扣，使得井口上方的油管成为管柱的一部分；按下提升油管按钮，大钩带动管柱向上运动一定长度，松开提升油管按钮；把井口的吊卡搬离，放置到油管排附近；
1.按下下放油管按钮，油管开始向下运动；当吊卡坐到井口上时，松开下放油管按钮；将吊环与吊卡分离，并将吊环复位；
j.重复上述步骤g_i，将油管排上所有的油管都下放到油井中。
[0009]需要增大油管的运行速度时，井口的工作人员增大调速按钮的角位移，控制盒发出相应的角位移信号，控制单元接收到增大开关磁阻电机转速的信号，控制开关磁阻电机的转速增大，经过前联轴器、制动器、减速器、后联轴器的传动，滚筒缠绕或者放开钢丝绳的转速也获得了增大，从而增大了油管的运行速度。
[0010]需要降低油管的运行速度时，井口的工作人员减小调速按钮的角位移，控制盒发出相应的角位移信号，控制单元接收到减小开关磁阻电机转速的信号，控制开关磁阻电机的转速减小，经过前联轴器、制动器、减速器、后联轴器的传动，滚筒缠绕或者放开钢丝绳的转速也获得了减小，从而降低了油管的运行速度。
[0011]当油井现场的工业电源突然断电时，制动器动作，使得减速器、后联轴器和滚筒立即停止转动，从而使得井口上方的动滑轮组、大钩、吊环、吊卡和油管立即停止运动，避免了井口的油管以自由落体砸向井口，造成事故；当油井现场的工业电源恢复供电时，开关磁阻电机开始输出转矩，工作人员手动复位制动器。
[0012]与现有技术相比，本发明具有如下突出的实质性特点和显著的优点:
本发明利用开关磁阻电机频繁换向的特性，采用控制盒控制开关磁阻电机的正向转动、反向转动及调速，在修井作业中实现了快速、可靠地提升油管和下放油管。不设置操作室或控制室，不要专门的工作人员操作所述装置，井口的工作人员就可以完成提升油管和下放油管的工作，减少了修井作业需要的工作人员，极大地提高了工作效率；采用操作盒控制整套装置的运行，操作简单，使用灵活、方便；井口的工作人员可以很好地观察到井口的情况，视场宽阔，操作所述装置时，能够在第一时间针对各种情况做出及时的反应；下放油管时，可以准确地将油管一次性地下放到位，使油管的下接毂和井口中油管的上接箍相接触，缩短了下放油管的时间；在开关磁阻电机转速1500r/min时，每小时提起或下放的油管数不少于90根；大钩向上运行超过某一最大位移或向下运行低于某一最小位移时，控制单元能够使开关磁阻电机停止转动，以避免可能发生的事故；在油井现场的工业电源突然断电时，装置能够立即制动，保证井口的油管不以自由落体砸向井口。所述装置及方法真正实现了修井作业的智能化、简单化、快速化操作。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1是本发明的装置结构原理示意图。[0014]图2是本发明的底盘和地锚原理示意图。
[0015]图3是本发明的控制盒功能结构示意图。
【具体实施方式】
[0016]下面结合附图对本发明的实施例作详细说明。
[0017]如图1所示，一种智能电动通井装置，包括吊卡5、吊环6、大钩7、动滑轮组8、钢丝绳12、顶定滑轮10、井架11、底定滑轮14、滚筒15、后联轴器16、减速器17、制动器18、前联轴器19、开关磁阻电机20、第一动力电缆21、控制盒3、信号传输电缆13、控制单元22、第二动力电缆23、工业电源输出端子24、上行程开关9、下行程开关4、底盘25和地锚26 ;所述井架11、底定滑轮14、滚筒15、减速器17、制动器18、开关磁阻电机20和控制单元22都固定在底盘25上；底盘25通过地锚26固定在地面上，本实施例中，如图2所示，在底盘25周边打下六根地锚26，将整套装置固定在地面上，保证整个装置工作时不发生移动和侧翻；油管2的接毂坐到吊卡5上，所述吊卡5挂在吊环6的下端，所述吊环6的上端挂在大钩7上，所述大钩7的上端和动滑轮组8相连，所述动滑轮组8连接钢丝绳12，本实施例中，动滑轮组8将所有油管的重量降低5/6，使得钢丝绳12仅承受所有油管重量的1/6 ;所述顶定滑轮10固定在井架11的最高端，顶定滑轮10的中心在井口 I的中心线上；所述钢丝绳12从顶定滑轮10的轮毂中穿过，并通过底定滑轮14连接到滚筒15上；所述滚筒15后端通过后联轴器16连接减速器17，所述减速器17后端连接制动器18，所述制动器18后端通过前联轴器19连接开关磁阻电机20，所述开关磁阻电机20后端通过第一动力电缆21连接控制单元22，所述控制单元22通过第二动力电缆23连接工业电源输出端子24，所述控制盒3、上行程开关9、下行程开关4通过信号传输电缆13连接控制单元22，所述上行程开关9固定在井架11的上端，顶定滑轮10的下方；所述下行程开关4固定在井架11的下端，井口 I的上方。所述的控制盒3中有调速旋钮31、提升油管按钮32和下放油管按钮33。
[0018]本实施例中，所述减速器17选用江苏泰兴市恒亚减速机有限公司NGW92型行星齿轮减速器。提升或下放油管，需要整个装置频繁换向，减速器也需要频繁换向，摆线针轮减速器与行星齿轮减速器均可满足这个要求，由于开关磁阻电机20的功率为55KW，摆线针轮减速器的功率比较小，故只有行星齿轮减速器合适。
[0019]本实施例中，所述制动器18使用河南焦作制动器厂YWZ300型电力液压常闭式制动器。所述开关磁阻电机20使用山东科汇电力自动化股份有限公司SRM250M-15型开关磁阻电机。油井现场的工业电源输出端子24输出三相380VAC，供控制单元22使用。
[0020]下面以现场修井作业时提升油管和下放油管为实施例，进一步说明本发明所述的智能电动通井方法:
1)清理待修油井的现场，将智能电动通井装置放置在距离井口I 一定距离处，使得顶定滑轮10的中心在井口 I中心线上；打六根地锚26，将底盘25固定在地面上；将控制单元22通过第二动力电缆23连接到油井现场的工业电源输出端子24上；
2)将整个油井管柱的油管2从油井中提升出来，并放到井场上的油管排上，包括如下步骤:
a.将油管2的接毂坐到吊卡5上，将吊环6的下端挂在吊卡5上；
b.按下控制盒3的提升油管按钮32，控制单元22接收到开关磁阻电机20正向转动信号，控制开关磁阻电机20正向转动,输出一定的转速和扭矩；开关磁阻电机20经前联轴器19带动制动器18转动，经减速器17降低转速、提高扭矩后，经后联轴器16带动滚筒15转动，滚筒15以一定的速度和扭矩缠绕钢丝绳12，钢丝绳12经过底定滑轮14、顶动滑轮10和动滑轮组8对大钩7产生大于油管2重力的拉力，大钩7经吊环6和吊卡5带动油管2向上运动；当上一根油管完全提出井口 1，下一根油管2的上接毂高出井口 I 一定高度时，松开提升油管按钮32，控制单元22接收到开关磁阻电机20停止转动信号，控制开关磁阻电机20停止转动；
c.将上一根油管2停在井口I上空；将另一吊卡5置于井口 I ;
d.按下控制盒3的下放油管按钮33，经过与步骤b相反的过程，当下一根油管2的上接毂坐到另一吊卡5上时，松开下放油管按钮33，开关磁阻电机20停止转动；
e.井口的工作人员使用液压钳对上一根油管2卸扣，使得上一根油管2与油井管柱脱离；使用工具接住脱离的油管2，并将油管2放置在井场上的油管排上；将吊环6与吊卡5分离，并将吊环6复位；
f.重复上述步骤a-e，将整个油井管柱的油管都提升出来，放置在井场上的油管排
上；
3)进行修井作业，修井结束后，将油井管柱的油管全部下放到井里去，包括如下步骤:
g.将油管排上的油管2的接毂坐到吊卡5上，将吊环6的下端挂在吊卡5上；按下提升油管按钮32，大钩7带动油管2离开井场上的油管排到在井口 I上空；
h.当油管2的下接毂和井口中油管的上接箍相接触时，松开提升油管按钮32，使用液压钳上扣，使得井口 I上方的油管2成为管柱的一部分；按下提升油管按钮32，大钩7带动管柱向上运动一定长度，松开提升油管按钮32;把井口 I的吊卡5搬离，放置到油管排附近；
1.按下下放油管按钮33，油管2开始向下运动；当吊卡5坐到井口I上时，松开下放油管按钮33 ;将吊环6与吊卡5分离，并将吊环6复位；
j.重复上述步骤g_i，将油管排上所有的油管都下放到油井中。
[0021]需要增大油管的运行速度时，井口的工作人员增大调速按钮31的角位移，控制盒3发出相应的角位移信号，控制单元22接收到增大开关磁阻电机转速的信号，对三相380VAC进行变换处理使之成为增大开关磁阻电机转速的控制信号，控制开关磁阻电机20的转速增大，经过前联轴器19、制动器18、减速器17、后联轴器16的传动，滚筒15缠绕或者放开钢丝绳12的转速也获得了增大，从而增大了油管的运行速度。
[0022]需要降低油管的运行速度时，井口的工作人员减小调速按钮31的角位移，控制盒3发出相应的角位移信号，控制单元22接收到减小开关磁阻电机转速的信号，对三相380VAC进行变换处理使之成为减小开关磁阻电机转速的控制信号，控制开关磁阻电机20的转速减小，经过前联轴器19、制动器18、减速器17、后联轴器16的传动，滚筒15缠绕或者放开钢丝绳12的转速也获得了减小，从而降低了油管的运行速度。
[0023]当油井现场的工业电源突然断电时，制动器18动作，使得减速器17、后联轴器16和滚筒15立即停止转动，从而使得井口 I上方的动滑轮组8、大钩7、吊环6、吊卡5和油管立即停止运动，避免了井口的油管以自由落体砸向井口 1，造成事故；当油井现场的工业电源恢复供电时，开关磁阻电机20开始输出转矩，工作人员手动复位制动器18。[0024]由于井口的工作人员疏忽或者其它原因，造成大钩7 —直运行，当向上运行超过某一最大位移或向下运行低于某一最小位移时，触动上行程开关9或下行程开关4，从而向控制单元22发出停止开关磁阻电机20转动的信号，使大钩停止运行，以避免可能发生的事故。
【权利要求】
1.一种智能电动通井装置，包括吊卡(5)、吊环(6)、大钩(7)、动滑轮组(8)、钢丝绳(12)、顶定滑轮(10)、井架(11)、底定滑轮(14)、滚筒(15)、后联轴器(16)、减速器(17)、制动器(18)、前联轴器(19)、开关磁阻电机(20)、第一动力电缆(21)、控制盒(3)、信号传输电缆(13)、控制单元(22)、第二动力电缆(23)、工业电源输出端子(24)、上行程开关(9)、下行程开关(4)、底盘(25)和地锚(26);其特征在于，所述井架(11)、底定滑轮(14)、滚筒(15)、减速器(17)、制动器(18)、开关磁阻电机(20)和控制单元(22)都固定在底盘(25)上；底盘(25)通过地锚(26)固定在地面上，保证整个装置工作时不发生移动和侧翻；油管(2)的接毂坐到吊卡(5)上，所述吊卡(5)挂在吊环(6)的下端，所述吊环(6)的上端挂在大钩(7)上，所述大钩(7)的上端和动滑轮组(8)相连，所述动滑轮组(8)连接钢丝绳(12);所述顶定滑轮(10)固定在井架(11)的最闻端，顶定滑轮(10)的中心在井口(I)的中心线上；所述钢丝绳(12)从顶定滑轮(10)的轮毂中穿过，并通过底定滑轮(14)连接到滚筒(15)上；所述滚筒(15)后端通过后联轴器(16)连接减速器(17)，所述减速器(17)后端连接制动器(18)，所述制动器(18)后端通过前联轴器(19)连接开关磁阻电机(20)，所述开关磁阻电机(20)后端通过第一动力电缆(21)连接控制单元(22)，所述控制单元(22)通过第二动力电缆(23)连接工业电源输出端子(24)，所述控制盒(3)、上行程开关(9)、下行程开关(4)通过信号传输电缆(13 )连接控制单元(22 )，所述上行程开关(9 )固定在井架(11)的上端，顶定滑轮(10)的下方；所述下行程开关(4)固定在井架(11)的下端，井口(I)的上方。
2.根据权利要求1所述的智能电动通井装置，其特征在于，所述的控制盒(3)中有调速旋钮(31)、提升油管按钮(32)和下放油管按钮(33)。
3.一种智能电动通井方法，其特征在于，包括如下步骤: 1)清理待修油井的现场，·将智能电动通井装置放置在距离井口(I)一定距离处，使得顶定滑轮(10)的中心在井口(I)中心线上；打地锚(26)，将底盘(25)固定在地面上；将控制单元(22)通过第二动力电缆(23)连接到油井现场的工业电源输出端子(24)上； 2)将整个油井管柱的油管(2)从油井中提升出来，并放到井场上的油管排上，包括如下步骤: a.将油管(2)的接毂坐到吊卡(5)上，将吊环(6)的下端挂在吊卡(5)上； b.按下控制盒(3)的提升油管按钮(32)，控制单元(22)接收到开关磁阻电机(20)正向转动信号，控制开关磁阻电机(20)正向转动,输出一定的转速和扭矩；开关磁阻电机(20)经前联轴器(19)带动制动器(18)转动，经减速器(17)降低转速、提高扭矩后，经后联轴器(16)带动滚筒(15)转动，滚筒(15)以一定的速度和扭矩缠绕钢丝绳(12)，钢丝绳(12)经过底定滑轮(14)、顶动滑轮(10)和动滑轮组(8)对大钩(7)产生大于油管(2)重力的拉力，大钩(7)经吊环(6)和吊卡(5)带动油管(2)向上运动；当上一根油管完全提出井口(1)，下一根油管(2)的上接毂高出井口(I) 一定高度时，松开提升油管按钮(32)，控制单元(22)接收到开关磁阻电机(20)停止转动信号，控制开关磁阻电机(20)停止转动； c.将上一根油管(2)停在井口(I)上空；将另一吊卡(5)置于井口(I)； d.按下控制盒(3)的下放油管按钮(33)，经过与步骤b相反的过程，当下一根油管(2)的上接毂坐到另一吊卡(5)上时，松开下放油管按钮(33)，开关磁阻电机(20)停止转动； e.井口的工作人员使用液压钳对上一根油管(2)卸扣，使得上一根油管(2)与油井管柱脱离；使用工具接住脱离的油管(2)，并将油管(2)放置在井场上的油管排上；将吊环(6)与吊卡(5)分离，并将吊环(6)复位；f.重复上述步骤a-e，将整个油井管柱的油管都提升出来，放置在井场上的油管排上；3)进行修井作业，修井结束后，将油井管柱的油管全部下放到井里去，包括如下步骤:g.将油管排上的油管(2)的接毂坐到吊卡(5)上，将吊环(6)的下端挂在吊卡(5)上；按下提升油管按钮(32)，大钩(7)带动油管(2)离开井场上的油管排到在井口(I)上空； h.当油管(2)的下接毂和井口中油管的上接箍相接触时，松开提升油管按钮(32)，使用液压钳上扣，使得井口(I)上方的油管(2)成为管柱的一部分；按下提升油管按钮(32)，大钩(7)带动管柱向上运动一定长度，松开提升油管按钮(32);把井口(I)的吊卡(5)搬离，放置到油管排附近；i.按下下放油管按钮(33)，油管(2)开始向下运动；当吊卡(5)坐到井口(I)上时，松开下放油管按钮(33);将吊环(6)与吊卡(5)分离，并将吊环(6)复位； j.重复上述步骤g_i，将油管·排上所有的油管都下放到油井中。
【文档编号】E21B19/00GK103850658SQ201410050923
【公开日】2014年6月11日 申请日期:2014年2月14日 优先权日:2014年2月14日
【发明者】孙伟, 苗中华, 李丽, 龚倩倩 申请人:上海大学