一种不压井作业井口管柱上卸扣装置

1.本发明属于石油及天然气钻修井设备技术领域，具体涉及一种不压井作业井口管柱上卸扣装置。


背景技术：

2.在不压井起下油管等作业装置中，动力大钳是重要的组成部分，也是目前上卸扣时现场使用最多的装置。动力大钳由钢丝悬挂在井架上，上卸扣时工人推动大钳至井口工作位，操作完毕后再推回待工位置，由于工作过程需要工人频繁推拉大钳，在夹紧和松扣过程也需要人力的参与，导致其上卸扣前后准备工作时间长，效率低，工人的劳动强度大且作业安全风险高，无法实现管柱上卸扣自动化。
3.目前市场上出现了很多新型自动上卸扣装置和专利，其结构普遍由三部分组成，从上至下依次为主钳、背钳和夹紧卡瓦，部分还带有前后、上下移动的导轨，主钳和背钳可以在导轨上移动。主钳和背钳均设计成带开口的u型圆盘，在管柱到位后，钳体的u型槽移动至管柱位置并夹紧，主钳和背钳的夹紧原理一致，都是通过马达和齿条驱动大齿轮，带动牙块伸出和缩回。也有部分上卸扣装置的主、背钳不带u型开口，整个装置固定安装在井口位置，管柱从装置中心通道伸入，通过行心齿轮夹紧原理，外圈齿轮带动内圈四分之一齿轮旋转进行夹紧，再带动管柱旋转紧扣。上述第一类装置的缺点在于体积庞大，占用井口较大工作空间，运输转移不方便，其零部件多结构较复杂，制造成本较高且维修保养不方便；上述第一类和第二类装置均采用齿轮传递力矩的方式，输出力矩高且传输稳定，但齿轮制造和更换成本较高，单独更换费时费力；另外，目前国外已普遍采用的铁钻工，在国内尚未普及，其复杂的结构和高昂的制造成本以及维护保养工序繁琐，不易推广使用。


技术实现要素：

4.本发明旨在至少在一定程度上解决上述动力大钳工作效率低、劳动强度大和无法实现自动化以及现有自动上卸扣装置占用空间大、结构复杂和制造维护成本高的问题。为此，本发明目的在于提供一种不压井作业井口管柱上卸扣装置。
5.本发明所采用的技术方案为：一种不压井作业井口管柱上卸扣装置，包括旋扣钳组件、冲扣钳组件以及用于夹紧下部管柱的夹紧钳组件；夹紧钳组件包括可相互靠近和远离的一对夹紧钳体；冲扣钳组件包括转动设置的第一支撑座、可相互靠近和远离的一对冲扣钳体以及用于推动第一支撑座转动的扭转液压单元，冲扣钳体安装在第一支撑座上；旋扣钳组件包括可上下移动的浮动安装座以及可相互靠近和远离的一对夹紧臂，夹紧臂安装在浮动安装座上，两条夹紧臂相对的面上设有用于驱动上部管柱转动的摩擦轮。
6.优选地，不压井作业井口管柱上卸扣装置还包括底座和升降台，夹紧钳组件固定
安装在底座上，升降台可上下移动的安装在底座上，旋扣钳组件和冲扣钳组件安装在升降台上。
7.优选地，所述底座上设有举升液压单元和导柱，升降台滑动套设在导柱上，且升降台与举升液压单元的活动端相连。
8.优选地，所述升降台包括上层台和下层台，上层台和下层台之间通过连接套筒相连，连接套筒滑动套设在导柱上；旋扣钳组件安装在上层台上，冲扣钳组件安装在上层台和下层台之间，第一支撑座与上层台和下层台均为转动连接。
9.优选地，所述夹紧钳组件还包括第二支撑座和第二推力液压单元；第二推力液压单元对称设置在支撑座的侧壁上；夹紧钳体设于第二推力液压单元的活动端。
10.优选地，所述冲扣钳组件还包括第一推力液压单元、扭转支撑杆和连接杆；第一推力液压单元对称设置在第一支撑座的侧壁上；冲扣钳体设于第一推力液压单元的活动端；连接杆设于第一支撑座上，扭转液压单元的固定端与扭转支撑杆相连，活动端与连接杆相连。
11.优选地，所述旋扣钳组件还包括固定轴，浮动安装座和夹紧臂均活动套设在固定轴上；浮动安装座的上端设有浮动弹簧，浮动安装座的下端与浮动液压单元的活动端相连，固定轴上设有压板，浮动弹簧的上端与压板相连。
12.优选地，所述夹紧臂的中部转动设有机架，摩擦轮安装在机架上，机架上设有用于驱动摩擦轮的马达；夹紧臂的端部与第三推力液压单元的活动端相连，两个第三推力液压单元的固定端通过连接轴固定相连，连接轴活动穿设于转动块，转动块滑动套设在旋转对中杆上，旋转对中杆转动安装在升降台上且旋转对中杆位于两条夹紧臂的中间位置。
13.优选地，所述底座上安装有泥浆罩，泥浆罩环绕设于旋扣钳组件、冲扣钳组件和夹紧钳组件的外围，底座上设有排污口。
14.优选地，所述底座包括从上往下设置的安装座、泥浆挡盘和安装法兰；夹紧钳组件安装在安装座上，泥浆罩安装在泥浆挡盘上，泥浆挡盘上设有加强筋，加强筋上设置有贯穿的流通孔；排污口设于泥浆挡盘上。
15.本发明的有益效果为：本发明所提供的一种不压井作业井口管柱上卸扣装置，具有体积小、结构简单和制造维护成本低的特点，采用液压直推式夹紧和马达带动摩擦轮旋转的上卸扣方式，以成本更低、结构更简单的动力系统代替了齿轮动力系统，在井口作业空间利用上更为合理，在制造成本和后期的维护保养上更具有经济性。相比目前动力大钳的上卸扣方式，能有效提高工作效率，降低工人工作强度，提高作业安全性；相对现阶段其他上卸扣装置，其具有更小巧的体积和更简单的结构，有利于井上平台空间的利用。
附图说明
16.图1是本发明不压井作业井口管柱上卸扣装置的结构示意图。
17.图2是本发明不压井作业井口管柱上卸扣装置的正向半剖图。
18.图3是本发明不压井作业井口管柱上卸扣装置的侧向半剖图。
19.图4是本发明不压井作业井口管柱上卸扣装置不带泥浆罩时的示意图。
20.图5a是本发明不压井作业井口管柱上卸扣装置上扣时步骤一的示意图。
21.图5b是本发明不压井作业井口管柱上卸扣装置上扣时步骤二的示意图。
22.图5c是本发明不压井作业井口管柱上卸扣装置上扣时步骤三的示意图。
23.图5d是本发明不压井作业井口管柱上卸扣装置上扣时步骤四的示意图。
24.图6a是本发明不压井作业井口管柱上卸扣装置卸扣时步骤一的示意图。
25.图6b是本发明不压井作业井口管柱上卸扣装置卸扣时步骤二的示意图。
26.图6c是本发明不压井作业井口管柱上卸扣装置卸扣时步骤三的示意图。
27.图6d是本发明不压井作业井口管柱上卸扣装置卸扣时步骤四的示意图。
28.图中：管柱1、旋扣钳组件2、防护挡板201、马达202、机架203、支撑轴204、摩擦轮205、压板206、浮动弹簧207、夹紧臂208、浮动安装座209、固定轴210、浮动液压单元211、连接杆212、第三推力液压单元213、转动块214、旋转对中杆215、冲扣钳组件3、第一支撑座301、第一推力液压单元302、连接杆303、扭转液压单元304、冲扣钳体305、扭转支撑杆306、升降台4、举升液压单元401、上层台402、下层台403、导柱404、连接套筒405、夹紧钳组件5、第二支撑座501、第二推力液压单元502、夹紧钳体503、底座6、安装座601、泥浆挡盘602、安装法兰603、流通孔604、加强筋605、排污口606、泥浆罩7、观察口701。
具体实施方式
29.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
30.在本发明实施例的描述中，需要说明的是，指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
31.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义以及实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
32.下面结合附图和具体实施例对本发明进行进一步的说明。
33.如图1至图4所示，管柱1包括上部管柱和下部管柱，本实施例的一种不压井作业井口管柱上卸扣装置，主要包括旋扣钳组件2、冲扣钳组件3和夹紧钳组件5。夹紧钳组件5只夹紧下部管柱，旋扣钳组件2和冲扣钳组件3既能夹紧上部管柱，也能带动上部管柱转动，从而完成上卸扣动作；在本实施例中，旋扣钳组件2、冲扣钳组件3和夹紧钳组件5同轴设置，且旋扣钳组件2、冲扣钳组件3和夹紧钳组件5从上往下依次设置。
34.不压井作业井口管柱上卸扣装置还包括底座6和升降台4，夹紧钳组件5固定安装
在底座6上，升降台4可上下移动的安装在底座6上，旋扣钳组件2和冲扣钳组件3安装在升降台4上。底座6中部设置一通孔，管柱从该通孔通过。
35.底座6上设有举升液压单元401和导柱404，升降台4滑动套设在导柱404上，且升降台4与举升液压单元401的活动端相连。升降台4包括上层台402和下层台403，上层台402和下层台403之间通过连接套筒405固定相连，连接套筒405滑动套设在导柱404上；升降台4能在举升液压单元401举升作用下进行上下移动，将旋扣钳组件2和冲扣钳组件3移动到管柱接头附近位置进行上卸扣工作；在本实施例中，旋扣钳组件2固定安装在上层台402上，冲扣钳组件3安装在上层台402和下层台403之间，第一支撑座301与上层台402和下层台403均为转动连接。
36.夹紧钳组件5主要包括第二支撑座501、第二推力液压单元502和夹紧钳体503；第二支撑座501固定安装在底座6上；第二推力液压单元502对称设置在第二支撑座501的侧壁上；夹紧钳体503设于第二推力液压单元502的活动端。夹紧钳体503在第二推力液压单元502的驱动下可相互靠近和远离。工作时第二支撑座501对下部管柱提供径向的支撑力，夹紧钳体503的夹持面设置有齿形槽，齿形槽呈竖直方向分布，增加夹紧钳体对下部管柱旋转时的反向扭矩。
37.冲扣钳组件3包括主要第一支撑座301、第一推力液压单元302、连接杆303、扭转液压单元304、冲扣钳体305和扭转支撑杆306，第一支撑座301的上表面设置有凸台，下表面设置凹槽，第一支撑座301通过该凸台和凹槽可转动的镶嵌安装在上层台402和下层台403之间，由于凸台和凹槽的限位作用，第一支撑座301只能沿中心轴线转动。
38.扭转支撑杆306的上端和下端通过螺栓分别固定设置在上层台402和下层台403上，扭转支撑杆306用于在第一支撑座301旋转时提供受力点和支撑作用。连接杆303的上端和下端通过螺栓固定设置在第一支撑座301内部的上下表面，工作时连接杆303将带动第一支撑座301旋转。扭转液压单元304的固定端与扭转支撑杆306转动相连，活动端与连接杆303转动相连。工作时，在扭转液压单元304的驱动下，第一支撑座301可在一定范围内转动。
39.第一推力液压单元302对称设置在第一支撑座301的侧壁上；冲扣钳体305设于第一推力液压单元302的活动端；冲扣钳体305在第一推力液压单元302的驱动下可相互靠近和远离。冲扣钳体305的夹持面也设置有齿形槽，齿形槽呈竖直方向分布，增加冲扣钳体对管柱旋转时的正向扭矩。
40.旋扣钳组件2主要包括固定轴210、浮动安装座209、夹紧臂208、机架203、摩擦轮205、马达202、浮动液压单元211、第三推力液压单元213、转动块214和旋转对中杆215。两根固定轴210竖直设于上层台402上，浮动安装座209活动套设在固定轴210上，每根固定轴210上活动套设有一条夹紧臂208，且夹紧臂208安装在浮动安装座209上可以随着浮动安装座209一起上下运动。浮动液压单元211的固定端安装在上层台402上，活动端与浮动安装座209的下端相连，浮动液压单元211用于驱动浮动安装座209上下运动。
41.夹紧臂208的中部固定安装有支撑轴204，夹紧臂208的端部固定安装有连接杆212，机架203活动套设在支撑轴204上，从而机架203可绕支撑轴204自由转动，在旋扣钳组件夹紧过程中机架203的转动可以更好地对上部管柱进行对中并且使夹紧力分布更均匀。
42.摩擦轮205转动安装在机架203上，马达202通过螺栓固定安装在机架203上端表面，马达202与摩擦轮205相连，摩擦轮205表面安装有高阻抗的耐磨材料，摩擦轮205与上部
管柱接触并压紧后由马达202带动旋转，从而驱动上部管柱转动。
43.每条夹紧臂208的连接杆212均与一个第三推力液压单元213的活动端相连，两个第三推力液压单元213的固定端通过连接轴固定相连，连接轴活动穿设于转动块214，转动块214可绕连接轴转动。转动块214滑动套设在旋转对中杆215上，旋转对中杆215的下端通过铰接的方式转动安装在升降台4上，旋转对中杆215位于两条夹紧臂208的中间位置。工作时两个第三推力液压单元213同步收缩分别带动两条夹紧臂208相互靠拢，旋转对中杆215可绕铰接处转动，也能沿着转动块214上下移动，在旋扣钳组件2夹紧过程中，由于两个第三推力液压单元213收缩不均匀，可能导致一侧的夹紧臂比另一侧的夹紧臂转动更快，造成夹紧时上部管柱偏心，此时由于旋转对中杆215左右限位作用，保证了两侧夹紧臂始终以相同的旋转角度靠拢，在夹紧过程第三推力液压单元213同时也会产生一个靠近或远离上部管柱的位移，而转动块214的转动作用和旋转对中杆215在转动块214中的移动作用能抵消第三推力液压单元213产生的位移，又能起到对中的作用。
44.旋扣钳组件2还包括浮动弹簧207和压板206，压板206设于固定轴210上部，浮动弹簧207套设在固定轴210上，且位于压板206和浮动安装座209之间，通过螺栓在固定轴210上旋紧压板206，由于浮动弹簧207具有吸能效果，浮动安装座209依然能够上下移动。
45.机架203上还设有防护挡板201，防护挡板201设于机架203的侧面。
46.底座6上安装有泥浆罩7，泥浆罩7环绕设于旋扣钳组件2、冲扣钳组件3和夹紧钳组件5的外围，底座6上设有排污口606。泥浆罩7周向开设有一定角度的开口，其锥面上也设置了三处观察口701，便于工作人员观察管柱1的实时情况，管柱进行卸扣时，管柱内存在油、水等污染物，污染物由于泥浆罩7的阻挡不会向四周飞溅，而是顺着泥浆罩7内壁下流，汇集到底座6里，最终通过排污口606排出。
47.底座6包括从上往下设置的安装座601、泥浆挡盘602和安装法兰603；安装座601主要用于安装夹紧钳组件5、举升液压单元401和导柱404。泥浆挡盘602外沿上设置有安装泥浆罩7的螺纹孔，泥浆罩7通过底部法兰固定安装在泥浆挡盘602上。泥浆挡盘602上沿其径向设有多条加强筋605，加强筋605上设置有贯穿的流通孔604；排污口606设于泥浆挡盘602上。安装法兰603上设置有螺纹通孔，底座6可通过安装法兰603直接安装到带压作业装置的防喷器上。
48.上述的液压单元均采用液压缸，液压单元的固定端为液压缸的缸体，液压单元的活动端为液压缸的液压杆。
49.如图5a、图5b、图5c和图5d所示，不压井作业井口管柱上卸扣装置上扣时的工作过程包括以下详细步骤：步骤一、钻井平台上的管柱吊卡将第一根管柱吊至井口位置，对准不压井作业井口管柱上卸扣装置的中心孔位置然后下放；管柱上部接头下放至夹紧钳组件5上方附近时，吊卡停止下放，夹紧钳体503伸出，将管柱夹紧（带压作业中，游动卡瓦可配合夹紧管柱），吊卡松开并上提；步骤二、吊卡将第二根管柱吊至井口位置，对准不压井作业井口管柱上卸扣装置的中心孔位置后下放，上部管柱的公头接触下部管柱的母头时，吊卡停止下放，举升液压单元401推动上层台402和下层台403向上移动，当旋扣钳组件2和冲扣钳组件3上升至合适位置时，举升液压单元401停止举升；
步骤三、旋扣钳组件2的第三推力液压单元213收缩，夹紧臂208相互靠拢夹紧管柱，马达202带动摩擦轮205旋转进而带动管柱旋转，同时浮动液压单元211收缩，带动浮动安装座209下移，达到预定扭矩后马达202停止转动；步骤四、旋扣钳组件2松开，冲扣钳组件3的第一推力液压单元302推动冲扣钳体305夹紧管柱，扭转液压单元304推动管柱旋转一定角度，达到预定扭矩后停止转动，冲扣钳组件3、夹紧钳组件5和吊卡松开，升降台4下移至初始位置，移动卡瓦带动管柱下移，上扣完成。
50.如图6a、图6b、图6c和图6d所示，不压井作业井口管柱上卸扣装置卸扣时的工作过程包括以下详细步骤：步骤一、移动卡瓦将管柱提升至钻井平台井口附近，吊卡夹住管柱进行提升；步骤二、管柱接头上升至夹紧钳组件5上方附近时，吊卡停止上提，夹紧钳组件5工作将管柱夹紧，举升液压单元401推动上层台402和下层台403向上移动，当旋扣钳组件2和冲扣钳组件3上升至合适位置时，举升液压单元401停止举升；步骤三、冲扣钳组件3的第一推力液压单元302推动冲扣钳体305夹紧管柱，扭转液压单元304推动管柱旋转一定角度，达到预定的较低扭矩后停止转动；冲扣钳组件3，旋扣钳组件2的第三推力液压单元213收缩，夹紧臂208相互靠拢夹紧管柱，马达202带动摩擦轮205旋转进而带动管柱旋转，同时浮动液压单元211伸长，带动浮动安装座209上移，在管柱公母接头完全分离后马达202停止转动；步骤四、旋扣钳组件2松开，升降台4下移至初始位置，吊卡将管柱上提离开井口，卸扣完成。
51.本发明不局限于上述可选实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是落入本发明权利要求界定范围内的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。