一种自动吊卡双补芯作业系统及方法与流程

1.本发明涉及石油天然气钻探技术领域，具体涉及一种自动吊卡双补芯作业系统及方法。


背景技术：

2.随着页岩油气资源的逐步开采，浅层油气资源已无法满足需求，对于深层和水平油气藏的开采的需要，钻杆不断接长，重量不断加重。若采用当前配置的手动卡瓦或液压卡瓦，存在的轻载时卡不紧，重载时卡不住、打滑、损伤钻杆管体的问题。
3.因此，目前针对于深层和水平油气藏的开采，现场通常使用双手动吊卡作业方式，手动吊卡直接与钻杆接头台阶面接触，承受整个钻柱的重量，不存在卡瓦打滑、损伤钻杆管体等问题。但这种方式，需要人工在井口危险区域来回替换两个手动吊卡，劳动强度大，安全风险高。


技术实现要素：

4.针对目前深层和水平油气藏的开采，需要人工在井口危险区域来回替换两个手动吊卡的技术问题；本发明提供了一种自动吊卡双补芯作业系统及方法，能够自动实现双补芯吊卡作业，可彻底解决卡瓦打滑和损伤钻杆问题，并且能够解决手动双吊卡无法自动化、无法定心问题，从而实现整个管柱处理系统的自动化。
5.本发明通过下述技术方案实现：
6.第一方面，本发明提供了一种自动吊卡双补芯作业系统，包括：液压吊卡，中部设置有供补芯穿过的夹持孔，且能够将补芯夹持在所述夹持孔内；顶驱，与所述液压吊卡相连，用于驱动所述液压吊卡上下移动；补芯运转台，在工作状态下位于所述液压吊卡下方，且能够将补芯移出或送入井口。
7.本发明提供的自动吊卡双补芯作业系统，液压吊卡能够自动夹持或释放补芯，并通过补芯连接钻杆，由驱动带动液压吊卡上下移动，从而带动钻杆上下移动，同时设置有补芯运转台，能够自动将补芯移动至或移出液压吊卡夹持孔内和井口位，进而通过液压吊卡和补芯运转台来回替换两个补芯。
8.因此，本发明提供的自动吊卡双补芯作业系统，能够自动实现双补芯吊卡作业，避免了人工操作，可彻底解决卡瓦打滑和损伤钻杆问题，并且解决手动双吊卡无法自动化、无法定心问题，从而实现整个管柱处理系统的自动化。
9.在一可选的实施方式中，所述液压吊卡适配有多个支撑部，所述支撑部一端与所述液压吊卡铰接；其中，所述支撑部能够通过吊环后倾平移液压吊卡，而限制补芯向远离所述顶驱的方向移动。以通过支撑部的旋转，控制补芯能够向远离所述顶驱的方向移动,以控制液压吊卡是否与钻杆相连。
10.在一可选的实施方式中，所述液压吊卡通过吊环与所述顶驱相连，所述吊环两端分别与对应的所述液压吊卡和所述顶驱铰接，以实现液压吊卡的相连，且使得液压吊卡能
够向驱动的驱动方向的一侧平移。
11.在一可选的实施方式中，所述顶驱包括导轨和直线移动模组，所述直线移动模组与所述导轨传动连接，且所述直线移动模组能够沿所导轨长度方向移动，以通过直线移动模组带动液压吊卡上下移动。
12.在一可选的实施方式中，所述补芯运转台包括：补芯取放机构，用于取放补芯；伸展机构，与所述补芯取放机构，用于驱动所述补芯取放机构从补芯存放工位移动至井口，以通过伸展机构的伸展带动补芯取放机构移动。
13.在一可选的实施方式中，所述补芯取放机构包括：两个夹臂，两所述夹臂相对的一端铰接；夹持驱动器，用于驱动两个所述夹臂相对远离或靠拢，以通过两个夹臂的相对靠拢夹持补芯、两个夹臂的相对远离释放补芯。
14.在一可选的实施方式中，所述伸展机构包括：旋转柱，能够绕一预设的轴线转动；直线移动模块，传动连接设置于所述旋转柱上，且能够沿所述旋转柱长度方向移动；伸展连杆组，一端与所述直线移动模块铰接，另一端与所述补芯取放机构铰接；伸展驱动器，一端与所述直线移动模块铰接，另一端与所述伸展连杆组铰接；其中，所述伸展驱动器为直线驱动器，且在所述伸展驱动器伸展时，所述补芯取放机构向远离所述旋转柱的方向移动。
15.通过旋转柱的旋转带动伸展连接杆组沿预设的轴线转动、通过连杆组带动补芯取放机构移动，同时直线移动模组能够带动伸展连杆组上下移动，使得补芯取放机构可以上升、旋转和伸出，从而带动补芯取放机构上的补芯移动到井眼中心。
16.在一可选的实施方式中，所述伸展连杆组包括两个串接的四连杆机构，以确保伸展机构在伸展过程中的稳定性，进而确保补芯取放机构移动的位置精度。
17.第二方面，本发明提供了一种自动吊卡双补芯作业方法，基于上述的自动吊卡双补芯作业系统，包括接单根工序，所述接单根工序包括以下步骤：
18.s10、通过液压吊卡夹持下补芯，并前倾打开补芯将中心孔与钻杆相连；
19.s11、猫道向前将钻杆送入液压吊卡补芯中，上提液压吊卡至钻杆竖直；
20.s12、将钻杆下放至下部钻杆中，并使用铁钻工对钻杆上扣；
21.s13、通过补芯取放机构夹持并打开下补芯，并将下补芯移动至补芯存放工位；
22.s14、顶驱带动液压吊卡下移，使得钻杆放入钻井内；
23.所述下钻工序包括以下步骤：
24.s15、通过补芯取放机构将中继补芯移动至液压吊卡可夹持工位；
25.s16、通过液压吊卡夹持中继补芯，并带动中继补芯上移至二层台高度；
26.s17、通过二层台排管机夹持中继钻杆，并带动中继钻杆移动至液压吊卡补芯内并关闭；
27.s18、下放中继钻杆，并将中继钻杆与下钻杆对扣，使用铁钻工对其上扣；
28.s19、通过补芯取放机构夹持并打开下补芯，并将下补芯移动至补芯存放工位；
29.s20、液压吊卡下行，并下放中继钻杆，将中继补芯放入转盘内支撑中继钻杆；
30.s21、液压吊卡松开中继补芯后上行，并重复步骤s10～s14或s15～s21直至将钻杆放入钻井内。
31.本发明提供的自动吊卡双补芯作业方法，液压吊卡能够自动夹持或释放补芯，并通过补芯连接钻杆，由驱动带动液压吊卡上下移动，从而带动钻杆上下移动，同时补芯运转
台能够自动将补芯移动至或移出液压吊卡的移动路径和井口，进而通过液压吊卡和补芯运转台来回替换两个自动的液压吊卡。因此，能够自动实现双补芯吊卡的下钻作业，避免了人工操作，可彻底解决卡瓦打滑和损伤钻杆问题，并且解决手动双吊卡无法自动化、无法定心问题，从而实现整个管柱处理系统的自动化。
32.在一可选的实施方式中，还包括起钻工序，所述起钻工序包括以下步骤：
33.s22、下移空载的液压吊卡门至井口，并夹持上补芯以带动上钻杆上移；
34.s23、当液压吊卡到达二层台后，通过补芯运转台将中继补芯打开并送至井口；
35.s24、当中继补芯到达井口位后，通过中继补芯夹持中继钻杆，液压吊卡下移由中继补芯承载钻杆重量；
36.s25、补芯运转台的补芯取放机构退出井口位，并对钻柱进行卸扣；
37.s26、卸扣动作完成后，液压吊卡打开，排管机将钻杆夹持并存放至立根盒；
38.s27、重复步骤s22～s26直至钻杆存放至立根盒。
39.以自动将钻杆移出钻井，能够自动实现双补芯吊卡的起钻作业，避免了人工操作，可彻底解决卡瓦打滑和损伤钻杆问题，从而实现整个管柱处理系统的自动化。
40.本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果
41.1、本发明提供的自动吊卡双补芯作业系统，液压吊卡能够自动夹持或释放补芯，并通过补芯连接钻杆，由顶驱带动液压吊卡上下移动，从而带动钻杆上下移动，同时设置有补芯运转台，能够自动将补芯移动至或移出液压吊卡和井口位，进而通过液压吊卡和补芯运转台来回替换两个补芯，因此，能够自动实现双补芯吊卡作业，避免了人工操作，可彻底解决卡瓦打滑和损伤钻杆问题，并且解决手动双吊卡无法自动化、无法定心问题，从而实现整个管柱处理系统的自动化。
42.2、本发明提供的自动吊卡双补芯作业方法，基于前述的系统，能够自动实现双补芯吊卡的下钻作业，避免了人工操作，可彻底解决卡瓦打滑和损伤钻杆问题，并且解决手动双吊卡无法自动化、无法定心问题，从而实现整个管柱处理系统的自动化。
附图说明
43.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本技术的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
44.在附图中：
45.图1为本发明实施例自动吊卡双补芯作业系统的结构示意图；
46.图2为本发明实施例液压吊卡的结构示意图；
47.图3为本发明实施例补芯运转台的主视结构示意图；
48.图4为本发明实施例补芯运转台的俯视结构示意图；
49.图5为本发明实施例下钻和起钻过程中液压吊卡与钻杆连接时的结构示意图
50.图6为本发明实施例下钻和起钻过程中作业系统一个状态的结构示意图；
51.图7为本发明实施例下钻和起钻过程中作业系统另一个状态的结构示意图。
52.附图中标记及对应的零部件名称：
53.100-液压吊卡，110-夹持孔，120-支撑部，130-吊环；
54.200-顶驱，210-导轨，220-直线移动模组；
55.300-补芯运转台，310-补芯取放机构，311-夹臂，312-夹持驱动器，320-伸展机构，321-旋转柱，322-直线移动模块，323-伸展连杆组，324-伸展驱动器；
56.420-转盘，430-排管机。
具体实施方式
57.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术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技术一部分实施例，而不是全部的实施例。
58.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
59.在本技术实施例的描述中，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖向”、“纵向”、“侧向”、“水平”、“内”、“外”、“前”、“后”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请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技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备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技术的限制。
60.实施例1
61.结合图1，本实施例提供了一种自动吊卡双补芯作业系统，包括：液压吊卡100，中部设置有供补芯穿过的夹持孔110，且能够将补芯夹持在所述夹持孔110内；顶驱200，与所述液压吊卡100通过吊环(130)相连，用于驱动所述液压吊卡100上下移动；补芯运转台300，在工作状态下位于钻台面所述液压吊卡100下方，且能够将补芯移出或送入井口位。
62.结合图1，可以理解的是，所述顶驱200包括导轨210和直线移动模组220，所述直线移动模组220与所述导轨210传动连接，且所述直线移动模组220能够沿所导轨210长度方向移动，以通过直线移动模组220带动液压吊卡100上下移动。对于直线移动模组220，只需能够沿导轨210长度方向移动即可，对自身机构没有过多的限制，在本实施例中，采用本技术领域采用的钻杆上提模组，本实施例将不做详细的说明。
63.结合图2，具体来说，所述液压吊卡100适配有多个支撑部120，所述支撑部120一端与所述液压吊卡100铰接；其中，所述支撑部120能够通过吊环后倾平移液压吊卡，而限制补芯向远离所述顶驱200的方向移动。以通过支撑部120的旋转，控制补芯能够向远离所述顶驱200的方向移动,以控制液压吊卡100是否与钻杆相连。
64.对于液压吊卡100与顶驱200的连接，在本实施例中，所述液压吊卡100通过吊环130与所述顶驱200相连，所述吊环130两端分别与对应的所述液压吊卡100和所述顶驱200铰接，以实现液压吊卡100的相连，且使得液压吊卡100能够向驱动的驱动方向的一侧平移。
65.结合图3，所述补芯运转台300包括：补芯取放机构310，用于取放补芯；伸展机构320，与所述补芯取放机构310，用于驱动所述补芯取放机构310从补芯存放工位移动至井口，以通过伸展机构320的伸展带动补芯取放机构310移动。
66.结合图4，所述补芯取放机构310包括：两个夹臂311，两所述夹臂311相对的一端铰
接；夹持驱动器312，用于驱动两个所述夹臂311相对远离或靠拢，以通过两个夹臂311的相对靠拢夹持补芯、两个夹臂311的相对远离释放补芯。
67.结合图3和图4，可以理解的是，所述伸展机构320包括：旋转柱321，能够绕一预设的轴线转动；直线移动模块322，传动连接设置于所述旋转柱321上，且能够沿所述旋转柱321长度方向移动；伸展连杆组323，一端与所述直线移动模块322铰接，另一端与所述补芯取放机构310铰接；伸展驱动器324，一端与所述直线移动模块322铰接，另一端与所述伸展连杆组323铰接；其中，所述伸展驱动器324为直线驱动器，且在所述伸展驱动器324伸展时，所述补芯取放机构310向远离所述旋转柱321的方向移动。
68.其中，旋转柱321通常通过减速机构与旋转驱动器(液压马达或电机)相连，且在旋转驱动器的驱动下沿自身轴线旋转。而直线移动模型，可以是与旋转柱321适配的直线移动块，如通过直线驱动器带动沿旋转柱321上下移动的滑块，也可以自带驱动轮组件的移动模组，相应的驱动轮卡在旋转柱321的外侧内滑槽内，由驱动轮的转动沿旋转柱321轴向移动。
69.可知的是，通过旋转柱321的旋转带动伸展连接杆组沿预设的轴线转动、通过连杆组带动补芯取放机构310移动，同时直线移动模组220能够带动伸展连杆组323上下移动，使得补芯取放机构310可以上升、旋转和伸出，从而带动补芯取放机构310上的补芯移动到井眼中心。
70.进一步的，所述伸展连杆组323包括两个串接的四连杆机构，以确保伸展机构320在伸展过程中的稳定性，进而确保补芯取放机构310移动的位置精度。
71.总结来说，本实施例提供的自动吊卡双补芯作业系统，液压吊卡100能够自动夹持或释放补芯，并通过补芯连接钻杆，由顶驱带动液压吊卡100上下移动，从而带动钻杆上下移动，同时设置有补芯运转台300，能够自动将补芯移动至或移出液压吊卡100的夹持孔内和井口位，进而通过液压吊卡100和补芯运转台300来回替换两个补芯。
72.因此，本实施例提供的自动吊卡双补芯作业系统，能够自动实现双补芯吊卡作业，避免了人工操作，可彻底解决卡瓦打滑和损伤钻杆问题，并且解决手动双吊卡无法自动化、无法定心问题，从而实现整个管柱处理系统的自动化。
73.实施例2
74.本实施例提供了一种自动吊卡双补芯作业方法，基于实施例1所记载的自动吊卡双补芯作业系统，包括接单根工序、下钻工序和起钻工序。
75.所述接单根工序包括以下步骤：
76.s10、通过液压吊卡100夹持下补芯，并将下补芯与下钻杆相连。
77.结合图5，具体来讲，接下补芯时，作业系统处于初始状态，液压吊卡100在高位，钻杆在地面上。此时，通过顶驱200带动液压吊卡100下行，吊环130前倾带动液压吊卡100前移，猫道上行将上钻杆送至台面，然后通过液压吊卡100打开下补芯，将下补芯的中心孔对着下钻杆轴向。
78.s11、猫道向前将钻杆送入液压吊卡补芯中，上提液压吊卡至钻杆竖直。
79.具体而言，猫道向前送下钻杆，将下钻杆送入液压吊卡100内的下补芯中，最后通过顶驱200上移上提液压吊卡100至钻杆竖直。
80.s12、将钻杆下放至下部钻杆中，并使用铁钻工对钻杆上扣。
81.即，在下补芯与下钻杆连接的动作完成后，通过顶驱200下移将钻杆下放至下部钻
杆，并对扣，然后铁钻工上扣。
82.s13、通过补芯取放机构310夹持并打开下补芯，并将下补芯移动至补芯存放工位；
83.s14、顶驱带动液压吊卡100下移，使得钻杆放入钻井内。
84.所述下钻工序包括以下步骤：
85.s15、通过补芯取放机构310将中继补芯移动至液压吊卡100可夹持工位。
86.结合图6，应当理解的是，此时吊卡下降至台面钻杆高度，下补芯承载钻柱载荷，中继补芯夹持在补芯取放机构310内，由伸展机构320的伸展使得中继补芯移动至液压吊卡100可夹持工位。
87.s16、通过液压吊卡100夹持中继补芯，并带动中继补芯上移至二层台高度。
88.s17、通过二层台排管机夹持中继钻杆，并带动中继钻杆移动至液压吊卡补芯内并关闭。
89.也就是说，排管机430将钻杆交接给液压吊卡100，液压吊卡100带动中继补芯关闭，然后在顶驱200的带动下下行，实现下钻杆和对扣。
90.s18、下放中继钻杆，并将中继钻杆与下钻杆相连。
91.具体来讲，接头对准后，顶驱200驱动液压吊卡100下行，并放中继钻杆，其钻台面铁钻工对钻杆接头上扣，实现中继钻杆与下钻杆的连接。
92.s19、通过补芯取放机构310夹持并打开下补芯，并将下补芯移动至补芯存放工位。
93.具体而言，此时，伸展机构320动作将补芯取放机构310移动至井口，由补芯取放机构310动作将井口的下补芯抓住，然后液压吊卡100与补芯取放机构310先后上提，并打开下补芯，最后伸展机构320动作将补芯取放机构310带着补芯后退，最后将补芯移动至补芯存放工位。
94.s20、液压吊卡100下行，并下放中继钻杆，将中继补芯放入转盘420内支撑中继钻杆(图7)。
95.s21、液压吊卡100松开中继补芯后上行，并重复步骤s10～s14或s15～s21直至将上钻杆放入钻井内，以完成下钻工序。
96.所述起钻工序包括以下步骤：
97.s22、下移空载的液压吊卡100至井口，并夹持上补芯以带动钻杆上移。
98.具体而言，起钻工序初始状态，立柱在井口，由上补芯承载钻杆，而液压吊卡100空载，中继补芯夹持在补芯取放机构310内。起钻过程中，液压吊卡100的支撑部120打开，顶驱200带动液压吊卡100一起下降，液压吊卡100在抓住上补芯后关闭，然后由顶驱200带动液压吊卡100上提，从而提起钻柱。
99.s23、当液压吊卡100到达二层台后，通过补芯运转台300将中继补芯打开并送至井口。
100.具体而言，当液压吊卡100到达二层台后，钻台面上补芯取放机构310将中继补芯打开，通过伸展机构320的伸展将其并送至井口。
101.s24、当中继补芯到达井口位后，通过中继补芯夹持中继钻杆，液压吊卡100下移由中继补芯承载钻杆重量。
102.具体而言，在中继补芯到达井口位后中继补芯关闭，补芯取放机构310与液压吊卡100先后下降，使得中继补芯与转盘420接触，此时钻柱载荷由中继补芯承载
103.s25、补芯运转台300的补芯取放机构310退出井口位，并对钻柱进行卸扣。
104.s26、卸扣动作完成后，液压吊卡100上移，排管机430将钻杆夹持，液压吊卡100带动补芯打开，排管机430将钻杆存放至立根盒。
105.具体而言，卸扣动作完成后，后由顶驱200带动液压吊卡100上行，以将上部钻杆公扣脱出，液压吊卡100将钻杆交接给排管机430，由排管机430将钻杆排至立根盒。
106.s27、重复步骤s22～s26直至下钻杆存放至放至立根盒。
107.其中，钻杆交接动作完成后，液压吊卡100下行至台面，吊环130后倾将下补芯放入转运台上，液压吊卡100打开并上行脱离下补芯，随后浮动至竖直状态，起钻流程结束。
108.本实施例提供的自动吊卡双补芯作业方法，液压吊卡100能够自动夹持或释放补芯，并通过补芯连接钻杆，由顶驱带动液压吊卡100上下移动，从而带动钻杆上下移动，同时补芯运转台300能够自动将补芯移动至或移出液压吊卡100和井口位，进而通过液压吊卡100和补芯运转台300来回替换两个补芯。因此，能够自动实现双补芯吊卡的下钻、起钻和接单根作业，避免了人工操作，可彻底解决卡瓦打滑和损伤钻杆问题，并且解决手动双吊卡无法自动化、无法定心问题，从而实现整个管柱处理系统的自动化。
109.以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。