專利名稱：全液壓齒輪齒條鉆機的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及鉆機技術領域，具體涉及一種新型的全液壓齒輪齒條鉆機。
背景技術：
在2000米以內淺油、氣、水井的鉆井、欠平衡鉆井、小井眼鉆井、修井、不壓井作業
和開窗側鉆等作業均采用液壓鉆機進行作業。現有的鉆機結構復雜，成本高，都具有絞車、 游吊系統、鋼絲繩、鏈條、貓頭等結構，操作人員需站在轉盤附近的危險區域操作鉆柱，操作環境差，另外，維護保養麻煩，且成本高。傳統的液壓鉆機液壓系統都是開式的液壓系統，對鉆機的精確控制都有很大的限制，且現有的液壓系統均為單個系統分別布局，系統結構分散，安裝維護不便。較多采用液-液控制，少數采用的電-液控制的也只是針對對局部結構(如動力頭等)，而國外對整套鉆機采用的控制方式也多采用繼電器、放大電路的“硬線”連接，采用這種的開環控制，節點多、做不到故障診斷、可靠性差。現有技術中，水龍頭主要是氣動旋扣器、頂驅。該二種動力單元結構都比較龐大， 而且只能實現上卸扣和提升功能，沒有加壓鉆進功能，在鉆井初期需要用鉆鋌進行加壓，使用不方便，增加成本。現有的自動送鉆需單獨配置游吊系統，游吊系統結構復雜，造價高，操作控制精度不高。鉆機的管子是由液壓貓道進行處理的，主要有平跑道、斜跑道、移動桿、 支架、電氣及液壓系統以及拖輪機構等輔助裝置幾大部分組成，體積比較龐大，結構比較復雜，操作不方便。
實用新型內容為解決現有技術存在的上述缺陷，本實用新型的目的在于提供一種結構緊湊，成本低，操作維護方便，實現精確定位和控制，工作可靠，提高現場作業成功率的全液壓齒輪齒條鉆機為實現上述目的，本實用新型采用的技術方案該全液壓齒輪齒條鉆機，包括動力系統、運載車底盤、分動箱、井架、動力頭、鉆桿處理裝置、液壓系統、電控系統，其特征在于 所述動力頭為液壓動力水龍頭，具有動力頭機架和水龍頭總成，所述動力頭機架上安裝有4 個液壓馬達和減速箱，在減速箱的軸端伸入至動力頭機架的背面并安裝4個小齒輪，小齒輪與安裝在井架上的齒條嚙合，在4個液壓馬達的軸頭上安裝1個編碼器，在動力頭底部安裝2個反扭矩傳感器和液壓盤式剎車，在水龍頭總成中間軸的軸頭上安裝1個實現自動定向鉆井的編碼器；所述鉆桿處理裝置，具有液壓管排架、底座、機械臂和動力機構，所述機械臂上設有夾持鉆桿的液壓背鉗，液壓背鉗通過翻轉機構連接在機械臂上，機械臂一端鉸接在底座上，底座和機械臂之間連接有推動機械臂翻轉的油缸；所述液壓系統為閉式液壓系統，具有為動力頭旋轉液壓系統、動力頭提升液壓系統、動力頭旋轉剎車液壓系統和管子處理液壓系統，所述動力頭旋轉液壓系統具有提供動力的第1變量泵和第2變量泵，所述第1、2變量泵通過管路連接第1、2變量馬達；所述動力頭提升液壓系統具有提供動力的第
33變量泵和第4變量泵，第3、4變量泵同時連接第3、4、5、6變量馬達；所述管子處理液壓系統包括管子起升液壓缸、背鉗缸和繃扣缸，所述管子起升液壓缸、背鉗缸和繃扣缸與變量液壓油泵多功能閥連接，所述動力頭旋轉剎車液壓系統的液壓缸與變量液壓油泵多功能閥連接；所述電控系統，具有上位機和PLC模塊，所述PLC模塊通過現場總線控制技術把上位機、 動力頭從站、司鉆臺操作指示機構、司鉆臺觸摸屏組成ftx)fibUS-DP網絡，管子處理器、主發動機監測模塊、鉆井空壓機監測模塊通過CAN總線并行處理，并采用HMS的Anybus解決方案，通過DP轉換器實現CAN總線與ftOfibus -DP網絡相連，動力頭從站通過兩個電液比例閥分別連接動力頭提升馬達和動力頭旋轉馬達。所述4個液壓馬達和減速箱之間設有實現動力頭的工作制動和駐車制動的多級盤式制動器。所述機械臂上設有自動調垂直度裝置。采用上述技術方案的有益效果該全液壓齒輪齒條鉆機的水龍頭使動力頭與提升 (加壓)系統合為一體，動力頭具有旋轉(鉆井)功能、提升/下放功能、加壓鉆進功能；在控制系統作用下，實現自動送鉆功能、自動定向鉆井功能、反扭矩釋放的功能。在中間軸的軸頭上安裝1個分辨率IOM位的編碼器，實現自動定向鉆井鉆水平井或定向井時，剎車鉗抱死，通過動力頭上下運動來下放鉆柱，當渦輪鉆具的實際位置與目標靶區偏離時，信號反饋給PLC，PLC給液壓馬達信號，馬達開始工作，當軸頭轉過設定的角度后，編碼器信號反饋給PLC，PLC給盤剎鉗信號，盤剎抱死，從而精確的控制鉆頭的旋轉角度和鉆壓。鉆桿處理裝置具有可翻轉的液壓背鉗，液壓背鉗通過翻轉機構翻轉90°后抓取鉆桿，再翻轉回原位置，油缸推動機械臂翻轉，將鉆桿豎直送至井口，通過動力頭完成上扣后，用繃扣缸緊扣； 卸扣時，通過液壓背鉗夾緊鉆柱，先由繃扣缸松扣，然后由動力頭卸扣，最后由機械臂將井口的鉆桿放到地面管排架上。機械臂上設有自動調垂直度裝置，在鉆機作業前，可對鉆桿處理裝置的機械臂先調垂直度。結構簡單，操作方便，可直接抓取鉆桿送到井口，作業效率高。 閉式液壓系統，采用基于電液閉環比例技術，指令參量的輸入以模擬量的直流電壓信號來實現，簡化了液壓系統，降低了成本，提高了液壓系統的精度，提高了系統的可靠性。電控系統采用PLC模塊為控制核心，并通過現場總線控制技術把設備組成ibus - DP網絡；管子處理器、主發動機監測模塊和鉆井空壓機監測模塊(監測柴油機水溫、機油壓力、轉速、運轉時間、電瓶電壓等參數信息，并可實現故障聲光報警)通過CAN總線并行處理，并采用HMS 的Anybus解決方案，實現CAN總線與ibus總線網絡相連，它可以實現鉆井數據實時處理(儲存，打印，回放)，具有集中監視、自動化控制、靈活操作、便利于生產管理和設備管理多種功能。與現有技術相比，簡化了的液壓系統，降低了成本，提高了液壓系統的精度，提高了系統的可靠性。該全液壓齒輪齒條鉆機既能提供拉力又能提供推力，特別適用于定向井、水平井、測鉆井等特殊鉆井和復雜情況下淺井、中深井鉆井。除鉆垂直井眼外，還有較好的水平鉆進能力。使用這類鉆機鉆井時，可直接進行造斜，也可先向下鉆出一段垂直井眼， 然后再轉向進行水平鉆進，從而將套管下到全部的產油氣帶，大大提高現場作業的成功率。 同時，齒條齒輪鉆機所需的占地面積僅為傳統鉆機占地面積的三分之一左右，是一種結構緊湊、實現精確定位和控制，性能先進，工作可靠，便于移運，成本較低，操作人員少，機動性強，工作效率高。以下結合附圖對本實用新型的具體實施例作進一步詳細的說明。
圖1為全液壓齒輪齒條鉆機主機結構示意圖。圖2為動力頭的結構示意圖。圖3為圖2的左視圖。圖4為動力頭與齒條配合的結構示意圖。圖5為鉆桿處理裝置的結構示意圖。圖6為液壓系統結構示意圖。圖7為電控系統通訊結構示意圖。
具體實施方式
如
圖1所示的2000m全液壓齒輪齒條鉆機，由動力系統、8X8運載車2、分動箱8、 帶泵箱9、井架1、動力頭5、鉆桿處理裝置、液壓系統、電控系統以及散熱水箱4、傳動箱7、液壓油箱10等主要部件組成。井架1由前支架3和后支架12支撐，鉆機由1臺630hp柴油機6作為行駛和鉆井作業動力。柴油機通過液力傳動箱7驅動分動箱8，分動箱8通過摘掛或驅動運載車2行走，或在作業狀態時驅動液壓泵。液壓泵即可驅動動力頭的液壓馬達旋轉，實現旋轉鉆進作業，又可驅動動力頭5的提升/加壓液壓馬達及減速箱，完成動力頭的提升和下放。如圖2、3、4所示動力頭為液壓動力水龍頭，具有動力頭機架1. 1，動力頭機架1. 1 上設有水龍頭總成，水龍頭總成包括液壓馬達1.2、1.4，輸入軸1.3、1.5，中間軸1. 15，液壓馬達1. 2,1. 4分別驅動輸入軸1. 3,1. 5，經過中間軸1. 15減速，從而驅動中心管1. 9旋轉。 所述動力頭機架上安裝有4個液壓馬達1. 6,1. 7,1. 10、1. 11和減速箱1. 12，在減速箱的軸端伸出至動力頭機架的背面并安裝4個小齒輪1. 13，小齒輪1. 13與安裝在井架上的齒條 1. 14嚙合，實現動力頭的提升/下放功能。在提升/下放的4個液壓馬達的軸頭上安裝1 個編碼器，與裝備系統中的精密壓力變送器、工作方式選擇開關(恒壓、恒速)、轉向選擇開關(正轉/反轉)、恒速給定按鈕、測速給定按鈕配合來實現自動送鉆功能。在4個液壓馬達 1. 11和減速箱1. 12之間的多級盤式制動器，實現動力頭的工作制動和駐車制動。在動力頭底部安裝2個反扭矩傳感器和液壓盤式剎車1. 8，防止當動力頭停止旋轉鉆進時，鉆柱由于反扭矩的釋放，造成鉆具脫扣。在水龍頭總成中間軸1. 15的軸頭上安裝1個實現自動定向鉆井的編碼器，編碼器的分辨率IOM位，實現自動定向鉆井鉆水平井或定向井時，剎車鉗抱死，通過動力頭上下運動來下放鉆柱。當渦輪鉆具的實際位置與目標靶區偏離時，信號反饋給PLC，PLC給液壓馬達信號，馬達開始工作，當軸頭轉過設定的角度后，編碼器信號反饋給PLC，PLC給盤剎鉗信號，盤剎抱死，從而精確的控制鉆頭的旋轉角度和鉆壓。如圖5所示的鉆桿處理裝置，具有液壓管排架2. 1、底座2. 2、機械臂2. 3和動力機構，所述機械臂2. 3上設有夾持鉆桿2. 4的液壓背鉗2. 5，液壓背鉗2. 5通過翻轉機構2. 6 連接在機械臂2. 3上，翻轉機構2. 6由小油缸推動翻轉，機械臂2. 3的一端鉸接在底座2. 2 上，底座2. 2和機械臂2. 3之間連接有推動機械臂翻轉的油缸2. 7。液壓背鉗翻轉后抓取鉆桿，再翻轉回原位置，并由油缸推動機械臂翻轉，將鉆桿豎直送至井口，通過動力頭完成上扣后，用繃扣缸緊扣；卸扣時，通過液壓背鉗夾緊鉆柱，先由繃扣缸松扣，然后由動力頭卸扣，最后由機械臂將井口的鉆桿放到地面管排架上。所述機械臂上設有自動調垂直度裝置。 在鉆機作業前，鉆桿處理裝置的機械臂需要先調垂。機械臂垂直度自動控制功能如下自動調垂時，先由自動調垂功能，將機械臂自動升到與標準垂直位置誤差正負3°以內，此時允許自動調垂，控制器采集傾角傳感器的信號計算出機械臂當前位置，通過閉環PID功能塊計算出液壓比例閥需要的開度，從而自動改變PWM輸出通道輸出，自動調整機械臂位置一直到與標準位置重合。手動調垂模式下操作人員通過手柄直接調整機械臂位置到與標準位置重合。然后將此位置標定，每次機械臂夾取鉆桿到此位置后，液壓缸停止運動。如圖6所示的液壓系統為閉式液壓系統，具有為動力頭旋轉液壓系統、動力頭提升液壓系統、動力頭旋轉剎車液壓系統和管子處理液壓系統，所述動力頭旋轉液壓系統具有提供動力的第1變量泵3. 1和第2變量泵3. 2，所述第1、2變量泵通過管路連接第1、2變量馬達3. 3,3. 4 ；所述動力頭提升液壓系統具有提供動力的第3變量泵3. 11和第4變量泵 3. 10，第3、4變量泵同時連接第3、4、5、6變量馬達3. 12,3. 13,3. 14,3. 15 ；所述管子處理液壓系統包括管子起升液壓缸3. 8、背鉗缸3. 7和繃扣缸3. 6，所述管子起升液壓缸、背鉗缸和繃扣缸與變量液壓油泵多功能閥3. 9連接，所述動力頭旋轉剎車液壓系統的液壓缸3. 5與變量液壓油泵多功能閥3. 9連接。如圖7所示的電控系統，具有上位機(IPC)4. 1和PLC模塊4. 2為西門子(SIEMENS) S7-300 PLC,所述PLC模塊4. 2通過現場總線4. 4把上位機4. 1、動力頭ET200M從站4. 14、 司鉆臺操作指示機構4. 3、司鉆臺觸摸屏4. 5組成ftOfibus - DP網絡。管子處理器4. 9、 主發動機監測模塊4. 8、鉆井空壓機監測模塊4. 7通過CAN總線4. 6并行處理，并采用HMS 的Anybus解決方案，通過DP轉換器4. 15實現CAN總線與ibus - DP網絡相連，動力頭 ET200M從站4. 14通過兩個電液比例閥4. 12,4. 13分別連接動力頭提升馬達4. 11和動力頭旋轉馬達4. 10。主發動機監測模塊4. 8監測柴油機水溫、機油壓力、轉速、運轉時間、電瓶電壓等參數信息，并可實現故障聲光報警。鉆機控制系統還可以增加Bypass旁路控制，提高系統可靠性，在PLC出現故障時，可以實現動力頭停車、上提/下放、急停等功能。鉆機的PLC 模塊由S7-300 CPU模塊、24V/5A的電源模塊、信號模塊(模擬量輸入/輸出模塊，數字量輸入/輸出模塊)、功能模塊，通信處理器組成。采用西門子的乂印7編程軟件，可以實現對動力頭的提升、下放、剎車、急停、正/反旋轉鉆進、鉆速調節等基本動作的控制，通過安裝在2 個液壓馬達軸頭端的編碼器，可以實現自動送鉆、自動定向鉆井等復雜工況。PLC與電磁閥塊的配合使用，代替了復雜的液壓邏輯控制，簡化了液壓系統，降低了成本，提高了液壓系統的精度，提高了系統的可靠性。
權利要求1.一種全液壓齒輪齒條鉆機，包括動力系統、運載車底盤、分動箱、井架、動力頭、鉆桿處理裝置、液壓系統、電控系統，其特征在于所述動力頭為液壓動力水龍頭，具有動力頭機架和水龍頭總成，所述動力頭機架上安裝有4個液壓馬達和減速箱，在減速箱的軸端伸入至動力頭機架的背面并安裝4個小齒輪，小齒輪與安裝在井架上的齒條嚙合，在4個液壓馬達的軸頭上安裝1個編碼器，在動力頭底部安裝2個反扭矩傳感器和液壓盤式剎車，在水龍頭總成中間軸的軸頭上安裝1個實現自動定向鉆井的編碼器；所述鉆桿處理裝置，具有液壓管排架、底座、機械臂和動力機構，所述機械臂上設有夾持鉆桿的液壓背鉗，液壓背鉗通過翻轉機構連接在機械臂上，機械臂一端鉸接在底座上，底座和機械臂之間連接有推動機械臂翻轉的油缸；所述液壓系統為閉式液壓系統，具有為動力頭旋轉液壓系統、動力頭提升液壓系統、動力頭旋轉剎車液壓系統和管子處理液壓系統，所述動力頭旋轉液壓系統具有提供動力的第1變量泵和第2變量泵，所述第1、2變量泵通過管路連接第1、2變量馬達；所述動力頭提升液壓系統具有提供動力的第3變量泵和第4變量泵，第3、4變量泵同時連接第3、4、5、6變量馬達；所述管子處理液壓系統包括管子起升液壓缸、背鉗缸和繃扣缸， 所述管子起升液壓缸、背鉗缸和繃扣缸與變量液壓油泵多功能閥連接，所述動力頭旋轉剎車液壓系統的液壓缸與變量液壓油泵多功能閥連接；所述電控系統，具有上位機和PLC模塊，所述PLC模塊通過現場總線控制技術把上位機、動力頭從站、司鉆臺操作指示機構、司鉆臺觸摸屏組成ftx)fibUS-DP網絡，管子處理器、主發動機監測模塊、鉆井空壓機監測模塊通過CAN總線并行處理，并采用HMS的Anybus解決方案，通過DP轉換器實現CAN總線與 Profibus - DP網絡相連，動力頭從站通過兩個電液比例閥分別連接動力頭提升馬達和動力頭旋轉馬達。
2.根據權利要求1所述的全液壓齒輪齒條鉆機，其特征在于所述4個液壓馬達和減速箱之間設有實現動力頭的工作制動和駐車制動的多級盤式制動器。
3.根據權利要求1所述的全液壓齒輪齒條鉆機，其特征在于所述機械臂上設有自動調垂直度裝置。
專利摘要本實用新型公開了一種全液壓齒輪齒條鉆機，包括動力系統、運載車底盤、分動箱、井架、動力頭、鉆桿處理裝置、液壓系統、電控系統，其中所述動力頭為液壓動力水龍頭，所述鉆桿處理裝置可直接抓取鉆桿送到井口，液壓系統采用基于電液閉環比例技術，指令參量的輸入以模擬量的直流電壓信號來實現，簡化了液壓系統，降低了成本，提高了液壓系統的精度，提高了系統的可靠性，電控系統由PLC模塊通過現場總線控制技術把設備組成Profibus–DP網絡，管子處理器、主發動機監測模塊和鉆井空壓機監測模塊通過CAN總線并行處理，并實現CAN總線與Profibus總線網絡相連。結構緊湊，成本低，操作維護方便，實現精確定位和控制，工作可靠，提高現場作業成功率。
文檔編號E21B7/02GK202131976SQ20112019949
公開日2012年2月1日 申請日期2011年6月14日 優先權日2011年6月14日
發明者余利軍, 劉海偉, 張軍帥, 焦偉剛, 鄭惠玲, 齊然 申請人:上海石油天然氣有限公司, 南陽二機石油裝備(集團)有限公司