专利名称：一种油田井口卡座的制作方法
技术领域：
本发明涉及油田修井作业设备，具体地说是一种在修井时使用 的、自动化的油田井口卡座。
背景技术：
修井是油田生产过程中的重要环节。目前,修井作业时油管(抽 油杆)的夹持和悬挂大多采用双吊卡或单吊卡加手提式卡瓦的作业方 式。双吊卡作业存在着工人劳动强度大，工作效率低，安全性能差等
问题；而单吊卡加手提式钻杆卡瓦作业虽可适当提高工作效率，但由
于吊卡及卡瓦自身重量较大， 一般在60 - 80公斤以上，因此工人劳
动强度仍然很大。
卡座是用来卡住并悬挂井下油管、抽油杆、钻杆、套管和动力钻 具等的专用工具，在修井过程中也常常用于配合吊卡，实现油管(抽 油杆)的上提和下放。修井作业时，由于传统卡座的开闭均由人工完
成，因此井口必须安排多位搡作人员。 一般情况下，井口需要五个人: 二人负责操作井口卡座或者吊卡实现油管(抽油杆)的拉、排，二人 负责搡作吊卡和液压钳实现油管(抽油杆)的上卸扣， 一人负责操作 修井机实现油管(抽油杆)的上提和下放。
随着自动化检测和控制技术的发展以及油田和社会各界对安全 生产的重视，这种长期以来采用的双吊卡作业或单吊卡加手提式卡瓦 或单吊卡加气动卡座的作业模式亟待改变。实现修井作业自动化，特
别是井口操作无人化，已成为当前油田修井作业迫切需要解决的问 题。
发明内容
为了解决目前修井操作过程中井口操作人员在夹持和悬挂油管 (抽油杆)时存在劳动强度大，效率低，而且极易发生人身安全事故 的问题，本发明的目的在于提供一种井口搡作无人化、自动化的油田 井口卡座。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的
本发明包括框体、卡座体、液压缸、四连杆机构、卡瓦连杆及曲 轴，卡座体安装在框体上，在卡座体内设有卡瓦，卡瓦周围的框体上 设有带有卡瓦连杆的曲轴，卡瓦连杆的一端固接在曲轴上，另一端与卡瓦相铰接；框体的底部安装有液压缸，液压缸通过四连杆机构与曲 轴连接；框体内设有液压控制电磁阀组，液压缸通过油路与液压控制 电磁阀组相连接；卡座体上设有工作平板，工作平板两侧的框体上分 别由上至下对称设置有上检测光幕、井口锁卡器、下检测光幕及井口 开卡器，井口开、锁卡器分别通过油路与液压控制电磁阀组相连接。
其中所述工作平板中间开孔，在工作平板上、中间孔的周围设 有多个磁感应传感器，磁感应传感器的外围均布有多个吊卡限位块； 所述卡瓦为四个，分为左右两组；四个卡瓦两侧的框体上分别设有带 有卡瓦连杆的曲轴，每组的两个卡瓦与卡瓦连杆相铰接；卡瓦上设有 可拆卸的卡瓦牙板；卡瓦牙板上设有多个直角三角形的齿，在卡瓦牙 板上开有定位孔；所述框体的下面设有接口法兰；接口法兰、卡座体 及工作平板沿轴向均开有侧门；井口开、锁卡器由液压缸及触头组成， 液压缸活塞杆的前端设有外螺紋，触头内设有内螺紋，两者通过螺紋 连接；所述两侧的框体内各设有一光幕盒，上检测光幕及下检测光幕 分别安装在两光幕盒内，在光幕与光幕盒之间设有伴热带；在光幕盒 上密封安装有金属压盖，金属压盖上设有玻璃板；光幕盒上还设有热 电偶；伴热带、光幕及热电偶分别通过防爆接头与控制系统相连接。
本发明的优点与积极效果为
本发明实现了井口操作无人化，适用范围广，能够实现节箍的自 动检测、卡瓦自动开闭、吊卡的自动开卡锁卡以及吊卡在卡座上的定 位检测等功能。具体为
1. 本发明实现了油管(抽油杆)井口自动定位和承载，油管(抽 油杆)节箍的自动检测，卡瓦的自动开闭，吊卡的自动开卡锁卡以及 吊卡在卡座上的定位检测，既避免了人工操作存在的危险性，又提高 了工作效率。
2. 卡瓦采用液压驱动，可自动实现对油管(抽油杆)的快速可
靠夹持；卡瓦牙板具有多种型号，只需要通过更换卡瓦牙板即可实现 对不同管径的油管或不同尺寸的抽油杆的夹持，更换方便，又进一步 提高了工作效率。
3. 井口开、锁卡器也采用液压驱动，可自动完成对吊卡的开卡、
锁卡，自动化程度高，操作简单。
4. 卡座下方设计的接口法兰可便于与防喷器或井口大四通连接。
5. 上下检测光幕可以控制卡瓦的开关以及检测定位管箍的位置; 磁感应传感器可以检测吊卡是否正确定位或是否离开，保证了工作过 程的可靠性及准确性。
图l为本发明应用于修井机中的位置关系示意图2为本发明的结构示意图； 图3为图2的俯视图4为图2中去掉工作平台后的局部俯视图5为卡瓦打开的结构示意图6为图2中接口法兰的结构示意图7为图6的俯视图8为修井操作机中吊卡的结构示意图9为本发明卡瓦牙板的结构主视图IO为图9中的A—A旋转剖视图11为图9中的B—B旋转剖视图12为图9中I处的放大图13为图10中II处的放大图14为本发明上提油管过程的控制系统流程图15为本发明下放油管过程的控制系统流程图16为光幕盒的结构示意图17为图16的左视图18为光幕盒的外观示意其中l为卡座，2为修井操作机机身，3为控制框，4为修井操 作机底盘，5为井口， 6为液压钳，7为油管(抽油杆)，8为龙头，9 为框体，IO为上检测光幕，ll为井口锁卡器，12为下检测光幕，13 为井口开卡器，14为液压控制电磁阀组，15为接口法兰，16为工作 平板，17为卡瓦，18为吊卡限位块，19为开门，20为卡瓦牙板，21 为磁感应传感器，22为液压缸，23为四连杆机构，24为吊环，25为 卡座体，26为卡瓦连杆，27为曲轴，28为壳体，29为第一推杆，30 为弹簧，31为第二推杆，32为卡爪，33为卡爪扭簧，34为第一轴， 35为第二轴，36为定位钩扭簧，37为定位钩，38为卡爪滑块，39 为定位孔，40为连接架，41为光幕盒，42为伴热带，43为热电偶， 44为玻璃板，45为金属压盖。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明作进 一步详述。
如图1所示，本发明卡座1的一侧为安装在修井操作机底盘4上 的修井操作机机身2，液压钳6安装在修井操作机的伸缩架上，龙头 8位于修井操作机机身2及卡座1的上方，卡座1直接落在井口 5上, 修井操作机机身2上设有控制柜3;龙头8在工作时伸出，并对正井 口 5;不工作时，龙头缩回，以便于运输。如图2 图4所示，本发明包括框体9、卡座体25、液压缸22、 四连杆机构23、卡瓦连杆26及曲轴27,框体9釆用框架结构，由多 根方钢管焊接而成，分为上下两部分。卡座体25安装在框体9的下 半部分，在卡座体25内设有四个卡瓦17,分为左右两组；四个卡瓦 17两侧的框体9上分别设有带有卡瓦连杆26的曲轴27,卡瓦连杆 26的一端通过键固定安装在曲轴27上，每组的两个卡瓦17与卡瓦 连杆26的另一端相铰接；卡瓦17上设有可拆卸的卡瓦牙板20，便 于快速更换，只需要通过更换不同规格的卡瓦牙板20就可以实现对 不同管径的油或不同尺寸的抽油杆的夹持；如图9 13所示，卡瓦牙 板20分为四块，径向截面为一个环形，在环形的内圆上布有直角三 角形的齿；每一块卡瓦牙板20上均布有25个直角三角形的齿，用于 卡住油管(抽油杆)7;在每一块卡瓦牙板20上还设有一个定位孔 39，卡瓦牙板20通过定位孔39安装在卡瓦17上。卡座体25上设有 工作平板16,在工作平板16的中部开有供油管或抽油杆通过的中心 孔，工作平板16两侧框体9的上半部分分别由上至下对称设置有上 检测光幕IO、井口锁卡器ll、下检测光幕12及井口开卡器13，上 检测光幕10设置在框体9上半部分井口锁卡器11上方的位置，用于 定位管箍位置；下检测光幕12设置在井口开卡器13与井口锁卡器 ll之间的位置，用于确定卡瓦17的打开时间；两个上检测光幕IO, 一个为红外发射器，另一个为红外接收器；两个下检测光幕12, — 个为红外发射器，另一个为红外接收器。井口开、锁卡器13、 11分 别通过油路与液压控制电磁阀组14相连接；井口开、锁卡器13、 11
均由液压缸及触头组成，液压缸活塞杆的前端设有外螺紋，触头内设 有内螺紋，两者通过螺紋连接；通过井口开、锁卡器13、 11中的液 压缸活塞杆推动吊卡开、锁卡推杆进而实现吊卡在井口位置的开、锁
卡动作；更可通过调整液压缸活塞杆与触头之间的螺紋连接长度，来
实现对液压缸活塞杆行程的调整。框体9的底部安装有液压缸22, 四连杆机构23的一端与液压缸22的活塞杆相铰接，另一端与曲轴 27连接，液压动力通过四连杆机构23传递给各卡瓦17,使得各个卡 瓦17同步打开或关闭；框体9内还设有液压控制电磁阀组14,液压 缸22通过油路与液压控制电磁阀组14相连接。在工作平板16上、 卡座体25的周围设有多个磁感应传感器21 (本实施例为4个)，磁 感应传感器21的外围均布有多个吊卡限位块18,以保证吊卡在工作 时能够顺利准确地到达卡座1上的设定工作位置；磁感应传感器21 设置在工作平板16上由吊卡限位块18围成区域的四角，用于检测吊 卡是否被正确定位到卡座1上或是否离开。框体9的下面设有接口法兰15，用于卡座1与防喷器的连接。考虑到实际操作时的具体工作
情况，接口法兰15、卡座体25及工作平板16沿轴向均开有侧门19， 即在接口法兰15、卡座体25及工作平板16沿轴向切除一部分，以 便安装时避开井口处的油管或抽油杆，如图6、图7所示。
如图8所示，为悬桂于修井操作机大钩上的吊卡，包括壳体28、 上下两组推杆、卡爪32及定位钩37，其中两组推杆两个为一组，即 两个第一推杆29为一组，两个第二推杆31为一组，每个推杆上均带 有弹簧30;卡爪32为两个，通过第一轴34安装在壳体28内，卡爪 32可绕第一轴34转动，第一轴34的两端均设有卡爪扭簧33,为卡 爪32提供初始位置并使卡爪32转动后复位；每个卡爪32上均固接 一卡爪滑块38。定位钩37也为两个，分别设置于两个卡爪滑块38 的上方，定位钩37通过第二轴35安装在壳体28内，定位钩37可绕 第二轴35转动，第二轴35的两端均设有定位钩扭簧36，为定位钩 37提供初始位置并使定位钩37转动后复位。
在两侧的框体9内各设有一光幕盒41,如图16-18所示，光幕 盒41通过连接架40固接在框体9内，上检测光幕IO及下检测光幕 12分别安装在两光幕盒41内；在光幕与光幕盒41之间设有伴热带 42;在光幕盒41上密封安装有金属压盖45,金属压盖45上设有玻 璃板44;光幕盒41上还设有热电偶；伴热带42、光幕及热电偶43 分别通过防爆接头与控制系统相连接，严格遵守油田的防爆要求；同 时为了防尘，光幕密封采用了金属压盖加玻璃板的形式，既实现了光 幕的密封，又不影响光幕的出射；伴热带是为了在冬季作业时让光幕 始终保持在一个相对温暖的温度环境；热电偶是用来检测光幕盒内的 温度以对光幕盒内的温度进行监控。
本发明的原理及工作过程为
如图14、图15所示，在修井作业开始前，利用吊车将本发明卡 座1吊装到油井井口 5上方，并通过卡座1上的接口法兰15与油井 井口 5的防喷器连接；连接好之后，液压缸22工作，通过四连杆机 构23带动两根曲轴27转动，曲轴27上的卡瓦连杆26以曲轴27为 中心、在曲轴27的带动下一同转动，两组卡瓦17被打开。然后由工
作机将第一根油管(抽油杆)7上提到吊卡工作高度；此时，再利用 液压缸22通过四连杆机构23带动两根曲轴27反向转动，使卡瓦连 杆26带动卡瓦17关闭，抱紧第一根油管(抽油杆)的管身；至此， 修井作业前卡座1的准备工作完成，如图5所示。
在上提油管(抽油杆)7时，已经打开卡爪32 (卡爪32通过卡 爪滑块3 8被定位钩3 7钩住)的吊卡在作业机的牵引下下降到工作平板16上的吊卡限位块18处，该工作位置由八个吊卡限位块18进行
约東，并由四个磁感应传感器21检测吊卡是否到位。吊卡到位后， 井口锁卡器11推动吊卡两侧上方的第一推杆29,第一推杆29推动 定位钩37绕第二轴35旋转，当旋转至定位钩35钩住卡爪滑块38的 力小于卡爪32自身重力及卡爪扭簧33的弹力时，卡爪滑块"从定 位钩37中脱落，卡爪32靠卡爪扭簧33的弹力和自身的重力复位， 吊卡锁卡，锁卡后第一推杆29在弹簧30弹力的作用下复位；此时， 吊卡的卡爪32抱紧油管(抽油杆)管身，距相邻两根油管(抽油杆) 之间连接的管箍较近。吊卡在作业机牵引下上提油管(抽油杆)，即 吊卡相对于油管(抽油杆)向上滑动，当下检测光幕12检测到吊卡 完全离开，只剩油管时，此时，吊卡卡住油管(抽油杆)的管箍；由 下检测光幕12发出信号给控制系统(本发明的控制系统为现有技 术)，控制系统将接收到的信号传递给液压缸22,再按上述步骤通过 四连杆机构23、曲轴27及卡瓦连杆26打开卡瓦17。吊卡在作业机 牵引下继续上提油管(抽油杆)，当下一油管的管箍下平面被上检测 光幕10检测到时，上检测光幕10发出信号给控制系统，控制系统将 接收到的信号再传递给液压缸22,使卡瓦17向关闭的方向转动直至 抱紧下一油管(抽油杆)。这时，液压钳伸出并对油管(抽油杆)自 动卸扣，卸扣后液压钳缩回，作业机牵引前一根油管(抽油杆)继续 上提。至此，卡座在油管(抽油杆)上提循环的工作结東。
下放油管(抽油杆)7时，上检测光幕10检测到油管(抽油杆) 末端时，液压钳伸出并对油管(抽油杆)自动上扣，上扣后液压钳缩 回。控制系统(本发明的控制系统为现有技术)传递信号给液压缸 22,通过四连杆机构23、曲轴27及卡瓦连杆26打开卡瓦17，油管 (抽油杆)继续下放；当下检测光幕12检测到吊卡底部平面时，发 出信号给控制系统，控制系统将接收到的信号传递给液压缸22，通 过四连杆机构23、曲轴27及卡瓦连杆26关闭卡瓦17,抱紧油管(抽 油杆)管身；吊卡在作业机牵引下继续下降，当磁感应传感器21检 测到吊卡到达设定位置时，井口开卡器13推动吊卡两侧下方的第二 推杆31,第二推杆31推动卡爪32绕第一轴34旋转，卡爪滑块38 同时向上推动定位钩37，使定位钩37绕第二轴35旋转，直至旋转 至定位钩35钩住卡爪滑块38,卡爪32打开，吊卡开卡，开卡后第 二推杆29在弹簧30弹力的作用下复位。至此，卡座在油管(抽油杆) 下放循环的工作结東。
对于不同尺寸规格油管(抽油杆)7的上提下放作业，通过更换 卡瓦17的不同规格卡瓦牙板20即可实现。所有的控制信号和传感器信号都由控制柜3发出和处理。
本发明的上、下检测光幕为巿购产品，购置于美国BA丽ER公司 的MA服13A型高精度检测光幕；磁感应传感器为巿购产品，购置于德 国TURCK公司的BIM-IKE-Y1X型磁感应传感器。
本发明的主要技术参数指标最大承载能力为60t，通过卡爪最 大工具尺寸为(}) 180mm,卡座基本尺寸为1500mm x 600mm x 800mm。
权利要求
1. 一种油田井口卡座，其特征在于包括框体(9)、卡座体(25)、液压缸(22)、四连杆机构(23)、卡瓦连杆(26)及曲轴(27)，卡座体(25)安装在框体(9)上，在卡座体(25)内设有卡瓦(17)，卡瓦(17)周围的框体(9)上设有带有卡瓦连杆(26)的曲轴(27)，卡瓦连杆(26)的一端固接在曲轴(27)上，另一端与卡瓦(17)相铰接；框体(9)的底部安装有液压缸(22)，液压缸(22)通过四连杆机构(23)与曲轴(27)连接；框体(9)内设有液压控制电磁阀组(14)，液压缸(22)通过油路与液压控制电磁阀组(14)相连接；卡座体(25)上设有工作平板(16)，工作平板(16)两侧的框体(9)上分别由上至下对称设置有上检测光幕(10)、井口锁卡器(11)、下检测光幕(12)及井口开卡器(13)，井口开、锁卡器(13、11)分别通过油路与液压控制电磁阀组(14)相连接。
2. 按权利要求1所述的油田井口卡座，其特征在于所述工作 平板(16)中间开孔，在工作平板(16)上、中间孔的周围设有多个 磁感应传感器(21),磁感应传感器(21)的外围均布有多个吊卡限 位块(18)。
3. 按权利要求1所述的油田井口卡座，其特征在于所述卡瓦 (17)为四个，分为左右两组；四个卡瓦(17)两侧的框体(9)上分别设有带有卡瓦连杆(26)的曲轴(27),每组的两个卡瓦(17) 与卡瓦连杆(26)相铰接。 '
4. 按权利要求1或3所述的油田井口卡座，其特征在于所述 卡瓦(17)上设有可拆卸的卡瓦牙板(20)。
5. 按权利要求4所述的油田井口卡座，其特征在于所述卡瓦 牙板(20)上设有多个直角三角形的齿，在卡瓦牙板(20)上开有定 位孔(39 )。
6. 按权利要求1所述的油田井口卡座，其特征在于所述框体 (9)的下面设有接口法兰(15)。
7. 按权利要求6所述的油田井口卡座，其特征在于所述接口 法兰(15 )、卡座体(25 )及工作平板(16 )沿轴向均开有侧门(19 )。
8. 按权利要求1所述的油田井口卡座，其特征在于所述井口 开、锁卡器(13、 11)由液压缸及触头组成，液压缸活塞杆的前端设 有外螺紋，触头内设有内螺紋，两者通过螺紋连接。
9. 按权利要求1所述的油田井口卡座，其特征在于所述两侧的框体(9 )内各设有一光幕盒(41 )，上检测光幕(10 )及下检测光幕(12)分别安装在两光幕盒(41)内，在光幕与光幕盒(41)之间 设有伴热带(42);在光幕盒(41)上密封安装有金属压盖(45),金 属压盖(45 )上设有玻璃板(44 );光幕盒(41 )上还设有热电偶； 伴热带(42)、光幕及热电偶(43)分别通过防爆接头与控制系统相 连接。
全文摘要
本发明涉及油田修井作业设备，具体地说是一种在修井时使用的、自动化的油田井口卡座，卡座体安装在框体上，在卡座体内设有卡瓦，卡瓦周围的框体上设有带有卡瓦连杆的曲轴，卡瓦连杆的一端固接在曲轴上，另一端与卡瓦相铰接；框体的底部安装有液压缸，液压缸通过四连杆机构与曲轴连接；框体内设有液压控制电磁阀组，液压缸通过油路与液压控制电磁阀组相连接；卡座体上设有工作平板，工作平板两侧的框体上分别由上至下对称设置有上检测光幕、井口锁卡器、下检测光幕及井口开卡器，井口开、锁卡器分别通过油路与液压控制电磁阀组相连接。本发明具有井口操作无人化，适用范围广，自动检测，卡瓦自动开闭等优点。
文档编号E21B23/00GK101429858SQ20081001272
公开日2009年5月13日 申请日期2008年8月8日 优先权日2008年8月8日
发明者严玉中, 宝 刘, 刘海刚, 李庆杰, 杜运儒, 胡炳德, 赵洪涛, 鸣 雷 申请人:沈阳新松机器人自动化股份有限公司;辽河石油勘探局