一种修井作业立式猫道的上下管杆装置及使用方法
阅读说明：本技术 一种修井作业立式猫道的上下管杆装置及使用方法 (Pipe rod loading and unloading device for vertical catwalk for workover treatment and use method ) 是由 周扬理 岳吉祥 程鸣 綦耀光 杨德芹 孙清龙 王菲 石福兴 于 2021-09-23 设计创作，主要内容包括：本发明涉及石油修井辅助设备技术领域,具体公开了一种修井作业立式猫道的上下管杆装置,包含有立式猫道和上下管杆装置,上下管杆装置设置有支撑结构,支撑结构分为下部支撑和上部支撑,上部支撑的顶部固定设置有摆动缸,摆动缸的外部安装有翻转臂；翻转臂通过底部的法兰盘与摆动缸连接,翻转臂还设置有中空结构的油缸座,油缸座的底部与法兰盘固定连接,油缸座的内部设置有油缸,油缸的外部设置有活塞杆,活塞杆连接着活动夹紧爪,油缸座的开口处的外表面固定安装有与活动夹紧爪相匹配的固定夹紧爪。本发明将油管、抽油杆由排管架翻转至立式猫道上,无需猫道接应,能够控制管杆上下位置,不存在滚落情况。(The invention relates to the technical field of petroleum well repair auxiliary equipment, and particularly discloses an upper and lower pipe rod device of a vertical catwalk for well repair operation, which comprises the vertical catwalk and the upper and lower pipe rod device, wherein the upper and lower pipe rod device is provided with a supporting structure, the supporting structure comprises a lower support and an upper support, the top of the upper support is fixedly provided with a swing cylinder, and the outside of the swing cylinder is provided with a turnover arm; the turning arm is connected with the swing cylinder through a flange at the bottom, the turning arm is also provided with an oil cylinder seat with a hollow structure, the bottom of the oil cylinder seat is fixedly connected with the flange, an oil cylinder is arranged inside the oil cylinder seat, a piston rod is arranged outside the oil cylinder, the piston rod is connected with a movable clamping claw, and a fixed clamping claw matched with the movable clamping claw is fixedly arranged on the outer surface of an opening of the oil cylinder seat. According to the invention, the oil pipe and the sucker rod are turned over from the pipe rack to the vertical catwalk, the catwalk is not needed to be connected, the upper and lower positions of the pipe rod can be controlled, and the rolling-off condition is avoided.)
技术领域
本发明涉及石油修井辅助设备技术领域，具体为一种修井作业立式猫道的上下管杆装置及使用方法。
背景技术
石油修井作业，一般使用动力猫道将油管、抽油杆运至井口再进行管杆的起下。动力猫道一般分为固定式猫道、举升式猫道。固定式猫道通过人工将管杆运至猫道上，固定式猫道自动化程度低，工人劳动强度大。举升式猫道一般通过类似于CN201420302488公开的专利，一种上下管杆机构，也称为拨管装置，将管杆拨起，管杆依靠自身重力，由高处拨到低处，滚落至猫道内，猫道需要偏转相应角度以接住滚落的管杆。此种上下管机构由于重力滚落，上管时对猫道产生冲击，下管时管杆滚落至排管架上，滚落位置随机不受控制，存在安全风险，同时需要猫道配合接应，使用时易出现因安装不精确导致的猫道与上下管机构的衔接问题。
在专利号为CN111927347A一种井口定位的集成导向式立式作业修井猫道及使用方法中，“通过排管装置将油管或抽油杆放置到猫道上侧，由第一机械手4、第二机械手17抱住但不夹紧，测量推动装置16的推动油缸1601动作推动油管沿图3所示向左侧方向移动，直到油管或抽油杆移动到与测量定位装置15的定位板1504接触；此时，推动油缸1601反向动作收回推动活塞杆1602，第一机械手4、第二机械手17夹紧油管或抽油杆。然后，举升臂油缸13动作驱动举升臂5绕着举升臂铰接轴20转动，将举升臂5上的机械手夹紧油管或抽油杆由水平状态直接旋转至竖直状态；此时，由举升臂油缸13停止动作，并结合限位装置24的作用，保证在竖直状态时举升臂5不再继续翻转，实现油管或抽油杆的输送”，在实际使用中必然要考虑到油管或抽油杆的规格，本专利夹紧机械手规格太多，更换过于麻烦，在进行多种规格油管或抽油杆的使用中不方便操作。
发明内容
（一）解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种修井作业立式猫道的上下管杆装置及使用方法，将油管、抽油杆由排管架翻转至立式猫道上，无需猫道接应，能够控制管杆上下位置，不存在滚落情况，具备操作简单、安全高效的优点。
（二）技术方案
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种修井作业立式猫道的上下管杆装置，包含有立式猫道和上下管杆装置，所述上下管杆装置设置有支撑结构，所述支撑结构分为下部支撑和上部支撑，所述上部支撑安装于下部支撑内，并沿下部支撑进行竖直方向移动，所述下部支撑与立式猫道连接，并可伸缩进立式猫道中；
所述上部支撑的顶部固定设置有摆动缸，摆动缸通过法兰轴两两相连接，摆动缸的外部安装有翻转臂；翻转臂通过底部的法兰盘与摆动缸连接，翻转臂还设置有中空结构的油缸座，油缸座的底部与法兰盘固定连接，油缸座的内部设置有油缸，油缸的外部设置有活塞杆，活塞杆可沿油缸的轴线方向移动，活塞杆连接着活动夹紧爪，油缸座的开口处的外表面固定安装有与活动夹紧爪相匹配的固定夹紧爪。
优选的，所述下部支撑的数量至少三个，且两两之间通过加强杆连接固定，加强杆的数量至少两个，每个下部支撑一一对应有上部支撑；所述下部支撑的底部安装有稳定机构，稳定机构活动连接有调节机构，调节机构为高度调节杆。
优选的，所述下部支撑包括下支撑架、猫道连接板和伸缩板，所述下支撑架连接到伸缩板上，所述猫道连接板安装到立式猫道上。
优选的，所述翻转臂一端连接有排管区，所述排管区由管杆和排管架组成，所述管杆置于排管架上。
优选的，所述上部支撑包括上支撑架、支撑板和第一支撑座，所述支撑板连接到上支撑架上。
优选的，所述摆动缸连接到支撑板上，处于两侧位置的翻转臂连接到法兰轴上，所述法兰轴另一端连接到摆动缸上，所述法兰轴通过第一支撑座支撑，所述第一支撑座连接到支撑板上，所述支撑板连接到上支撑架上，所述摆动缸通过平衡阀控制使翻转臂可处于任意位置。
优选的，所述高度调节杆包括丝杠和第二支撑座，每个高度调节杆独立驱动。
优选的，所述固定夹紧爪上设置有圆弧面，所述活动夹紧爪上设有夹紧面和水平面。
优选的，所述立式猫道包括猫道活动夹紧爪、猫道固定夹紧爪、猫道翻转臂和猫道中心面。
一种修井作业立式猫道的上下管杆装置的使用方法，包括：
步骤一，翻转臂的翻转方向为逆时针，立式猫道本身也需要翻转进行工作，在立式猫道未翻转放平时，翻转臂翻转至立式猫道上方右侧，在此位置停止翻转并等待，等立式猫道翻转接近放平时，翻转臂开始继续翻转，在立式猫道翻转放平时，翻转臂也随即翻转至立式猫道上方以待进一步放管；
步骤二，翻转臂翻转相应角度后到达立式猫道上方，此时，驱动活塞杆带动活动夹紧爪背离固定夹紧爪，管杆因重力作用向下运动，不再与活动夹紧爪上的水平面接触，通过调整活塞杆的驱动距离，可调整活动夹紧爪与固定夹紧爪间的距离，从而调整管杆相对于猫道中心面的相对位置，保证管杆始终处于猫道中心面上，当管杆处于猫道中心面上，且与猫道固定夹紧爪接触，猫道固定夹紧爪起到支撑管杆作用，此时，完全张开活动夹紧爪和固定夹紧爪，并反方向翻转翻转臂。
（三）有益效果
与现有技术相比，本发明提供了一种修井作业立式猫道的上下管杆装置及使用方法，具备以下有益效果：
1、本装置采用活动夹紧爪与固定夹紧爪之间的开口距离发生变化，通过两构件三点式夹紧，不发生滚落情况，实现对不同规格油管、不同规格抽油杆的夹紧同时适用于多种规格的油管和抽油杆，不需要更换任何零部件即可完成一次修井作业，适用性广；
2、该修井作业立式猫道的上下管杆装置及使用方法，本装置通过摆动缸驱动翻转臂将油管或抽油杆由排管区翻转至立式猫道上，保证了油管或抽油杆的准确定位，同时避免了重力滚落对装置的冲击，从原理上移除了潜在危险因素，保障了操作人员与设备的安全；
3、本装置将排管区的油管或者抽油杆水平翻转至立式猫道上的猫道活动夹紧爪上，翻转过程无重力冲击，精确放置管杆到立式猫道上，保护了装置整机，同时大幅消除了作业安全隐患，并且与立式猫道一并运输和安装，避免了分开运输后的二次安装产生的装配不确定性。
附图说明
图1为本发明的一种上下管杆装置的结构示意图；
图2为本发明的一种上下管杆装置配合立式猫道使用的结构示意图；
图3为本发明的一种上下管杆装置的侧面结构示意图；
图4为本发明的一种上下管杆装置的取杆状态示意图；
图5为本发明的一种上下管杆装置的放杆状态示意图；
图6为本发明的一种上下管杆装置适应不同规格管杆抓取的状态示意图；
图7为本发明的活动夹紧爪的结构示意图；
图8为本发明的一种上下管杆装置适应不同规格管杆的原理示意图；
图9为本发明的一种上下管杆装置等待立式猫道回位的状态示意图；
图10为本发明的一种上下管杆装置跟进立式猫道回位的状态示意图；
图11位本发明的一种上下管杆装置适应不同规格管杆放置的状态示意图。
图中：1、下部支撑；101、下支撑架；102、猫道连接板；103、伸缩板；2、翻转臂；201、法兰盘；202、油缸；203、活塞杆；204、油缸座；205、活动夹紧爪；2051、夹紧面；2052、水平面；206、固定夹紧爪；2061、圆弧面；3、法兰轴；4、上部支撑；401、上支撑架；402、支撑板；403、第一支撑座；5、摆动缸；6、高度调节杆；601、丝杠；602、第二支撑座；7、加强杆；8、立式猫道；801、猫道活动夹紧爪；802、猫道固定夹紧爪；803、猫道翻转臂；804、猫道中心面；9、排管区；901、管杆；902、排管架。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-11，一种修井作业立式猫道的上下管杆装置及使用方法，包含有立式猫道和上下管杆装置， 上下管杆装置包括下部支撑1、翻转臂2、法兰轴3、上部支撑4、摆动缸5、高度调节杆6、加强杆7。下部支撑1与立式猫道8连接，并可伸缩进立式猫道8中，便于运输。法兰轴3与翻转臂2连接，并可一起转动。上部支撑4安装于下部支撑1内，并可沿下部支撑1进行竖直方向移动，实现高度调节。摆动缸5安装于上部支撑4上，并与法兰轴3连接，可带动法兰轴3转动，从而带动翻转臂2转动。高度调节杆6与下部支撑1连接，并支撑整个装置使其处于水平状态。翻转臂2包括法兰盘201、油缸202、活塞杆203、油缸座204、活动夹紧爪205、固定夹紧爪206，油缸座204与法兰盘201连接，油缸202安装到油缸座204上，活塞杆203可沿油缸202轴线移动，活塞杆203连接活动夹紧爪205，固定夹紧爪206安装到油缸座204上。油缸202推动活塞杆203移动，从而推动活动夹紧爪205沿油缸座204移动，使活动夹紧爪205与固定夹紧爪206之间的开口距离发生变化，通过两构件三点式夹紧，实现对不同规格油管、不同规格抽油杆的夹紧。
本发明与立式猫道8配合使用，用于将排管区9的油管或者抽油杆水平翻转至立式猫道8上的猫道活动夹紧爪801上，翻转过程无重力冲击，精确放置管杆901到猫道上，保护了装置整机，同时大幅消除了作业安全隐患。
本实施例设置了三个翻转臂2，一个摆动缸5。摆动缸5设置在处于中间位置的翻转臂2处。处于中间位置的翻转臂2连接到摆动缸5上，摆动缸5连接到支撑板402上，支撑板402连接到上支撑架401上。处于两侧位置的翻转臂2连接到法兰轴3上，法兰轴3另一端连接到摆动缸5上，法兰轴3通过第一支撑座403支撑，第一支撑座403连接到支撑板402上，支撑板402连接到上支撑架401上。通过此设置，实现了1个摆动缸5可以带动3个翻转臂2运动，保证了3个翻转臂2的同步运动，保障了翻转臂2受力均匀、稳定可靠。
摆动缸5为两端输出，两端均连接有法兰轴3，法兰轴3穿过第一支撑座403连接到翻转臂2上。
上支撑架401连接到下部支撑1上。下部支撑1包括下支撑架101、猫道连接板102、伸缩板103。上支撑架401可沿下支撑架101内在竖直方向上移动。下支撑架101连接到伸缩板103上，猫道连接板102安装到立式猫道8上，伸缩板103可在猫道连接板102内沿图示3所示的左右方向移动，从而可使整个装置伸缩靠近立式猫道8上，便于上下管杆装置与立式猫道8整体运输。
本发明的固定夹紧爪206上设置有圆弧面2061，活动夹紧爪205上有夹紧面2051、水平面2052，在活动夹紧爪205配合夹紧油管或者抽油杆时，通过两构件三点式夹紧，对于某一管杆仅有唯一一个夹紧位置，实现了可靠夹紧。如图8示例，固定夹紧爪206上有A、C、E三点，活动夹紧爪205上有B、D、F三点。EF两点距离大于CD两点距离，CD两点距离大于AB两点距离。在任一水平线上，圆弧面2061与夹紧面2051的距离沿图示竖直方向逐渐减小。在图示8中，管杆901与活动夹紧爪205上的水平面2052、夹紧面2051、固定夹紧爪206上的圆弧面2061接触。
在取杆过程中，如图4所示，翻转臂2呈倾斜状态，油缸202动作，驱动活塞杆203前伸，从而带动活动夹紧爪205前伸，活动夹紧爪205与固定夹紧爪206相对移动，露出较大空间的夹紧入口，翻转臂2逆时针转动相应角度，活动夹紧爪205勾住管杆901，此时管杆901与活动夹紧爪205上的夹紧面2051接触，翻转臂2继续转动，管杆901脱离排管架902，管杆901在重力作用下沿夹紧面2051滚落至与水平面2052接触，夹紧面2051与水平面2052形成了“V”型，确定了管杆901与活动夹紧爪205的唯一位置。油缸202反向动作，驱动活塞杆203后移，从而带动活动夹紧爪205和管杆901后移，管杆901与固定夹紧爪206的圆弧面2061接触，接触点为唯一点，实现了对管杆901的两构件三点式夹紧，保证了可靠夹紧。
如图6所示，图（a）为3.5英寸油管的夹紧图示，图（b）为1.5英寸油管的夹紧图示，图（c）为29mm抽油杆的夹紧图示，图（d）为19mm抽油杆的夹紧图示。对于不同规格的油管、抽油杆，本装置均能确定唯一夹紧位置，并依靠液压驱动夹紧油管、抽油杆，保证动作可靠。
如图4所示，在取杆之后，翻转臂2的翻转方向为逆时针，立式猫道8本身也需要翻转进行工作。在立式猫道8未翻转放平时，翻转臂2翻转至立式猫道8上方右侧，如图9所示，在此位置停止翻转并等待，等立式猫道8翻转接近放平时，如图10所示，翻转臂2开始继续翻转，在立式猫道8翻转放平时，翻转臂2也随即翻转至立式猫道8上方以待进一步放管，如图5所示。
在放杆过程中，如图11所示，翻转臂2翻转相应角度后到达立式猫道8上方，此时，驱动活塞杆203带动活动夹紧爪205背离固定夹紧爪206，管杆901因重力作用向下运动，不再与活动夹紧爪205上的水平面2052接触。通过调整活塞杆203的驱动距离，可调整活动夹紧爪205与固定夹紧爪206间的距离，从而调整管杆901相对于猫道中心面804的相对位置，保证管杆901始终处于猫道中心面804上。当管杆901处于猫道中心面804上，且与猫道固定夹紧爪802接触，猫道固定夹紧爪802起到支撑管杆901作用，此时，完全张开活动夹紧爪205和固定夹紧爪206，并反方向翻转翻转臂2，实现管杆901放置。
针对活动夹紧爪205与固定夹紧爪206共同夹紧管杆901，但由于所夹持的管杆901规格不一，若管杆901始终处于夹紧状态时，致使管杆901在立式猫道8上方的不同位置处，无法保证所有规格管杆901均处于立式猫道8正上方的问题。
具体的，如图11所示，图（a）为3.5英寸油管的放管图示，图（b）为1.5英寸油管的放管图示，图（c）为29mm抽油杆的放管图示，图（d）为19mm抽油杆的放管图示。对于不同规格的油管、抽油杆，本装置均能仅通过液压驱动改变活动夹紧爪205与固定夹紧爪206的相对位置，同时配合摆动缸5的精确角度控制，即可将管杆901精确放置至立式猫道8特定位置处，过程平稳无冲击，不需要调整、更换机械装置或零部件位置。
若干个加强杆7连接三个下部支撑1，三个上部支撑4，用于加强装置的整体稳定性。
高度调节杆6包括丝杠601、第二支撑座602，转动丝杠601可调节伸缩板103相对高度，保证伸缩板103处于水平位置，避免伸缩板103处于悬臂状态承受较大弯矩。三个高度调节杆6独立驱动，可保证本发明适用于不平整作业地面的场景。
摆动缸5通过平衡阀控制使翻转臂2可处于任意位置。
本发明取杆后，逆时针翻转到图9所示位置停止转动，等待猫道翻转臂803翻转归位。待猫道翻转臂803处于翻转臂2下放后，翻转臂2再次启动，继续翻转，待猫道翻转臂803处于水平状态时，翻转臂2也即翻转至水平状态，并进行放杆。
本发明的作业工艺流程一为：管杆901到位，油缸202动作，驱动活塞杆203动作使活动夹紧爪205收回、使翻转臂2处于最短状态；摆动缸5动作，驱动翻转臂2翻转至管杆901下方；油缸202动作，驱动活塞杆203动作使活动夹紧爪205伸出、使翻转臂2处于伸长状态；摆动缸5动作，驱动翻转臂2翻转勾住管杆901，管杆901滚入活动夹紧爪205内；油缸202动作，驱动活塞杆203动作使活动夹紧爪205收回、夹紧管杆901；摆动缸5动作，翻转臂2翻转相应角度后停止，等待猫道翻转臂803归位；猫道翻转臂803即将归位后，摆动缸5动作，翻转臂2翻转至猫道翻转臂803上方；此时油缸202与摆动缸5配合动作，使不同规格管杆901处于猫道中心处，并受猫道支撑；油缸202继续动作，活动夹紧爪205完全松开，翻转臂2处于最长状态，完全释放管杆901；摆动缸5反向动作，翻转臂2返回，油缸202动作，收回活动夹紧爪205、使翻转臂2处于最短状态。重复上述流程，作业循环进行。
本发明的作业工艺流程二为：油缸202动作，驱动活塞杆203动作使活动夹紧爪205收回、使翻转臂2处于最短状态；摆动缸5动作，驱动翻转臂2翻转至管杆901下方；管杆901到位；油缸202动作，驱动活塞杆203动作使活动夹紧爪205伸出、使翻转臂2处于伸长状态；摆动缸5动作，驱动翻转臂2翻转勾住管杆901，管杆901滚入活动夹紧爪205内，此时油缸202同步动作，驱动活塞杆203动作使活动夹紧爪205收回、夹紧管杆901，摆动缸5动作持续；翻转臂2翻转相应角度后停止，等待猫道翻转臂803归位；猫道翻转臂803即将归位后，摆动缸5动作，翻转臂2翻转至猫道翻转臂803上方；此时油缸202与摆动缸5配合动作，使不同规格管杆901处于猫道中心处，并受猫道支撑；油缸202继续动作，活动夹紧爪205完全松开，翻转臂2处于最长状态，完全释放管杆901；摆动缸5反向动作，翻转臂2返回，油缸202动作，收回活动夹紧爪205、使翻转臂2处于最短状态。重复上述流程，作业循环进行。
可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。