專利名稱：油井鉆桿矯直的激光跟蹤自動(dòng)定位裝置及其定位方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種石油鉆探技術(shù)領(lǐng)域的定位裝置及定位方法，具體是一種油井
鉆桿矯直的激光跟蹤自動(dòng)定位裝置及其定位方法。
背景技術(shù)：
隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速的增長(zhǎng)，石油資源在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中所處的戰(zhàn)略地位日漸突 現(xiàn)。除了積極從國(guó)際原油市場(chǎng)上籌措石油資源外，我國(guó)也加大了對(duì)國(guó)內(nèi)石油資源的開采和 勘探。石油工業(yè)專用的無縫鋼管抓油井管(包含有鉆柱構(gòu)件(鉆桿、鉆鋌等)和套管)是 石油工業(yè)的基礎(chǔ)物資。目前，鉆井鉆探深度已達(dá)10000米以上，這對(duì)鉆桿提出了更高的要 求，特別是直度的要求。直度偏差大的鉆桿，使得誤差隨油井深度不斷累計(jì)，直至巨大的離 心力致其折斷，將導(dǎo)致價(jià)值數(shù)千萬元、乃至上億元的油井報(bào)廢。根據(jù)《美國(guó)石油學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)鉆 桿規(guī)范(APISPEC 5D)》，鉆桿的兩端加厚端(晃頭)、兩端矯直盲區(qū)、兩端1. 5m弦高等都必 需檢測(cè)和矯直。 石油鉆井鉆桿的特點(diǎn)是鉆桿長(zhǎng)8-13m，兩端鐓粗后直徑比管體增大20-30mm，兩端 鐓粗長(zhǎng)度約150mm，正是由于兩端鐓粗加厚后，先進(jìn)的全自動(dòng)斜輥矯直機(jī)也不得不避開這一 段加厚部分只對(duì)鉆桿中間管體部分進(jìn)行矯直，這就造成在鉆桿兩端存在一段約500mm長(zhǎng)的
矯直盲區(qū)。 針對(duì)鉆桿兩端的矯直盲區(qū)，美國(guó)石油協(xié)會(huì)API標(biāo)準(zhǔn)中，專門制訂了質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)即， 加厚端相對(duì)于管體中間直線段的跳動(dòng)量《2mm，矯直盲區(qū)段相對(duì)于管體中間直線段的彎曲 度《1.2mm。這些要求對(duì)于通過熱加工出來的非等直徑、高強(qiáng)度的鉆桿來說，如果不經(jīng)過后 續(xù)的矯直處理是不可能達(dá)到的。目前，在鋼鐵行業(yè)內(nèi)，對(duì)這一段矯直盲區(qū)的檢測(cè)矯直幾乎都 依賴人工操作簡(jiǎn)易檢測(cè)裝置和壓力矯直機(jī)來完成。 鉆桿經(jīng)人工操作矯直和人工檢測(cè)完畢后，操作鉆桿進(jìn)入壓力矯直系統(tǒng)中，由于鉆 桿兩端存在鐓粗部分，兩個(gè)V形支撐夾具只能支撐鉆桿等直徑的管體部分，然后操作壓力 矯直機(jī)壓頭對(duì)鉆桿進(jìn)行矯直。由于鉆桿兩端未經(jīng)自動(dòng)矯直機(jī)矯直的矯直盲區(qū)部分的長(zhǎng)度大 約只有500mm長(zhǎng)，鉆桿真正的彎曲點(diǎn)一般離鉆桿端面約250mm處。鉆桿鐓粗部分長(zhǎng)約150mm， 每個(gè)V形支撐夾具的寬度約100mm長(zhǎng)，壓力矯直機(jī)壓頭的寬度約120mm長(zhǎng)，如果兩個(gè)V形夾 具支撐在鉆桿的等直徑的管體上，壓力矯直機(jī)壓頭作用在兩個(gè)V形夾具的中間，于是壓力 矯直機(jī)壓頭作用點(diǎn)離開鉆桿端面就大大于250mm，這樣就不能使壓力矯直機(jī)壓頭真正作用 在鉆桿的彎曲點(diǎn)上進(jìn)行矯直。正是由于此緣故，目前一些操作人員只好把鉆桿直的部分適 當(dāng)矯彎，使鉆桿變成S形狀。這樣做的結(jié)果，雖然從檢測(cè)角度看，鐓粗部分相對(duì)于管體直線 段部分的跳動(dòng)量也許達(dá)到了要求，實(shí)際上鉆桿還是呈彎曲狀態(tài)。 為了提高矯直質(zhì)量，工程人員對(duì)夾具作了改進(jìn)，針對(duì)不同的鉆桿設(shè)計(jì)了階梯狀的 支撐夾具，這種階梯夾具大大改善的矯直效果，真正達(dá)到了矯直盲區(qū)矯直的目的。但是，在 批量化、快節(jié)拍生產(chǎn)情況下，操作人員依靠手工來操作傳動(dòng)輸送系統(tǒng)、依賴目測(cè)來把鉆桿的 端部送到階梯夾具中就非常困難，操作速度非常慢，影響了生產(chǎn)效率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種油井鉆桿矯直的激光跟蹤自動(dòng) 定位裝置及其定位方法，能實(shí)現(xiàn)鉆桿軸向移動(dòng)的準(zhǔn)確定位，還可以進(jìn)一步改進(jìn)夾具的支撐 結(jié)構(gòu)，即階梯夾具的開檔可以根據(jù)不同的管徑和鋼級(jí)自動(dòng)調(diào)節(jié)，提高矯直質(zhì)量，提高矯直效 率、降低勞動(dòng)強(qiáng)度。 本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的 本發(fā)明涉及油井鉆桿矯直的激光跟蹤自動(dòng)定位裝置，包括第一階梯夾具、第一激 光位移傳感器、第二階梯夾具、第二激光位移傳感器、步進(jìn)電機(jī)、絲桿和編碼器，其中第一 激光位移傳感器固定安裝在第一階梯夾具上且激光束正對(duì)于階梯夾具的階梯內(nèi)邊緣，第一 階梯夾具轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)置于絲桿的左側(cè)，第二激光位移傳感器固定安裝在第二階梯夾具上且激光 束正對(duì)于階梯夾具的階梯內(nèi)邊緣，第二階梯夾具轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)置于絲桿的右側(cè)，絲桿的一端與步 進(jìn)電機(jī)的輸出軸相連接，編碼器固定設(shè)置于步進(jìn)電機(jī)的末端，絲桿與待測(cè)鉆桿相平行，階梯 夾具正對(duì)于待測(cè)鉆桿。 所述的第一階梯夾具和第二階梯夾具的下端為階梯型結(jié)構(gòu)，階梯型結(jié)構(gòu)的階梯深 度為待測(cè)鉆桿首尾兩端加厚端的厚度。 所述的絲桿左右兩端分別設(shè)計(jì)為左旋和右旋螺紋結(jié)構(gòu)，該絲杠左端螺紋旋向與第 一階梯夾具的螺紋旋轉(zhuǎn)方向相同，絲杠右端螺紋旋向與第二階梯夾具的螺紋旋轉(zhuǎn)方向相 同，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，第一和第二階梯夾具同時(shí)向內(nèi)或向外移動(dòng)。 所述的步進(jìn)電機(jī)為雙輸出軸步進(jìn)電機(jī)，其前端輸出軸與絲桿固定連接，后端輸出 軸與編碼器連接，該步進(jìn)電機(jī)固定安裝在矯直機(jī)頂部，由控制系統(tǒng)控制其正傳或反轉(zhuǎn)，從而 控制第一移動(dòng)夾具和第二移動(dòng)夾具的開檔距離； 所述的編碼器的為旋轉(zhuǎn)編碼器，安裝在步進(jìn)電機(jī)的尾部，編碼器的輸出信號(hào)提供
給控制系統(tǒng)用于檢測(cè)第一階梯夾具和第二階梯夾具左右移動(dòng)的開檔距離。 本發(fā)明涉及上述油井鉆桿矯直的激光跟蹤自動(dòng)定位裝置的定位方法，包括以下步
驟 第一步、控制系統(tǒng)通過傳動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)鉆桿左端移動(dòng)到檢測(cè)位置進(jìn)行檢測(cè)；
第二步、控制系統(tǒng)根據(jù)鉆桿鋼級(jí)和壁厚控制驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)絲桿旋轉(zhuǎn)，將第一 階梯夾具和第二階梯夾具同時(shí)向內(nèi)或同時(shí)向外移動(dòng)，調(diào)整兩個(gè)階梯夾具之間的開檔距離到 要求位置； 第三步、控制系統(tǒng)通過傳動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)鉆桿由左向右移動(dòng)，在鉆桿移動(dòng)過程中，在第
一階梯夾具上的激光位移傳感器的激光束作用在鉆桿外表面上，處于正常的檢測(cè)跟蹤狀
態(tài)，當(dāng)鉆桿左端加厚端端面移動(dòng)到第一階梯夾具的階梯內(nèi)側(cè)邊緣時(shí)，鉆桿左端端面離開了
激光位移傳感器光束的檢測(cè)范圍，即表示鉆桿左端加厚端端面已進(jìn)入了第一階梯夾具的階
梯位置，達(dá)到了預(yù)定的矯直夾緊定位位置，從而為鉆桿左端的矯直做好了準(zhǔn)備； 第四步、對(duì)定位好的鉆桿左端進(jìn)行矯直，矯直完畢后，向左移動(dòng)，使鉆桿的右端移
動(dòng)到檢測(cè)位置進(jìn)行檢測(cè)； 第五步、控制系統(tǒng)通過傳動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)鉆桿由右向左右移動(dòng)，在鉆桿移動(dòng)過程中，在 第二階梯夾具上的激光位移傳感器的激光束作用在鉆桿外表面上，處于正常的檢測(cè)跟蹤狀
4態(tài)，當(dāng)鉆桿右端加厚端端面移動(dòng)到第二階梯的階梯內(nèi)側(cè)邊緣時(shí)，鉆桿右端端面離開了激光
位移傳感器光束的檢測(cè)范圍，即表示鉆桿右端加厚端端面已進(jìn)入了第二階梯夾具的階梯位
置，達(dá)到了預(yù)定的矯直夾緊定位位置，從而為鉆桿右端的矯直做好了準(zhǔn)備。 本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了鉆桿兩端加厚端進(jìn)入階梯夾具缺口內(nèi)的精確定位，從而為進(jìn)一步實(shí)
現(xiàn)鉆桿兩端矯直盲區(qū)的自動(dòng)化矯直做好了準(zhǔn)備。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下特點(diǎn)及
效果實(shí)現(xiàn)了鉆桿兩端矯直盲區(qū)矯直過程的快速、準(zhǔn)確定位；方法簡(jiǎn)單、可靠；可以自動(dòng)調(diào)
整階梯夾具的開檔距離，達(dá)到最佳的矯直效果；為連接檢測(cè)、矯直整個(gè)自動(dòng)化過程起到了十
分重要的作用。


圖1為本發(fā)明初始狀態(tài)示意圖；
圖2為本發(fā)明工作狀態(tài)示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明，本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行 實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施 例。 如圖1、2所示，本實(shí)施例包括第一階梯夾具5、第一激光位移傳感器3、第二階梯 夾具6、第二激光位移傳感器4、步進(jìn)電機(jī)7、絲桿8和編碼器9，其中第一激光位移傳感器 3固定安裝在第一階梯夾具5上，且激光束正對(duì)于階梯夾具的階梯內(nèi)邊緣，第一階梯夾具5 轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)置于絲桿8的左側(cè)。第二激光位移傳感器4固定安裝在第二階梯夾具6上，且激光 束正對(duì)于階梯夾具的階梯內(nèi)邊緣，第二階梯夾具6轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)置于絲桿8的右側(cè)。絲桿8的一 端與步進(jìn)電機(jī)7的輸出軸相連接，編碼器9固定設(shè)置于步進(jìn)電機(jī)7的末端，絲桿8與待測(cè)鉆 桿1相平行，第一階梯夾具5、第二階梯夾具6的下端正對(duì)于待測(cè)鉆桿1。
所述的第一階梯夾具和第二階梯夾具的下端為階梯型結(jié)構(gòu)，階梯型結(jié)構(gòu)的階梯深 度為待測(cè)鉆桿1首尾兩端加厚端的厚度。 所述激光位移傳感器3和激光位移傳感器4的激光束分別正對(duì)于第一階梯夾具和 第二階梯夾具的階梯內(nèi)邊緣，以檢測(cè)當(dāng)鉆桿1加厚端的端面進(jìn)入第一階梯夾具或第二階梯 夾具時(shí)的定位位置。 所述的絲桿8左右兩端分別設(shè)計(jì)為左旋和右旋螺紋結(jié)構(gòu)，該絲杠8左端螺紋旋向 與第一階梯夾具5的螺紋旋轉(zhuǎn)方向相同，絲杠8右端螺紋旋向與第二階梯夾具6的螺紋旋 轉(zhuǎn)方向相同，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)7旋轉(zhuǎn)時(shí)，第一階梯夾具5和第二階梯夾具6同時(shí)向內(nèi)或向外移 動(dòng)。 所述的步進(jìn)電機(jī)7為雙輸出軸步進(jìn)電機(jī)，其前端輸出軸與絲桿8固定連接，后端輸 出軸與編碼器9連接，該步進(jìn)電機(jī)固定安裝在矯直機(jī)頂部，由控制系統(tǒng)控制其正傳或反轉(zhuǎn)， 從而控制第一階梯夾具5和第二階梯夾具6的開檔距離； 所述的編碼器9的為旋轉(zhuǎn)編碼器，安裝在步進(jìn)電機(jī)7的尾部，編碼器9的輸出信號(hào) 提供給控制系統(tǒng)用于檢測(cè)第一階梯夾具5和第二階梯夾具6左右移動(dòng)的開檔距離。
如圖1所示，本實(shí)施例通過以下方式進(jìn)行工作定位
第一步、控制系統(tǒng)通過傳動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)鉆桿1左端移動(dòng)到檢測(cè)位置進(jìn)行檢測(cè)；
第二步、控制系統(tǒng)根據(jù)鉆桿1鋼級(jí)和壁厚控制驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)7帶動(dòng)絲桿8旋轉(zhuǎn)，將 第一階梯夾具5和第二階梯夾具6同時(shí)向內(nèi)或同時(shí)向外移動(dòng)，調(diào)整兩個(gè)階梯夾具之間的開 檔距離到要求位置； 第三步、控制系統(tǒng)通過傳動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)鉆桿1由左向右移動(dòng)，在鉆桿移動(dòng)過程中，在 第一階梯夾具5上的激光位移傳感器3的激光束作用在鉆桿1外表面上，處于正常的檢測(cè) 跟蹤狀態(tài)，當(dāng)鉆桿1左端加厚端端面移動(dòng)到第一階梯夾具5的階梯內(nèi)側(cè)邊緣時(shí)，鉆桿1左端 端面離開了激光位移傳感器3光束的檢測(cè)范圍，即表示鉆桿1左端加厚端端面已進(jìn)入了第 一階梯夾具5的階梯位置，達(dá)到了預(yù)定的矯直夾緊定位位置，從而為鉆桿1左端的矯直做好 了準(zhǔn)備； 第四步、對(duì)定位好的鉆桿1左端進(jìn)行矯直，矯直完畢后，向左移動(dòng)，使鉆桿1的右端 移動(dòng)到檢測(cè)位置進(jìn)行檢測(cè)； 第五步、控制系統(tǒng)通過傳動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)鉆桿1由右向左移動(dòng)，在鉆桿移動(dòng)過程中，在 第二階梯夾具6上的激光位移傳感器4的激光束作用在鉆桿1外表面上，處于正常的檢測(cè) 跟蹤狀態(tài)，當(dāng)鉆桿1右端加厚端端面移動(dòng)到第二階梯6的階梯內(nèi)側(cè)邊緣時(shí)，鉆桿1右端端面 離開了激光位移傳感器4激光束的檢測(cè)范圍，即表示鉆桿1右端加厚端端面已進(jìn)入了第二 階梯夾具6的階梯位置，達(dá)到了預(yù)定的矯直夾緊定位位置，從而為鉆桿1右端的矯直做好了 準(zhǔn)備。 上述方法，實(shí)現(xiàn)了鉆桿1兩端加厚端進(jìn)入階梯夾具內(nèi)的精確定位，從而為進(jìn)一步 實(shí)現(xiàn)鉆桿1兩端矯直盲區(qū)的自動(dòng)化矯直做好了準(zhǔn)備。
權(quán)利要求
一種油井鉆桿矯直的激光跟蹤自動(dòng)定位裝置，其特征在于，包括第一階梯夾具、第一激光位移傳感器、第二階梯夾具、第二激光位移傳感器、步進(jìn)電機(jī)、絲桿和編碼器，其中第一激光位移傳感器固定安裝在第一階梯夾具上且激光束正對(duì)于階梯夾具的階梯內(nèi)邊緣，第一階梯夾具轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)置于絲桿的左側(cè)，第二激光位移傳感器固定安裝在第二階梯夾具上且激光束正對(duì)于階梯夾具的階梯內(nèi)邊緣，第二階梯夾具轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)置于絲桿的右側(cè)，絲桿的一端與步進(jìn)電機(jī)的輸出軸相連接，編碼器固定設(shè)置于步進(jìn)電機(jī)的末端，絲桿與待測(cè)鉆桿相平行，階梯夾具正對(duì)于待測(cè)鉆桿。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的油井鉆桿矯直的激光跟蹤自動(dòng)定位裝置，其特征是，所述的 第一階梯夾具和第二階梯夾具的下端為階梯型結(jié)構(gòu)，階梯型結(jié)構(gòu)的階梯深度為待測(cè)鉆桿首 尾兩端加厚端的厚度。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的油井鉆桿矯直的激光跟蹤自動(dòng)定位裝置，其特征是，所述的 絲桿左右兩端分別為左旋和右旋螺紋結(jié)構(gòu)，該絲杠左端螺紋旋向與第一階梯夾具的螺紋旋 轉(zhuǎn)方向相同，絲杠右端螺紋旋向與第二階梯夾具的螺紋旋轉(zhuǎn)方向相同。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的油井鉆桿矯直的激光跟蹤自動(dòng)定位裝置，其特征是，所述的 步進(jìn)電機(jī)為雙輸出軸步進(jìn)電機(jī)，其前端輸出軸與絲桿固定連接，后端輸出軸與編碼器連接， 該步進(jìn)電機(jī)固定安裝在矯直機(jī)頂部。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的油井鉆桿矯直的激光跟蹤自動(dòng)定位裝置，其特征是，所述的編碼器的為旋轉(zhuǎn)編碼器，編碼器的輸出信號(hào)提供給控制系統(tǒng)用于檢測(cè)第一階梯夾具和第二 階梯夾具左右移動(dòng)的開檔距離。
6. —種根據(jù)權(quán)利要求1所述的油井鉆桿矯直的激光跟蹤自動(dòng)定位裝置的定位方法，其特征在于，包括以下步驟第一步、控制系統(tǒng)通過傳動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)鉆桿左端移動(dòng)到檢測(cè)位置進(jìn)行檢測(cè)； 第二步、控制系統(tǒng)根據(jù)鉆桿鋼級(jí)和壁厚控制驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)絲桿旋轉(zhuǎn)，將第一階梯夾具和第二階梯夾具同時(shí)向內(nèi)或同時(shí)向外移動(dòng)，調(diào)整兩個(gè)階梯夾具之間的開檔距離到要求位置；第三步、控制系統(tǒng)通過傳動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)鉆桿由左向右移動(dòng)，在鉆桿移動(dòng)過程中，在第一 階梯夾具上的激光位移傳感器的激光束作用在鉆桿外表面上，處于正常的檢測(cè)跟蹤狀態(tài)， 當(dāng)鉆桿左端加厚端端面移動(dòng)到第一階梯夾具的階梯內(nèi)側(cè)邊緣時(shí)，鉆桿左端端面離開了激光 位移傳感器光束的檢測(cè)范圍，即表示鉆桿左端加厚端端面已進(jìn)入了第一階梯夾具的階梯位 置，達(dá)到了預(yù)定的矯直夾緊定位位置，從而為鉆桿左端的矯直做好了準(zhǔn)備；第四步、對(duì)定位好的鉆桿左端進(jìn)行矯直，矯直完畢后，向左移動(dòng)，使鉆桿的右端移動(dòng)到 檢測(cè)位置進(jìn)行檢測(cè)；第五步、控制系統(tǒng)通過傳動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)鉆桿由右向左右移動(dòng)，在鉆桿移動(dòng)過程中，在第二 階梯夾具上的激光位移傳感器的激光束作用在鉆桿外表面上，處于正常的檢測(cè)跟蹤狀態(tài)， 當(dāng)鉆桿右端加厚端端面移動(dòng)到第二階梯的階梯內(nèi)側(cè)邊緣時(shí)，鉆桿右端端面離開了激光位移 傳感器光束的檢測(cè)范圍，即表示鉆桿右端加厚端端面已進(jìn)入了第二階梯夾具的階梯位置， 達(dá)到了預(yù)定的矯直夾緊定位位置，從而為鉆桿右端的矯直做好了準(zhǔn)備。
全文摘要
一種石油鉆井技術(shù)領(lǐng)域的油井鉆桿矯直的激光跟蹤自動(dòng)定位裝置，包括兩個(gè)階梯夾具、兩個(gè)激光位移傳感器、步進(jìn)電機(jī)、絲桿和編碼器，其中兩個(gè)階梯夾具分別轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)置于絲桿的兩側(cè)，下端為階梯結(jié)構(gòu)，下端正對(duì)于待測(cè)鉆桿，兩個(gè)激光位移傳感器分別固定安裝在兩個(gè)階梯夾具上，激光束激光束分別正對(duì)于階梯夾具的階梯內(nèi)邊緣。本發(fā)明能實(shí)現(xiàn)鉆桿軸向移動(dòng)的準(zhǔn)確定位，還可以進(jìn)一步改進(jìn)夾具的支撐結(jié)構(gòu)，即階梯夾具的開檔可以根據(jù)不同的管徑和鋼級(jí)自動(dòng)調(diào)節(jié)，提高矯直質(zhì)量，提高矯直效率、降低勞動(dòng)強(qiáng)度。
文檔編號(hào)B21D43/00GK101716634SQ20091031097
公開日2010年6月2日 申請(qǐng)日期2009年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月7日
發(fā)明者時(shí)輪, 王海麗, 胡德金, 裴景玉, 許黎明 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)