弹性卡瓦和包括其的带压作业管柱自动化控制装置及方法与流程

1.本发明涉及石油自动化带压修井起下油管技术领域，特别是涉及一种弹性卡瓦和包括其的带压作业管柱自动化控制装置及方法。


背景技术：

2.油田带压作业装备均需配置卡瓦进行管柱控制，因油田井况不同，浅井（2500m以内）、低压井（井口压力不高于10mpa）采用对夹式万能卡瓦进行油管管柱控制，而深井（2500m以上深度）、高压井（井口压力大于10mpa）需要采用锥形自紧式卡瓦组进行油管管柱控制。其中，锥形自紧式卡瓦组的游动卡瓦组和固定卡瓦组均包括一组承重卡瓦和一组防顶卡瓦，需要人工频繁操作游动卡瓦组和固定卡瓦组来夹持管柱。
3.并且，随着管柱在井内数量的变化以及井内压力变化，管柱悬重状态分为重管柱状态、中和点状态和轻管柱状态。重管柱状态是指管柱自身重量远大于井内压力对管柱产生的上顶力，管柱在此状态下有下落的趋势；中和点状态是指管柱自身重量与井内压力对管柱产生的上顶力基本相当，因井内压力突然变化，管柱有可能突然上窜，也有可能突然下落；轻管柱状态是指管柱自身重量远低于井内压力对管柱产生的上顶力，管柱在此状态下有上窜的趋势。在管柱悬重为重管柱状态或轻管柱状态的情况下，带压作业机在起下管柱的作业时只需要两组承重卡瓦或两组防顶卡瓦交替使用控制管柱运动即可。但在中和点状态下，当下入管柱重量大于上顶力时，管柱有可能会掉下去，也可能会因为井内压力突然上升了导致上顶力大于管柱重量，管柱会被顶飞造成事故。所以为保证施工安全，在过中和点的时候必须防顶卡瓦和承重卡瓦同时使用进行管柱控制。在交替使用游动卡瓦组和固定卡瓦组时，由于防顶卡瓦和承重卡瓦的解卡方式不同，这个时候就很容易造成四组卡瓦被锁死，主要原因是由于卡瓦体与卡瓦座的楔形接触面力量无法释放造成。
4.目前，有两种常见方式来解决以上问题，一是在过中和点的时候卸松承重卡瓦上的固定螺丝，在发生卡瓦锁死时，可以产生一点位移，便于解卡，但此方法操作繁琐不便，且不能避免锁死；二是在卡瓦底部加装弹簧，预留出解锁空间，但现有弹簧在大载荷情况下，会直接承受高载荷，很容易被压断，同时由于弹簧容易发生晃动性，影响卡瓦的正常使用。还如现有技术cn115977557a，发明名称为一种带压作业油管升降控制装置，其中公开了通过设置四组碟簧总成，避免卡瓦锁死，提高了设备作业效率。但此装置需要人工进行确认四组卡瓦的压缩状态，由于固定卡瓦组位于操作平台下部，操作人员站在操作台上观察固定卡瓦组存在一定的视角障碍，并且需要操作人员长时间严格按照逻辑动作顺序进行操作，一旦操作失误，将会产生飞管或掉管的安全事故。
5.由此可见，上述现有的卡瓦和带压作业管柱升降控制装置仍存在有不便与缺陷，而亟待加以进一步改进。如何能创设一种新的弹性卡瓦和包括其的带压作业管柱自动化控制装置及方法，使其卡瓦结构解决现有卡瓦容易锁死，以及现有弹簧容易发生晃动的弊端，且通过设置传感器，通过plc程序控制，能够自动检测卡瓦工作状态，并能控制油缸自动完成卡瓦开闭作业，不需要人工参与，杜绝了人为因素产生的安全隐患，提高了作业的安全
性，成为当前业界急需改进的目标。


技术实现要素：

6.本发明要解决的技术问题是提供一种弹性卡瓦，使其通过对弹簧机构的改进，既能解决现有卡瓦容易锁死，又能解决现有弹簧容易发生晃动影响卡瓦正常使用的弊端，为带压作业管柱自动化控制提供可靠条件。
7.为解决上述技术问题，本发明提供一种弹性卡瓦，包括卡瓦座、卡瓦体、牙板、卡瓦移动板、连杆和开闭油缸，所述卡瓦座采用倒锥形中空底座，所述卡瓦体包括多个，多个卡瓦体沿径向设置在所述卡瓦座的中心孔中，所述卡瓦体的外侧壁与所述卡瓦座的中心孔锥形内壁形状匹配，所述卡瓦体的内侧壁上设置所述牙板，多个所述牙板用于与管柱外周接触，所述卡瓦体的上部通过所述连杆与所述卡瓦移动板铰接，所述开闭油缸一端连接所述卡瓦座，另一端连接所述卡瓦移动板，所述开闭油缸通过带动所述卡瓦移动板升降实现多个所述卡瓦体在所述卡瓦座中心孔中的升降，进而实现所述牙板对管柱的夹紧和放松控制；还包括设置在所述卡瓦座底部的卡瓦底板，所述卡瓦底板的上部设有围绕其中心通孔的导向环槽，所述卡瓦座的底部设有伸入所述导向环槽中的导向盘，且所述导向盘的外侧壁与所述导向环槽的外壁内侧贴合，所述导向盘的内侧壁与所述导向环槽的内壁外侧之间设置弹簧，所述导向盘上设有多个导向孔，所述导向环槽的底部设有与所述导向孔对应的导向通孔，所述导向孔与导向通孔之间通过销轴连接，在所述导向盘和导向环槽的导向作用下，所述卡瓦座通过弹簧的弹力作用，相对于所述卡瓦底板上下调节，达到解锁卡瓦的目的。
8.进一步改进，还包括用于检测所述卡瓦启闭状态的卡瓦启闭传感器。
9.进一步改进，所述卡瓦启闭传感器采用外置式拉线传感器，所述外置式拉线传感器的一端连接所述卡瓦移动板，另一端连接所述卡瓦座。
10.进一步改进，所述导向环槽的外壁呈间断式设置，且所述导向环槽的外壁高度大于其内壁高度。
11.作为本发明的又一改进，本发明还提供一种带压作业管柱自动化控制装置，包括固定框架、工作防喷器、举升油缸、游动横梁、游动卡瓦组和固定卡瓦组，所述固定框架包括固定上板和固定下板，所述固定上板和固定下板之间设置所述举升油缸，所述举升油缸的伸出杆穿出所述固定上板后与所述游动横梁连接，所述游动卡瓦组设置在所述游动横梁上，所述固定卡瓦组通过所述工作防喷器设置在所述固定下板上；所述游动卡瓦组包括游动承重卡瓦和游动防顶卡瓦，所述游动承重卡瓦和游动防顶卡瓦均采用上述的弹性卡瓦，所述游动承重卡瓦和游动防顶卡瓦相对设置，其两者的卡瓦底板之间通过至少三根第一固定柱固定连接，且至少一根第一固定柱上设有第一位置传感器和第二位置传感器，所述第一位置传感器通过与所述游动防顶卡瓦的卡瓦座配合实现对所述游动防顶卡瓦是否被压紧的状态检测，所述第二位置传感器通过与所述游动承重卡瓦的卡瓦座配合实现对所述游动承重卡瓦是否被压紧的状态检测；所述固定卡瓦组包括固定承重卡瓦和固定防顶卡瓦，所述固定承重卡瓦和固定防顶卡瓦均采用上述的弹性卡瓦，所述固定承重卡瓦和固定防顶卡瓦相对设置，其两者的卡
瓦底板之间通过至少三根第二固定柱固定连接，且至少一根第二固定柱上设有第三位置传感器和第四位置传感器，所述第三位置传感器通过与所述固定防顶卡瓦的卡瓦座配合实现对所述固定防顶卡瓦是否被压紧的状态检测，所述第四位置传感器通过与所述固定承重卡瓦的卡瓦座配合实现对所述固定承重卡瓦是否被压紧的状态检测。
12.进一步改进，所述举升油缸内部设有第五位置传感器。
13.进一步改进，所述第五位置传感器采用内置磁尺传感器。
14.进一步改进，还包括与所述卡瓦启闭传感器、第一位置传感器、第二位置传感器、第三位置传感器、第四位置传感器以及第五位置传感器连接的控制机构，所述控制机构根据所述卡瓦启闭传感器、第一位置传感器、第二位置传感器、第三位置传感器、第四位置传感器和第五位置传感器的检测信号，控制所述游动承重卡瓦、游动防顶卡瓦、固定承重卡瓦、固定防顶卡瓦中开闭油缸，以及举升油缸的伸缩，实现带压作业管柱自动化控制。
15.作为本发明的另一改进，本发明还提供一种带压作业管柱自动化控制方法，所述方法由上述的带压作业管柱自动化控制装置实现，所述方法包括带压作业管柱起管自动化控制模式和带压作业管柱下管自动化控制模式；所述带压作业管柱起管自动化控制模式包括如下步骤：s1.由所述控制机构判定初始化是否完成，若初始化未完成，则执行初始化动作，若已完成，则控制所述游动卡瓦组的卡瓦开闭油缸均缩回，在对应的所述卡瓦启闭传感器检测下，确保所述游动承重卡瓦和游动防顶卡瓦对管柱均夹紧；s2.所述控制机构控制所述举升油缸缓慢缩回，形成所述游动防顶卡瓦和固定承重卡瓦的压紧，在所述第一位置传感器检测到所述游动防顶卡瓦压紧到位，和所述第四位置传感器检测到所述固定承重卡瓦压紧到位，以及在所述第五位置传感器检测到所述举升油缸到达极限低位时停止所述举升油缸缩回;s3.控制所述固定防顶卡瓦的开闭油缸伸出，打开所述固定防顶卡瓦；控制所述举升油缸缓慢伸出，并控制所述固定承重卡瓦的开闭油缸伸出，打开所述固定承重卡瓦;s4.在所述卡瓦启闭传感器检测到所述固定防顶卡瓦和固定承重卡瓦完全打开后，所述举升油缸通过所述游动卡瓦组带动管柱上升，在所述第五位置传感器检测到所述举升油缸达到设定高度后，所述控制机构控制所述举升油缸停止上升；s5.控制所述固定卡瓦组的卡瓦开闭油缸均缩回，在对应的所述卡瓦启闭传感器检测下，确保所述固定承重卡瓦和固定防顶卡瓦对管柱均夹紧；所述控制机构再控制所述举升油缸缓慢伸出，形成所述游动承重卡瓦和固定防顶卡瓦的压紧，在所述第二位置传感器检测到所述游动承重卡瓦压紧到位，和所述第三位置传感器检测到所述固定防顶卡瓦压紧到位，以及在所述第五位置传感器检测到所述举升油缸到达极限高位时停止所述举升油缸伸出;s6.控制所述游动防顶卡瓦的开闭油缸伸出，打开所述游动防顶卡瓦；控制所述举升油缸缓慢缩回，并控制所述游动承重卡瓦的开闭油缸伸出，打开所述游动承重卡瓦，在所述卡瓦启闭传感器检测到所述游动防顶卡瓦和游动承重卡瓦完全打开后，所述举升油缸带动所述游动卡瓦组下降，由所述第五位置传感器检测所述举升油缸到达初始化位置时，控制所述举升油缸停止，完成一次管柱起管动作，重复步骤s1-s6过程，实现连续起管作业；所述带压作业管柱下管自动化控制模式包括如下步骤：
t1.由所述控制机构判定初始化是否完成，若初始化未完成，则执行初始化动作，若已完成，则控制所述举升油缸带动所述游动卡瓦组上升，在所述第五位置传感器检测到所述举升油缸达到设定高度后，所述控制机构控制所述举升油缸停止上升；t2.控制所述游动卡瓦组的卡瓦开闭油缸均缩回，在对应的所述卡瓦启闭传感器检测下，确保所述游动承重卡瓦和游动防顶卡瓦对管柱均夹紧；t3.在对应的所述卡瓦启闭传感器检测下，确保所述游动承重卡瓦和游动防顶卡瓦对管柱均夹紧后，所述控制机构控制所述举升油缸缓慢伸出，形成所述游动承重卡瓦和固定防顶卡瓦的压紧，在所述第二位置传感器检测到所述游动承重卡瓦压紧到位，和所述第三位置传感器检测到所述固定防顶卡瓦压紧到位，以及在所述第五位置传感器检测到所述举升油缸到达极限高位时停止所述举升油缸伸出;t4.控制所述固定承重卡瓦的开闭油缸伸出，打开所述固定承重卡瓦；控制所述举升油缸缓慢缩回，并控制所述固定防顶卡瓦的开闭油缸伸出，打开所述固定防顶卡瓦;t5.在所述卡瓦启闭传感器检测到所述固定承重卡瓦和固定防顶卡瓦完全打开后，所述举升油缸通过所述游动卡瓦组带动管柱下降，在所述第五位置传感器检测到所述举升油缸达到设定高度后，所述控制机构控制所述举升油缸停止下降；t6.控制所述固定卡瓦组的卡瓦开闭油缸均缩回，在对应的所述卡瓦启闭传感器检测下，确保所述固定承重卡瓦和固定防顶卡瓦对管柱均夹紧；所述控制机构再控制所述举升油缸缓慢缩回，形成所述游动防顶卡瓦和固定承重卡瓦的压紧，在所述第一位置传感器检测到所述游动防顶卡瓦压紧到位，和所述第四位置传感器检测到所述固定承重卡瓦压紧到位，以及在所述第五位置传感器检测到所述举升油缸到达极限低位时停止所述举升油缸缩回;t7.控制所述游动承重卡瓦的开闭油缸伸出，打开所述游动承重卡瓦；控制所述举升油缸缓慢伸出到达初始化位置时，控制所述游动防顶卡瓦的开闭油缸伸出，打开所述游动防顶卡瓦，完成一次管柱下管动作，重复步骤t1-t7过程，实现连续下管作业。
16.进一步改进，所述方法的初始化状态为：所述游动卡瓦组的卡瓦开闭油缸均处于伸出状态，所述固定卡瓦组的卡瓦开闭油缸均处于缩回状态，且所述举升油缸处于初始缩回状态。
17.采用这样的设计后，本发明至少具有以下优点：1.本发明弹性卡瓦通过对其卡瓦座底部的改进，以及增设卡瓦底板，为弹簧提供导向空间，使卡瓦座能沿导向环槽轴向垂直稳定调节，在预留解锁空间的同时避免弹簧带来的晃动，保证卡瓦的正常使用，且成本低，安全可靠。
18.2.还通过卡瓦启闭传感器的设置，能远程自动检测卡瓦的启闭状态，避让人为观察造成的疏漏，安全可靠，劳动强度低。
19.3.本发明带压作业管柱自动化控制装置通过卡瓦启闭传感器、第一位置传感器、第二位置传感器、第三位置传感器、第四位置传感器和第五位置传感器以及与其连接的控制机构的设置，能通过plc程序接受各位置传感器传递的位置状态信号，自动判断游动承重卡瓦、游动防顶卡瓦、固定承重卡瓦和固定防顶卡瓦的工作状态，并自动控制举升油缸、开闭油缸进行逻辑动作，完成各卡瓦的启闭交替作业，实现管柱起管和下管的控制自动化，全程不需要人工参与，杜绝了人为因素产生的安全隐患，提高了作业的安全性。
20.4.本发明带压作业管柱自动化控制方法通过带压作业管柱自动化控制装置，实现初始化控制模式、带压作业管柱起管自动化控制模式和带压作业管柱下管自动化控制模式，根据作业任务执行不同控制模式，彻底解决带压作业管柱起下管作业，且不会锁死，自动化程度高，安全有保障。
附图说明
21.上述仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
22.附图1是本发明带压作业管柱自动化控制装置的整体结构示意图。
23.附图2是本发明中弹性卡瓦处于开启状态的结构示意图。
24.附图3是本发明中弹性卡瓦处于闭合状态的结构示意图。
25.附图4是本发明中弹性卡瓦包括卡瓦底板的结构示意图。
26.附图5是本发明中卡瓦底板的结构示意图。
27.附图6是本发明中卡瓦座的结构示意图。
28.附图7是本发明中游动卡瓦组的结构示意图。
29.附图8是本发明游动卡瓦组中游动防顶卡瓦被压缩的结构示意图。
30.附图9是本发明游动卡瓦组中游动承重卡瓦被压缩的结构示意图。
31.附图10是本发明中固定卡瓦组的结构示意图。
32.附图11是本发明中举升油缸的结构示意图。
33.附图12是本发明带压作业管柱自动化控制方法初始化作业的控制逻辑图。
34.附图13是本发明带压作业管柱自动化控制方法起管作业的控制逻辑图。
35.附图14是本发明带压作业管柱自动化控制方法下管作业的控制逻辑图。
36.图中：1-固定框架；11-固定上板；12-固定下板；2-举升油缸；21-缸筒；22-活塞杆；23-磁环；24-检测杆；201-第五位置传感器；3-游动横梁；4-游动卡瓦组；41-游动承重卡瓦；42-游动防顶卡瓦；401-第一固定柱；402-第一位置传感器；403-第二位置传感器；5-固定卡瓦组；51-固定承重卡瓦51；52-固定防顶卡瓦；501-第二固定柱；502-第三位置传感器；503-第四位置传感器；6-工作防喷器；7-控制机构；101-卡瓦座；102-卡瓦体；103-牙板；104-卡瓦移动板；105-连杆；106-开闭油缸；107-销轴；108-张开弹簧；109-卡瓦底板；110-中心通孔；111-导向环槽；112-导向盘；113-弹簧；114-导向孔；115-导向通孔；120-卡瓦启闭传感器。
具体实施方式
37.参照附图1所示，本实施例带压作业管柱自动化控制装置，包括固定框架1、举升油缸2、游动横梁3、游动卡瓦组4、固定卡瓦组5和工作防喷器6。所述固定框架1包括固定上板11和固定下板12，所述固定上板11和固定下板12之间设置至少两个所述举升油缸2，所述举升油缸2的伸出杆穿出所述固定上板11后与所述游动横梁3连接，所述游动卡瓦组4设置在所述游动横梁3上。所述固定卡瓦组5通过所述工作防喷器6设置在所述固定下板11上。所述游动卡瓦组4包括相对设置的游动承重卡瓦41和游动防顶卡瓦42。所述固定卡瓦组5包括相对设置的固定承重卡瓦51和固定防顶卡瓦52。
38.本实施例中所述游动承重卡瓦41和游动防顶卡瓦42、以及固定承重卡瓦51和固定防顶卡瓦52均采用结构相同的弹性卡瓦。
39.参照附图2和3所示，本实施例所述弹性卡瓦均采用圆形自紧式卡瓦，包括卡瓦座101、卡瓦体102、牙板103、卡瓦移动板104、连杆105和开闭油缸106。所述卡瓦座101采用倒锥形中空底座，所述卡瓦体102包括多个，如三个。三个所述卡瓦体102沿径向设置在所述卡瓦座101的中心孔中，所述卡瓦体102的外侧壁与所述卡瓦座101的中心孔锥形内壁形状匹配，所述卡瓦体102的内侧壁上设置所述牙板103，多个所述牙板103用于与管柱外周接触，以实现对管柱的抓紧和放松。所述卡瓦体102的上部通过所述连杆105与所述卡瓦移动板104铰接，所述连杆105的两端均通过销轴107与所述卡瓦体102上部和卡瓦移动板104铰接。所述开闭油缸106一端连接所述卡瓦座101，另一端连接所述卡瓦移动板104。所述卡瓦可根据情况设置多组开闭油缸106，本实施例设置均匀分布的3组，共同作用实现卡瓦移动板104的升降。所述开闭油缸106通过带动所述卡瓦移动板104升降实现多个所述卡瓦体102在所述卡瓦座101中心孔中的升降，进而实现所述牙板103对管柱的夹紧和放松控制。附图2显示卡瓦处于张开状态，附图3显示卡瓦处于闭合状态。
40.为了确保卡瓦体102随卡瓦移动板104上升时张开，所述卡瓦体102的上部外侧还连接张开弹簧108，所述张开弹簧108的另一端连接所述卡瓦移动板104的外边缘，用于在所述开闭油缸106带动所述卡瓦移动板104伸出时带动所述卡瓦体102向外张开，实现卡瓦对管柱的松开。牙板103通过固定装置固定在卡瓦体102上。当然，可根据不同管柱要求，更换不同规格的牙板。
41.较优实施例为，所述卡瓦还包括用于检测所述卡瓦启闭状态的卡瓦启闭传感器120。本实施例中所述卡瓦启闭传感器120采用外置式拉线传感器，所述外置式拉线传感器的一端连接所述卡瓦移动板104，另一端连接所述卡瓦座101，能实时检测卡瓦移动板104的伸出位置，并将检测信号传送至远程控制机构7。控制系统7根据检测数据，实时判断各卡瓦状态，并通过远程逻辑控制，发出动作指令，实现举升油缸2、游动卡瓦组4、固定卡瓦组5之间的卡瓦交替动作，从而自动完成管柱的远程自动化控制。
42.更优实施例为，参照附图4至6所示，本实施例所述卡瓦还包括设置在所述卡瓦座101底部的卡瓦底板109。所述卡瓦底板109的上部设有围绕其中心通孔110的导向环槽111。所述卡瓦座101的底部设有伸入所述导向环槽111中的导向盘112，且所述导向盘112的外侧壁与所述导向环槽111的外壁内侧贴合，所述导向盘112的内侧壁与所述导向环槽111的内壁外侧之间设置弹簧113。弹簧113可将整个卡瓦支撑起，并在一定的外力作业下被压缩，使得卡瓦的卡瓦座101与卡瓦底板109压紧，此状态为卡瓦压紧状态。所述导向盘112上设有多个导向孔114，所述导向环槽111的底部设有与所述导向孔114对应的导向通孔115，所述导向孔114与导向通孔115之间通过销轴连接，在所述导向盘112和导向环槽111的导向作用下，所述卡瓦座101通过弹簧113的弹力作用，相对于所述卡瓦底板109上下调节，达到解锁卡瓦的目的。
43.具体的，所述导向环槽111的外壁呈间断式设置，且所述导向环槽111的外壁高度大于其内壁高度，便于弹簧113的设置，以及卡瓦座101与弹簧113的相互配合作用。
44.再参照附图7所示，本实施例中所述游动承重卡瓦41和游动防顶卡瓦42相对设置，其两者的卡瓦底板109之间通过至少三根第一固定柱401固定连接，且至少一根第一固定柱
401上设有第一位置传感器402和第二位置传感器403。所述第一位置传感器402通过与所述游动防顶卡瓦42的卡瓦座配合实现对所述游动防顶卡瓦42是否被压紧的状态检测，即当所述游动防顶卡瓦42的卡瓦座被向上压缩，卡瓦座触碰至第一位置传感器402时，所述第一位置传感器402发出所述游动防顶卡瓦42被压紧到位的信号，如附图8所示。同样，所述第二位置传感器403通过与所述游动承重卡瓦41的卡瓦座配合实现对所述游动承重卡瓦41是否被压紧的状态检测，即当所述游动承重卡瓦41的卡瓦座被向下压缩，卡瓦座触碰至第二位置传感器403时，所述第二位置传感器403发出所述游动承重卡瓦41被压紧到位的信号，如附图9所示。
45.再参照附图10所示，本实施例中所述固定承重卡瓦51和固定防顶卡瓦52相对设置，其两者的卡瓦底板109之间通过至少三根第二固定柱501固定连接，且至少一根第二固定柱501上设有第三位置传感器502和第四位置传感器503，所述第三位置传感器502通过与所述固定防顶卡瓦52的卡瓦座配合实现对所述固定防顶卡瓦52是否被压紧的状态检测，即当所述固定防顶卡瓦52的卡瓦座被向上压缩，卡瓦座触碰至第三位置传感器502时，所述第三位置传感器502发出所述固定防顶卡瓦52被压紧到位的信号。同样，所述第四位置传感器503通过与所述固定承重卡瓦51的卡瓦座配合实现对所述固定承重卡瓦51是否被压紧的状态检测，即当所述固定承重卡瓦51的卡瓦座被向下压缩，卡瓦座触碰至第四位置传感器503时，所述第四位置传感器503发出所述固定承重卡瓦51被压紧到位的信号。
46.再参照附图11所示，所述举升油缸2包括缸筒21和活塞杆22。缸筒21固定在固定框架1上，活塞杆22与游动横梁3连接，在举升油缸2的作用下，带动游动横梁3升降，进而带动游动卡瓦座4实现升降功能。
47.较优实施例为，所述举升油缸2内部设有第五位置传感器201。所述第五位置传感器201采用内置磁尺传感器，包括磁环23和检测杆24。磁环23固定在活塞杆22底部，活塞杆22内部为中空结构，可容纳检测杆24，检测杆24下端固定在缸筒21底部，其上端穿过磁环23。当活塞杆22运动时，检测杆24与磁环23产生相对位移，第五位置传感器201能够将位移数据通过数据传输线传递给远程控制系统7，实时判断游动横梁3的位置信号，并通过远程逻辑控制，发出动作指令，实现举升油缸2、游动卡瓦组4、固定卡瓦组5之间的交替动作，从而自动完成管柱的远程自动化控制。
48.再参照附图1所示，本实施例所述带压作业管柱自动化控制装置还包括与所述卡瓦启闭传感器120、第一位置传感器402、第二位置传感器403、第三位置传感器502、第四位置传感器503以及第五位置传感器201连接的控制机构7。所述控制机构7根据所述卡瓦启闭传感器120、第一位置传感器402、第二位置传感器403、第三位置传感器502、第四位置传感器503和第五位置传感器201的检测信号，控制所述游动承重卡瓦41、游动防顶卡瓦42、固定承重卡瓦51、固定防顶卡瓦52中开闭油缸106，以及举升油缸2的伸缩，实现带压作业管柱的远程自动化控制。
49.上述带压作业管柱自动化控制装置能实现带压作业管柱的自动化控制，其具体自动化控制方法包括带压作业管柱起管自动化控制模式和带压作业管柱下管自动化控制模式。
50.参照附图13所示，所述带压作业管柱起管自动化控制模式包括如下步骤：s1.由所述控制机构7判定初始化是否完成，若初始化未完成，则执行初始化动作，
若已完成，则控制所述游动卡瓦组4的卡瓦开闭油缸106均缩回，在对应的所述卡瓦启闭传感器120检测下，确保所述游动承重卡瓦41和游动防顶卡瓦42对管柱均夹紧。
51.其中，所述方法的初始化状态为：所述游动卡瓦组4的卡瓦开闭油缸106均处于伸出状态，所述固定卡瓦组5的卡瓦开闭油缸106均处于缩回状态，且所述举升油缸2处于初始缩回状态，其逻辑流程图如附图12。初始化动作为：所述控制系统7根据游动卡瓦组4和固定卡瓦组5中卡瓦启闭传感器120传递的数据，依次判定固定卡瓦组5中固定承重卡瓦51和固定防顶卡瓦52是否处于夹紧状态、游动卡瓦组4中游动承重卡瓦41和游动防顶卡瓦42是否处于打开状态，以及根据第五位置传感器201的检测数据，判定所述游动横梁3是否处于初始缩回位置，但不是极限低位。若是，则初始化结束，可进行下一阶段作业，若其中有一个未处于设定的初始化状态位置，则控制相对应的液压油缸执行初始化设定动作，直到初始化完成。
52.s2.所述控制机构7控制所述举升油缸2进一步缓慢缩回，形成对处于最上端和最下端的所述游动防顶卡瓦42和固定承重卡瓦51的压紧，在所述第一位置传感器402检测到所述游动防顶卡瓦42压紧到位，和所述第四位置传感器503检测到所述固定承重卡瓦51压紧到位，以及在所述第五位置传感器201检测到所述举升油缸2到达极限低位时停止所述举升油缸2的缩回。
53.s3. 此时固定承重卡瓦51和游动防顶卡瓦42均处于压紧状态，则管柱与固定防顶卡瓦52产生相对运动，管柱载荷释放，使得固定防顶卡瓦52的打开变得容易，此时控制所述固定防顶卡瓦52的开闭油缸106伸出，打开所述固定防顶卡瓦52；控制所述举升油缸2缓慢伸出，此时所述固定承重卡瓦51的载荷也完全释放，可控制所述固定承重卡瓦51的开闭油缸106伸出，打开所述固定承重卡瓦51。
54.s4.在所述卡瓦启闭传感器120检测到所述固定防顶卡瓦52和固定承重卡瓦51完全打开后，所述举升油缸2开始按设定好的上提速度和幅度，通过所述游动卡瓦组4带动管柱上升，在所述第五位置传感器201检测到所述举升油缸2达到设定高度后，所述控制机构7控制所述举升油缸2停止上升。
55.s5.控制所述固定卡瓦组5的卡瓦开闭油缸106均缩回，在对应的所述卡瓦启闭传感器120检测下，确保所述固定承重卡瓦51和固定防顶卡瓦52对管柱均夹紧；所述控制机构7再控制所述举升油缸2缓慢伸出，形成对处于中间的所述游动承重卡瓦41和固定防顶卡瓦52的压紧，在所述第二位置传感器403检测到所述游动承重卡瓦41压紧到位，和所述第三位置传感器502检测到所述固定防顶卡瓦52压紧到位，以及在所述第五位置传感器201检测到所述举升油缸2到达极限高位时停止所述举升油缸2的伸出。
56.s6. 此时游动承重卡瓦41和固定防顶卡瓦52均处于压紧状态，则管柱与游动防顶卡瓦42产生相对运动，管柱载荷释放，使得游动防顶卡瓦42的打开变得容易，控制所述游动防顶卡瓦42的开闭油缸106伸出，打开所述游动防顶卡瓦42；控制所述举升油缸2缓慢缩回，此时游动承重卡瓦41的载荷也完全释放，可控制所述游动承重卡瓦41的开闭油缸106伸出，打开所述游动承重卡瓦41，在所述卡瓦启闭传感器120检测到所述游动防顶卡瓦42和游动承重卡瓦41完全打开后，所述举升油缸2带动所述游动卡瓦组4按设定好的下降速度和幅度下降，由所述第五位置传感器201检测所述举升油缸2到达初始化位置时，控制所述举升油缸2停止，完成一次管柱起管动作，重复上述步骤s1-s6过程，实现连续起管作业。
57.参照附图14所示，所述带压作业管柱下管自动化控制模式包括如下步骤：t1.由所述控制机构7判定初始化是否完成，若初始化未完成，则执行初始化动作，其中初始化状态同上；若已完成，则控制所述举升油缸2带动所述游动卡瓦组4上升，在所述第五位置传感器201检测到所述举升油缸2达到设定高度后，所述控制机构7控制所述举升油缸2停止上升。
58.t2.控制所述游动卡瓦组4的卡瓦开闭油缸106均缩回，在对应的所述卡瓦启闭传感器120检测下，确保所述游动承重卡瓦41和游动防顶卡瓦42对管柱均夹紧。
59.t3.在对应的所述卡瓦启闭传感器120检测下，确保所述游动承重卡瓦41和游动防顶卡瓦42对管柱均夹紧后，所述控制机构7控制所述举升油缸2缓慢伸出，形成对处于中间的所述游动承重卡瓦41和固定防顶卡瓦52的压紧，在所述第二位置传感器403检测到所述游动承重卡瓦41压紧到位，和所述第三位置传感器502检测到所述固定防顶卡瓦52压紧到位，以及在所述第五位置传感器201检测到所述举升油缸2到达极限高位时停止所述举升油缸2的伸出。
60.t4. 此时固定防顶卡瓦52和游动承重卡瓦41均处于压紧状态，则管柱与固定承重卡瓦51产生相对运动，管柱载荷释放，使得固定承重卡瓦51的打开变得容易，控制所述固定承重卡瓦51的开闭油缸106伸出，打开所述固定承重卡瓦51；控制所述举升油缸2缓慢缩回，此时所述固定防顶卡瓦52的载荷也完全释放，可控制所述固定防顶卡瓦52的开闭油缸106伸出，打开所述固定防顶卡瓦52。
61.t5.在所述卡瓦启闭传感器120检测到所述固定承重卡瓦51和固定防顶卡瓦52完全打开后，所述举升油缸2开始按设定好的下降速度和幅度，通过所述游动卡瓦组4带动管柱下降，在所述第五位置传感器201检测到所述举升油缸2达到设定高度后，所述控制机构7控制所述举升油缸2停止下降。
62.t6.控制所述固定卡瓦组5的卡瓦开闭油缸106均缩回，在对应的所述卡瓦启闭传感器120检测下，确保所述固定承重卡瓦51和固定防顶卡瓦52对管柱均夹紧；所述控制机构7再控制所述举升油缸2缓慢缩回，形成位于最上端和最下端的所述游动防顶卡瓦42和固定承重卡瓦51的压紧，在所述第一位置传感器402检测到所述游动防顶卡瓦42压紧到位，和所述第四位置传感器503检测到所述固定承重卡瓦51压紧到位，以及在所述第五位置传感器201检测到所述举升油缸2到达极限低位时停止所述举升油缸2的缩回。
63.t7.此时固定承重卡瓦51和游动防顶卡瓦42均处于压紧状态，则管柱与游动承重卡瓦41产生相对运动，管柱载荷释放，使得游动承重卡瓦41的打开变得容易，控制所述游动承重卡瓦41的开闭油缸106伸出，打开所述游动承重卡瓦41；控制所述举升油缸2缓慢伸出到达初始化位置时，此时游动防顶卡瓦42的载荷也完全释放，可控制所述游动防顶卡瓦42的开闭油缸伸出，打开所述游动防顶卡瓦42，完成一次管柱下管动作，重复步骤t1-t7过程，实现连续下管作业。
64.本发明中所述开闭油缸、举升油缸均采用现有液压动力源提供，属于常识性技术，不再赘述。
65.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、
ꢀ“
外”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，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置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
能理解为对本发明的限制。
66.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
67.以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本发明的保护范围内。

技术特征：
1.一种弹性卡瓦，包括卡瓦座、卡瓦体、牙板、卡瓦移动板、连杆和开闭油缸，所述卡瓦座采用倒锥形中空底座，所述卡瓦体包括多个，多个卡瓦体沿径向设置在所述卡瓦座的中心孔中，所述卡瓦体的外侧壁与所述卡瓦座的中心孔锥形内壁形状匹配，所述卡瓦体的内侧壁上设置所述牙板，多个所述牙板用于与管柱外周接触，所述卡瓦体的上部通过所述连杆与所述卡瓦移动板铰接，所述开闭油缸一端连接所述卡瓦座，另一端连接所述卡瓦移动板，所述开闭油缸通过带动所述卡瓦移动板升降实现多个所述卡瓦体在所述卡瓦座中心孔中的升降，进而实现所述牙板对管柱的夹紧和放松控制，其特征在于，还包括设置在所述卡瓦座底部的卡瓦底板，所述卡瓦底板的上部设有围绕其中心通孔的导向环槽，所述卡瓦座的底部设有伸入所述导向环槽中的导向盘，且所述导向盘的外侧壁与所述导向环槽的外壁内侧贴合，所述导向盘的内侧壁与所述导向环槽的内壁外侧之间设置弹簧，所述导向盘上设有多个导向孔，所述导向环槽的底部设有与所述导向孔对应的导向通孔，所述导向孔与导向通孔之间通过销轴连接，在所述导向盘和导向环槽的导向作用下，所述卡瓦座通过弹簧的弹力作用，相对于所述卡瓦底板上下调节，达到解锁卡瓦的目的。2.根据权利要求1所述的弹性卡瓦，其特征在于，还包括用于检测所述卡瓦启闭状态的卡瓦启闭传感器。3.根据权利要求2所述的弹性卡瓦，其特征在于，所述卡瓦启闭传感器采用外置式拉线传感器，所述外置式拉线传感器的一端连接所述卡瓦移动板，另一端连接所述卡瓦座。4.根据权利要求1所述的弹性卡瓦，其特征在于，所述导向环槽的外壁呈间断式设置，且所述导向环槽的外壁高度大于其内壁高度。5.一种带压作业管柱自动化控制装置，包括固定框架、工作防喷器、举升油缸、游动横梁、游动卡瓦组和固定卡瓦组，所述固定框架包括固定上板和固定下板，所述固定上板和固定下板之间设置所述举升油缸，所述举升油缸的伸出杆穿出所述固定上板后与所述游动横梁连接，所述游动卡瓦组设置在所述游动横梁上，所述固定卡瓦组通过所述工作防喷器设置在所述固定下板上，其特征在于，所述游动卡瓦组包括游动承重卡瓦和游动防顶卡瓦，所述游动承重卡瓦和游动防顶卡瓦均采用权利要求2或3所述的弹性卡瓦，所述游动承重卡瓦和游动防顶卡瓦相对设置，其两者的卡瓦底板之间通过至少三根第一固定柱固定连接，且至少一根第一固定柱上设有第一位置传感器和第二位置传感器，所述第一位置传感器通过与所述游动防顶卡瓦的卡瓦座配合实现对所述游动防顶卡瓦是否被压紧的状态检测，所述第二位置传感器通过与所述游动承重卡瓦的卡瓦座配合实现对所述游动承重卡瓦是否被压紧的状态检测；所述固定卡瓦组包括固定承重卡瓦和固定防顶卡瓦，所述固定承重卡瓦和固定防顶卡瓦均采用权利要求2或3所述的弹性卡瓦，所述固定承重卡瓦和固定防顶卡瓦相对设置，其两者的卡瓦底板之间通过至少三根第二固定柱固定连接，且至少一根第二固定柱上设有第三位置传感器和第四位置传感器，所述第三位置传感器通过与所述固定防顶卡瓦的卡瓦座配合实现对所述固定防顶卡瓦是否被压紧的状态检测，所述第四位置传感器通过与所述固定承重卡瓦的卡瓦座配合实现对所述固定承重卡瓦是否被压紧的状态检测。6.根据权利要求5所述的带压作业管柱自动化控制装置，其特征在于，所述举升油缸内部设有第五位置传感器。7.根据权利要求6所述的带压作业管柱自动化控制装置，其特征在于，所述第五位置传
感器采用内置磁尺传感器。8.根据权利要求6所述的带压作业管柱自动化控制装置，其特征在于，还包括与所述卡瓦启闭传感器、第一位置传感器、第二位置传感器、第三位置传感器、第四位置传感器以及第五位置传感器连接的控制机构，所述控制机构根据所述卡瓦启闭传感器、第一位置传感器、第二位置传感器、第三位置传感器、第四位置传感器和第五位置传感器的检测信号，控制所述游动承重卡瓦、游动防顶卡瓦、固定承重卡瓦、固定防顶卡瓦中开闭油缸，以及举升油缸的伸缩，实现带压作业管柱自动化控制。9.一种带压作业管柱自动化控制方法，其特征在于，所述方法由权利要求8所述的带压作业管柱自动化控制装置实现，所述方法包括带压作业管柱起管自动化控制模式和带压作业管柱下管自动化控制模式；所述带压作业管柱起管自动化控制模式包括如下步骤：s1.由所述控制机构判定初始化是否完成，若初始化未完成，则执行初始化动作，若已完成，则控制所述游动卡瓦组的卡瓦开闭油缸均缩回，在对应的所述卡瓦启闭传感器检测下，确保所述游动承重卡瓦和游动防顶卡瓦对管柱均夹紧；s2.所述控制机构控制所述举升油缸缓慢缩回，形成所述游动防顶卡瓦和固定承重卡瓦的压紧，在所述第一位置传感器检测到所述游动防顶卡瓦压紧到位，和所述第四位置传感器检测到所述固定承重卡瓦压紧到位，以及在所述第五位置传感器检测到所述举升油缸到达极限低位时停止所述举升油缸缩回;s3.控制所述固定防顶卡瓦的开闭油缸伸出，打开所述固定防顶卡瓦；控制所述举升油缸缓慢伸出，并控制所述固定承重卡瓦的开闭油缸伸出，打开所述固定承重卡瓦;s4.在所述卡瓦启闭传感器检测到所述固定防顶卡瓦和固定承重卡瓦完全打开后，所述举升油缸通过所述游动卡瓦组带动管柱上升，在所述第五位置传感器检测到所述举升油缸达到设定高度后，所述控制机构控制所述举升油缸停止上升；s5.控制所述固定卡瓦组的卡瓦开闭油缸均缩回，在对应的所述卡瓦启闭传感器检测下，确保所述固定承重卡瓦和固定防顶卡瓦对管柱均夹紧；所述控制机构再控制所述举升油缸缓慢伸出，形成所述游动承重卡瓦和固定防顶卡瓦的压紧，在所述第二位置传感器检测到所述游动承重卡瓦压紧到位，和所述第三位置传感器检测到所述固定防顶卡瓦压紧到位，以及在所述第五位置传感器检测到所述举升油缸到达极限高位时停止所述举升油缸伸出;s6.控制所述游动防顶卡瓦的开闭油缸伸出，打开所述游动防顶卡瓦；控制所述举升油缸缓慢缩回，并控制所述游动承重卡瓦的开闭油缸伸出，打开所述游动承重卡瓦，在所述卡瓦启闭传感器检测到所述游动防顶卡瓦和游动承重卡瓦完全打开后，所述举升油缸带动所述游动卡瓦组下降，由所述第五位置传感器检测所述举升油缸到达初始化位置时，控制所述举升油缸停止，完成一次管柱起管动作，重复步骤s1-s6过程，实现连续起管作业；所述带压作业管柱下管自动化控制模式包括如下步骤：t1.由所述控制机构判定初始化是否完成，若初始化未完成，则执行初始化动作，若已完成，则控制所述举升油缸带动所述游动卡瓦组上升，在所述第五位置传感器检测到所述举升油缸达到设定高度后，所述控制机构控制所述举升油缸停止上升；t2.控制所述游动卡瓦组的卡瓦开闭油缸均缩回，在对应的所述卡瓦启闭传感器检测
下，确保所述游动承重卡瓦和游动防顶卡瓦对管柱均夹紧；t3.在对应的所述卡瓦启闭传感器检测下，确保所述游动承重卡瓦和游动防顶卡瓦对管柱均夹紧后，所述控制机构控制所述举升油缸缓慢伸出，形成所述游动承重卡瓦和固定防顶卡瓦的压紧，在所述第二位置传感器检测到所述游动承重卡瓦压紧到位，和所述第三位置传感器检测到所述固定防顶卡瓦压紧到位，以及在所述第五位置传感器检测到所述举升油缸到达极限高位时停止所述举升油缸伸出;t4.控制所述固定承重卡瓦的开闭油缸伸出，打开所述固定承重卡瓦；控制所述举升油缸缓慢缩回，并控制所述固定防顶卡瓦的开闭油缸伸出，打开所述固定防顶卡瓦;t5.在所述卡瓦启闭传感器检测到所述固定承重卡瓦和固定防顶卡瓦完全打开后，所述举升油缸通过所述游动卡瓦组带动管柱下降，在所述第五位置传感器检测到所述举升油缸达到设定高度后，所述控制机构控制所述举升油缸停止下降；t6.控制所述固定卡瓦组的卡瓦开闭油缸均缩回，在对应的所述卡瓦启闭传感器检测下，确保所述固定承重卡瓦和固定防顶卡瓦对管柱均夹紧；所述控制机构再控制所述举升油缸缓慢缩回，形成所述游动防顶卡瓦和固定承重卡瓦的压紧，在所述第一位置传感器检测到所述游动防顶卡瓦压紧到位，和所述第四位置传感器检测到所述固定承重卡瓦压紧到位，以及在所述第五位置传感器检测到所述举升油缸到达极限低位时停止所述举升油缸缩回;t7.控制所述游动承重卡瓦的开闭油缸伸出，打开所述游动承重卡瓦；控制所述举升油缸缓慢伸出到达初始化位置时，控制所述游动防顶卡瓦的开闭油缸伸出，打开所述游动防顶卡瓦，完成一次管柱下管动作，重复步骤t1-t7过程，实现连续下管作业。10.根据权利要求9所述的带压作业管柱自动化控制方法，其特征在于，所述方法的初始化状态为：所述游动卡瓦组的卡瓦开闭油缸均处于伸出状态，所述固定卡瓦组的卡瓦开闭油缸均处于缩回状态，且所述举升油缸处于初始缩回状态。

技术总结
本发明公开了一种弹性卡瓦和包括其的带压作业管柱自动化控制装置及方法，涉及带压修井起下油管领域。该弹性卡瓦包括卡瓦座、卡瓦体、牙板、卡瓦移动板、连杆和开闭油缸，还包括卡瓦底板和卡瓦启闭传感器，卡瓦底板上部设有导向环槽，卡瓦座底部设有伸入导向环槽的导向盘，导向盘内侧壁与导向环槽内壁外侧之间设置弹簧，卡瓦座通过弹簧的弹力作用，相对于卡瓦底板实现稳定的上下调节，避免锁死。本发明通过导向机构在预留解锁空间的同时避免弹簧带来的晃动，保证卡瓦正常使用。还通过PLC程序接受各位置传感器的检测信号，自动判断各卡瓦工作状态，并自动控制各卡瓦交替作业，实现管柱起下管自动化控制，杜绝人为因素产生的安全隐患，安全性高。安全性高。安全性高。


技术研发人员：姬长志 刘芳 刘琦 盖丽伟 韩玉龙 王旭东 李阳 康为丽 于素芹
受保护的技术使用者：廊坊景隆重工机械有限公司
技术研发日：2023.08.14
技术公布日：2023/9/13