用于油气井井喷失控着火后的井口拆装机器人及使用方法与流程

1.本发明涉及油气井井喷失控救援技术领域，具体涉及用于油气井井喷失控着火后的井口拆装机器人及使用方法。


背景技术：

2.井喷失控着火是油气勘探开发领域风险最大的事故，是中国石油天然气集团公司八大安全风险之首。一旦发生井喷失控着火，将会在人员、环境、生态、资源等方面造成灾难性危害，给油气企业带来极其恶劣的社会影响和极其巨大的经济损失，必须迅速加以控制。
3.目前，井喷失控着火后，需拆除旧井口再安装新井口，现有的井口拆除装置通常采用远距离水力喷砂切割装置进行拆除，但采用该种设备及目前的拆除方式存在切割不精细的问题，这种拆除方式适用于切割升高短节、防喷器等大型装置，但不适用于切割螺栓这种精细操作。拆除旧井口螺栓时，抢险人员需手持切割装置近井口拆除螺栓，而井口周围可能“气、火同存”，横向火乱窜，抢险人员作业风险极高、作业时间长，稍不注意可能导致人员烧伤，抢险人员面临极大的心理压力和安全风险；另外，现有新井口安装是通过大型装置完成新旧法兰对中后，仍需要抢险人员近井口安装螺栓，此时井口周围往往还有余气或余火喷出，作业环境极其恶劣，人员安全风险极高。
4.国家知识产权局于2020年6月19日公开了一件申请号为“cn201822108314.x”，名称为“一种用于井喷救援工作的六自由度机械臂”的实用新型专利，公开了一种用于井喷救援工作的六自由度机械臂，其特征是：包括钳子，第一中间连接关节（2），第二中间连接关节（3），第三中间连接关节（4），第四中间连接关节（5），固定基座，第一单轴舵机（7），第二单轴舵机（11），第三单轴舵机（12），第一双轴舵机（8），第二双轴舵机（9），第三双轴舵机（10），所述的固定基座与机器车身主体用螺丝相连，所述的第一单轴舵机与固定基座用螺丝相连，位于固定基座里面，所述的第四中间连接关节与固定基座用螺丝相连，所述的第一双轴舵机、第二双轴舵机、第三双轴舵机与第三中间连接关节、第二中间连接关节、第一中间连接关节均用螺丝相连，所述的第二单轴舵机与第一中间连接关节用螺丝相连，所述的第三单轴舵机用螺丝与钳子相连，位于钳子上面从而控制钳子的开闭。前述方案中，提出了一种用于井喷救援工作的机械臂，解决现有的一些机械臂灵活性差不能应对现场相应的复杂工作需要的问题，与传统的机械臂相比，它质量更轻，造价更低，灵活性大大提高。
5.而上述机械臂用在井喷失控着火的环境中仍存在很多问题，比如夹持超高压水力喷砂切割装置不稳定等问题。可见井喷失控的救援工作一直是油气勘探的重要研究课题。
6.因此，亟需设计了一种适用于油气井井喷失控着火后的井口拆装机器人，能够精细完成螺栓切割、新井口法兰紧固和安装等操作，实现切割旧井口装置螺栓、紧固新井口装置法兰等作业，满足极端抢险环境下的拆除旧井口装置、安装新井口装置的需要，可替代人员进行近井口操作，最大程度的保证作业人员安全。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于提供一种用于油气井井喷失控着火后的井口拆装机器人及使用方法，解决了现有技术中油气井井喷失控着火后，安全拆除旧井口再安装新井口的问题，满足极端抢险环境下的清障需要，以替代人员进行近井口操作，最大程度的保证作业人员安全。
8.本发明通过下述技术方案实现：一种用于油气井井喷失控着火后的井口拆装机器人，包括行走装置、履带底盘、主控制箱、机械臂控制箱、机械臂组件、远程遥控终端、护罩和蓄电池，所述主控制箱和机械臂控制箱安装在履带底盘上，护罩与履带底盘固定，所述机械臂组件远端连接有夹持装置，夹持装置另一端连接工具头，机械臂组件安装于履带底盘上方，所述机械臂组件用于调节夹持装置的高度和倾斜角度，行走装置带动履带底盘上的结构移动，所述机械臂控制箱与机械臂组件控制连接，主控制箱与行走装置、机械臂控制箱、远程遥控终端和蓄电池控制连接。
9.进一步地，所述护罩的上方还安装有红外云台摄像机、可见光摄像机、气体检测仪和温度感应器，所述护罩和机械臂组件上还设置有喷淋装置，所述主控制箱分别与红外云台摄像机、可见光摄像机、气体检测仪、温度感应器和喷淋装置控制连接。
10.进一步地，所述履带底盘上还安装有逆变器，逆变器与主控制箱和机械臂控制箱连接，用于为机械臂组件提供交流电。
11.进一步地，所述工具头为c型紧固机构、破碎锤、液压锯、夹钳中的一种，所述c型紧固机构为机械锁紧结构。
12.进一步地，所述行走装置包括履带、驱动轮、承重轮、拖链轮、引导轮、张紧机构、履带架和电机。
13.进一步地，所述行走装置中包括两条履带、两个电机和两个驱动轮，通过差动驱动方式实现机器人的行走和转弯动作。
14.进一步地，所述履带底盘离地间隙为300-500mm，所述履带的链板材质选用40mn以上高强度锰钢，所述履带底盘选用q345以上材质焊接，焊接后并进行时效处理。
15.进一步地，所述承重轮选用40mn2以上高强度锰钢材质制成；所述驱动轮、引导轮选用zgsimn合金钢材质制成，托链轮选用50mn以上高强度锰钢材质制成，轴类零件选用45号钢或40cr合金钢以上材质并调制、发黑处理后制成。
16.进一步地，机器人上还安装有避障雷达。
17.一种井口拆装机器人的使用方法，使用如前述的用于油气井井喷失控着火后的井口拆装机器人，具体操作步骤为：a.安装好井口拆装机器人，按实际需求选用装配合适的工具头；b.通过远程遥控终端操作井口拆装机器人行走，所述红外云台摄像机、可见光摄像机、气体检测仪检测/采集环境中的热辐射源、可见光信息、有毒有害气体，并通过主控制柜中的主控制器反馈给远程遥控终端；c. 当井口拆装机器人的温度感应器检测到本体温度超过预设值时，主控制器控制喷淋装置工作，对井口拆装机器人本体进行降温。
18.本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：
一、本方明中，采用本井口拆装机器人及其使用方法，当井喷失控着火发生后，拆装机器人能在水炮、雪炮的掩护下完成旧井口拆除与新井口安装作业，相比目前已有的常规装置，设计的拆装机器人能实现远程遥控，操作手臂长，能夹持超高压的水力喷砂切割装置快速、精细切割井口法兰上损坏的螺栓，替代人员进行近井口操作，最大程度的保证作业人员安全。
19.二、本方明中，所述护罩的上方还安装有红外云台摄像机、可见光摄像机、气体检测仪和温度感应器，红外云台摄像机、可见光摄像机、气体检测仪用于检测/采集拆装机器人所在环境信息，并将采集的图像等信息通过主控制箱中的住控制器反馈给远程遥控终端，给操作者提供可靠信息，辅助远程操控拆装机器人。拆装机器人上还设置有喷淋装置和温度感应器，温度感应器将采集的拆装机器人本体或作业环境的温度等信息反馈给主控制器，主控制器控制启动喷淋装置，对拆装机器人本体进行喷淋降温或局部作业环境进行喷淋降温，保证拆装机器人正常作业。
20.三、本方明中，所述履带底盘上还安装有逆变器，逆变器与主控制箱和机械臂控制箱连接，用于为机械臂组件提供交流电，保证机械臂组件的稳定运行。
21.四、本方明中，工具头为c型紧固机构、破碎锤、液压锯、夹钳中的一种，满足该环境中不同工况下的拆装需要，所述c型紧固机构优选为机械锁紧结构，不需要增加电控或气控机构，因为在该井喷失控着火后的高温和水流环境下使用气控或电控装置的故障率高，容易影响正常作业，且作业工具在作业过程中有冲击，长时间作业后，如果不进行机械锁紧，容易导致作业工具位置的变化，给遥控作业精度控制造成影响。
22.五、本方明中，行走装置中包括两条履带、两个电机和两个驱动轮，两个电机有独立的控制通道，电机连接驱动轮控制两条履带滚动，电机的正反转控制履带车的前进后退，履带车的转向通过两侧履带的速度差转向，例如一边的履带转的快，另一边的履带转的慢（或者反向转动），形成履带差从而实现履带车的转向，保证整个井口拆装机器人在该恶劣道路环境下的稳定行走，同时确保拆装机器人能平稳采集关键信息。
23.六、本方明中，机器人上还安装有避障雷达，防止机器人因碰撞而损坏。
附图说明
24.图1是本发明的系统连接图。
25.图2是本发明另一种实施方式的系统连接图。
26.图3是本发明中的一种井口拆装机器人的结构图。
27.图4是图3的井口拆装机器人的另一视角的结构图。
28.图5是夹持装置的结构示意图。
29.图6是夹持装置使用状态的结构示意图图7是履带底盘所在部分的结构图。
30.图8是行走装置的结构图。
31.其中，1、行走装置；2、履带底盘；3、主控制箱；4、机械臂控制箱；5、机械臂组件；6、远程遥控终端；7、护罩；8、蓄电池；9、夹持装置；10、工具头；11、红外云台摄像机；12、可见光摄像机；13、气体检测仪；14、温度感应器；15、喷淋装置；16、逆变器；17、c型紧固机构；18、履带；19、驱动轮；20、承重轮；21、拖链轮；22、引导轮；23、张紧机构；24、履带架；25、电机；26、
避障雷达；27、连接法兰；28、夹持装置本体；29、调整孔；30、可调牙块；31、锁紧螺栓；32、底座；33、旋转台；34、连接臂；35、中央手腕；36、小臂；37、平衡缸；38、电气组件；39、水力喷砂切割枪。
具体实施方式
32.下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
33.实施例1本实施例为最基本的实施方式，一种用于油气井井喷失控着火后的井口拆装机器人，涉及油气井井喷失控救援技术领域，参考图1、3，包括行走装置1、履带底盘2、主控制箱3、机械臂控制箱4、机械臂组件5、远程遥控终端6、护罩7和蓄电池8，所述主控制箱3和机械臂控制箱4安装在履带底盘2上，护罩7与履带底盘2固定，所述机械臂组件5远端连接有夹持装置9，夹持装置9另一端连接工具头10，机械臂组件5安装于履带底盘2上方，所述机械臂组件5用于调节夹持装置9的高度和倾斜角度，行走装置1带动履带底盘2上方的结构移动，所述机械臂控制箱4与机械臂组件5控制连接，主控制箱3与行走装置1、机械臂控制箱4、远程遥控终端6和蓄电池8控制连接。
34.本实施例中，井口拆装机器人的使用方法，具体操作步骤为：a.安装好井口拆装机器人，按实际需求选用装配合适的工具头10；b.通过远程遥控终端6操作井口拆装机器人行走，井口拆装机器人到达预定目的地后进行拆装工作；c. 最后通过远程遥控终端6控制井口拆装机器人返回。
35.实施例2本实施例是在实施例1上的进一步优化，所述护罩7的上方还安装有红外云台摄像机11、可见光摄像机12、气体检测仪13和温度感应器14，参考图3、4，所述护罩7和机械臂组件5上还设置有喷淋装置15，所述主控制箱3分别与红外云台摄像机11、可见光摄像机12、气体检测仪13、温度感应器14和喷淋装置15控制连接。
36.优选的，所述履带底盘2上还安装有逆变器16，逆变器16与主控制箱3和机械臂控制箱4连接，用于为机械臂组件5提供交流电。
37.实施例3本实施例与实施例1-2相比，区别在于，所述工具头10为c型紧固机构17、破碎锤、液压锯、夹钳中的一种。
38.更进一步地，参考图5，所述c型紧固机构17优选为机械锁紧结构。
39.实施例4本实施例与实施例1-3相比，区别在于，所述行走装置1包括履带18、驱动轮19、承重轮20、拖链轮21、引导轮22、张紧机构23、履带架24和电机25，安装方式参考7、8。
40.更进一步地，所述行走装置1中包括两条履带18、两个电机25和两个驱动轮19，通过差动驱动方式实现拆装机器人的行走和转弯动作。
41.实施例5本实施例与实施例1-4相比，区别在于，所述履带底盘2离地间隙控制为300-500mm，所述履带18的链板材质选用40mn以上高强度锰钢，所述履带底盘2选用q345以上材
质焊接，焊接后并进行时效处理。
42.更进一步地，所述承重轮20选用40mn2以上高强度锰钢材质制成；所述驱动轮19、引导轮22选用zgsimn合金钢材质制成，托链轮选用50mn以上高强度锰钢材质制成，轴类零件选用45号钢或40cr合金钢以上材质并调制、发黑处理后制成。
43.实施例6本实施例与实施例1-5相比，区别在于，机器人上还安装有避障雷达26，参考图3。
44.实施例7本实施例以本公司某一型号的井口拆装机器人为例，便于说明本发明中的技术方案。当油气井井喷失控着火发生后，该井口拆装机器人能在水炮、雪炮的掩护下完成旧井口拆除以及新井口的安装作业，相比现有的常规装置，本井口拆装机器人能实现远程遥控，操作手臂长，能夹持超高压水力喷砂切割装置快速精细切割损坏井口法兰上的螺栓，井口拆装机器人行走稳定、作业过程运行稳定。另外，井口拆装机器人前端工具头10可选装c型紧固装置、破碎锤、液压锯、夹钳等工具，以满足井口拆装机器人不同工况下的拆装工作需求。
45.具体的，所述用于油气井井喷失控着火后的井口拆装机器人，涉及油气井井喷失控救援技术领域，参考图2-4，包括行走装置1、履带底盘2、主控制箱3、机械臂控制箱4、机械臂组件5、远程遥控终端6、护罩7、逆变器16、红外云台摄像机11、可见光摄像机12、气体检测仪13、温度感应器14和蓄电池8，所述蓄电池8设置于履带底盘2的底部，所述主控制箱3、机械臂控制箱4和逆变器16设置在履带底盘2上方，护罩7再与履带底盘2固定并设置于履带底盘2外侧，用于隔离前述主控制箱3、机械臂控制箱4和逆变器16等装置/机构，保证各装置/机构正常运行。
46.其中，所述机械臂组件5安装于履带底盘2前端，方便机械臂前探作业，机械臂并且能够折叠收起，便于运输。
47.进一步地，所述主控制箱3分别与行走装置1、机械臂控制箱4、远程遥控终端6、逆变器16、红外云台摄像机11、可见光摄像机12、气体检测仪13、温度感应器14和蓄电池8控制连接，所述蓄电池8通过主控制箱3给所有用电器供电，另外，通过逆变器16将直流电转换成供机械臂组件5需要的交流电。本实施例中，机械臂组件5满负荷运行时的峰值功率为13.5kva，输入电压380v，驱动电机25功率为6kw，由于井口拆装机器人移动和机械臂组件5不同时作业，且拆装机器人不频繁移动，因此电池容量首先满足耗能大的机械臂组件5在满负荷条件下持续运行3h运行即视为能满足容量要求，并且机械臂组件5在作业时动作缓慢，且机械臂组件5中的电机25不会全部同时动作，因此机械臂组件5的满负荷运行情况很少，蓄电池8能持续运行时间远大于3h。
48.进一步地，如图7中，本实施例中采用多个蓄电池8组成蓄电池组，将蓄电池组作为动力源，同时供井口拆装机器人移动和机械臂组件5工作用，蓄电池8优选用磷酸铁锂电池，它具有体积较小、能量密度较高、安全性能好、循环寿命长、充电速度快、耐高温等特点。
49.进一步地，所述机械臂组件5远端连接有夹持装置9，夹持装置9另一端连接工具头10，所述工具头10为c型紧固机构17、破碎锤、液压锯、夹钳中的一种，所述c型紧固机构17优选c型机械锁紧结构，参考图5，不需要增加电控或气控机构，因为在该井喷失控着火环境中-高温和水流环境下使用气控或电控装置的故障率高，容易影响正常作业，且作业工具在作业过程中有冲击，长时间作业如果不进行机械锁紧，容易导致作业工具位置的变化，给遥
控作业精度控制造成影响。
50.所述夹持装置9包括连接法兰27、夹持装置本体28、调整孔29、可调牙块30、锁紧螺栓31以及工具头10，安装方式参考图5，所述夹持装置9为c型紧固机构17的工具头10，再参见图示6，展示的是c型紧固机构17夹持有水力喷砂切割枪39的图示。
51.进一步地，与所述机械臂控制箱4控制的机械臂组件5，主要用于调节夹持装置9的高度和倾斜角度，以本实施例的机械臂组件5为例，机械臂组件5的升降高度范围850mm～2010mm。所述机械臂组件5包括底座32、旋转台33、连接臂34、中央手腕35、小臂36、平衡缸37、电气组件38等部件，各个零部件的安装方式参考图示3、4，所述平衡缸37用于保持机械臂组件5在操作过程中压力传递均匀和平衡，保证连接臂34、小臂36等组件平稳操作，而不是大幅度无规律的运动，所述夹持装置9与机械臂组件5的中央手腕35通过法兰连接固定。
52.进一步的，所述机械臂控制箱4中设有控制系统pc、低压电源件、带驱动调节器的驱动电源库卡、驱动调节器库卡、手持编程器、控制器、控制系统面板、安全接口板、保险元件、风扇、接线面板等部件。
53.进一步的，所述行走装置1用于带动履带底盘2上的结构移动，参见图7、8，所述行走装置1包括履带18、驱动轮19、承重轮20、拖链轮21、引导轮22、张紧机构23、履带架24和电机25，本实施例中，行走装置1中包括两条履带18、两个电机25和两个驱动轮19，通过履带底盘2连接成一个整体，通过差动驱动方式实现机器人的行走和转弯动作。参考图7、8，行走装置1由电机25连接驱动轮19联合控制两条履带18滚动，电机25的正反转控制履带18车的前进后退，两个电机25有独立的控制通道，履带18车的转向通过两侧履带18速度差实现转向即一边的履带18转的快，另一边的履带18转的慢（或者反向转动），实现履带18车转向。
54.本实施例中，所述底盘负载能力大于1500kg。为提高移动井口拆装机器人的通过性，底盘高度为300mm，底盘外部用钢板包覆且满焊焊接，焊接完后进行密封试验，使其满足涉水深度大于300mm时，常压浸水1h不漏水要求，底盘侧面与外部接口部位使用旋转密封及平面密封垫密封，达到防护等级ip66的要求。
55.本实施例中，所述履带18链板材质优选40mn以上高强度锰钢，承重轮20材质优选40mn2以上高强度锰钢，驱动轮19、引导轮22材质选用zgsimn合金钢，托链轮材质优选50mn以上高强度锰钢，轴类零件优选45号钢或40cr合金钢以上材质并调制、发黑处理，其余架体优选q345以上材质焊接并进行时效处理，去焊接应力。
56.本实施例中，所述护罩7和机械臂组件5上还设置有喷淋装置15，参见图3，当井口拆装机器人上的温度感应器14检测到井口拆装机器人本体温度过高时，启动喷淋装置15，对井口拆装机器人进行降温或对工作环境进行局部降温。
57.本实施例中，井口拆装机器人上还安装有避障雷达26，能进行自主避障，防止机器人因碰撞而损坏。
58.本实施例中的井口拆装机器人的使用方法，具体操作步骤为：a.安装好井口拆装机器人，按实际需求选用装配合适的工具头10；b.通过远程遥控终端6操作井口拆装机器人行走，所述红外云台摄像机11、可见光摄像机12、气体检测仪13检测/采集环境中的热辐射源、可见光信息、有毒有害气体，并通过主控制柜中的主控制器反馈给远程遥控终端6；c. 当井口拆装机器人的温度感应器14检测到本体温度超过预设值时，主控制器
控制喷淋装置15工作，对井口拆装机器人本体进行降温。
59.以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。