专利名称：顶驱下套管装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及石油固井技术领域，特别涉及一种配合顶部驱动钻 井装置进行下套管作业的下套管作业装置。
背景技术：
根据钻井井身结构设计要求，每次阶段完钻后都需要下套管，并进
行固井作业。下套管是将每根长度约10米的套管， 一根一根地连接在 一起组成套管柱，同时把套管柱下入井内；固井作业是在套管柱与井 壁之间注入水泥浆，水泥浆凝固后把套管柱固定在井壁上。据统计， 一口井需要占用高达12 20%的总钻机时间，把套管柱连接起来并下 入井内。
大多数钻井队在完成这项特殊的下套管作业时，需要请一个专业 "套管工作队"来完成。
常规下套管设备主要包括钻台上用于固定下端套管柱的钻台气动 卡瓦、用于旋紧(松)套管扣的液压套管钳、用于断续灌注泥浆的开 放式灌泥浆装置、用于提升整个套管柱的上部气动卡瓦、用于提升套 管单根的简易吊卡以及用于保护套管扣的对扣护套等其它辅助工具。
多年来下套管的流程几乎没有变化。连接每一根套管的流程是使 用简易吊卡提升套管单根；安装对扣护套对扣；在连接时使用液压套 管钳旋转顶部套管单根；启动上部气动卡瓦，松开下部钻台气动卡瓦， 使上部气动卡瓦支撑套管柱的全部重量，下放套管柱；按要求及时向 套管柱内灌注泥浆，完成一根套管下入井内。重复以上流程，直至把 全部套管连接并下放到井底。然而，在钻井过程中，完钻后的井眼(尤其是裸眼)经常出现縮径、 坍塌、岩屑沉淀等许多问题，会影响下套管作业进程。这些问题如果 不能及时通过循环泥浆、旋转套管等措施有效解决，就可能导致套管 无法正常下到井底。
目前，现有的常规下套管的方法能够有效地将套管单根连接在一起 形成套管柱并下入井内，但明显存在如下改进空间(l)套管旋扣操作 复杂、扭矩不易精确控制；(2)悬挂在井眼中的套管柱不能旋转；(3)不
能根据需要随时循环泥浆；(4)下套管作业效率不高，存在极大的安全隐患。
基于常规下套管作业的以上局限性，各国石油钻井公司积极开发更 安全、高效的下套管装备，个别公司的产品已经得到成功应用。国内 钻采科研机构也一直关注相关技术进展，并进行了积极探索。大港油 田钻采院成功研制出两种循环下套管装置， 一种是顶驱自动灌浆解卡 装置，另一种是转盘钻自动灌浆解卡装置，均可以在下套管过程中， 随时在井口灌钻井液，无须停止下套管作业，在下套管过程中出现遇 阻现象还可以立刻建立循环，利用破岩磨铣引鞋清除砂床。中国石油 钻井技术工程研究院机械所研制出了简易套管钻井技术，包括下套管
的机械式套管夹持头，夹持头分外卡和内卡两种，分别适用于5-1/2" 套管和7"以上套管，连接在方钻杆下方，通过夹紧装置夹住套管并驱
动套管。由于下端设计有皮碗密封装置，可实现钻井液的正常循环。
顶驱装置是20世纪80年代以来发展起来的新型重大石油钻井技 术装备，它取代转盘和方钻杆而直接驱动钻柱钻进，具有转矩和速度 控制精确等优点，无论在钻进过程中，还是在起下钻过程中，都可以 边旋转钻柱，边循环泥浆，大大减少了遇阻、卡死等复杂情况的出现。
通过对国内外相关技术的调研，根据国内油田需要，北京石油机械 厂研究开发出了一种配合顶驱进行下套管作业的装置。该装置代替目前国内外钻井广泛使用的套管钳等下套管设备，可充分发挥顶驱的优 越性，不仅实现了套管柱的自动化连接，而且可以提供旋转套管以及 循环泥浆的能力，大大减少卡钻、遇阻等潜在的安全危害，极大地提 高了下套管作业的成功率。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种顶驱下套管装置，实现可靠地对扣、 套管旋扣和扭矩的精确控制，能随时旋转整个套管柱、随时灌注或循 环泥浆，提高下套管施工的安全性和下套管的工作效率。
本实用新型采用的技术方案是顶驱下套管装置是一种基于顶部驱 动钻井系统，用于下套管作业的集机械、液压于一体的钻井设备。根 据套管尺寸的不同分为内部驱动和外部驱动两种结构。当套管直径小 于177.8ram时采用外部驱动装置，当套管直径大于或等于177. 8mm时 采用内部驱动装置。无论是内部驱动或外部驱动，顶驱下套管装置能 分为连接机构、驱动机构、传递机构、限位机构、卡紧机构、密封机 构等六部分。
顶驱下套管装置主要由心轴、上端盖、活塞缸、活塞、下端盖、推 拉卡筒、限位卡环、卡瓦、卡瓦心轴、皮碗和导向头组成。心轴为圆 柱状，心轴有中心孔，在心轴的下端螺纹连接有卡瓦心轴，卡瓦心轴 为圆柱状，卡瓦心轴有中心孔，在卡瓦心轴的下端螺纹连接有导向头。 导向头的外壁上套有皮碗。
在心轴的下端外壁上套有活塞，活塞的上下两端有筒状体，筒状体 内壁与心轴之间能相对滑动。在活塞的外部有活塞缸，活塞缸内壁为 阶梯圆形结构，活塞上端的筒状体外壁与活塞缸内壁阶梯小圆柱面滑 动密封配合。在活塞缸下端固定有下端盖，下端盖有中心孔，下端盖 中心孔与活塞下端的圆筒体外壁之间滑动密封配合。在活塞缸壁上有高压流体的进口和出口。高压流体进入或排出，能推动活塞上下往复 运动。
在活塞缸的顶端固定有上端盖，心轴穿过上端盖的中心孔。在活塞 缸的上端内部并且与心轴之间有轴承，活塞缸与心轴之间能相对转动。
活塞下端圆筒体的下端在下端盖外部。活塞下端圆筒体与卡瓦心轴 外壁上的卡瓦顶部连接。当活塞上下运动时，能带动卡瓦沿卡瓦心轴 外壁上下滑动。
在卡瓦心轴的外壁上均匀分布有3 6个轴向槽，在每个轴向槽内 嵌入有一个条形卡瓦，卡瓦下端外圆有卡瓦牙。卡瓦下端内侧有斜面。 卡瓦心轴轴向槽的底有斜面。卡瓦下端内侧的斜面与卡瓦心轴轴向槽 底的斜面配合。当高压流体驱动活塞并推动卡瓦向下滑动时，卡瓦下 端向外张开，卡瓦牙能卡紧套管内壁，传递提升套管载荷或扭转套管 载荷。卡瓦与斜面的结构，是本领域技术人员常用的结构，不详细叙 述。
导向头下端有较长的导向斜面，能保证皮碗轻易地进入套管内。导 向头的外圆上套有皮碗，皮碗进入套管后产生变形，与套管内壁形成 相对的接触压力，具有"自封作用"，下套管过程中，可随时灌注泥 浆。另外，皮碗的截面是单向承压的V形截面，可保证正常循环泥浆 以及固井试压，密封压力最大可达70MPa。导向头和皮碗是本领域技术 人员常用的结构，不详细叙述。
所述的活塞下端的圆筒体与卡瓦顶部连接，连接结构是在活塞下端 圆筒体的外壁上有环形槽。在所述的环形槽上固定有推拉卡筒，推拉 卡筒横截面为半圆环形，两个推拉卡筒相对组成一个圆环形筒。推拉 卡筒的上端向内凸出的环形部分扣入环形槽内。在两个推拉卡筒组成 的圆环形筒外壁上套有筒状体，并用螺钉将筒状体固定在推拉卡筒的 外壁上。在两个推拉卡筒内壁与卡瓦心轴之间有环形空间。在所述的环形空间内有卡瓦套环。卡瓦套环横截面为半圆环形，两个卡瓦套环 相对组成一个圆环形筒。推拉卡筒的内壁上有凸起的矩形环状体，在 卡瓦套环的内壁上有凹下的矩形环状槽。推拉卡筒的矩形环状体与卡 瓦套环的矩形环状槽配合将卡瓦套环与推拉卡筒固定在一起。在卡瓦 套环的下端部有向内凸出的环。卡瓦的顶部有向外突出的钩状块，卡 瓦顶部向外突出的钩状块在卡瓦套环凸出环的上部，在卡瓦顶部向外
突出的钩状块上平面和下平面有单向推力球轴承。卡瓦心轴与推拉卡 筒之间能相对转动。
在下套管过程中，操作人员的操作不可能非常精确，套管的顶部可 能会碰到卡瓦套环。为了防止套管顶部碰到卡瓦套环，在卡瓦心轴上 固定有限位装置。在卡瓦心轴上固定有限位卡环，限位卡环为半环状 体，两个限位卡环相对组成一个环状体，在环状体内壁有突出的矩形 块。矩形块插入卡瓦心轴上的凹槽内。所述的卡瓦心轴凹槽在卡瓦心 轴中部，与卡瓦心轴的第一个斜面距离大于最长的套管接箍。在限位 卡环的外壁上套有限位内套，防止限位卡环散开。在限位内套的外壁 上套有一个限位外套。限位外套通过螺钉与限位内套连接，在下套管 作业时，三者作为一个整体，能阻止套管继续上行，使卡瓦插到套管 内壁的准确位置。
本实用新型顶驱下套管装置的操作过程是基于顶部驱动钻井系 统，用于下套管作业的集机械、液压于一体的钻井设备。根据套管尺 寸的不同分为内部驱动和外部驱动两种结构。当套管直径小于177. 8mm 时采用外部驱动装置，当套管直径大于或等于177. 8mm时采用内部驱 动装置。无论是内部驱动或外部驱动。使用顶驱吊环上的套管吊卡提 升套管单根；利用卡瓦心轴下端的皮碗扶正套管单根并对扣；通过顶 驱液压源驱动下套管装置的卡瓦下行张开或收紧，夹紧套管内壁或外 壁，利用顶部驱动钻井装置上扣功能，精确控制套管的上扣扭矩，使套管单根与套管柱可靠连接；松开钻台上的气动卡瓦，使顶驱吊环和
套管吊卡支撑套管柱的全部重量，下放套管柱；通过顶部驱动钻井装 置主轴水眼随时向套管柱内灌注泥浆或循环泥浆。重复以上流程，直 至把全部套管柱下放到井眼。在钻井过程中，若井眼出现縮径、坍塌、 岩屑沉淀等问题，可以及时通过循环泥浆、旋转套管等措施有效解决， 保证套管柱能顺利正常下到井底。
本实用新型的有益效果在顶驱下套管装置顶部通过螺纹与顶部驱 动钻井装置主轴连接，通过顶驱液压源驱动本装置的卡瓦下行张开， 使卡瓦外圆上的钳牙夹紧套管内壁。能把上扣扭矩精确传递给套管， 进而旋紧单根套管上扣或旋转并眼中的整个套管柱。实现套管柱的可 靠连接；能通过顶驱下套管装置心轴水眼，把泥浆注入套管柱，由于 皮碗密封可耐压70MPa，因此，可根据需要随时循环泥浆。
不再需要上部气动卡瓦、对扣护套、套管钳、灌泥浆设备等，节约 了大量作业时间和成本，尤其是扭矩精确控制，保证了套管的安全可 靠连接，而且可随时提供旋转套管及循环泥浆的能力，大大减少了卡 钻、遇阻等潜在的安全危害，作业效率和效益都很高，操作简单。简 化了作业流程，根据需要及时旋转套管柱和循环泥浆，增强了下套管 作业的自动化程度，提高了生产效率和安全性。在下套管过程中，遇 到井眼縮径、井壁坍塌、岩屑沉淀问题时，通过顶驱下套管装置，不 仅可以精确保证上扣扭矩，实现套管的可靠连接，而且可以及时向套 管内腔灌注并循环泥浆，及时旋转整个套管柱，能解决井眼縮径、井 壁坍塌、岩屑沉淀带来的问题，保证套管柱能顺利正常下到井底。
图1是本实用新型顶驱下套管装置的结构剖面示意图。
图中，1 —心轴，2 —上端盖，3 —活塞缸，4一活塞，5 —下端盖，6一推拉卡筒，7 —卡瓦套环，8—限位卡环，9一限位内套，IO—限位外 套，ll一卡瓦，12 —卡瓦心轴，13 —皮碗，14一导向头。
具体实施方式
实施例1:以XTG244顶驱下套管装置为例对本实用新型作进一步 详细说明。
参阅图l。 XTG244顶驱下套管装置，主要由连接机构、驱动机构、 传递机构、限位机构、卡紧机构、密封机构等六部分组成。顶驱下套 管装置主要由心轴l、上端盖2、活塞缸3、活塞4、下端盖5、推拉卡 筒6、限位卡环8、卡瓦ll、卡瓦心轴12、皮碗13和导向头14组成。
心轴1为圆柱状，心轴1有中心孔，在心轴1的下端螺纹连接有卡瓦 心轴12，卡瓦心轴12为圆柱状，卡瓦心轴12有中心孔，在卡瓦心轴 12的下端螺纹连接有导向头14并采用螺钉固定。导向头14的外壁上 套有一个密封皮碗13。
心轴1的下端外壁直径为220毫米。在心轴1的下端外壁上套有一 个活塞4，活塞4的上下两端分别有筒状体，筒状体内壁与心轴l之间 能相对滑动。在活塞4的外部有活塞缸3，活塞缸3内壁为阶梯圆形结 构，上部内径是265毫米，下部内径345毫米。活塞4上端的筒状体 外壁与活塞缸3内壁阶梯小圆柱面滑动密封配合。在活塞缸3下端固 定有下端盖5，下端盖5有中心孔，下端盖5中心孔与活塞4下端的圆 筒体外壁之间滑动密封配合。在活塞缸3壁上有高压流体的进口和出 口。进口和出口与高压泵和控制阀连接，高压流体进入或排出，能推 动活塞4上下往复运动。活塞4上下的行程为50毫米。
在活塞缸3的顶端固定有上端盖2，心轴1穿过上端盖2的中心孔。 在活塞缸3的上端内部并且与心轴1之间有两个轴承，轴承的上端面 由螺母固定压紧。活塞缸3与心轴1之间能相对转动。活塞4下端圆筒体的一部分在下端盖5外部。活塞4下端圆筒体与
卡瓦心轴12外壁上的卡瓦11顶部连接。连接结构可以有很多种，本 实用新型的连接结构是活塞4下端的圆筒体与卡瓦11顶部连接，连接 结构是在活塞4下端圆筒体的外壁上有环形槽。在环形槽上固定有推 拉卡筒6，推拉卡筒6横截面为半圆环形，两个推拉卡筒6相对组成一 个圆环形筒。推拉卡筒6的上端向内凸出的环形部分扣入环形槽内。 在两个推拉卡筒6组成的圆环形筒外壁上套有筒状体，并用螺钉将筒 状体固定在推拉卡筒6的外壁上。在两个推拉卡筒6内壁与卡瓦心轴 12之间有环形空间。在所述的环形空间内有卡瓦套环7。卡瓦套环7 横截面为半圆环形，两个卡瓦套环7相对组成一个圆环形筒。推拉卡 筒6的内壁上有凸起的矩形环状体，在卡瓦套环7的内壁上有凹下的 矩形环状槽。推拉卡筒6的矩形环状体与卡瓦套环7的矩形环状槽配 合将卡瓦套环7与推拉卡筒6固定在一起。在卡瓦套环7的下端部有 向内凸出的环。卡瓦11的顶部有向外突出的钩状块，卡瓦11顶部向 外突出的钩状块在卡瓦套环7凸出环的上部，在卡瓦11顶部向外突出 的钩状块上平面和下平面分别有一个单向推力球轴承。卡瓦心轴12与 推拉卡筒6之间能相对转动。当活塞4上下运动时，能带动卡瓦ll沿 卡瓦心轴12外壁上下滑动。
在卡瓦心轴12的外壁上均匀分布有4个轴向槽，在每个轴向槽内 嵌入有一个条形卡瓦ll，卡瓦11下端外圆有卡瓦牙。卡瓦ll下端内 侧有斜面。卡瓦心轴12轴向槽的底有斜面。卡瓦11下端内侧的斜面 与卡瓦心轴12轴向槽底的斜面配合。当高压流体驱动活塞4并推动卡 瓦11向下滑动时，卡瓦11下端向外张开，卡瓦牙能卡紧套管内壁， 传递提升套管载荷或扭转套管载荷。
导向头14下端有较长的导向斜面，能保证皮碗13轻易地进入套管 内。导向头14的外圆上套有皮碗13，皮碗13进入套管后产生变形，与套管内壁形成相对的接触压力，具有"自封作用"，下套管过程中， 可随时灌注泥浆。另外，皮碗13的截面是单向承压的V形截面，可保
证正常循环泥浆以及固井试压，密封压力最大可达70MPa。
在卡瓦心轴12上固定有限位装置。在卡瓦心轴12上固定有限位卡 环8，限位卡环8为半环状体，两个限位卡环8相对组成一个环状体， 在环状体内壁有突出的矩形块。矩形块插入卡瓦心轴12上的凹槽内。 所述的卡瓦心轴12凹槽在卡瓦心轴12中部，与卡瓦心轴12的第一个 斜面距离大于最长的套管接箍。在限位卡环8的外壁上套有限位内套9， 防止限位卡环8散开。在限位内套9的外壁上套有一个限位外套10。 限位外套10通过螺钉与限位内套9连接。
权利要求1、一种顶驱下套管装置，主要由心轴(1)、上端盖(2)、活塞缸(3)、活塞(4)、下端盖(5)、推拉卡筒(6)、限位卡环(8)、卡瓦(11)、卡瓦心轴(12)、皮碗(13)和导向头(14)组成，心轴(1)为圆柱状，心轴(1)有中心孔，在心轴(1)的下端螺纹连接有卡瓦心轴(12)，卡瓦心轴(12)为圆柱状，卡瓦心轴(12)有中心孔，在卡瓦心轴(12)的下端螺纹连接有导向头(14)，导向头(14)的外壁上套有皮碗(13)，其特征在于在心轴(1)的下端外壁上套有活塞(4)，活塞(4)的上下两端有筒状体，筒状体内壁与心轴(1)之间能相对滑动，在活塞(4)的外部有活塞缸(3)，活塞缸(3)内壁为阶梯圆形结构，活塞(4)上端的筒状体外壁与活塞缸(3)内壁阶梯小圆柱面滑动密封配合，在活塞缸(3)下端固定有下端盖(5)，下端盖(5)有中心孔，下端盖(5)中心孔与活塞(4)下端的圆筒体外壁之间滑动密封配合，在活塞缸(3)壁上有高压流体的进口和出口；在活塞缸(3)的顶端固定有上端盖(2)，心轴(1)穿过上端盖(2)的中心孔，在活塞缸(3)的上端内部并且与心轴(1)之间有轴承，活塞缸(3)与心轴(1)之间能相对转动；活塞(4)下端圆筒体的下端在下端盖(5)外部，活塞(4)下端圆筒体与卡瓦心轴(12)外壁上的卡瓦(11)顶部连接；在卡瓦心轴(12)的外壁上均匀分布有3～6个轴向槽，在每个轴向槽内嵌入有一个条形卡瓦(11)，卡瓦(11)下端外圆有卡瓦牙，卡瓦(11)下端内侧有斜面，卡瓦心轴(12)轴向槽的底有斜面，卡瓦(11)下端内侧的斜面与卡瓦心轴(12)轴向槽底的斜面配合。
2、 根据权利要求1所述的顶驱下套管装置，其特征是所述的活 塞(4)下端的圆筒体与卡瓦(ll)顶部连接，连接结构是在活塞(4)下端圆筒体的外壁上有环形槽，在所述的环形槽上固定有推拉卡筒(6)， 推拉卡筒(6)横截面为半圆环形，两个推拉卡筒(6)相对组成一个圆环 形筒，推拉卡筒(6)的上端向内凸出的环形部分扣入环形槽内，在两个 推拉卡筒(6)组成的圆环形筒外壁上套有筒状体，并用螺钉将筒状体固 定在推拉卡筒(6)的外壁上，在两个推拉卡筒(6)内壁与卡瓦心轴(12) 之间有环形空间，在所述的环形空间内有卡瓦套环(7)，卡瓦套环(7) 横截面为半圆环形，两个卡瓦套环(7)相对组成一个圆环形筒，推拉卡 筒(6)的内壁上有凸起的矩形环状体，在卡瓦套环(7)的内壁上有凹下 的矩形环状槽，推拉卡筒(6)的矩形环状体与卡瓦套环(7)的矩形环状 槽配合将卡瓦套环(7)与推拉卡筒(6)固定在一起，在卡瓦套环(7)的下端部有向内凸出的环，卡瓦(ll)的顶部有向外突出的钩状块，卡瓦(ll) 顶部向外突出的钩状块在卡瓦套环(7)凸出环的上部，在卡瓦(ll)顶部 向外突出的钩状块上平面和下平面有单向推力球轴承，卡瓦心轴(12) 与推拉卡筒(6)之间能相对转动。
3、 根据权利要求1或2所述的顶驱下套管装置，其特征是在卡 瓦心轴(12)上固定有限位装置。
4、 根据权利要求3所述的顶驱下套管装置，其特征是在卡瓦心 轴(12)上固定有限位卡环(8)，限位卡环(8)为半环状体，两个限位卡 环(8)相对组成一个环状体，在环状体内壁有突出的矩形块，矩形块插 入卡瓦心轴(12)上的凹槽内，所述的卡瓦心轴(12)凹槽在卡瓦心轴(12) 中部，在限位卡环(8)的外壁上套有横截面为环形的限位内套(9)，在 限位内套(9)的外壁上套有一个限位外套(10)，限位外套(10)通过螺 钉与限位内套(9)连接。
专利摘要一种顶驱下套管装置，应用于采用顶部驱动钻井装置下套管施工作业中。特征是在心轴的下端螺纹连接有卡瓦心轴和导向头。在心轴的下端外壁上套有活塞，在活塞的外部有活塞缸，在活塞缸下端固定有下端盖，下端盖中心孔与活塞下端的圆筒体外壁之间滑动密封配合。在活塞缸壁上有高压流体的进口和出口。活塞下端与卡瓦顶部连接。卡瓦下端内侧有斜面。当液压驱动活塞、卡瓦向下滑动时，卡瓦向外张开，进而卡紧套管内壁，实现动力向套管柱的可靠传递。效果是能简化下套管作业流程，能及时旋转套管柱和循环泥浆，能提高下套管生产效率，提高安全性，增强了下套管作业的自动化程度。
文档编号E21B7/20GK201372722SQ20092010589
公开日2009年12月30日 申请日期2009年2月26日 优先权日2009年2月26日
发明者张国田, 张宏英, 李兴杰, 李美华, 谢宏峰 申请人:中国石油天然气集团公司;北京石油机械厂