一种螺纹驱动全机械式顶驱下套管工具的制作方法

文档序号:11541188
一种螺纹驱动全机械式顶驱下套管工具的制造方法与工艺

本发明涉及石油天然气固井装备技术领域,特别涉及一种螺纹驱动全机械式顶驱下套管工具。



背景技术:

下套管作业的目的在于封隔地层、加固井壁、防止油气泄漏和建立油气通道等,是石油天然气钻井作业过程中的一个极其重要的环节。下套管工具是完成下套管作业的关键性装备,常规下套管装备主要包括:用于夹持套管的井口卡瓦、用于套管旋扣的液压套管钳、用于断续灌注泥浆的开放式灌泥浆装置、用于提升套管的套管吊卡等工具。

上述常规下套管装备存在如下问题:(1)利用套管钳旋扣,套管螺纹的上扣扭距不易精确控制;(2)利用断续灌浆装置灌注泥浆,不能根据需要及时循环泥浆,尤其是在套管下入遇阻时,必须重新连接方钻杆建立泥浆循环,清除沉沙,影响了下套管效率;(3)利用套管吊卡提升套管,井眼中的套管不能旋转;(4)常规下套管装备还存在操作复杂,作业效率低,安全可靠性不高等缺点。

为解决上述问题,国内外研发了顶驱下套管装置,根据卡瓦所受驱动力的形式不同,可以将该工具分类为:液压驱动式和机械驱动式。中国专利号:CN201420409069.5,CN201120557017.9,CN200920105896.4公布了液压驱动式下套管工具;中国专利号:CN201520506694.6,CN201510410640.4,CN201510312492.2公布了机械驱动式顶驱下套管工具。然而,上述液压式下套管工具的液压油容易泄露污染环境,而且液压系统受外界环境的影响较大;而上述机械式下套管工具存在结构复杂缺点,另外,卡瓦传递扭矩的范围较小,不能适应多种套管旋转、套管上扣等工况的使用。



技术实现要素:

为了克服现有下套管装备的上述缺点,本发明的目的:提供一种螺纹驱动全机械式顶驱下套管工具,无需提供额外的动力源,仅凭顶驱装置就能使顶驱下套管工具完成旋转套管、 提放套管、灌注泥浆、循环泥浆等作业,且卡瓦系统能有效传递顶驱的扭矩。

为了达到上述目的,本发明的技术方案是这样实现的:

一种螺纹驱动全机械式顶驱下套管工具,包括上芯轴1、螺纹驱动系统2、动力传递系统3、卡瓦系统4、导向密封系统5,弹簧系统6,其特征为:上芯轴1的上端外表面设置有外螺纹,外螺纹与顶驱形成螺纹连接;上芯轴1的下端内表面设置有内螺纹,内螺纹与弹簧系统6形成螺纹连接;弹簧系统6内悬挂有下芯轴40;下芯轴40的上侧套有动力传递系统3;动力传递系统3系统上侧螺栓连接有螺纹驱动系统2;动力传递系统3下侧装有卡瓦系统4;卡瓦系统4下端螺纹连接有导向密封系统5;

所述上芯轴1的上端外表面设置有锥螺纹11,锥螺纹11与顶驱装置形成螺纹连接;上芯轴1的中部外表面设置有外花键12,外花键12与内筒体24的花键槽相配合形成花键连接;上芯轴1的下端内表面设置有内螺纹,内螺纹与下齿块23形成螺纹连接;

所述上芯轴1与螺纹驱动系统2形成花键连接,所述螺纹驱动系统2包括内筒体24、小轴承25、小轴承端盖26、外筒体27;内筒体24外表面呈阶梯轴状,阶梯轴的大轴外表面设置有外螺纹,外螺纹用于连接外筒体27;阶梯轴的小轴端面设置螺纹孔,螺纹孔用于连接小轴承端盖26;内筒体24的内表面设置有台阶,台阶上侧内设置有花键槽,花键槽与上芯轴1的外花键12相互配合传递旋转运动;小轴承25安装于台阶下孔内,台阶用于定位小轴承25,小轴承25由小轴承端盖26压紧;

外筒体27内表面设置有台阶,台阶上侧的圆孔内设置有内螺纹,内螺纹与内筒体24形成螺纹连接;大轴承31安装于台阶下孔内,台阶用于定位大轴承31;台阶下孔端面设置有螺纹孔,螺栓穿过螺纹孔连接有大轴承端盖32;

所述动力传递系统3包括大轴承31、大轴承端盖32、卡瓦座33、大圆螺母34;卡瓦座33内表面套有下芯轴40,卡瓦座33外表面呈阶梯状;卡瓦座33下侧设置有开口的斜T形槽,斜T形槽内安装有卡瓦41;斜T形槽上侧设置有台阶35,台阶35上侧设置有外螺纹36, 外螺纹36上连接有大圆螺母34;大轴承31安装于台阶35与大圆螺母34之间;大轴承31由大轴承端盖32、外筒体27定位、紧固;动力传递系统3能相对下芯轴40转动;

所述卡瓦系统4包括下芯轴40、卡瓦41;所述下芯轴40顶端外表面设置有外螺纹,外螺纹与上齿块20形成螺纹连接;外螺纹下侧设置有阶梯轴,阶梯轴外安装有弹簧系统6;下芯轴40的下侧外表面设置外楔面,所述卡瓦41内侧下表面设置有内楔面;卡瓦41的内楔面安装于下芯轴40的外楔面内;卡瓦41沿下芯轴40的楔面滑动后能径向胀开;卡瓦41外表面交错设置有纵向卡瓦42、横纵向卡瓦牙43。

所述下芯轴40下端经螺纹连接有导向密封系统5,导向密封系统5包括防突环50、胶筒51、导向头52;胶筒51安装于防突环50与导向头52之间,导向头52与下芯轴40螺纹连接;

所述下芯轴40顶部外侧套有弹簧系统6,弹簧系统6包括球形滚珠19,上齿块20,弹簧21,弹簧挡圈22,下齿块23;所述上齿块20呈圆环形,上齿块20的内表面设置有内螺纹,内螺纹与下芯轴40顶端的外螺纹相配合连接;上齿块20的底端设置有带倒角的三角形凸块;上齿块20底端中部压紧有弹簧21;

弹簧21底端接触有弹簧挡圈22,弹簧挡圈22呈圆环形,弹簧挡圈22底端表面设置有半圆形凹槽,半圆形凹槽内安装有球形滚珠19;球形滚珠19下侧与下齿块23接触;

下齿块23内部设置有阶梯孔,阶梯孔端面设置有半圆形凹槽,半圆形凹槽内安装有球形滚珠19;阶梯孔内表面设置有环形凹槽,环形凹槽内安装有密封圈,密封圈内配合有下芯轴40;下齿块23的顶部端面设置有带倒角的三角形凹块,三角形凹块能与上齿块20的三角形凸块相互啮合传递扭矩;下齿块23的外表面设置有外螺纹,外螺纹与上芯轴1形成螺纹连接。

与现有技术比较,本发明的效果是:1)本顶驱下套管工具采用全机械式结构,无需提供额外的动力源,具有安全高效的特点;2)本顶驱下套管工具结构合理、操作简单便利;3)本顶驱下套管工具结构简单,因而可以减小加工制造难度,降低生产成本。

附图说明

图1为本发明三维结构示意图。

图2为本发明平面半剖结构示意图。

图3为本发明三维剖视图。

图4为上芯轴结构示意图。

图5为弹簧系统和螺纹驱动系统安装结构示意图。

图6为弹簧系统三维剖结构示意图。

图7为弹簧系统的上齿块和下齿块啮合前的三维剖结构示意图。

图8为弹簧系统的弹簧挡圈三维剖结构示意图。

图9为螺纹驱动系统的三维剖结构示意图。

图10为螺纹驱动系统的内筒体三维剖结构示意图。

图11为螺纹驱动系统的外筒体三维剖结构示意图。

图12为动力传递系统的三维剖结构示意图。

图13为动力传递系统的卡瓦座三维剖结构示意图。

图14为卡瓦系统的三维剖结构示意图。

图15为卡瓦系统卡瓦牙的局部示意图。

图16为导向密封系统三维剖结构示意图。

1.上芯轴,2.螺纹驱系统,3.动力传递系统,4.卡瓦系统,5.导向密封系统,6.弹簧系统,11.锥螺纹,12.外花键,19.球形滚珠,20.上齿块,21.弹簧,22.弹簧挡圈,23.下齿块,24.内筒体,25.小轴承,26.小轴承端盖,27.外筒体,31.大轴承,32.大轴承端盖,33.卡瓦座,34.大圆螺母,35.台阶,36.外螺纹,40.下芯轴,41.卡瓦,42.纵向卡瓦牙,43.横向卡瓦牙50.防突环,51.胶筒,52.导向头。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细叙述。

参照图1~3,一种螺纹驱动全机械式顶驱下套管工具,包括上芯轴1、螺纹驱动系统2、动力传递系统3、卡瓦系统4、导向密封系统5,弹簧系统6。上芯轴1的上端外表面设置有外螺纹,外螺纹与顶驱形成螺纹连接。上芯轴1的下端内表面设置有内螺纹,内螺纹与弹簧系统6形成螺纹连接。弹簧系统6内悬挂有下芯轴40。下芯轴40的上侧套有螺纹驱动系统2。螺纹驱动系统2下端螺栓连接有动力传递系统3;动力传递系统3内安装有卡瓦系统4;卡瓦系统4下端螺纹连接有导向密封系统5。其中,上芯轴1起到连接顶驱装置,承载重力、扭 矩的作用;螺纹驱动系统2起到为卡瓦提供驱动力,驱动卡瓦41径胀开,达到撑紧套管内壁的作用;动力传递系统3起到传递轴向载荷、防止卡瓦跟随螺纹驱动系统2旋转的作用;卡瓦系统4起到执行机构作用,用于撑紧套管内壁,完成一些列下套管作业等作用;导向密封系统5起到引导和密封下套管工具的作用;弹簧系统6起到传递扭矩、承载重力,并使卡瓦系统4恢复原始状态的作用。下面将对本发明做进一步详细叙述。

参照图4,上芯轴1的上端外表面设置有锥螺纹11,锥螺纹11用于和顶驱装置连接。上芯轴1的中部外表面沿环形设计有矩形外花键12,外花键12与内筒体24的花键槽相配合形成花键连接,从而传递顶驱装置的旋转运动。上芯轴1的下端内表面设计有内螺纹,内螺纹与下齿块23形成螺纹连接。

参照图5、图9~图10,上芯轴1与螺纹驱动系统2形成花键连接。螺纹驱动系统2包括内筒体24、外筒体27、小轴承25、小轴承端盖26。内筒体24外表面呈阶梯轴状,阶梯轴的大轴外表面设置有外螺纹,外螺纹与外筒体27形成螺纹连接,从而将旋转顶驱装置的旋转运动,转化为外筒体27的轴向移动。内筒体24阶梯轴的小轴端面设置十二个螺纹孔,螺纹孔用于连接小轴承端盖26。内筒体24的内表面设置有台阶,台阶上侧内沿环向设计有花键槽,花键槽内配合安装有上芯轴1的外花键12,使上芯轴1与外筒体27形成花键连接,从而传递顶驱装置的旋转运动。内筒体24台阶的下侧内安装有小轴承25,并用台阶定位、紧固小轴承25;小轴承25由一对圆锥滚子轴承构成,从而使外筒体27能相对下芯轴40转动。

参照图5、图11,外套筒体内表面设置有台阶,台阶上侧的圆孔内设置有内螺纹,内螺纹用于与外筒体27形成螺纹连接。台阶下侧的圆孔内定位安装有大轴承31,大轴承31由一对圆锥滚子轴承构成,大轴承31能使动力传动系统相对于下芯轴40转动。台阶的端面设置有螺纹孔,螺栓穿过螺纹孔连接有动力传递系统3的大轴承端盖32。

参照图13~图14,动力传递系统3包括大圆螺母34、大轴承31、大轴承端盖32、卡瓦座33。卡瓦座33内表面套有下芯轴40;卡瓦座33外表面呈阶梯状。卡瓦座33下侧设计有 开口的斜T形槽,斜T形槽内安装有六支卡瓦41,卡瓦41沿下芯轴40滑动时,斜T形槽能使卡瓦41上端也胀开。斜T形槽上侧设置有卡瓦座台阶35,卡瓦座台阶35上侧设置有卡瓦座外螺纹36,卡瓦座外螺纹36外连接有大圆螺母34。大轴承31安装于卡瓦座台阶35与大圆螺母34之间,大轴承31通过大轴承端盖32定位及紧固。大轴承32由一对圆锥滚子轴承构成。大轴承31能使动力传递系统3相对于下芯轴40转动,从而防止动力传递系统3跟随下芯轴40转动。

参照图14、图15,卡瓦系统4包括下芯轴40、卡瓦41。下芯轴40顶端设计有阶梯轴,阶梯面上侧外表面设置有一段外螺纹,外螺纹外连接有上齿块20。阶梯面下侧设计有一段外螺纹(图中为画出),外螺纹外连接有圆螺母,圆螺母用于安装、定位大轴承31。下芯轴40顶端阶梯轴外安装有弹簧系统6。下芯轴40外表面下侧设置有六个楔面,每个楔面上配合安装有一支卡瓦41。卡瓦41内侧下表面设置有内楔面。卡瓦41的内楔面安装于下芯轴40的外楔面内,且卡瓦41能沿楔面滑动。由于楔面的楔形作用,卡瓦41能沿径向胀开,使卡瓦41撑紧套管内壁,从而实现套管夹持、旋转。此外,卡瓦41外表面交错布置有横向卡瓦牙43和纵向卡瓦42牙;横向和纵向的卡瓦牙交错布置能增加横向的摩擦力,从而提高顶驱下套管工具的上扣能力,以及扭矩的传递能力。下芯轴40下端螺纹连接有导向密封系统5。

参照图16,导向密封系统5包括防突环50、胶筒51、导向头52;胶筒51安装于防突环50与导向头52之间,导向头52与下芯轴40螺纹连接。防突环50用于限制胶筒51受压时的大变形行为,以防止泥浆泄露。胶筒51为呈皮碗形,有自密封功能。导向头52用于引导卡瓦系统4进入套管环空。

参照图5、图6,下芯轴40顶部外侧套有弹簧系统6,弹簧系统6包括球形滚珠19,上齿块20,弹簧21,弹簧挡圈22,下齿块23。上齿块20呈圆环形,上齿块20的内表面设置有内螺纹,内螺纹与下芯轴40顶端的外螺纹相配合,形成螺纹连接。上齿块20的底端设置有带倒角的三角形凸块,三角形凸块便于引导插入下齿块23的三角形凹腔内。

参照图6、图7,上齿块20底端中部压紧有弹簧21,弹簧21底端接触有弹簧挡圈22。弹簧挡圈22呈圆环形,弹簧挡圈22底端表面设置有半圆形凹槽,半圆形凹槽内安装有球形滚珠19,球形滚珠19的作用在于在初始时,防止下芯轴40跟随上芯轴1转动。

参照图8,球形滚珠19下侧与下齿块23接触。下齿块23内部设置有阶梯孔,阶梯孔端面设置有半圆形凹槽,半圆形凹槽内安装有球形滚珠19,球形滚珠19的作用在于在初始时,防止下芯轴40跟随上芯轴1转动。阶梯孔内表面设置有环形凹槽,环形凹槽内安装有密封圈,密封圈内配合有下芯轴40;密封圈用于防止循环泥浆时,泥浆从下齿块23漏失。下齿块23的顶部端面设置有带倒角的三角形凹块,三角形凹块能与上齿块20的三角形凸块相互啮合,从而传递顶驱装置的扭矩。下齿块23的外表面设置有外螺纹,外螺纹用于将弹簧系统6安装于上芯轴1内。

本发明一种螺纹驱动全机械式顶驱下套管工具的主要工作原理是:1)卡瓦41径向膨胀原理:下套管工具伸入套管内壁,顶驱旋转带动上芯轴1旋转(由于弹簧21的作用,此时下芯轴40所受轴向力较小,上齿块20与下齿块23分离,下芯轴40不转动),上芯轴1通过花键连接带动内筒体24旋转,内筒体24通过螺纹使外筒体27轴向移动,外筒体27轴向移动推动卡瓦41沿楔面滑移(由于大轴承31的作用,卡瓦系统4不能跟随上芯轴1旋转),由于楔面的扩张作用使卡瓦41向外膨胀,从而撑紧套管内壁。2)上扣原理:卡瓦41撑紧套管内壁后,提升下套管工具,此时,在套管重力大于弹簧21弹性力,弹簧系统6的上齿块20与下齿块23啮合,从而顶驱的扭矩传递给下芯轴40,实现上扣。3)卡瓦41径向收缩原理:当套管单根下入结束后,启动顶驱装置,让其反向旋转,使外筒体27向上移动,从而向上拉动卡瓦41,使卡瓦41径向收缩,此时,在弹簧21的作用下,弹簧系统6的上齿块20和下齿块23分离。4)套管循环泥浆原理:由于皮碗胶筒51具有自密封功能,因此,可以根据现场需要随时循环泥浆。

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