专利名称：防止杆状构件失控落井的保护装置及单向锁紧的方法
技术领域：
本发明涉及一种保护装置以及其单向锁紧方法，尤指一种防止杆状测量仪器在井口失控落井的保护装置及杆状构件的单向锁紧方法，该保护装置和方法不仅可用于油气钻井过程中，也可用于地质勘探、地热及其他地下工程钻孔过程的测量作业，对防止仪器落井、避免事故和经济损失具有使用价值。
由于油气井的结构特点，决定了单点测斜仪及其他相关测量仪器都是细长杆结构，即测量仪器封装在一个细长管内。用单点测斜仪进行测量的工艺方法如
图1所示在远离钻机正面30m以外的地面上有绞车房23，内有绞车。绞车滚筒上缠有钢丝，其长度大于油井内待测点的深度(可达几千米)。钢丝的一端通过钻机井架上的一个滑轮21与杆状单点测斜仪22上端的吊环相连。放松钢丝，单点测斜仪靠自重下入钻杆23，座于下部钻具组合的测斜接头内。待完成测量作业(设定时间)后，开绞车上提单点测斜仪至井口，由操作人员从井口取出仪器。
这样的操作工艺存在如下问题当仪器22已达到井口而绞车仍快速运转时，很容易崩断钢丝绳，导致仪器从井口落至井底。这种事故在实际生产中时有发生，如深夜测量、天气不好、能见度低，操作人员疲劳、配合失误等原因，均可能造成上述问题，其后果是
(1)被迫提前起钻取出仪器，从而增加一次起下钻操作，导致数小时的工时损失和高达上万元的经济损失；(2)仪器失控落井往往会损坏仪器，不仅造成数万元经济损失，也会耽误正常生产。
本发明的目的是这样实现的一种杆状构件的单向锁紧方法，将测量的杆状构件沿着上大下小的锥状通道向下放下，再于该锥状通道内设有至少两个以上的滚动体，该滚动体在该锥状通道保持向下运动的趋势；当杆状构件失去上拉控制，而在自重情况下向下运动时，滚动体随杆状构件沿着锥体通道的锥状壁面向下滚动，当滚动体之间的距离小于杆状构件的最小外轮廓时，利用滚动体与杆状构件之间摩擦力夹紧杆状构件，阻止杆状构件向下滑落。
所述的锥状通道具有一定的锥度，测量杆件轴线与铅垂线的夹角满足α＜90-θ°，θ为保护装置的母线与轴线的夹角。所述的锥状通道可由至少由两个锥面构成斜平面锥台式通道。所述的锥状通道可由圆锥面构成。所述的滚动体可为球体或圆柱体。
一种防止杆状构件失控落井的保护装置，该装置至少设有一可通过杆状构件的锥状通道，该锥状通道内设有至少两个以上的滚动体，该滚动体在该锥状通道保持向下运动的趋势；杆状构件穿过锥状通道进入井内，并由一上拉装置控制其升降，当其失去上拉控制而在自重情况下向下运动时，滚动体随杆状构件沿着锥体通道的锥状壁面向下滚动；滚动体至少在位于锥开通道的最低端时，滚动体之间的距离小于杆状构件的最小外轮廓，利用滚动体与杆状构件之间摩擦力夹紧杆状构件，阻止杆状构件向下滑落。
所述的锥状通道具有一定的锥度，测量杆件轴线与铅垂线的夹角满足α＜90-θ°，θ为保护装置的母线与轴线的夹角。
所述的锥状通道可为圆锥形通道。所述的锥状通道至少具有两个锥面。所述的滚动体可为球体或圆柱体。所述的滚动体可由金属材料或硬质、韧性的非金属材料构成。所述的一组以球体构成滚动体的数量最佳为3个。所述的一组球体位于保护装置最下位置的共切投影圆小于测量仪器杆的直径。小球位于保护装置的上半部截面内时，球体的投影圆与测量杆件和保护装置的截面圆间有明显间隙。
所述的圆柱形的滚动体的数量可与锥面的数量相对应。所述的两圆柱形的滚动体的对应位置上可设有可容置钢丝的凹槽。所述的锥面可为三个，与之对应的圆柱形的滚动体位于保护装置最下端至少圆柱体构成的图形的内切圆的直径小于杆状构件的直径。所述的锥面可为三个，与之对应的圆柱形的滚动体位于上半截面时，其构成的图形的内切圆的直径大于杆状构件的直径。
所述的保护装置下端可设有带凸缘的锥管公螺纹段。所述的保护装置上部的内孔具有三段制结构的内锥面。所述的公螺纹内部有一锥面，其上设有一略大于测量构件直径的圆孔。所述滚动体可由一隔离装置均匀分布。所述的隔离装置可为一组隔板，该隔板沿圆周切线布置。所述的隔离装置可为一保持架。所述的保持架由保持架外筒、保持架内筒以及保持架盖组焊成，该保持架内筒与外筒焊接，并两筒的矩形槽的中线沿径向对应；该保持架盖直径与内筒外径间隙配合与内筒上沿焊接。所述的保持架外筒为薄壁金属质锥状体，该保持架内筒为薄壁金属质柱状体。所述的保护装置上可设有一盖板。所述的上拉装置可为一导向滑轮装置，该导向滑轮装置可于保护装置上方转动。
本发明的效果是显著的，在钻井过程的测量中，将本发明安装于钻杆上端，在下入用于测量的杆状构件至保护装置末端后，将滚动体置入保护装置的通道内，可继续放入与杆状构件连接的钢丝至需测量位置，测量后，应用上拉装置中的绞车，将钢丝连接的杆状构件拉出井口，在实际生产中，由于深夜测量、天气不好、能见度低，操作人员疲劳、配合失误等原因，当仪器已达到井口而绞车仍快速运转时，很容易崩断钢丝绳，但由于本发明的存在，在仪器上拉失控后，仪器下落过程中，由于置于装置中设的滚动体的自身的重力以及杆状测量仪器与滚动体之间的摩擦力的作用，使滚动体在上大下小的锥状通道的一位置单向锁紧测量仪器，避免仪器从井口落至井底，造成被迫提前起钻取出仪器，增加一次起下钻操作，导致数小时的工时损失和高达上万元的经济损失；以及仪器失控落井将仪器损坏，而造成数万元的经济损失并延误正常生产。
图2a为本发明单向锁紧方法示意图。
图2b为本发明单向锁紧方法示意图。
图2c为本发明单向锁紧方法示意图。
图3为本发明的保护装置的局部剖视图。
图4为本发明的保护装置的结构特征图。
图5为本发明的保持架的结构图。
图6为本发明的上拉装置的结构示意图。
图7为本发明的第2种实施例的结构图。
图8a为本实用新型的第3种实施例使用状态的一种结构图。
图8b为本实用新型的第3种实施例使用状态的另一种结构图。
在本实施例中，可如图2a所示，使用本装置可将测量的杆状构件2沿着上大下小的锥状通道1向下放下，再于该锥状通道1内设有至少两个以上的滚动体3，该滚动体3在该锥状通道保持向下运动的趋势；当杆状构件2失去上拉控制，而在自重情况下向下运动时，滚动体3随杆状构件沿着锥状通道1的锥状壁面向下滚动，当滚动体3之间的距离小于杆状构件2的最小外轮廓时，利用滚动体3与杆状构件2之间摩擦力夹紧杆状构件，阻止杆状构件2向下滑落，即可实现本发明的杆状构件的单向锁紧。
本发明所述的杆状构件单向锁紧的方法，再如图2a所示，该测量的杆状构件2可采用一圆杆，保护装置可为一呈圆台状内表面的容器，其底部有圆孔，测量杆件从其中穿过，在本实施例中，该锥状通道1可由圆锥面构成，该锥状通道具有一定的锥度。本方法适用于测量杆件轴线与铅垂线的夹角满足α＜90-θ°的情况，θ为保护装置的母线与轴线的夹角，即杆件2处于铅垂位置至接近水平位置而须单向锁紧的场合。
本实施例中，该滚动体3可为圆球，其数量为N(N＞1)，N可为3个；测量仪器可为圆杆。依据本发明的原理，当圆杆按图示箭头方向运动时，如图2c所示，小球状滚动体3在杆所加摩擦力作用下由下上移至较大直径部位即位于保护装置的上半部横截面内时，小球的投影圆与保护装置以及测量杆状构件之间的截面圆间有明显间隙，这可保证测量仪器在正方向运动时顺利通过而不被卡死；如图2b所示，当圆杆2欲向下运动时，小球状滚动体3在其自重和杆所加摩擦力的作用下滚向锥状通道的小端方向某一部位，即小球状滚动体3位于保护装置底部时，小球投影间的共切圆直径明显小于圆杆的外径，这可保证杆状测量仪器反向运动时可被牢固锁死，不发生逆向运动，实现本发明单向锁紧的目的。
该方法可广泛用于需要单向锁紧的多种场合，尤以在杆件处于铅垂状态(α＝0)时效果最佳。
本发明所述的保护装置至少设有一可通过杆状构件的锥状通道1，该锥状通道1内设有至少两个以上的滚动体3，该滚动体3在该锥状通道1保持向下运动的趋势；杆状构件2穿过锥状通道1进入井内，并由一上拉装置4控制其升降，当其失去上拉控制而在自重情况下向下运动时，滚动体3随杆状构件2沿着锥体通道1的锥状壁面向下滚动；滚动体3至少在位于锥状通道1的最低端时，当该滚动体为球体时，球体3之间的距离小于杆状构件2的最小外轮廓，利用滚动体3与杆状构件2之间摩擦力夹紧杆状构件，阻止杆状构件2向下滑落。
保护装置的锥状通道1有一定的锥度，可用其母线与轴线的夹角θ表征。θ角的取值有一定的范围，它是保护装置的小端直径、杆状测量构件的外径、小球直径、各构件材料和加工光洁度、保护装置的轴力和自重、润滑状况等多个因素的函数，设计时依计算选取。
如图3所示，为防止仪器落井保护装置结构示意图，该保护装置的下端为一带有凸缘的锥管公螺纹段11，用以和井口的钻杆接头母扣相接，凸缘座在钻杆接头端面上；该公螺纹段内部有一锥面，其上是一圆孔，直径略大于测量杆件的外径，以保证测量仪器顺利通过。本实施例中，该锥状通道1可为圆锥状，圆锥面对测量仪器上提时具有导向作用。保护装置的上部的内孔车削成具有三段制结构的内锥面，自底面向上，圆锥面母线与铅垂线的夹角依次为θ和大于θ，可如图4所示，其中依次取θ、3θ和2θ，θ角的确定可如上述方法中介绍。保护装置上部外侧是可将盖板固定在保护装置上端内圆锥面上。
滚动体3的材料可选金属材料或硬质、韧性的非金属材料，如尼龙、橡胶等，其最佳选择为耐油硬橡胶。在本实施例中，滚动体可为球体，小球直径的选择与仪器杆直径、重量有关，并影响θ角的选择，其结果应保证当小球位于最下位时所组成的共切投影圆明显小于仪器杆直径，以实现仪器杆靠自重下落时可被牢固锁紧。
该保护装置可设有一种隔离装置，在本实施例中为一保持架13，如图5所示，用以使滚动体可在锥状内腔里均匀的间隔设置，该保持架可由保持架外筒131、保持架内筒132和保持架盖133组焊而成。该保持架外筒131可为一薄壁金属质锥形结构，其底部即小端设有一圆孔，锥面上有N个均布的矩形槽(本例N＝3)，其下沿距底部距离大于底面厚度，其宽度小于小球的外径，作用在于对小球进行周向隔离并定位，保持架内筒132是一个薄壁金属质圆柱筒，筒壁上加工有N个(此例N＝3)均布的矩形孔，其上、下不开通，距上、下端面有几毫米距离，矩形宽度小于圆球直径，但须保证N个小球在下位时能抱死仪器杆。保持架内筒132穿过保持架外筒的底部圆孔几毫米，两件焊接，要求两件的矩形槽中线沿径向对应，保持架盖133可为一开口圆金属板，中心开有圆通孔，其直径与内筒外径公称尺寸相同(间隙配合)并与内筒上沿焊接。保持架盖133外圆可车有坡口倒角，其锥度与本体上部内锥面相配。保持架盖133上均布有N个(本例N＝3)长圆孔，其圆弧直径略大于小球直径，板下侧的长孔内沿两侧焊有隔板，沿圆周切线布置，其作用在于对保持架进行限位。保护装置盖板圆板中心设有通孔，其直径略大于保持架内筒外径；板下侧沿圆周均布焊有N个(本例N＝3)横隔板，组焊时要求保护装置的长圆孔、保护装置和保持架的矩形孔的中线相互对应。该保持架13保持了小球的均匀分布，因此保证了小球工作时的几何位置和整个工作性能。
在本实施例中，为了使小球在锥状通道内均匀分布，也可在锥状通道内直接装设有隔板，并且该隔板均匀设置与锥状通道内。
本发明的上拉装置4至少可由导向滑轮组构成，如图6所示，该导向滑轮41的沿圆中心通孔外的一圆周上均布有若干通螺孔，滑轮外沿加工有导线槽42，槽底为圆弧。上拉装置4中可设有一滑轮支承板43，其上部镗有圆孔支承滑轮轴；板端有一大孔安装带孔销，有一小孔安装圆柱销。板下端边沿为直线和圆弧，板上端大孔上方有一小孔，可装入钢丝卡。钢丝卡的作用在于防止绞车钢丝飞出，起保护作用。滑轮轴两端车有螺纹。该上拉装置4可以上述元件组装后，焊在保护装置上部。
本实施例中，在安装该保护装置时，将保护装置的盖板拆除，再将保护装置连同保持架装入钻杆上端的母扣，旋转定位，使上拉装置中心平面对准绞车房和井架上的滑轮，由于上拉装置4可于其上转动，将上拉装置4扳向外侧，使保护装置上方无障碍，再将钢丝放在滑轮槽内，再装上钢丝卡，并将钢丝固定于仪器杆上端的环内，将仪器杆穿过盖板组件与保持架的内孔逐步下放，仪器杆进入保护装置下端内锥孔以下时，放入小球，盖上盖板固定；最后将上拉装置4扳回，并定位，放开绞车，正常下入，仪器入井。
在使用本发明时，将所述的保护装置装设在钻杆上，按照测量的顺序将测量圆杆下入井下，如前述方法介绍，该装置不影响下入仪器的操作；起出仪器杆时，由于小球3在摩擦力作用下处于内锥面较大直径段，该装置允许仪器杆顺利上升，不会发生卡阻；当发生意外事故钢丝绳崩断而仪器杆将下落时，由于小球投影间的共切圆直径明显小于圆杆的外径，这可保证杆状测量仪器反向运动时可被牢固锁死，不发生逆向运动，小球在自重和仪器杆摩擦力作用下迅速卡住仪器杆，不会造成失控落井。
在取出杆状测量构件时，由于测量构件与圆柱体之间的摩擦力，使圆柱体向上滚动，该锥状通道1上大下小，故杆状测量构件可顺利向上运动，当发生意外故障，上拉装置4失控使该杆状测量构件2反向运动时，两圆柱形滚动体在自身重力以及其与测量杆件之间的摩擦力作用下，沿着锥面向下滚动，该圆柱体至少位于保护装置最下端时，利用圆柱形滚动体与杆状构件之间摩擦力夹紧杆状构件，阻止杆状构件向下滑落，实现本发明的目的。
本实施例的结构以及原理与实施例1相一致，在此不再赘述。实施例3本实施例中，保护装置所设的锥状通道1可设有三个锥面，如图8a及图8b所示，设于保护装置内锥状通道内的滚动体可为球体或圆柱体，本实施例中，该锥状通道1呈三棱台状，滚动体3为圆柱体，圆柱形滚动体3为三个，该滚动体3分别设于该锥状通道的每个锥面上，在使用本发明时，杆状测量构件由上拉装置4的拉动向上提起时，该滚动体3位于保护装置的上半截面时，三圆柱体构成的图形的内切圆的直径大于等于该杆状构件2的直径，由该测量构件与圆柱体之间的摩擦力作用，这可保证测量仪器在正方向运动时顺利通过而不被卡死。
当发生意外故障，上拉装置4失控使该杆状测量构件2反向运动时，三个圆柱形滚动体3在自身重力以及其与测量杆件之间的摩擦力作用下，沿着锥面1向下滚动，该圆柱体至少位于保护装置最下端时，三圆柱体构成的图形的内切圆的直径小于杆状构件的直径，利用圆柱形滚动体与杆状构件之间摩擦力夹紧杆状构件，阻止杆状构件向下滑落，实现本发明的目的。
在本实施例中，所述的滚动体之间可设有隔板使圆柱形滚动体均匀设置于该锥面上。
本实施例的结构以及原理与实施例1相一致，在此不再赘述。
权利要求
1.一种杆状构件的单向锁紧方法，其特征在于，将测量的杆状构件沿着上大下小的锥状通道向下放下，再于该锥状通道内设有至少两个以上的滚动体，该滚动体在该锥状通道保持向下运动的趋势；当杆状构件失去上拉控制，而在自重情况下向下运动时，滚动体随杆状构件沿着锥体通道的锥状壁面向下滚动，当滚动体之间的距离小于杆状构件的最小外轮廓时，利用滚动体与杆状构件之间摩擦力夹紧杆状构件，阻止杆状构件向下滑落。
2.如权利要求1所述的一种杆状构件的单向锁紧方法，其特征在于所述的锥状通道具有一定的锥度，测量杆件轴线与铅垂线的夹角满足α＜90-θ°，θ为保护装置的母线与轴线的夹角。
3.如权利要求1所述的一种杆状构件的单向锁紧方法，其特征在于所述的锥状通道可由至少由两个锥面构成锥台式通道。
4.如权利要求1所述的一种杆状构件的单向锁紧方法，其特征在于所述的锥状通道可由圆锥面构成。
5.如权利要求1所述的一种杆状构件的单向锁紧方法，其特征在于所述的滚动体可为球体或圆柱体。
6.一种防止杆状构件失控落井的保护装置，其特征在于，该装置至少设有一可通过杆状构件的锥状通道，该锥状通道内设有至少两个以上的滚动体，该滚动体在该锥状通道保持向下运动的趋势；杆状构件穿过锥状通道进入井内，并由一上拉装置控制其升降，当其失去上拉控制而在自重情况下向下运动时，滚动体随杆状构件沿着锥体通道的锥状壁面向下滚动；滚动体至少在位于锥开通道的最低端时，滚动体之间的距离小于杆状构件的最小外轮廓，利用滚动体与杆状构件之间摩擦力夹紧杆状构件，阻止杆状构件向下滑落。
7.如权利要求6所述的一种防止杆状构件失控落井的保护装置，其特征在于所述的锥状通道具有一定的锥度，测量杆件轴线与铅垂线的夹角满足α＜90-θ°，θ为保护装置的母线与轴线的夹角。
8.如权利要求6所述的一种防止杆状构件失控落井的保护装置，其特征在于所述的锥状通道可为圆锥形通道。
9.如权利要求6所述的一种防止杆状构件失控落井的保护装置，其特征在于所述的锥状通道至少具有两个锥面。
10.如权利要求6所述的一种防止杆状构件失控落井的保护装置，其特征在于所述的滚动体可为球体或圆柱体。
11.如权利要求10所述的一种防止杆状构件失控落井的保护装置，其特征在于所述的滚动体可由金属材料或硬质、韧性的非金属材料构成。
12.如权利要求8所述的一种防止杆状构件失控落井的保护装置，其特征在于所述的一组以球体构成滚动体的数量最佳为3个。
13.如权利要求12所述的一种防止杆状构件失控落井的保护装置，其特征在于所述的一组球体位于保护装置最下位置的共切投影圆小于测量仪器杆的直径。
14.如权利要求12所述的一种防止杆状构件失控落井的保护装置，其特征在于小球位于保护装置的上半部截面内时，球体的投影圆与测量杆件和保护装置的截面圆间有明显间隙。
15.如权利要求9所述的一种防止杆状构件失控落井的保护装置，其特征在于所述的圆柱形的滚动体的数量可与锥面的数量相对应。
16.如权利要求15所述的一种防止杆状构件失控落井的保护装置，其特征在于所述的两圆柱形的滚动体的对应位置上可设有可容置钢丝的凹槽。
17.如权利要求15所述的一种防止杆状构件失控落井的保护装置，其特征在于所述的锥面可为三个，与之对应的圆柱形的滚动体位于保护装置最下端至少圆柱体构成的图形的内切圆的直径小于杆状构件的直径。
18.如权利要求15所述的一种防止杆状构件失控落井的保护装置，其特征在于所述的锥面可为三个，与之对应的圆柱形的滚动体位于上半截面时，其构成的图形的内切圆的直径大于杆状构件的直径。
19.如权利要求6所述的一种防止杆状构件失控落井的保护装置，其特征在于所述的保护装置下端可设有带凸缘的锥管公螺纹段。
20.如权利要求6所述的一种防止杆状构件失控落井的保护装置，其特征在于所述的保护装置上部的内孔具有三段制结构的内锥面。
21.如权利要求19所述的一种防止杆状构件失控落井的保护装置，其特征在于所述的公螺纹内部有一锥面，其上设有一略大于测量构件直径的圆孔。
22.如权利要求6所述的一种防止杆状构件失控落井的保护装置，其特征在于所述滚动体可由一隔离装置均匀分布。
23.如权利要求22所述的一种防止杆状构件失控落井的保护装置，其特征在于所述的隔离装置可为一组隔板，该隔板沿圆周切线布置。
24.如权利要求22所述的一种防止杆状构件失控落井的保护装置，其特征在于所述的隔离装置可为一保持架。
25.如权利要求24所述的一种防止杆状构件失控落井的保护装置，其特征在于所述的保持架由保持架外筒、保持架内筒以及保持架盖组焊成，该保持架内筒与外筒焊接，并两筒的矩形槽的中线沿径向对应；该保持架盖直径与内筒外径间隙配合与内筒上沿焊接。
26.如权利要求25所述的一种防止杆状构件失控落井的保护装置，其特征在于所述的保持架外筒为薄壁金属质锥状体，该保持架内筒为薄壁金属质柱状体。
27.如权利要求6所述的一种防止杆状构件失控落井的保护装置，其特征在于所述的保护装置上可设有一盖板。
28.如权利要求6所述的一种防止杆状构件失控落井的保护装置，其特征在于所述的上拉装置可为一导向滑轮装置，该导向滑轮装置设于保护装置上方。
全文摘要
一种杆状构件的单向锁紧方法，将测量的杆状构件沿着上大下小的锥状通道向下放下，再于该锥状通道内设有至少两个以上的滚动体，该滚动体在该锥状通道保持向下运动的趋势；当杆状构件失去上拉控制，而在自重情况下向下运动时，滚动体随杆状构件沿着锥体通道的锥状壁面向下滚动，当滚动体之间的距离小于杆状构件的最小外轮廓时，利用滚动体与杆状构件之间摩擦力夹紧杆状构件，阻止杆状构件向下滑落，该保护装置和方法不仅可用于油气钻井过程中，也可用于地质勘探、地热及其他地下工程钻孔过程的测量作业，对防止仪器落井、避免事故和经济损失具有使用价值。
文档编号E21B47/01GK1474031SQ02126039
公开日2004年2月11日 申请日期2002年8月9日 优先权日2002年8月9日
发明者苏义脑, 张润香 申请人:中国石油勘探开发研究院钻井工艺研究所, 中国石油勘探开发研究院钻井工艺研究