管柱失稳平衡处理装置的制作方法

本发明涉及修井井下工具技术领域，是一种管柱失稳平衡处理装置。

背景技术：

碳酸盐岩油气井具有先漏后喷的特点，在塔里木盆地碳酸盐岩储层埋藏深度属于超深，多数埋藏深度都在6000米以下，甚至到7500米。该区域特点是：在储层的上部存在一套高含泥质的地层，在开采过程中随着地层压力下降，地层岩石应力失稳破碎，地层泥质及岩石破碎颗粒随流体一起进入井眼的裸眼段，沉积后造成底部井眼堵塞影响产量，甚至停产，这时需要油井冲砂作业才可以恢复产能。

由于裸眼段存在没有参与流动的高含泥地层，所以冲砂作业都采用略高于地层原始压力的冲洗液，当冲开储层时，立即发生漏失，此时冲洗液柱压力马上作用在下端钻头端面上，形成向下的拉力，由于发生漏失，向下快速流动产生的涡流也会对钻具形成向下的摩擦拉力，这两个拉力叠加会形成意外向下的巨大拉力（已发现意外增加的拉力为78吨），该附加力加钻具的自重，可能会超过钻具的抗拉强度，甚至超过修井机的负荷，造成钻具拉断甚至修井机垮塌。

技术实现要素：

本发明提供了一种管柱失稳平衡处理装置，克服了上述现有技术之不足，其能有效解决钻头端面受到巨大向下拉力而对钻具和修井机造成伤害的问题。

本发明的技术方案是通过以下措施来实现的：一种管柱失稳平衡处理装置，包括上管柱连接机构、上外筒、卡瓦外筒和下接头，上管柱连接机构的下部密封固定安装在上外筒的上部内，上外筒下部与卡瓦外筒上部固定安装，下接头的下部以上部位位于卡瓦外筒内，且下接头的下部外侧与卡瓦外筒的下端通过至少一个下剪切销钉固定安装，在卡瓦外筒下部沿圆周间隔分布有至少两个卡瓦伸出窗口，在卡瓦外筒下部内侧与下接头外侧之间固定安装有与各个卡瓦伸出窗口内外对应的卡瓦，在卡瓦上方的下接头外侧固定安装有能使卡瓦从卡瓦伸出窗口朝外伸出的卡瓦锥体，在卡瓦锥体的下部内侧设置有分隔凸台，下接头的顶端与分隔凸台的底端相抵，卡瓦锥体上部内侧与上管柱连接机构的下部外侧密封套装。

下面是对上述发明技术方案的进一步优化或/和改进：

上述上管柱连接机构包括上接头和上芯轴，上芯轴的上部与上接头固定连接，在上外筒的上端内侧设置有第一内限位凸台，在第一内限位凸台与卡瓦锥体上方之间的上芯轴外侧设置有第一外限位凸台，与第一内限位凸台内外对应的上芯轴与上外筒通过至少一个上剪切销钉固定安装，第一外限位凸台包括自上而下分布的密封段、大外径段和连接段，大外径段的外径大于密封段的外径，连接段的外径不大于密封段的外径；密封段顶端与第一内限位凸台底端相抵，在大外径段的外侧沿圆周间隔分布有花键，在与大外径段内外对应的上外筒内侧分布有与花键配合的花键槽，花键配合安装在各自对应的花键槽内，在连接段上设置有第一连接外螺纹，在卡瓦锥体的上部内侧设置有能与第一连接外螺纹配合的第一连接内螺纹，上芯轴的下部外侧与卡瓦锥体上部内侧密封套装，在上芯轴底端与分隔凸台顶端之间设置有能使第一外限位凸台的连接段下行至卡瓦锥体的第一连接内螺纹处的行程。

上述下接头的上部外侧设置有旋向与第一连接外螺纹旋向相反的第二连接外螺纹，在卡瓦锥体的下部内侧设置有与第二连接外螺纹配合的第二连接内螺纹，下接头上部与卡瓦锥体下部通过第二连接外螺纹和第二连接内螺纹固定安装在一起。

上述卡瓦外筒的下端内侧设置有第二内限位凸台，在下接头外侧设置有与第二内限位凸台内外对应的第二外限位凸台，第二外限位凸台与第二内限位凸台通过下剪切销钉固定安装在一起，在卡瓦外筒内侧固定安装有坐在第二外限位凸台与第二内限位凸台上的卡瓦限位套，卡瓦的下部限位安装在卡瓦限位套与卡瓦外筒之间；或/和，卡瓦包括自上而下设置的卡齿段和限位段，卡齿段外侧分布有齿尖朝下的卡齿，卡齿段和限位段之间形成凹槽，在卡瓦伸出窗口下方的卡瓦外筒上设置有限位窗口，卡齿段位于卡瓦伸出窗口内，限位段位于限位窗口内，在卡齿段的内侧自顶端设置有呈上宽下窄的导引锥台，卡瓦锥体的下端外侧设置有能与导引锥台配合的行走锥面，卡瓦锥体的行走锥面与导引锥台接触。

上述卡瓦限位套包括限位套和卡瓦内套，卡瓦内套的下部外侧与卡瓦外筒内侧固定安装在一起，卡瓦的下部位于卡瓦内套上部外侧与卡瓦外筒内侧之间，在限位套的顶端外侧设置有外限位部，在卡瓦内套的底端内侧设置有与外限位部内外对应的内限位部，内限位部套装在外限位部内侧。

上述上接头的中部内侧设置有芯轴限位凸台，上芯轴的顶端与芯轴限位凸台底端相抵，上芯轴的上端外侧与芯轴限位凸台下方的上接头内侧固定安装在一起，在上接头下部与上芯轴上部通过至少一个紧定销钉固定安装在一起，在上芯轴上端与紧定销钉之间的上芯轴外侧与上接头内侧之间固定安装有至少一道密封圈；在第一外限位凸台的密封段与上外筒之间固定安装有至少一道密封圈，在上芯轴下端外侧与卡瓦锥体内侧之间固定安装有至少一道密封圈，在下接头上端外侧与卡瓦锥体下部内侧之间固定安装有至少一道密封圈。

上述上接头上部设置有外螺纹或内螺纹，在下接头下部设置有外螺纹或内螺纹。

本发明结构合理而紧凑，使用方便，其在井下管柱受力失去平衡后，通过推动卡瓦咬合在套管上，把管柱受到的下拉力转移到套管上，防止地面设备（修井机等）在井下大拉力作用下损害的风险，并且在作用力消失后，通过旋转管柱，能够使卡瓦复位，保证作业施工的安全、顺利、高效进行；另外在本发明下方的管柱被卡住而无法提出时，通过旋转管柱，可将下接头及下部管柱丢手，提出上部管柱。

附图说明

附图1为本发明最佳实施例的主视半剖视结构示意图。

附图2为附图1中a处的放大结构示意图。

附图3为本发明最佳实施例的卡瓦咬合套管内壁时的主视半剖视放大结构示意图。

附图中的编码分别为：1为上外筒，2为卡瓦外筒，3为下接头，4为下剪切销钉，5为卡瓦伸出窗口，6为卡瓦，7为卡瓦锥体，8为套管，9为上接头，10为上芯轴，11为第一内限位凸台，12为第一外限位凸台，13为上剪切销钉，14为密封段，15为大外径段，16为连接段，17为花键，18为第一连接外螺纹，19为第一连接内螺纹，20为第二连接外螺纹，21为第二内限位凸台，22为第二外限位凸台，23为卡瓦限位套，24为卡齿段，25为限位段，26为凹槽，27为限位窗口，28为导引锥台，29为行走锥面，30为限位套，31为卡瓦内套，32为外限位部，33为内限位部，34为芯轴限位凸台，35为紧定销钉，36为密封圈，37为分隔凸台。

具体实施方式

本发明不受下述实施例的限制，可根据本发明的技术方案与实际情况来确定具体的实施方式。

在本发明中，为了便于描述，各部件的相对位置关系的描述均是根据说明书附图1的布图方式来进行描述的，如：前、后、上、下、左、右等的位置关系是依据说明书附图1的布图方向来确定的。

下面结合实施例及附图对本发明作进一步描述：

如附图1、2所示，该管柱失稳平衡处理装置包括上管柱连接机构、上外筒1、卡瓦外筒2和下接头3，上管柱连接机构的下部密封固定安装在上外筒1的上部内，上外筒1下部与卡瓦外筒2上部固定安装，下接头3的下部以上部位位于卡瓦外筒2内，且下接头3的下部外侧与卡瓦外筒2的下端通过至少一个下剪切销钉4固定安装，在卡瓦外筒2下部沿圆周间隔分布有至少两个卡瓦伸出窗口5，在卡瓦外筒2下部内侧与下接头3外侧之间固定安装有与各个卡瓦伸出窗口5内外对应的卡瓦6，在卡瓦6上方的下接头3外侧固定安装有能使卡瓦6从卡瓦伸出窗口5朝外伸出的卡瓦锥体7，在卡瓦锥体7的下部内侧设置有分隔凸台37，下接头3的顶端与分隔凸台37的底端相抵，卡瓦锥体7上部内侧与上管柱连接机构的下部外侧密封套装。

将本发明通过上管柱连接机构和下接头3连接到入井管柱中后，下入井中，当钻具钻头端面受到意外向下拉力时，钻头上受到的下拉力带动下部管柱下移，当力足够大时，剪切下接头3和卡瓦外筒2上的下剪切销钉4，下接头3带动卡瓦锥体7下移，下移的卡瓦锥体7将卡瓦6从卡瓦伸出窗口5推出，卡瓦6向外张开，使卡瓦6咬合在套管8内壁上，本发明悬挂在套管8内（如附图3所示），通过此操作，使下部管柱受到的下拉力不会传递到上部管柱，而是转移到套管8上，从而消除这个意外拉力对钻具和井上修井机的伤害，保证井口作业人员的安全，该处理方式不需人工控制，简单、可靠。

可根据实际需要，对上述管柱失稳平衡处理装置作进一步优化或/和改进：

如附图1、2所示，上管柱连接机构包括上接头9和上芯轴10，上芯轴10的上部与上接头9固定连接，在上外筒1的上端内侧设置有第一内限位凸台11，在第一内限位凸台11与卡瓦锥体7上方之间的上芯轴10外侧设置有第一外限位凸台12，与第一内限位凸台11内外对应的上芯轴10与上外筒1通过至少一个上剪切销钉13固定安装，第一外限位凸台12包括自上而下分布的密封段14、大外径段15和连接段16，大外径段15的外径大于密封段14的外径，连接段16的外径不大于密封段14的外径；密封段14顶端与第一内限位凸台11底端相抵，在大外径段15的外侧沿圆周间隔分布有花键17，在与大外径段15内外对应的上外筒1内侧分布有与花键17配合的花键槽，花键17配合安装在各自对应的花键槽内，在连接段16上设置有第一连接外螺纹18，在卡瓦锥体7的上部内侧设置有能与第一连接外螺纹18配合的第一连接内螺纹19，上芯轴10的下部外侧与卡瓦锥体7上部内侧密封套装，在上芯轴10底端与分隔凸台37顶端之间设置有能使第一外限位凸台12的连接段16下行至卡瓦锥体7的第一连接内螺纹19处的行程。

卡瓦6咬合在套管8内壁后，需要将管柱提出井口时，上部管柱下压，剪断上剪切销钉13，上芯轴10下移，花键17脱开，转动管柱（例如管柱正转），上芯轴10连接段16的第一连接外螺纹18和卡瓦锥体7的第一连接内螺纹19啮合，然后上提管柱，可以使卡瓦锥体7及下接头3连接的下部管柱上移，卡瓦锥体7上移后，卡瓦6失去支撑，使卡瓦6缩回卡瓦伸出窗口5，将整个管柱提出井口。

如附图1所示，在下接头3的上部外侧设置有旋向与第一连接外螺纹18旋向相反的第二连接外螺纹20，在卡瓦锥体7的下部内侧设置有与第二连接外螺纹20配合的第二连接内螺纹，下接头3上部与卡瓦锥体7下部通过第二连接外螺纹20和第二连接内螺纹固定安装在一起。

第二连接外螺纹20的旋向与第一连接外螺纹18旋向相反的设置，在剪断上剪切销钉13后，下部管柱卡住而不能上移时，上部管柱继续旋转（例如管柱继续正转），上芯轴10上的第一连接外螺纹18与卡瓦锥体7的第一连接内螺纹19不断啮合的同时，处于啮合状态的下接头3的第二连接外螺纹20与卡瓦锥体7下部的第二连接内螺纹解扣，使卡瓦锥体7下部与下接头3脱开，此时，只能将除了下接头3及其连接的下管柱以外部位提出井口，实现安全丢手。

如附图1所示，在卡瓦外筒2的下端内侧设置有第二内限位凸台21，在下接头3外侧设置有与第二内限位凸台21内外对应的第二外限位凸台22，第二外限位凸台22与第二内限位凸台21通过下剪切销钉4固定安装在一起，在卡瓦外筒2内侧固定安装有坐在第二外限位凸台22与第二内限位凸台21上的卡瓦限位套23，卡瓦6的下部限位安装在卡瓦限位套23与卡瓦外筒2之间；或/和，卡瓦6包括自上而下设置的卡齿段24和限位段25，卡齿段24外侧分布有齿尖朝下的卡齿，卡齿段24和限位段25之间形成凹槽26，在卡瓦伸出窗口5下方的卡瓦外筒2上设置有限位窗口27，卡齿段24位于卡瓦伸出窗口5内，限位段25位于限位窗口27内，在卡齿段24的内侧自顶端设置有呈上宽下窄的导引锥台28，卡瓦锥体7的下端外侧设置有能与导引锥台28配合的行走锥面29，卡瓦锥体7的行走锥面29与导引锥台28接触。

卡瓦限位套23能够对卡瓦6起到径向限位作用，保证卡瓦6在卡瓦锥体7下移作用下顺利张开。

限位段25以及限位窗口27的设置，能够对卡瓦6起到轴向限位作用。

如附图1、2所示，卡瓦限位套23包括限位套30和卡瓦内套31，卡瓦内套31的下部外侧与卡瓦外筒2内侧固定安装在一起，卡瓦6的下部位于卡瓦内套31上部外侧与卡瓦外筒2内侧之间，在限位套30的顶端外侧设置有外限位部32，在卡瓦内套31的底端内侧设置有与外限位部32内外对应的内限位部33，内限位部33套装在外限位部32内侧。

此结构的卡瓦限位套23不仅对卡瓦6起到较好的径向限位作用，而且便于加工和拆装。

如附图1所示，在上接头9的中部内侧设置有芯轴限位凸台34，上芯轴10的顶端与芯轴限位凸台34底端相抵，上芯轴10的上端外侧与芯轴限位凸台34下方的上接头9内侧固定安装在一起，在上接头9下部与上芯轴10上部通过至少一个紧定销钉35固定安装在一起，在上芯轴10上端与紧定销钉35之间的上芯轴10外侧与上接头9内侧之间固定安装有至少一道密封圈36；在第一外限位凸台12的密封段14与上外筒1之间固定安装有至少一道密封圈36，在上芯轴10下端外侧与卡瓦锥体7内侧之间固定安装有至少一道密封圈36，在下接头3上端外侧与卡瓦锥体7下部内侧之间固定安装有至少一道密封圈36。

根据需要，在上接头9上部设置有外螺纹或内螺纹，在下接头3下部设置有外螺纹或内螺纹。

本发明的工作方式一：上芯轴10下端插入到卡瓦锥体7中，卡瓦锥体7的第二连接内螺纹和下接头3的第二连接外螺纹20连接，整个管柱内部通道密封，可以进行流体循环，不影响别的作业。

本发明的工作方式二：上芯轴10的花键17和上外筒1的花键槽相连接，卡瓦外筒2通过限位套30和下接头3相连接，使上部管柱的扭矩能很好的传递到下部管柱。

本发明的工作方式三：本发明连入到与钻头有一定距离的管柱中，当钻头处受力失去平衡后，钻头上受到的下拉力带动下部管柱下移，当力足够大时，剪断下接头3和卡瓦外筒2上的下剪切销钉4，卡瓦锥体7下移，卡瓦6张开，使卡瓦6咬合套管8内壁上，使下部管柱受到的下拉力不会传递到上部管柱，而是转移到套管8上。

本发明的工作方式四：卡瓦6咬合后，上部管柱下压，剪断上剪切销钉13，上芯轴10下移，花键17脱开，管柱正转，上芯轴10的第一连接外螺纹18和卡瓦锥体7的第一连接内螺纹19啮合，上提管柱，可以使卡瓦锥体7及下部管柱上移，使卡瓦6失去支撑，整个管柱提出井口。如果下部管柱卡住，不能上移，上部管柱继续正转，处于啮合状态的下接头3的第二连接外螺纹20与卡瓦锥体7下部的第二连接内螺纹解扣，使卡瓦锥体7下部与下接头3脱开，实现安全丢手。

本发明的工作方式五：上剪切销钉13和下剪切销钉4的安装，可以根据井下的工作状况要求，进行增加或减小，对井下情况适应范围更广，针对性更强。

基于上述可知，本发明在井下管柱受力失去平衡后，通过推动卡瓦6咬合在套管8上，把管柱受到的下拉力转移到套管8上，防止地面设备（修井机等）在井下大拉力作用下损害的风险，并且在作用力消失后，通过旋转管柱，能够使卡瓦6复位，保证作业施工的安全、顺利、高效进行；另外在本发明下方的管柱被卡住而无法提出时，通过旋转管柱，可将下接头3及下部管柱丢手，提出上部管柱。

以上技术特征构成了本发明的最佳实施例，其具有较强的适应性和最佳实施效果，可根据实际需要增减非必要的技术特征，来满足不同情况的需求。

本发明最佳实施例的使用过程：根据井下工况及地质结构情况，确定本发明与钻头之间的距离及上剪切销钉13和下剪切销钉4的数量。

如附图3所示，将本管柱失稳平衡处理装置连接到入井管柱中并下入井中，当下部钻头受力失去平衡后，如果向下的力足够大时，下剪切销钉4剪断，下部管柱带动卡瓦锥体7下移，撑开卡瓦6，咬合到套管8内壁上，使管柱受到的下拉力不会传递到上部管柱，保护地面设备的安全；

当需要提出管柱时，上部管柱下压，剪切上剪切销钉13，上芯轴10下移，上芯轴10连接段16的第一连接外螺纹18和卡瓦锥体7的第一连接内螺纹19啮合，然后上提管柱，可以使卡瓦锥体7及下接头3连接的下部管柱上移，卡瓦锥体7上移后，卡瓦6失去支撑，使卡瓦6缩回卡瓦伸出窗口5，将整个管柱提出井口；

当下部管柱被卡住而不能提出时，上部管柱正转，使处于啮合状态的下接头3的第二连接外螺纹20与卡瓦锥体7下部的第二连接内螺纹解扣，把下接头3及下部管柱丢手，提出上部管柱，然后下打捞工具打捞下部管柱。