一种尾管悬挂器及其使用方法与流程

本发明属于固井技术领域，涉及一种尾管悬挂器及其使用方法。

背景技术：

尾管悬挂器是将尾管悬挂在上层套管串的井下工具，以实现尾管固井作业。目前，尾管悬挂器多数采用液压油缸驱动坐挂机构动作实现尾管悬挂，当管内压力不稳时，时常出现提前坐挂现象；此外，不仅结构复杂、制造成本高，且不具有传递扭矩载荷的功能，导致尾管丢手困难。因此，现有尾管悬挂器无法满足尾管钻进及固井工艺要求。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种尾管悬挂器及其使用方法，可传递扭矩载荷，结构精巧，易于加工，成本较低，非采用液压油缸驱动而避免提前坐挂，通过扭矩载荷传递实现尾管轻松丢手。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种尾管悬挂器，包括用于传递扭矩和轴向力的传载机构、用于悬挂尾管的坐挂机构，以及用于连接传载机构和坐挂机构的连接机构；

所述传载机构包括沿轴向依次穿插式设置的均为中空型的用于连接钻杆的钻杆连接头、能轴向移动的芯轴，以及芯轴导向座；所述芯轴和芯轴导向座之间设置有用于控制芯轴位移的芯轴弹性件；所述钻杆连接头内壁设有芯轴限位结构；

所述坐挂机构包括均为中空型的用于连接尾管的尾管连接头、设置在尾管连接头内部能轴向移动的顶环和连接在尾管连接头内部的顶环导向座；所述顶环和顶环导向座之间设置有用于控制顶环位移的顶环弹性件；所述芯轴和芯轴导向座位于顶环和顶环导向座的内部，其中，顶环导向座和芯轴导向座之间螺纹连接；

所述尾管连接头套设在钻杆连接头外并通过花键配合，且绕周向均布插装有使钻杆连接头和尾管连接头轴向固定的销轴，所述销轴随着芯轴的轴向移动能向钻杆连接头回落，以解除钻杆连接头和尾管连接头的轴向固定；

所述尾管连接头外周面上设有用于卡住套管的周向均布的卡瓦，所述顶环轴向推动卡瓦使其斜向外张开，所述尾管连接头内部设有顶环限位结构，尾管连接头外周面上对应卡瓦设有卡瓦限位结构；

所述连接机构包括均为中空型的第一连接轴和第二连接轴；所述第一连接轴设有第一连接轴限位结构的一端，插入芯轴内部与其花键配合，第一连接轴另一端连接有连接件，所述连接件与钻杆连接头内壁螺纹连接，且螺纹连接的旋向与顶环导向座和芯轴导向座之间螺纹连接的旋向相同；所述第二连接轴内壁设有用于投球憋压的锥面球座结构的一端，插入芯轴导向座内部与其花键配合并与芯轴连接，第二连接轴另一端连接有第二连接轴限位结构。

进一步，所述芯轴设有外径不同的小径段和大径段，所述销轴一端为平头端，另一端为球头端，所述大径段对应销轴平头端时，所述销轴贯穿钻杆连接头且球头端顶入尾管连接头内壁；所述小径段对应销轴平头端时，所述销轴球头端缩回钻杆连接头内。

进一步，在所述卡瓦闭合状态，所述顶环的远离顶环导向座的一端与钻杆连接头接触，所述顶环弹性件处于压缩状态。

进一步，所述尾管连接头外周面上设有周向均布的凹槽，所述凹槽的槽底面为自尾管连接头的外周面向其内壁倾斜延伸直至穿透的斜面，所述卡瓦对应设置在所述凹槽内，且卡瓦的底面部分凸出到尾管连接头的中空腔体内。

进一步，所述钻杆连接头与钻杆、尾管连接头与尾管、顶环导向座与尾管连接头、第一连接轴与连接件、第二连接轴与芯轴、第二连接轴与第二连接轴限位结构均为螺纹连接，且所述螺纹连接的旋向与顶环导向座和芯轴导向座之间螺纹连接的旋向相反。

进一步，如权利要求1所述的尾管悬挂器，其特征在于，所述芯轴上与钻杆连接头的穿插配合位置、芯轴上与芯轴导向座的穿插配合位置、芯轴导向座上与顶环导向座的穿插配合位置、顶环导向座上与尾管连接头的穿插配合位置，均设有o型密封圈。

进一步，所述芯轴限位结构为由钻杆连接头的壁厚差而形成的芯轴挡肩，所述芯轴挡肩在芯轴大径段限制芯轴的轴向位移。

进一步，所述顶环外周面通过直径差形成推送台肩，以轴向推动凸出到尾管连接头中空腔体内的卡瓦底面；所述顶环限位结构为在凹槽的槽底面穿透位置由槽底面与尾管连接头内壁形成的顶环挡肩，以限制顶环的轴向位移；所述卡瓦限位结构为径向穿插在尾管连接头上的挡销，以限制卡瓦斜向外张开的径向位移。

进一步，所述第一连接轴限位结构为圆柱光轴，以限制第一连接轴相对芯轴的轴向位移；所述第二连接轴限位结构为螺母，以限制第二连接轴相对芯轴导向座的轴向位移，所述螺母与芯轴导向座之间设有套装在第二连接轴上的缓冲弹簧垫。

一种尾管悬挂器的使用方法，包括以下步骤：

s1.下放尾管并纵深钻进：向已经下放好套管的井内下放指定长度的尾管，暂将尾管悬吊于井口；组装尾管悬挂器，将钻杆连接头与钻机的钻杆连接、尾管连接头与尾管连接后，解除对尾管的悬吊，钻杆向下运动将尾管下放至井底；钻杆继续向下运动提供给进力且旋转运动提供扭矩，并经钻杆连接头与尾管连接头之间径向插装的销轴及花键配合，传递给进力和扭矩至尾管，纵深钻进至井内设计深度后，钻杆停止运动；

s2.分离坐挂机构：向由第一连接轴、芯轴和第二连接轴中空腔体构成的内部液压通道投球憋压，当达到一定压力值时，芯轴在压力作用下压缩芯轴弹性件向下滑移，当芯轴移动至小径段对应销轴一端所在位置，钻杆向上运动，钻杆连接头在钻杆提升力作用下，将销轴伸入尾管连接头内壁的另一端压回钻杆连接头，从而解除尾管连接头和钻杆连接头之间的轴向固定，使坐挂机构可轴向滑移，处于分离状态；

s3.吊住坐挂机构：钻杆连接头在钻杆提升力作用下向上滑移，其滑移距离由第一连接轴和第二连接轴的花键长度控制；通过由连接件、第一连接轴、芯轴、第二连接轴、第二连接轴限位结构、芯轴导向座和顶环导向座之间配合关系及连接关系所形成的链路，吊住分离状态的坐挂机构而不坠落；

s4.悬挂尾管：随着钻杆连接头的向上滑移，顶环与钻杆连接头接触的一端分离成为自由端，在顶环弹性件作用力下，顶环轴向运动并同步推动卡瓦斜向外张开，直至卡瓦卡住上层的套管内壁，挂起坐挂机构，从而悬挂尾管；

s5.丢手尾管：钻杆向上运动的同时，绕使顶环导向座和芯轴导向座之间螺纹连接及连接件和钻杆连接头内壁之间螺纹连接卸开的方向旋转运动，钻杆带动钻杆连接头旋转，使钻杆连接头与连接件旋转分离；同时通过花键配合及连接关系将扭矩和提升力依次传递到连接件、第一连接轴、芯轴、第二连接轴、芯轴导向座，使芯轴导向座和顶环导向座旋转分离，从而将坐挂机构彻底脱开，并通过钻杆提起传载机构及与传载机构相连的连接机构，完成丢手动作。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明通过采用弹性件控制各部件联动配合，具体为芯轴弹性件受压控制芯轴轴向运动，解除销轴对钻杆连接头和尾管连接头的轴向固定，释放顶环自由端，顶环弹性件得以推动顶环，进而顶环同步推动卡瓦张开并咬住套管串内壁，从而实现尾管的坐挂，克服了现有技术中通采用液压驱动方式常发生提前坐挂的缺陷。

(2)本发明通过采用花键和销轴，使尾管悬挂器具备良好的扭矩载荷和轴向力传递功能，以及利用螺纹连接结构可通过控制扭矩方向自动脱扣分离的特点，简化尾管悬挂器的整体结构，方便坐挂机构的分离及尾管的彻底丢手，解决了现有尾管悬挂器结构复杂、分离不易的问题。

(3)本发明整体结构精巧、操作简单、经济可靠。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明公开的一种尾管悬挂器的结构示意图；

图2为图1中剖视图d-d；

图3为图1中剖视图e-e；

图4为图1中剖视图f-f；

图5为图1中剖视图g-g；

图6为图1中局部放大图k。

附图标记：传载机构1、钻杆连接头11、芯轴12、小径段121、大径段122、芯轴导向座13、芯轴弹性件14、芯轴限位结构15、坐挂机构2、尾管连接头21、顶环22、顶环导向座23、顶环弹性件24、销轴25、卡瓦26、推送台肩27、顶环限位结构28、卡瓦限位结构29、连接机构3、第一连接轴31、第二连接轴32、连接件33、第一连接轴限位结构34、第二连接轴限位结构35、锥面球座结构36、缓冲弹簧垫37。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

如图1所示，本实施例提供一种尾管悬挂器，包括用于传递扭矩和轴向力的传载机构1、用于悬挂尾管的坐挂机构2，以及用于连接传载机构1和坐挂机构2的连接机构3；

本实施例中，所述传载机构1包括沿轴向依次穿插式设置的均为中空型的用于连接钻杆钻杆连接头11、能轴向移动的芯轴12，以及芯轴导向座13；所述芯轴12和芯轴导向座13之间设置有用于控制芯轴12位移的芯轴弹性件14；所述钻杆连接头11内壁设有芯轴限位结构15以限制芯轴12的轴向位移。

具体的，所述芯轴12设有外径不同的小径段121和大径段122，所述芯轴12的小径段121所在的一端，也即芯轴12的上端插进钻杆连接头11，芯轴12的下端插进芯轴导向座13；所述芯轴弹性14件为套装在芯轴12上的弹簧，弹簧的下端面与芯轴导向座13的上端面接触，弹簧的上端面与芯轴12外周面通过直径差形成的台肩接触，从而控制芯轴12的轴向运动。所述芯轴限位结构15为由钻杆连接头11的壁厚差而形成的芯轴挡肩，在初始装配状态，所述芯轴挡肩在芯轴12大径段122限制芯轴12的轴向位移，而此时芯轴12上安装的弹簧处于自由状态。

本实施例中，所述坐挂机构2包括均为中空型的用于连接尾管的尾管连接头21、设置在尾管连接头21内部能轴向移动的顶环22和连接在尾管连接头21内部的顶环导向座23，其中，顶环导向座23上端插进顶环22内，顶环导向座23下端与尾管连接头21内壁右旋螺纹连接；所述顶环22和顶环导向座23之间设置有用于控制顶环22位移的顶环弹性件24，所述顶环弹性件24为套装在顶环导向座23上的弹簧，弹簧的上端面与顶环22的下端面接触，弹簧的下端面与顶环导向座23外周面通过直径差形成的台肩接触；在卡瓦闭合状态，所述顶环22的远离顶环导向座23的一端与钻杆连接头11接触，即顶环22的上端面与钻杆连接头11的下端面接触，并且控制顶环22轴向运动的弹簧在卡瓦闭合状态下处于压缩状态。

在传载机构1各部件与坐挂机构2各部件的位置关系和连接关系上，传载机构1的芯轴12和芯轴导向座13位于坐挂机构的顶环22和顶环导向座23的内部，其中，顶环导向座23和芯轴导向座13之间左旋螺纹连接；如图1、图2和图3所示，坐挂机构2的尾管连接头21上端套设在传载机构1的钻杆连接头11外并通过花键配合，且沿径向插装有使钻杆连接头11和尾管连接头21轴向固定的销轴25，所述销轴25一端为平头端，另一端为球头端，绕钻杆连接头11的周向均布，且沿钻杆连接头11的轴向等距设置有三排，所述销轴25随着芯轴12的轴向移动能向钻杆连接头11回落，以解除钻杆连接头11和尾管连接头21的轴向固定。具体来说，所述钻杆连接头11设有用于插装销轴25的径向通孔，所述套管连接头21内壁对应所述通孔设有球窝状盲孔，所述芯轴12的大径段122对应销轴25平头端时，所述销轴25贯穿插装在钻杆连接头11通孔内且球头端顶入尾管连接头21内壁上的球窝状盲孔内，以实现钻杆连接头11和尾管连接头21的轴向固定；在分离状态，所述芯轴12的小径段121对应销轴25平头端时，所述销轴25球头端缩回钻杆连接头11通孔内，以解除钻杆连接头11和尾管连接头21的轴向固定。所述销轴25的球头端结构便于从球窝状盲孔内移出，回落顺畅，避免销轴25卡在套管连接头21内壁中而无法实现钻杆连接头11和尾管连接头21轴向固定的顺利消除。

本实施例中，如图1和图4所示，所述尾管连接头21外周面上设有周向均布的凹槽，所述凹槽的槽底面为自尾管连接头21的外周面向其内壁倾斜延伸直至穿透的斜面，所述凹槽内设置有用于卡住套管的卡瓦26，所述卡瓦26的底面部分凸出到尾管连接头21的中空腔体内，所述顶环22轴向推动卡瓦26底面使卡瓦26沿凹槽的槽底面斜向外张开，所述尾管连接头21设有顶环限位结构28以限制顶环22的轴向位移，卡瓦26张开方向一侧的尾管连接头21外周面上对应卡瓦26设有卡瓦限位结构29以限制卡瓦26斜向外张开的径向位移。

具体来说，所述顶环22外周面通过直径差形成推送台肩27，以轴向推动凸出到尾管连接头21中空腔体内的卡瓦26底面；如图6所示，所述顶环限位结构28为在凹槽的槽底面穿透位置由槽底面与尾管连接头21内壁形成的顶环挡肩；所述卡瓦限位结构29为径向穿插在尾管连接头21上的挡销。此外，所述卡瓦26与底面相对应的顶面设有便于卡紧套管串内壁的咬合齿，并且所述咬合齿经过特殊的表面热处理，硬度高、韧性好、咬合牢固。

本实施例中，，所述连接机构包括均为中空型的第一连接轴31和第二连接轴32；如图1和图2所示，所述第一连接轴31设有第一连接轴限位结构34以限制第一连接轴31相对芯轴12的轴向位移的一端，插入芯轴12内部与其花键配合，第一连接轴31另一端右旋螺纹连接有连接件33，所述连接件33与钻杆连接头11内壁左旋螺纹连接，所述第一连接轴限位结构34为在第一连接轴31伸入芯轴12内的一端设置的圆柱光轴；如图1和图5所示，所述第二连接轴32内壁设有用于投球憋压的锥面球座结构36的一端，插入芯轴导向座13内部与其花键配合并与芯轴12右旋螺纹连接，第二连接轴32另一端右旋螺纹连接有作为第二连接轴限位结构35的螺母，以限制第二连接轴32相对芯轴导向座13的轴向位移，而且，所述螺母与芯轴导向座13之间设有套装在第二连接轴32上的缓冲弹簧垫37，用于减小进行分离和丢手动作时各机构间的相互冲击。

本实施例中，所述第一连接轴31、芯轴12和第二连接轴32中空腔体构成了内部液压通道，所述芯轴12上与钻杆连接头11的穿插配合位置、芯轴12上与芯轴导向座13的穿插配合位置、芯轴导向座13上与顶环导向座23的穿插配合位置、顶环导向座23上与尾管连接头21的穿插配合位置，均设有o型密封圈，o型密封圈将内部液压通道内为投球憋压而注入的水、泥浆等流体，封隔于内部液压通道内而不渗入到通道外层，保护尾管悬挂器的各部件不受流体侵蚀。

本实施例中，所述钻杆连接头11与钻杆、尾管连接头21与尾管、顶环导向座23与尾管连接头21、第一连接轴31与连接件33、第二连接轴32与芯轴12、第二连接轴32与第二连接轴限位结构35均为右旋螺纹连接，所述螺纹连接的旋向与顶环导向座23和芯轴导向座13之间及连接件33和钻杆连接头11内壁之间的左旋螺纹连接的旋向相反，从而确保钻杆提供的扭矩使顶环导向座23和芯轴导向座13、连接件33和钻杆连接头11旋转分离时，其他螺纹连接处不会因旋转而卸开。此外，尾管连接头21与尾管之间既可以直接螺纹连接，也可以根据实际需要，在二者之间加接转接件，通过转接件可使尾管悬挂器适用于不同直径规格的尾管，提高尾管悬挂器的使用效率。

关于本实施例提供的尾管悬挂器的使用方法，包括以下步骤：

s1.下放尾管并纵深钻进：向已经下放好套管的井内下放指定长度的尾管，暂将尾管悬吊于井口；组装尾管悬挂器，将钻杆连接头11与钻机的钻杆连接、尾管连接头21与尾管连接后，解除对尾管的悬吊，钻杆向下运动将尾管下放至井底；钻杆继续向下运动提供给进力且旋转运动提供扭矩，并经钻杆连接头11与尾管连接头21之间径向插装的销轴25及花键配合，传递给进力和扭矩至尾管，纵深钻进至井内设计深度后，钻杆停止运动；

s2.分离坐挂机构2：向由第一连接轴31、芯轴12和第二连接轴32中空腔体构成的内部液压通道投球憋压，当达到一定压力值时，芯轴12在压力作用下压缩芯轴弹性件14向下滑移，当芯轴12移动至小径段121对应销轴25平头端所在位置，钻杆向上运动，钻杆连接头11在钻杆提升力作用下，将销轴25伸入尾管连接头21内壁的球头端压回钻杆连接头，从而解除尾管连接头21和钻杆连接头11之间的轴向固定，使坐挂机构2可轴向滑移，处于分离状态；

s3.吊住坐挂机构2：钻杆连接头11在钻杆提升力作用下向上滑移，其滑移距离由第一连接轴31和第二连接轴32的花键长度控制；通过由连接件33、第一连接轴31、芯轴12、第二连接轴32、第二连接轴限位结构35、芯轴导向座13和顶环导向座23之间配合关系及连接关系所形成的链路，吊住分离状态的坐挂机构2而不坠落；

s4.悬挂尾管：随着钻杆连接头11的向上滑移，顶环22与钻杆连接头11接触的一端分离成为自由端，在顶环弹性件24作用力下，顶环22轴向运动并同步推动卡瓦26斜向外张开，直至卡瓦26卡住上层的套管内壁，挂起坐挂机构2，从而悬挂尾管；

s5.丢手尾管：钻杆向上运动的同时，绕使顶环导向座23和芯轴导向座13之间左旋螺纹连接及连接件33和钻杆连接头11内壁之间左旋螺纹连接卸开的方向旋转运动，钻杆带动钻杆连接头11旋转，使钻杆连接头11与连接件33旋转分离；同时通过花键配合及连接关系将扭矩和提升力依次传递到连接件33、第一连接轴31、芯轴12、第二连接轴32、芯轴导向座13，使芯轴导向座13和顶环导向座23旋转分离，从而将坐挂机构2彻底脱开，并通过钻杆提起传载机构1及与传载机构相连的连接机构3，完成丢手动作。

本实施例提供的尾管悬挂器，通过采用弹簧控制各部件联动配合的技术方案，替代传统液压驱动实现尾管坐挂的方式，不会发生提前坐挂的问题，使用性能优越；此外，通过采用花键及可回落销轴25的设计，使尾管悬挂器具备良好的扭矩载荷和轴向力传递功能，并利用螺纹连接结构以及控制扭矩方向，使坐挂机构2可以经旋转而自动分离，极大方便了尾管的丢手，也使尾管悬挂器的整体结构变得精巧、易于操控。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。