顶驱下套管装置的制作方法

本实用新型涉及下套管技术领域，具体而言，涉及一种顶驱下套管装置。

背景技术：

下套管就是将单根套管及固井所需附件逐一连接下入井内的作业。在石油现场上见到的单根套管通常由两部分组成，即套管本体和接箍。而下套管装置是一种基于顶部驱动钻井设备(简称顶驱)而进行下套管作业的辅助设备，能实现设备的快速安装、套管快速提取和上扣连接、套管管柱下入和循环下入，可改善下套管方式，降低下套管难度，节约下套管时间。

传统下套管作业中各种钻机上的钻台变得越来越拥挤，当使用传统的下套管设备，这时钻杆矗立在立根盒。管钳经常要与临时锚道配合使用，需要增加井架工，帮助移动套管至吊卡位置，然后再使管子一端支撑在卡瓦上，以防止连接时螺纹对偏。增大了从高位滑落和受伤的几率，并且在管柱提升、连接和下放过程中工人在各设备之间可能被夹住。

另外，常规下套管作业中，下套管过程中，顶驱不仅要控制下套管装置动作，对于最开始套管的抓取通常也是由顶驱控制吊环并配合人工动作来实现，顶驱操作繁琐、占地较大、耗费时间。

技术实现要素：

本实用新型旨在一定程度上解决现有的顶驱下套管装置的动作不仅需要顶驱控制，对于最开始套管的抓取通常也是由顶驱控制吊环并配合人工动作来实现，造成顶驱操作繁琐、占地较大、耗费时间的问题。

为解决上述问题，本实用新型提供了一种顶驱下套管装置，包括：

顶板机构，适于与顶驱的顶驱本体连接而在竖直方向上沿顶驱导轨往复移动；

主轴，竖直转动连接于所述顶板机构中，所述主轴适于与所述顶驱的顶驱轴连接；

支撑臂，所述支撑臂的顶端与所述顶板机构铰接；

吊钳机构，所述吊钳机构的顶部与所述支撑臂的底端铰接，所述吊钳机构用于抓取套管；

前倾油缸，所述前倾油缸的两端分别与所述顶板机构和所述支撑臂铰接；以及

钳体机构，所述钳体机构适于与所述主轴同步转动，所述钳体机构用于固定所述套管。

进一步地，所述吊钳机构为夹爪机构，所述吊钳机构适于托住所述套管的接箍的下端面而抓取所述套管。

进一步地，所述吊钳机构包括起吊支架、两个吊卡钳、两个吊钳油缸和支架耳板，所述起吊支架通过所述支架耳板与所述支撑臂的底端铰接，所述起吊支架中部设置有供所述套管进入的缺口，两个所述吊卡钳关于所述缺口对称设置于所述起吊支架中，所述吊卡钳与所述起吊支架转动连接，两个所述吊钳油缸适于分别驱动两个所述吊卡钳的一端伸出至所述缺口中。

进一步地，所述顶驱下套管装置还包括承载体机构，所述承载体机构设置于所述顶板机构与所述钳体机构之间，所述承载体机构与所述主轴连接，所述钳体机构与所述承载体机构连接，所述承载体机构用于承载上扣后的所述套管的接箍。

进一步地，所述承载体机构包括承载体机构本体、承载环和承载环油缸，所述承载体机构本体与所述主轴连接，所述钳体机构与所述承载体机构本体连接，所述承载环和所述承载环油缸分别与所述承载体机构本体连接，所述承载环油缸适于驱动所述承载环闭合以承载所述套管的接箍。

进一步地，所述钳体机构包括油缸架、钳牙、钳牙座和钳牙座油缸，所述钳牙设置于所述钳牙座上，所述钳牙座与所述油缸架连接，所述钳牙座油缸适于驱动所述钳牙抱紧所述套管。

进一步地，所述承载体机构本体包括上法兰、下法兰和拉杆，所述上法兰与所述主轴固定，所述下法兰通过两个第一拉杆固定连接，所述承载环油缸和所述承载环设置于所述下法兰处；

所述上法兰通过两个第二拉杆与所述油缸架连接，所述油缸架适于沿所述第二拉杆的长度方向往复运动。

进一步地，所述油缸架与所述下法兰之间设置有缓冲机构。

进一步地，所述主轴为空心杆结构，所述顶驱下套管装置还包括皮碗密封装置，所述皮碗密封装置呈杆状结构，所述皮碗密封装置的内部沿其长度方向设置有供泥浆流通的内腔，所述皮碗密封装置的顶端与所述主轴固定，所述内腔的顶端与所述主轴连通，所述皮碗密封装置的底端开设有连通所述内腔的通孔，其中，所述套管适于套入所述皮碗密封装置。

进一步地，所述主轴与所述顶板机构之间设置有第一密封结构，所述皮碗密封装置包括依次密封连接的导向头、中间连接套、芯管接头和芯管，所述导向头呈锥状结构，所述芯管顶部外壁与所述主轴密封连接，所述通孔开设与所述导向头处，所述芯管接头和所述中间连接套的外壁固定有皮碗。

与现有技术相比，本实用新型提供的一种顶驱下套管装置，具有但不局限于以下技术效果：

通过前倾油缸的伸缩控制支撑臂倾斜，使倾斜后的支撑臂底端的吊钳机构位于油井一侧鼠洞中的套管的正上方，之后通过顶驱带动顶驱下套管装置整体下移，进而使吊钳机构完成对套管的抓取，吊钳机构抓取套管之后，再通过顶驱带动顶驱下套管装置上移而将套管从鼠洞中抓出，然后再通过前倾油缸使支撑臂处于竖直状态，进而使被抓取的套管位于油井的正上方，之后由顶驱带动套管下降，直至该套管的底端与原本处于油井中的套管的顶端对接(为了便于区分从鼠洞取出的套管和油井中原本的套管，将油井中原本的套管称为目标管)，之后顶驱带动顶驱下套管装置继续下降，并通过钳体机构固定住套管，通过顶驱轴带动主轴转动，进而由钳体机构带动套管转动，完成套管的上扣(套管与目标管螺纹连接在一起)，上扣完成后停止顶驱轴的转动，继续由顶驱带动套管下降，使上扣后的套管下沉至原本目标管的位置，完成一次下套管作业。本申请通过支撑臂、前倾油缸和吊钳机构构成一个独立支臂吊钳机构，并通过给前倾油缸配以独立于顶驱机构的液压系统，使得顶驱省去了吊环动作，减小了顶驱的操作，使顶驱下套管装置能够独立完成下套管作业的大部分操作，同时通过顶驱下套管装置自带的吊钳机构，减小了人力使用和所占场地，自动化程度更高。解决了现有的顶驱下套管装置的大多数动作不仅需要顶驱控制，对于最开始套管的抓取通常也是由顶驱控制吊环并配合人工动作来实现，造成顶驱操作繁琐、占地较大、耗费时间的问题。

附图说明

图1为本实用新型的具体实施方式的顶驱下套管装置的示意性结构图；

图2为图1中a-a面的剖视图；

图3为图2中b-b面的剖视图；

图4为本实用新型的具体实施方式的吊钳机构的示意性结构图；

图5为图4中d-d面的剖视图；

图6为本实用新型的具体实施方式的皮碗密封装置的示意性结构图；

图7为图1中c-c面的剖视图；

图8为本实用新型的具体实施方式的顶驱下套管装置配合顶驱使用过程中的示意性状态图。

标记说明：

1-顶板机构，2-主轴，3-支撑臂，4-吊钳机构，41-起吊支架，42-吊卡钳，43-吊钳油缸，44-支架耳板，45-缺口，5-前倾油缸，6-钳体机构，61-钳牙座，62-钳牙座油缸，63-油缸架，7-承载体机构，71-承载环，72-承载环油缸，73-承载体机构本体，731-上法兰，732-下法兰，733-第一拉杆，734-第二拉杆，8-皮碗密封装置，81-导向头，811-通孔，82-中间连接套，83-芯管接头，84-芯管，85-皮碗，91-套杆，92-缓冲弹簧，93-套筒，10-顶驱导轨，101-顶驱，102-套管。

具体实施方式

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本实用新型的具体实施例做详细的说明。

参见图1和图8，本实施例提供了一种顶驱下套管装置，包括顶板机构1、主轴2、支撑臂3、吊钳机构4、前倾油缸5和钳体机构6。

顶板机构1适于与顶驱101的顶驱本体连接而在竖直方向上沿顶驱导轨10往复移动；主轴2竖直转动连接于顶板机构1中，主轴2适于与顶驱101的顶驱轴连接；支撑臂3的顶端与顶板机构1铰接；吊钳机构4的顶部与支撑臂3的底端铰接，吊钳机构4用于抓取套管102；前倾油缸5的两端分别与顶板机构1和支撑臂3铰接；钳体机构6适于与主轴2同步转动，钳体机构6用于固定套管102。

这里，主轴2竖直转动连接于顶板机构1中，即主轴2在竖直方向上贯穿顶板机构1并可相对于顶板机构1转动。

这里，钳体机构6通过与主轴2同步转动，以便于后续套管102的上扣或卸扣操作，可以理解的是，钳体机构6可以通过一连接件与主轴2连接，进而实现主轴2转动的时候带动钳体机构6同步转动。

这里，顶驱下套管装置在配合顶驱101使用时，通过顶板机构1与顶驱101的顶驱连接，通过主轴2与顶驱101的顶驱轴连接，进而使得顶驱101可以带动顶驱下套管装置在竖直方向上沿着顶驱导轨10往复移动，同时通过顶驱轴带动主轴2同步转动。

通过前倾油缸5的伸缩控制支撑臂3倾斜，使倾斜后的支撑臂3底端的吊钳机构4位于油井一侧鼠洞中的套管102的正上方，之后通过顶驱101带动顶驱下套管装置整体下移，进而使吊钳机构4完成对套管102的抓取，吊钳机构4抓取套管102之后，再通过顶驱101带动顶驱下套管装置上移而将套管102从鼠洞中抓出，然后再通过前倾油缸5使支撑臂3处于竖直状态，进而使被抓取的套管102位于油井的正上方，之后由顶驱101带动套管102下降，直至该套管102底端与原本处于油井中的套管的顶端对接(为了便于区分从鼠洞取出的套管和油井中原本的套管，将油井中原本的套管称为目标管)，之后顶驱101带动顶驱下套管装置继续下降，并通过钳体机构6固定住套管102，通过顶驱轴带动主轴2转动，进而由钳体机构6带动套管102转动，完成套管102的上扣(套管与目标管螺纹连接在一起)，上扣完成后停止顶驱轴的转动，继续由顶驱101带动套管102下降，使上扣后的套管102下沉至原本目标管的位置，完成一次下套管作业。

可以理解的是，油井中原本的套管，即目标管的顶部是伸出油井的，这是为了便于与后续的套管衔接，为了保持目标管顶端伸出油井的状态，可以通过卡瓦(图中未显示)将该目标管固定。在套管102上扣的过程中，因卡瓦的存在，目标管不会因套管102给予的向下的压力而下降，进而满足套管102能够完成上扣。

可以理解的是，钳体机构6完成对套管102的固定后，既可以完成前述的上扣，也可以用于卸扣使用。

本实施例通过支撑臂3、前倾油缸5和吊钳机构4构成一个独立支臂吊钳机构，并通过给前倾油缸5配以独立于顶驱101的液压系统，使得顶驱101省去了吊环动作，减小了顶驱101的操作，使顶驱下套管装置能够独立完成下套管作业的大部分操作，同时通过顶驱下套管装置自带的吊钳机构4，减小了人力和所占场地，解决现有的顶驱下套管装置的大多数动作不仅需要顶驱101控制，对于最开始套管102的抓取通常也是由顶驱101进行控制吊环并配合人工动作，造成顶驱101操作繁琐、占地较大、耗费时间的问题，使得钻井平台更加简洁，减少了钻井平台工作人员，提高了下套管的速率，避免了更多的人员与套管102的接触。

可以理解的是，为了进一步使本实施例提供的顶驱下套管装置减小对顶驱101的依赖，除了独立支臂吊钳机构抓取套管之外，顶驱下套管装置还可以包括独立于顶驱101外的驱动机构，由该驱动机构独立控制主轴2的转动。这样，顶驱下套管装置只需要依赖顶驱101带动上下往复移动即可。使得顶驱下套管装置可以配合多种品牌的顶驱101使用，不会受顶驱101所限制。

参见图4和图5，优选地，吊钳机构4为夹爪机构，吊钳机构4适于托住套管102的接箍的下端面而抓取套管102。

这里，通过夹爪机构的张开与闭合使得夹爪机构中的夹爪可以位于套管102的接箍的下端面，进而实现托住接箍，完成对套管102的抓取，这样不会与102的表面直接接触，避免损害套管102。

参见图4和图5，优选地，吊钳机构4包括起吊支架41、两个吊卡钳42、两个吊钳油缸43和支架耳板44，起吊支架41通过支架耳板44与支撑臂3的底端铰接，起吊支架41中部设置有供套管102进入的缺口45，两个吊卡钳42关于缺口45对称设置于起吊支架41中，吊卡钳42与起吊支架41转动连接，两个吊钳油缸43适于分别驱动两个吊卡钳42的一端伸出至缺口45中。

这里，在通过倾斜支撑臂3使吊钳机构4中的缺口与鼠洞中的套管102同轴时，前倾油缸5停止动作，使支撑臂3保证此时的倾斜状态，之后由顶驱101带动吊钳机构4下降，使吊卡钳42上平面低于套管102的接箍下端面，再由吊钳油缸43驱动两个吊卡钳42呈关闭状态，即两个吊卡钳42的一端伸出至缺口45中，上提顶驱下套管装置，使吊卡钳42上平面与位于缺口45中的套管102的接箍的下端面接触，完成套管102的抓取采用，全程抓取套管102操作吊卡钳与套管表面无接触。

参见图5，可以理解的是，套管102进入缺口45后，由吊钳油缸43驱动吊卡钳42转动，进而使两个吊卡钳42的一端或转动至缺口45中，进而实现对套管102的接箍下端面的支撑，其中，“两个吊卡钳42的一端转动至缺口45中”即为前述的“两个吊卡钳42的一端伸出至缺口45中”。当然，吊卡钳42的一端伸出至缺口45中，既可以是前述的“转动伸出”的方式，也可以是“横移伸出”的方式，在“横移伸出”的方式中，需要使吊卡钳42适于与起吊支架41滑动连接，而不是前述的转动连接，继而通过吊钳油缸43推动两个吊卡钳42的一端相对运动而伸出至缺口45中。

参见图2，优选地，钳体机构6包括油缸架63、钳牙、钳牙座61和钳牙座油缸62，钳牙设置于钳牙座61上，钳牙座61与油缸架63连接，钳牙座油缸62适于驱动钳牙抱紧套管102。

这里，是通过钳牙座油缸驱动钳牙座，进而使钳牙座内侧的钳牙抱紧套管，已完成钳体机构对套管的固定。

参见图1和图2，优选地，顶驱下套管装置还包括承载体机构7，承载体机构7设置于顶板机构1与钳体机构6之间，承载体机构7与主轴2连接，钳体机构6与承载体机构7连接，承载体机构7用于承载上扣后的套管102的接箍。

这里，在套管102完成上扣后，该套管102与目标管构成套管串，随着所下的套管102数量越多，套管串中的套管102数量就越多，套管串的重量就越重，对于很重的套管串而言，通过钳体机构6抱紧套管102外壁的方式固定套管102而言，很重的套管串很难以抱紧的方式被固定住，除非钳牙的抱紧力很大，这就需要钳牙座油缸62有充足的动力，不仅难以设计，同时如果钳牙的抱紧力很大的话，容易损坏套管102的外壁，因此这里设计承载体机构7，通过承载体机构7对套管102的接箍的支撑，实现对上扣后的套管串的支撑，再将套管串向油井继续下移，使套管串中最上端刚上扣的套管102下移至目标管的位置，套管串中最上端刚上扣的套管102下移至目标管的位置后，在通过卡瓦完成对该位置的套管102的支撑固定，之后就可以上移走顶驱下套管装置了。

参见图1和图2，优选地，承载体机构7包括承载体机构本体73、承载环71和承载环油缸72，承载体机构本体73与主轴2连接，钳体机构6与承载体机构本体73连接，承载环71和承载环油缸72分别与承载体机构本体73连接，承载环油缸72适于驱动承载环71闭合以承载套管102的接箍。

这里，是通过承载体机构7中承载环71的闭合实现对套管102接箍的支撑，承载环71打开时，承载环71不会阻碍套管102的上下移动，承载环71闭合后，套管102的接箍被承载环71限位住，进而实现闭合状态下的承载环71对套管102的支撑。

参见图2和图3，优选地，承载体机构本体73包括上法兰731、下法兰732和拉杆，上法兰731与主轴2固定，下法兰732通过两个第一拉杆733固定连接，承载环油缸72和承载环71设置于下法兰732处；上法兰731通过两个第二拉杆734与油缸架连接，油缸架适于沿第二拉杆734的长度方向往复运动。

这里，通过钳体机构6能够沿着第二拉杆734的长度方向往复运动，即可以沿着竖直方向往复运动，使得在套管102上扣或者卸扣的过程中，由于上扣和卸扣中套管102是旋转前进的，其竖直方向上的位移很小，且旋进较慢，如果用顶驱101带动顶驱下套管装置来满足这个很小且较慢地位移，顶驱101难以做到如此精细的控制，因此通过可以沿着第二拉杆734往复移动的钳体机构，使得套管102在上扣或卸扣的时候，停止顶驱101在顶驱导轨10上的移动，只要保证主轴2转动即可，转动的主轴2最终带动被钳体机构6抱紧固定的套管102同步转动，由于钳体机构6自身可以满足上下往复移动，即可以达到套管102旋转下降的目的，完成上扣。

优选地，油缸架63与下法兰732之间设置有缓冲机构。

这里，通过设置缓冲机构，保证钳体机构6在相对第二拉杆734上下移动的过程中有一个缓冲力，可以避免顶驱下套管装置在移动过程中，钳体机构6不会因为惯性等原因沿着第二拉杆734撞击下法兰732和第二拉杆734的底端的限位帽。

参见图7，优选地，缓冲机构包括套杆91、缓冲弹簧92和套筒93，其中套筒93与油缸架63固定，套杆91与下法兰732固定，套杆91的底端设置有底台肩，套筒93的顶端设置有朝向套筒93内部的顶台肩，其中缓冲弹簧92套在套杆91上，且缓冲弹簧92顶端与顶台肩抵触，缓冲弹簧92的底端与底台肩抵触，由于缓冲弹簧92的存在，钳体机构6不会移动至第二拉杆734的底端，这样钳体机构6在套管上扣的过程中，其会继续压缩缓冲弹簧而下移，完成套管102的向下旋进。优选地，顶台肩距离下法兰732留有间隔，这样，在卸扣时，钳体机构6有一个向上移动的空间。

参见图2，优选地，主轴2为空心杆结构，顶驱下套管装置还包括皮碗密封装置8，皮碗密封装置8呈杆状结构，皮碗密封装置8的内部沿其长度方向设置有供泥浆流通的内腔，皮碗密封装置8的顶端与主轴2固定，内腔的顶端与主轴2连通，皮碗密封装置8的底端开设有连通内腔的通孔811，其中，套管102适于套入皮碗密封装置8。

这里，通过杆状结构的皮碗密封装置8可以为套管102相对于顶驱下套管装置向上移动提供导向作用，通过皮碗密封装置8与空心杆结构的主轴2可以为下套管作业中的泥浆循环提供通道，使得下套管作业可以连续作业，避免阻塞时还需要用钻杆疏通，通过自带的泥浆循环通道，提高作业效率。

参见图6，优选地，主轴2与顶板机构1之间设置有第一密封结构，皮碗密封装置8包括依次密封连接的导向头81、中间连接套82、芯管接头83和芯管84，导向头81呈锥状结构，芯管84顶部外壁与主轴2密封连接，通孔811开设于导向头81处，芯管接头83和中间连接套82的外壁固定有皮碗85。

这里，通过锥状的导向头81，便于套管102沿着皮碗密封装置8套入，通过设置在芯管接头83和中间连接套82的外壁的皮碗85保证与套入后的套管102内壁之间的密封，避免泥浆循环的过程中，泥浆从皮碗密封装置8与套管102内壁之间流过。

需要说明的是，图8为本实施例的顶驱下套管装置配合顶驱使用过程中的示意性状态图，该图中从左至右，即从(a)至(g)为一次下套管作业的过程，其中，综上所述，下套管作业的工作原理如下：

首先，下套管前的准备工作：可以用气动绞车从猫道抓取套管102，放入油井一侧的鼠洞中；

之后，通过顶驱101上提顶驱下套管装置，使吊钳机构4位于鼠洞中的套管102的上方；

之后，通过前倾油缸5控制支撑臂3处于倾斜状态，而使吊钳机构4中的缺口45正好位于鼠洞中套管102的正上方；

之后，下放上套管装置，使吊钳机构4中的吊卡钳42的上表面低于套管102的接箍的下端面，然后停止顶驱101在顶驱导轨10上的移动，之后通过吊钳油缸43使两个吊卡钳42的一端伸出至缺口45中呈现闭合的状态；

之后，上提顶驱下套管装置，使被托起的套管102的底端高于油井中原本的套管(记为目标管，同时处于油井中的目标管的接箍由卡瓦支撑固定)，然后通过前倾油缸5控制支撑臂3回到竖直状态而使套管102与目标管同轴；

之后，下放顶驱下套管装置，使套管102对接目标管的接箍螺纹，对接后，继续下放顶驱下套管装置，直至承载环71处于套管102的上方并有一定的间隔，这时保持顶驱下套管装置高度不变；

之后，通过承载环油缸72驱动承载环71闭合，并通过钳牙座油缸62驱动钳牙抱紧固定套管102，之后顶驱控制主轴2转动，使套管102转动，钳体机构6压缩缓冲弹簧92下移而完成套管102向下旋进上扣；

之后，由钳牙座油缸62驱动钳牙松开套管102，顶驱101带动顶驱下套管装置上移，直至闭合的承载环71碰触到套管102的接箍的下端面，然后将目标管处的卡瓦移走，然后下放顶驱下套管装置，使上扣后的套管102下移至原本目标管的位置，再用卡瓦支撑固定住，为下一次的下套管作业做准备。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。而且，附图中z轴表示竖向，也就是上下位置，并且z轴的正向(也就是z轴的箭头指向)表示上，z轴的负向(也就是与z轴的正向相反的方向)表示下。同时需要说明的是，前述z轴的表示含义仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制

术语“第一”、“第二”、“第三”和“第四”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”和“第四”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。

虽然本实用新型公开披露如上，但本实用新型公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本实用新型公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本实用新型的保护范围。