CN103437707B - 适用于套管驱动头的引导锁紧机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于套管驱动头的引导锁紧机构，包括中轴和套接在中轴上的卡瓦，中轴通过卡瓦与套管配合用于上提、下放和旋转套管。采用本发明中的卡瓦结构，由于设置的卡瓦键槽和缝隙，可以根据需要在下入工具驱动套管转动，或者取出驱动机构两者之间变换与套管的锁定或者松开，便于实施使用套管钻进的方式；设置的卡齿具有很好的附着力，能有效的实现与井下套管壁的锁定，当插入套管后能贴在套管壁上，减少套管与套管驱动机构之间的相互摆动，并能保证在全部与套管联接的过程中，卡齿都能与套管内壁紧密贴合，达到防止套管掉落事故。

Description

适用于套管驱动头的引导锁紧机构

技术领域

本发明涉及一种适用于套管驱动头的引导锁紧机构，用于使用套管实施石油天然气的钻井，属于钻井装备的设计制造技术领域。

背景技术

在常规石油天然气钻井过程中，由于各地的地层地质特点，常会出现井眼缩径、井壁坍塌、钻井中钻具造成的键槽和井漏等井下复杂情况，在这种情况下，钻井完成后实施下套管固井旋转时，就会在一些井中遇阻卡，有的甚至套管不能下入到预定深度等问题，发生这些情况时，就会造成施工不能达到工程设计的要求，有的还会出现下套管过程的安全事故，导致作业风险增大、成本上升及施工周期延长等后果；现有技术研究的套管钻井技术，由于套管是随着钻具下入地层的，因此，在套管遇阻时既可上提下放套管，又可连接循环系统进行循环和旋转，有助于解决下套管遇阻问题，提高套管在复杂井眼内的下入能力，增加下入套管的安全性，降低作业风险，而有效的避免了钻井作业以后再下套管的过程，因此能够有效的解决上述问题，同时在下钻过程中，套管驱动机构前端的工具既能引导套管下入，还能起到修复井壁和划眼的作用，使井壁更规则，从而有助于提高固井质量、节约时间和成本。

现有下套管的方式是：钻台上由吊卡，下完一根套管后，套管卡在吊卡下，这时用吊环将另外一根套管下至吊卡内，旋紧套管螺纹，松开吊卡，再下套管，以此类推，下到设计的层位即可。

目前的方式在施工过程中如遇井眼缩径、井壁坍塌、钻井中钻具造成的键槽和井漏等井下复杂情况，套管将不能继续下放。现有解决办法是：（1）用吊环将套管整体上提或下放数次。（2）如还是无法继续下放套管，可连接循环系统，循环钻井液，冲洗井壁，然后在上提或下放套管直到将井眼疏通。（3）如经过以上两个过程还是无法继续下放套管，就须要将已经下入井内的套管全部取出，然后用钻杆连接钻头进行阔眼及井壁修复，井眼疏通后将钻杆全部去除，在进行下套管作业。以上过程将造成作业风险增大、成本上升及施工周期延长等后果。目前国内基本都是采用上述方法实施下套管的施工的，有的也在套管下端带有套管钻鞋，但是，现有套管钻鞋功能单一，不能同时满足环钻井液、引导套管进入井内、修复井壁的功能。

为了解决上述问题，中国专利号“CN200320127812.X”公开了一种转盘钻井方式下的套管钻井液压式套管驱动头，公开日为2005年02月23日。另外，中国专利号“CN200320127963.5”公开了一种转盘钻井方式下的套管钻井机械式套管驱动头，公开日为2005年02月23日。但此类技术还存在如下不足：一、CN200320127812.X专利在工作状态必须开启泥浆泵通过主轴中央的管腔向下输送泥浆作为推动活塞下行动力，整个装置没有锁定机构，这种方法使得驱动头的工作情况受到泥浆泵的直接约束，若泥浆泵泵压不稳易造成工作失效，需要很好的对泵压进行控制。二、CN200320127812.X专利是采用复位弹簧使卡瓦齿与套管脱离的方法，这种方法存在复位弹簧疲劳，强度降低时导致复位不完全的问题；活塞与卡瓦的斜面接触区域也可能由于泵压过高导致相互粘连而无法分离的情况。三、CN200320127963.5专利中卡瓦的扩张和复位控制是通过大螺母驱动装置控制，此方法虽然能够对卡瓦进行锁定控制，但操作繁琐；滑动键的多斜面结构没有引导装置，导致卡瓦在扩张和复位过程中存在无法居中出现卡阻或锁定不牢的现象。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的上述问题，提供一种适用于套管驱动头的引导锁紧机构。采用本发明可以提高套管在复杂井眼内的下入能力，增加下入套管的安全性，降低作业风险。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种适用于套管驱动头的引导锁紧机构，其特征在于：包括中轴和套接在中轴上的卡瓦，中轴通过卡瓦与套管配合用于上提、下放和旋转套管。

所述中轴从上至下包括定位段和驱动段，定位段上固定设置有定位键，驱动段上固定设置有驱动键，驱动段表面呈锥面，且上端直径小于下端直径。

所述卡瓦一端设置有与套管内壁配合锁紧的卡齿，另一端设置有与定位键配合用于控制中轴与卡瓦相对转动幅度的限位键槽，卡瓦上还设置有与驱动键配合的卡瓦键槽，中轴通过驱动键和卡瓦键槽驱动卡瓦旋转用于带动套管旋转；卡瓦锁紧在套管上时，卡瓦位于驱动段上。

所述卡瓦呈圆筒形结构，圆筒形结构一端设置卡齿，另一端设置有卡瓦抬肩，限位键槽设置在卡瓦抬肩的端面上。

所述卡瓦上还设置有用于使卡瓦下端外径张开的缝隙。

所述卡瓦键槽和缝隙在卡瓦的圆周上等距离各设置为四道。

所述定位键为一个，驱动键为四个，且其中一个驱动键与定位键在同一直线上。

所述中轴上分别设置有定位键槽和驱动键槽，定位键设置在定位键槽内，驱动键设置在驱动键槽内。

采用本发明的优点在于：

一、在井眼出现缩径、井壁坍塌、键槽和井漏等井下复杂情况下套管遇阻时，利用本发明既可上提、下放套管，又可连接循环系统进行泥浆循环及旋转套管，有助于解决下套管遇阻问题，提高套管在复杂井眼内的下入能力，增加下入套管的安全性，降低作业风险。

二、本发明在卡瓦上的卡齿的作用下，当插入套管后能贴在套管壁上，能有效的减少套管与本发明之间的相互摆动，并能保证在整个与套管联接的过程中，卡瓦的卡齿都能与套管内壁紧密贴合，达到防止套管掉落事故。

三、采用本发明，可以避免在下套管时必须上扣这个过程，可以节约大量作业时间。

四、本发明中，所述卡瓦呈圆筒形结构，圆筒形结构一端设置卡齿，另一端设置有卡瓦抬肩，限位键槽设置在卡瓦抬肩的端面上，此结构将限位键槽设置在卡瓦抬肩的端面上，高强度度，增加下入套管的安全性。

五、本发明中，所述卡瓦上还设置有用于使卡瓦下端外径张开的缝隙，锁紧时，卡瓦具有扩张功能，采用形变，增加卡齿与套管内壁的摩擦力，锁紧能力高。

六、采用本发明后，在下套管过程中可掏空一定量的钻井液，在浮力的作用下，可使套管柱悬浮，减轻井架负荷。

七、本发明中的卡瓦上的限位键槽与中轴上的定位键配合使用，使卡瓦与中轴之间只能相对转动，从而控制驱动键与卡瓦的相对位置，卡瓦四周开有4个卡瓦键槽，配合安装在中轴上的四个驱动键使用，使中轴能通过驱动键驱动卡瓦旋转。

八、采用本发明中的卡瓦结构，由于设置的卡瓦键槽和缝隙，可以根据需要在下入工具驱动套管转动，或者取出驱动机构两者之间变换与套管的锁定或者松开，便于实施使用套管钻进的方式；设置的卡齿具有很好的附着力，能有效的实现与井下套管壁的锁定，当插入套管后能贴在套管壁上，减少套管与套管驱动机构之间的相互摆动，并能保证在全部与套管联接的过程中，卡齿都能与套管内壁紧密贴合，达到防止套管掉落事故。

附图说明

图1是本发明应用于套管驱动头中的结构示意图

图2是本发明中轴的结构示意图

图3是本发明卡瓦的结构示意图

图4是本发明卡瓦抬肩的端面结构示意图

图5是本发明卡齿的端面结构示意图

图6为套管驱动头的下接头与密封圈连接结构示意图

图7是套管驱动头的内壁扶正器结构示意图

图8是套管驱动头内壁扶正器的截面结构示意图

图中标记为：1、变扣接头，2、中轴，3、固定螺栓，4、定位键，5、卡瓦，6、驱动键，7、下接头，8、密封圈，9、内壁扶正器，10、接头抬肩，11、定位段，12、卡齿，13、驱动段，14、卡瓦抬肩，15、定位键槽，16、驱动键槽，17、缝隙，18、卡瓦键槽，19、扶正棱，20、限位键槽。

具体实施方式

实施例1

一种适用于套管驱动头的引导锁紧机构，包括中轴2和套接在中轴2上的卡瓦5，中轴2通过卡瓦5与套管配合用于上提、下放和旋转套管。

本发明中，所述中轴2从上至下包括定位段11和驱动段13，定位段11上固定设置有定位键4，驱动段13上固定设置有驱动键6，驱动段13表面呈锥面，且上端直径小于下端直径。

本发明中，所述卡瓦5一端设置有与套管内壁配合锁紧的卡齿12，另一端设置有与定位键4配合用于控制中轴2与卡瓦5相对转动幅度的限位键槽20，卡瓦5上还设置有与驱动键6配合的卡瓦键槽18，中轴2通过驱动键6和卡瓦键槽18驱动卡瓦5旋转用于带动套管旋转；卡瓦5锁紧在套管上时，卡瓦5位于驱动段13上。

本发明中，所述卡瓦5呈圆筒形结构，圆筒形结构一端设置卡齿12，另一端设置有卡瓦抬肩14，限位键槽20设置在卡瓦抬肩14的端面上。

本发明中，所述卡瓦5上还设置有用于使卡瓦5下端外径张开的缝隙17。

本发明中，所述卡瓦键槽18和缝隙17在卡瓦5的圆周上等距离各设置为四道。

本发明中，所述定位键4为一个，驱动键6为四个，且其中一个驱动键6与定位键4在同一直线上。

本发明中，所述中轴2上分别设置有定位键槽15和驱动键槽16，定位键4设置在定位键槽15内，驱动键6设置在驱动键槽16内。

用于使中轴和卡瓦相对转动从而使卡瓦锁紧在套管上或与套管解的结构有很多，本发明采用上述结构为最佳实施方式，不仅强度得到了保证，而且可以明显提高套管在复杂井眼内的下入能力，增加下入套管的安全性，降低作业风险。

实施例2

本实施例对本发明应用于套管驱动头中进行说明：

套管驱动头包括变扣接头1、引导锁紧机构、扶正密封机构；变扣接头1的两端都是母扣，一端用于施工时连接钻具，一端连接中轴2。

引导锁紧机构包括中轴2，定位键4，卡瓦5，驱动键6和下接头7，中轴2一端为公扣，另一端是母扣，在中轴2的公扣和母扣端分别设置有定位键槽15和驱动键槽16，在定位键槽15内设置有定位键4，在驱动键槽16内设置有驱动键6，定位键4由固定螺栓3固定在定位键槽15内，驱动键6由固定螺栓3固定在驱动键槽16内；卡瓦5套在中轴2的外圆上，卡瓦5为一个圆筒形结构，卡瓦5的一端是卡齿12，另一端为卡瓦抬肩14，在卡齿12与卡瓦抬肩14之间设置有卡瓦键槽18和缝隙17，卡瓦键槽18和缝隙17在卡瓦5的圆周上等距离各设置四道，配合安装在中轴2上的四个驱动键6使用，中轴2通过驱动键6驱动卡瓦5旋转。

在卡瓦抬肩14的端面上设置有一个45度角的限位键槽20（并不局限于45度，仅以45度为例来说明），配合安装在中轴2上的定位键4使用，使卡瓦5与中轴2之间只能相对转动45度，从而控制驱动键6与卡瓦5的相对位置。中轴2的母扣端连接下接头7。

扶正密封机构包括下接头7、密封圈8和内壁扶正器9，在下接头7连接内壁扶正器9的一端设置有接头抬肩10，下接头7的下端连接内壁扶正器9，在接头抬肩10与内壁扶正器9之间设置有密封圈8，在内壁扶正器9的外圆上设置有扶正棱19。

套管驱动头的安装连接：以变扣接头1为上端，内壁扶正器9为下端为例，加工好的各部件检验合格后，将待装配的零件清洗干净，螺纹连接处涂上丝扣油，检查各密封面和密封元件装配时不得划伤、碰伤等影响密封的缺陷存在；然后在中轴2上的定位键槽15内设置定位键4，在驱动键槽16内设置驱动键6，并由固定螺栓3固定，然后将中轴2插入卡瓦5中，再将中轴2的上端公扣螺旋连接在变扣接头1的下端母扣上，然后将下接头7的公扣螺纹连接在中轴2下端的母扣上，将密封圈8套装在下接头抬肩10的下端面，然后将内壁扶正器9连接在下接头7的下端，并拧紧每个接头的螺纹，在有相互摩擦的各部件的表面涂上润滑油，就完成了套管驱动头的装配。

套管驱动头的使用过程：主要有三个工作过程，一是插入套管内的过程，二是带动套管一起旋转的过程，三是从套管内抽出的过程。

插入套管的过程：在钻具的带动下由内壁扶正器9引导套管驱动头进入套管内；进入井下的套管内，因为卡瓦5上的卡齿12是贴在套管上的，因此，中轴2转动时，卡瓦5不会转动，另外由于在卡瓦5的卡瓦抬肩14的内圆上设置的45度角的限位键槽20，使中轴2转动时只能在这个45度角的限位键槽20中做45度角的左或右转动；因此，当中轴2逆时针旋转45度角，中轴2处于定位键4与卡瓦键槽18的最左端，此时定位键4与卡瓦键槽18之间存在一个45度的夹角，由于定位键4与驱动键6处于同一直线，所以驱动键6不能进入卡瓦键槽18，因此驱动键6是顶住卡瓦5的最下端的，然后继续加压，使变扣接头1向下运动，直到变扣接头1、卡瓦台肩14与套管接箍三者重合，再顺时针旋转45度角，中轴2就处于定位键4与卡瓦键槽18的最右端，使定位键4与卡瓦键槽18重合，这时，驱动键6与卡瓦键槽18处在一条直线上；由于中轴2上设置驱动键6的位置为逐渐放大的直径，因此在中轴2的中间段形成了一个中轴锥面；由于卡瓦5上的卡齿12的原因，当上提钻具时，使卡瓦不会与中轴2一起移动，而是沿着中轴2的锥面向下运动，这时，因为卡瓦上设置的缝隙17，卡瓦牙面的外径会张开增大，直到与套管内径锁死，完成与套管的锁定。

带动套管一起旋转的过程：在遇到井眼缩径或是井壁垮塌等问题时，先按照前面两个过程将套管驱动头下入井内，并完成与套管的锁定，然后通过钻具的旋转使驱动键进入卡瓦键槽，通过中轴带动卡瓦转动，从而带动套管一起转动，实现套管旋转的目的，配合下部安装的套管钻鞋，就可以实现井壁的修复跟划眼功能。

从套管内抽出的过程：当一根套管下放完毕以后，需要另接一根套管时，将套管驱动头从套管内抽出；先通过钻具下压变扣接头1、使变扣接头1，卡瓦台肩14与套管接箍三者重合，这时，卡瓦5的卡齿12已经离开中轴2的锥面，使卡齿12从锁定的状态松开，然后逆时针旋转45度，使驱动键6顶住卡瓦的最下端，此时卡瓦5被驱动键6顶住，不能沿中轴2的锥面向下运动，因此在上提钻具时，卡瓦外径不能增大；再上提变扣接头1，并带动套管驱动头全部从套管内抽出。

实施例3

本实施例对采用本发明的套管驱动头的操作方法说明如下：

实施套管钻进前，先将需要的套管驱动头准备好，实施时，首先在第一根需要下入井内的套管下端连接钻鞋及浮箍，再使用钻机上的单根吊卡提起已经接上钻鞋及浮箍的第一根套管，将其放入井眼内，并使用套管卡瓦将第一根套管卡在转盘中，然后在钻具上连接上套管驱动头。

然后下放钻具，将套管驱动头插入放在转盘上的第一根套管内，开动钻机，使钻具右转，带动套管驱动头右转45度（仅以45度举例说明，并不局限于45度），然后上提钻具，这时套管驱动头上的驱动键和定位键与卡瓦健槽处于一个直线上，上提钻具使卡瓦在锥面的情况下变大，因此，套管驱动头上的卡瓦就会被锁定在套管内径上。

然后，向上提钻具，取出套管卡瓦，下放钻具，将方钻杆座入转盘，开泵，在转盘的驱动下，动力会传至套管驱动套，并带动套管钻进，慢慢增钻压和转速，直到将第一根套管钻完。

当第一根套管钻完后，如果需要打稠泥浆埽井时，先埽井，如果不需要埽井，就直接停泵，停止钻机转动，再将套管上提至转盘，座上卡瓦，将第一根套管的上端卡在转盘上。

然后下放钻具，推动套管驱动头向下，这时，套管驱动头上的锥面从卡瓦中向下退出，解锁，释放套管驱动头的卡瓦，然后转动钻具，带动套管驱动头左转45度，再向上提钻具，从井内提出套管驱动头。

再次使用卡吊吊起第二根套管，插入已卡座在转盘内的套管上，使用动力套管钳上扣并拧紧。

然后再次下放钻具，将套管驱动头插入放在转盘上的第二根套管内，开动钻机，使钻具右转，带动套管驱动头右转45度，然后上提钻具，这时套管驱动头上的驱动键和定位键与卡瓦键槽再次处于一个直线上，上提钻具使卡瓦在锥面的情况下变大，因此，套管驱动头上的卡瓦就会被锁定在套管内径上，然后卸掉转盘上的套管卡瓦，下放套管至井底，开泵实施套管钻进，直到第二根套管全部钻入；第二根套管钻完之后，重复实施上述步骤，直到到达设计井深。

Claims (6)

1.一种适用于套管驱动头的引导锁紧机构，其特征在于：包括中轴（2）和套接在中轴（2）上的卡瓦（5），中轴（2）通过卡瓦（5）与套管配合用于上提、下放和旋转套管；所述中轴（2）从上至下包括定位段（11）和驱动段（13），定位段（11）上固定设置有定位键（4），驱动段（13）上固定设置有驱动键（6），驱动段（13）表面呈锥面，且上端直径小于下端直径；

所述卡瓦（5）一端设置有与套管内壁配合锁紧的卡齿（12），另一端设置有与定位键（4）配合用于控制中轴（2）与卡瓦（5）相对转动幅度的限位键槽（20），卡瓦（5）上还设置有与驱动键（6）配合的卡瓦键槽（18），中轴（2）通过驱动键（6）和卡瓦键槽（18）驱动卡瓦（5）旋转用于带动套管旋转；卡瓦（5）锁紧在套管上时，卡瓦（5）位于驱动段（13）上；

当中轴（2）逆时针旋转45度角，中轴（2）处于定位键（4）与卡瓦键槽（18）的最左端，此时定位键（4）与卡瓦键槽（18）之间存在一个45度的夹角，且定位键（4）与驱动键（6）处于同一直线，驱动键（6）不能进入卡瓦键槽（18），驱动键（6）顶住卡瓦（5）的最下端。

2.根据权利要求1所述的适用于套管驱动头的引导锁紧机构，其特征在于：所述卡瓦（5）呈圆筒形结构，圆筒形结构一端设置卡齿（12），另一端设置有卡瓦抬肩（14），限位键槽（20）设置在卡瓦抬肩（14）的端面上。

3.根据权利要求1或2中任一所述的适用于套管驱动头的引导锁紧机构，其特征在于：所述卡瓦（5）上还设置有用于使卡瓦（5）下端外径张开的缝隙（17）。

4.根据权利要求3所述的适用于套管驱动头的引导锁紧机构，其特征在于：所述卡瓦键槽（18）和缝隙（17）在卡瓦（5）的圆周上等距离各设置为四道。

5.根据权利要求1、2或4所述的适用于套管驱动头的引导锁紧机构，其特征在于：所述定位键（4）为一个，驱动键（6）为四个，且其中一个驱动键（6）与定位键（4）在同一直线上。

6.根据权利要求5所述的适用于套管驱动头的引导锁紧机构，其特征在于：所述中轴（2）上分别设置有定位键槽（15）和驱动键槽（16），定位键（4）设置在定位键槽（15）内，驱动键（6）设置在驱动键槽（16）内。