CN105114024B - 液动旋转式钻具防顶器 - Google Patents

Abstract

液动旋转式钻具防顶器，由防顶器本体、自动锁定机构、液压升降系统和支撑转动系统所组成：防顶器本体由上法兰、圆壳体和下法兰三种零件，通过螺纹联接成一个径向封闭的壳体；在壳体内的上方，装有连动环牵扯、数块能同时沿着卡瓦座中心台阶通孔内均布的向上向内倾斜的丅形槽滑动的卡瓦、构成的自动锁定机构；在壳体内的下方，是安装在下法兰孔内外的数根活塞杆、一个封隔套和一个管接头构成的液压升降系统；支撑转动系统由移动滚珠、径向滚珠和轴向滚珠三个部分所构成，均为数量不等的钢球，布置在自动锁定机构的四周。具有结构新颖、体积较小、耗材较少、密封性好、可靠性高、可随杆转动和远程控制等优点。

Description

液动旋转式钻具防顶器

所属技术领域

本发明涉及石油机械、钻采设备：钻具防顶器的产品研发。

背景技术

在开采地下石油、天然气资源的钻井作业过程中，可能遇到的井下复杂情况很多；除了井眼垮塌、缩径、沉砂等不良情况外，还会遇到浅气层侵井或高压地层的压差引起的油气上窜，把钻具顶出井筒，危及钻井作业人员和设备的安全。现有的钻具防顶器，均采用压缩弹簧、推动数块卡瓦沿着卡瓦座的锥面上行、夹紧钻杆防顶，虽能达到防顶的效果，但存在着许多不足之处：一是用压缩弹簧推动卡瓦上行后，不能自动缩回，必须用人力将弹簧压缩回位，否则会影响钻具后来的工作。二是防顶器中的卡瓦上行和缩回，都必须派人冒着钻具上顶的危险，到旋转的钻具跟前手工操作，而不能远距离操控，增加了安全风险。三是用人工操作的防顶器，必须在防顶器的侧壁上开出两个以上内外相通的L型长槽、并装上操作手柄，这就为砂尘进入防顶器、并影响其正常运行、敞开了方便之门。四是装在防顶器L型长槽内的手柄及卡瓦座和卡瓦，或无法旋转，影响钻具的钻井作业；或让其旋转的结构很复杂(如采用三个以上不同种类和规格的大轴承与多个不同的零部件配合，并让有弹簧、手柄和L型长槽的升降系统远离卡瓦和卡瓦座等锁定机构)，增加了防顶器产品的体积、造价和装配的麻烦。另外，现有的防顶器中的数块卡瓦，在推力取消后，均依靠各自的重力下落回位；由于受到砂尘、锥面等因素的影响，一致性较差。

发明内容

本发明的目的在于消除现有防顶器产品的不足之处，而提供一种结构新颖、体积较小、耗材较少、密封性好、可靠性高、可随杆转动和远程控制的“液动旋转式钻具防顶器”。

本发明由防顶器本体、自动锁定机构、液压升降系统和支撑转动系统所组成，其特色之处是：防顶器本体由上法兰、圆壳体和下法兰三种零件，通过螺纹联接成一个径向封闭的壳体；在壳体内的上方，装有连动环牵扯、数块能同时沿着卡瓦座中心台阶通孔内均布的向上向内倾斜的丅形槽滑动的卡瓦、构成的自动锁定机构；在壳体内的下方，是安装在下法兰孔内外的数根活塞杆、一个封隔套和一个管接头组成的液压升降系统；支撑转动系统由移动滚珠、径向滚珠和轴向滚珠三个部分所构成，均为数量不等的钢球，布置在自动锁定机构的上面、下面和周围。

由于本发明的防顶器本体径向封闭，所以能杜绝砂尘进入防顶器内，防止其影响卡瓦的上下滑动和相关零件的转动。在防顶器本体内，由连动环牵扯、数块能同时沿着卡瓦座内均布的向上向内倾斜的丅形槽滑动的卡瓦、构成的自动锁定机构，不仅能对上顶的钻杆即时卡夹锁止，而且还能将个别下滑不畅的卡瓦同时拉扯到位。装在下法兰孔内外的数根活塞杆、封隔套和管接头组成的液压升降系统，可以远距离操控，在外来液压油的推动下，能迅速地通过数根活塞杆、推动连动环和数块卡瓦上行防顶；也能在释放液压油后，在诸多零件的重力压迫下，自动回位。分为下中上三个部分的支撑转动系统，均为数量不等的钢球，布置在自动锁定机构的四周，在承受钻具上顶力量的同时，又能促使自动锁定机构跟随钻杆灵活地旋转，去完成钻穿浅层水泥塞等工作。从而使防顶器产品的技术水平和综合性能，达到一个新的高度。

附图说明

图1是本发明最常用的四块卡瓦实施例的总体结构全剖视示意图；

图2是图1中A-A两个平行剖切面对称于中心线的剖视示意图。

图中标号所示的零件名称如下：

1、上法兰，2、圆壳体，3、下法兰，4、活塞杆，5、封隔套，6、管接头，7、移动滚珠，8、连动环，9、径向滚珠，10、螺钉螺母，11、卡瓦，12、卡瓦座，13、轴向滚珠。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式和实施例作进一步说明：

图1、图2中，本发明的零部件，从其功能上可区分为：防顶器主体、自动锁定机构、液压升降系统和支撑转动系统四个组成部分。

防顶器主体由上法兰(1)、圆壳体(2)和下法兰(3)三种零件，通过上法兰(1)的下端、下法兰(3)的上端和圆壳体(2)的两端螺纹，联接成一个径向封闭的壳体。上法兰(1)的上端是有一道同心的梯形垫环槽和多个均布螺栓孔的圆法兰，用与其它设备相联接；下端是有细牙螺纹的螺柱，用与圆壳体(2)联接；中心是两个不同直径的台阶通孔，在台阶通孔的台阶平面上，加工有一道同心的圆孤槽，用与卡瓦座(12)和轴向滚珠(13)相衔接。圆壳体(2)为一空心圆柱体，两端的内孔处均加工有一段内螺纹，分别与上法兰(1)和下法兰(3)的螺柱端相联接；在其内孔中段的侧壁上，加工有一道圆孤槽和一个径向螺纹孔，用来连接卡瓦座(12)、径向滚珠(9)和螺钉螺母(10)。下法兰(3)的上端是有细牙螺纹的螺柱，用与圆壳体(2)联接；下端是有一道同心的梯形垫环槽和多个均布螺栓孔的圆法兰，用与井口上的防喷器相联接；中部是过渡的圆台阶，外径与圆壳体(2)的外圆一致；中心是两个不同直径的台阶通孔，台阶通孔上方直径较小的孔是钻具的通道，下方直径较大的孔用来安装封隔套(5)；在下法兰(3)的上端面、中心台阶通孔的周围，均布着数个活塞孔；活塞孔的下端，均与台阶通孔中直径较大孔中部的径向凹槽相通；径向凹槽与下端圆法兰中两个螺栓孔之间的一个向下倾斜或水平的液压通道孔相通；在液压通道孔的进口处，加工有锥螺纹，用于联接管接头(6)。活塞孔的孔径和数量与液压油的工作压力有关，不宜大和多；设计计算时，以保证举起连动环(8)和卡瓦(11)为目的；孔径大或孔数多，不仅上推和下降速度较慢，而且会迫使卡瓦(11)产生有害的径向夹紧力。

自动锁定机构包括连动环(8)、数块均布的卡瓦(11)和卡瓦座(12)。连动环(8)是截面为矩形的环状零件，在其上面均布着与卡瓦(11)数量相等的带丅形芯的轴向凹槽，用于连接每块卡瓦(11)一起运动；在其下面加工有一道同心的圆孤槽，用与活塞杆(4)上的移动滚珠(7)相接触。卡瓦(11)的形状、尺寸和作用相同，数量在3～4块之间；其内侧面，均密布着卡齿，齿尖向下，用来卡夹钻杆、防止上窜；其外侧面均是一个向下向外倾斜的光滑平面，其左右两个侧面均相互平行，在靠近外侧面的斜边角处，各有一道突出的台阶，用与卡瓦座(12)中倾斜的丅形槽配合，将钻杆的上顶力转变为卡瓦(11)的夹紧力，并防止卡瓦(11)脱离；其上下两面均为相互平行的平面，在下平面的中间，均加工有一道由内向外的丅形凹槽，用与连动环(8)上带丅形芯的凹槽相衔接，使卡瓦(11)在卡瓦座(12)倾斜的丅形槽中上下运动的同时，还相对于连动环(8)作径向滑动。卡瓦座(12)的外轮廓是带有一级台阶的圆柱体，上端面和外圆的中段、各加工有一道同心的圆孤槽，用与上法兰(1)的中心台阶通孔、圆壳体(2)的内孔和轴向滚珠(13)、径向滚珠(9)活动配合；其中心处是两个不同直径的台阶通孔，用于容纳连动环(8)、卡瓦(11)和钻杆上下活动；在两个不同直径台阶通孔的内壁上，均布着与卡瓦(11)数量相等的向上向内倾斜的丅形槽，用于引导和约束卡瓦(11)的运动。

液压升降系统由活塞杆(4)、封隔套(5)、管接头(6)三种零件和下法兰(3)中的活塞孔、台阶通孔、径向凹槽和液压通道孔所组成。数根活塞杆(4)的形状、尺寸和作用相同；其上端直径较粗，用于接触下法兰(3)的上端面限位；其上端面加工有一个盲孔，用于安装移动滚珠(7)；其下端加工有两道凹槽，装有两根O型密封圈，防止液压油泄漏。封隔套(5)为一空心圆柱体，其内径与下法兰(3)中心的台阶通孔上方直径较小的孔相同，其外径与台阶通孔下方直径较大的孔精密配合；在外径的上下两段各加工有两道凹槽，内装四根O型密封圈，用来封堵住台阶通孔下方直径较大孔中部的径向凹槽，防止液压油泄漏。管接头(6)中心是让液压油通行的孔，外围上端是细牙螺纹，用与联接液压油管；下端是锥螺纹，用来安装在下法兰(3)的液压通道孔的进口处。

支撑转动系统由移动滚珠(7)、径向滚珠(9)和轴向滚珠(13)三个部分所构成，均为数量不等的钢球，布置在自动锁定机构的上面、下面和周围，既能保证其良好的旋转功能，又能简化结构、缩小体积。图1实施例是最常用的简洁结构：支撑转动系统中的移动滚珠(7)采用数个单一的钢球，分别安装在数根活塞杆(4)的顶端与连动环(8)下面的圆孤槽接触处，并能随着活塞杆(4)上下移动，以解决自动锁定机构与液压升降系统之间的相对旋转问题；径向滚珠(9)采用数量较多的钢球，从圆壳体(2)侧壁的一个小螺孔中，成串地安装在卡瓦座(12)的外圆与圆壳体(2)内孔壁之间的圆孤槽内，并用螺钉螺母(10)予以封堵，用以解决自动锁定机构与防顶器主体之间径向旋转的问题，并使卡瓦座(12)与圆壳体(2)之间的位置得到固定；轴向滚珠(13)采用数量略少的钢球，成串地安装在卡瓦座(12)的顶端与上法兰(1)台阶通孔台阶平面之间的圆孤槽内，在承载钻具上顶力的同时，解决自动锁定机构与防顶器主体之间的轴向旋转问题。

本发明安装在井口的防喷器上使用，用防喷器的密封组件阻止泥砂进入防顶器内。本发明中液压升降系统的管接头(6)，通过高压油管可以与防喷器所用的液压动力系统相连接，利用现有的设备条件进行工作；也可以与单独配置的简易型液压动力系统相连接，直接操控。平时，数块卡瓦(11)、连动环(8)、移动滚珠(7)和活塞杆(4)，均处于最下方的位置，与钻杆保持着最大的距离，不妨碍钻具的正常作业。当需要钻穿浅层水泥塞或出现钻具有上顶的危险时，则立即对液压升降系统输油，液压油经过管接头(6)和液压通道孔进入的下法兰(3)下方的径向凹槽内，以相同的液面推动数根活塞杆(4)、移动滚珠(7)、连动环(8)和数块卡瓦(11)，沿着卡瓦座(12)中心的台阶通孔和均布的向上向内倾斜的丅形槽向上滑动，使数块卡瓦(11)与钻杆贴合，并随钻杆一起转动；当钻杆上顶时，数块卡瓦(11)的反向卡齿，在卡瓦座(12)内丅形槽的反作用力和液压推力的联合作用下，咬紧钻杆，禁止其上行；而钻杆的下行，则不受制约。当钻具上顶的危险因素消除后，只需对液压升降系统进行放油，细小的活塞杆(4)在数块卡瓦(11)、连动环(8)、移动滚珠(7)和自身的重力作用下，挤出液压油，一起回归到最下方的位置。

Claims (8)

1.液动旋转式钻具防顶器，由防顶器本体、自动锁定机构、液压升降系统和支撑转动系统所组成，其特征是：防顶器本体由上法兰(1)、圆壳体(2)和下法兰(3)三种零件，通过螺纹联接成一个径向封闭的壳体；在壳体内的上方，装有连动环(8)牵扯、数块能同时沿着卡瓦座(12)中心台阶通孔内均布的向上向内倾斜的丅形槽滑动的卡瓦(11)、构成的自动锁定机构；在壳体内的下方，是安装在下法兰(3)孔内外的数根活塞杆(4)、一个封隔套(5)和一个管接头(6)构成的液压升降系统；支撑转动系统由移动滚珠(7)、径向滚珠(9)和轴向滚珠(13)三个部分所构成，均为数量不等的钢球，布置在自动锁定机构的上面、下面和周围。

2.根据权利要求1所述的液动旋转式钻具防顶器，其特征是：支撑转动系统中的移动滚珠(7)采用数个单一的钢球，分别安装在数根活塞杆(4)的顶端与连动环(8)下面的圆孤槽接触处；径向滚珠(9)采用数量较多的钢球，从圆壳体(2)侧壁的一个小螺孔中，成串地安装在卡瓦座(12)的外圆与圆壳体(2)内孔壁之间的圆孤槽内，并用螺钉螺母(10)予以封堵；轴向滚珠(13)采用数量略少的钢球，成串地安装在卡瓦座(12)的顶端与上法兰(1)台阶通孔阶面之间的圆孤槽内。

3.根据权利要求1所述的液动旋转式钻具防顶器，其特征是：下法兰(3)的上端是有细牙螺纹的螺柱，下端是有一道同心的梯形垫环槽和多个均布螺栓孔的圆法兰，中部是过渡的圆台阶，中心是两个不同直径的台阶通孔；在下法兰(3)的上端面、中心台阶通孔的周围，均布着数个活塞孔；活塞孔的下端，均与台阶通孔中直径较大孔中部的径向凹槽相通；径向凹槽与下端圆法兰中两个螺栓孔之间的一个向下倾斜或水平的液压通道孔相通；在液压通道孔的进口处，加工有锥螺纹。

4.根据权利要求1所述的液动旋转式钻具防顶器，其特征是：连动环(8)是截面为矩形的环状零件，在其上面均布着与卡瓦(11)数量相等的带丅形芯的轴向凹槽,在其下面加工有一道同心的圆孤槽。

5.根据权利要求1所述的液动旋转式钻具防顶器，其特征是：卡瓦(11)的形状、尺寸和作用相同，数量在3～4块之间；其内侧面，均密布着卡齿，齿尖向下；其外侧面均是一个向下向外倾斜的光滑平面，左右两个侧面均相互平行，在靠近外侧面的斜边角处，各有一道突出的台阶；其上下两面均为相互平行的平面，在下平面的中间，均加工有一道由内向外的丅形凹槽。

6.根据权利要求1所述的液动旋转式钻具防顶器，其特征是：卡瓦座(12)的外轮廓是带有一级台阶的圆柱体，上端面和外圆的中段、各加工有一道同心的圆孤槽，其中心处是两个不同直径的台阶通孔，在两个不同直径台阶通孔的内壁上，均布着与卡瓦(11)数量相等的向上向内倾斜的丅形槽。

7.根据权利要求1所述的液动旋转式钻具防顶器，其特征是：数根活塞杆(4)的形状、尺寸和作用相同；其上端直径较粗，用于接触下法兰(3)的上端面限位；其上端面加工有一个盲孔，用于安装移动滚珠(7)；其下端加工有两道凹槽，装有两根О型密封圈。

8.根据权利要求1所述的液动旋转式钻具防顶器，其特征是：封隔套(5)为一空心圆柱体，其内径与下法兰(3)中心的台阶通孔上方直径较小的孔相同，其外径与台阶通孔下方直径较大的孔精密配合；在外径的上下两段各加工有两道凹槽，内装四根О型密封圈。