CN106351594A - 密闭式液压钳 - Google Patents

Abstract

密闭式液压钳涉及石油机械，包括壳体（1）和驱动装置（2），壳体（1）内设有可旋转的主钳装置，主钳装置包括传动筒（3）、锷板驱动筒（4）、锷板架（5）、锷板（6）和摩擦装置（7），摩擦装置（7）设在锷板架（5）与壳体（1）间，通过摩擦装置（7）产生的摩擦力可以在锷板（6）未卡紧管柱时使锷板（6）和锷板架（5）不随锷板驱动筒（4）转动，卡紧管柱时则随锷板驱动筒（4）转动。它具有结构合理、安全可靠的优点，能够组合安装在钻井或带压作业设备内，能在设备的高压内腔对管柱串的指定接头进行上、卸扣作业，使无内堵塞气井管柱带压作业成为可能，并能够大大简化欠平衡钻井、负压钻井、油水井带压作业的操作流程。

Description

密闭式液压钳

技术领域

本发明涉及石油机械，具体涉及对管柱串接头进行上、卸扣或直接驱动管柱旋转的工具。

背景技术

现代石油、常规天然气的钻井开发技术不断进步，尤其是近些年页岩油、页岩气类脆弱地层得到大规模开发，因此欠平衡钻井、负压钻井等带压新型钻井技术得到迅速推广，这种钻具内保持连续带压的工况，对钻井装备提出了更高的要求。

前几年大规模开发及新投产的常规和非常规天然气井，在最近一两年内开始进入第一维修周期，由于国内气井一般不配备井下套管阀，在作业的全过程中整个井筒都充满高压，为避免修井时井内高压气体喷出，因此在修井时必须选择高密度泥浆压井-常规修井作业，或者带压修井作业。

压井作业使用的高密度泥浆可以在井底压住底层高压气体，但泥浆会渗入地层封闭微裂隙，对天然气井，尤其是页岩气井的产能损害特别大，高密度泥浆压井-常规修井作业后，普通天然气井会损失产能20%以上，页岩气井则会损失产能50%以上，甚至彻底被压死完全丧失产气能力，因此维修时选择带压作业是必然选择，暂不具备带压修井作业条件的一般选择停产封井待修。

带压修井作业时，井下工具以下管柱串的内堵塞是世界级难题，没有合适解决方法。

吉林油田作业队伍创造了可退式封闭捞矛倒管技术，采用井上预松扣/设备高压内腔卸扣+可退式封闭捞矛封闭管柱上端的方法，能够实现油井及注水井起出无内堵塞管柱，但这种技术只适用于中低压井，操作流程极为繁复（每起出一根油管或一个井下工具，需要严格按顺序操作38个步骤），对操作人员要求极高，每一个操作失误都可能产生严重事故。而气井管柱采用端面密封形式，不能做井上预松扣，且气井压力一般都较高，因此这种技术无法在气井使用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种密闭式液压钳，能够组合安装在钻井或带压作业设备内，能在设备的高压内腔对管柱串的指定接头进行上、卸扣作业，适用欠平衡钻井、气井钻井、带压修井作业，可安装于钻井井控防喷器组、带压强行钻进设备的高压区段、或带压修井作业装置的高压区段内。

本发明的技术解决方案是：它包括壳体和驱动装置，所述壳体内设有可旋转的主钳装置，主钳装置包括传动筒、锷板驱动筒、锷板架、锷板和摩擦装置，传动筒可转动地固定在壳体内，其外壁设有用于通过齿轮与驱动装置连接的齿牙，锷板驱动筒环筒腔内壁设有锷板架容置腔，锷板架容置腔于其侧壁设有渐开驱动坡面，锷板架容置腔于其端面壁上设有回位槽，锷板驱动筒置于传动筒内，且二者间采用轴向滑动连接，锷板驱动筒随传动筒转动，锷板架为环状体，锷板架周向均布有径向设置的滑动通道，锷板架可转动地置于锷板驱动筒的锷板架容置腔内，锷板内侧端设有用于卡紧管柱的卡紧部，外侧端设有滚轮和回位轴，锷板置于锷板架的滑动通道中，锷板外侧端的滚轮与锷板架容置腔的渐开驱动坡面相应配合，在锷板驱动筒正向转动时通过滚轮推动锷板向内侧滑动，锷板外侧端的回位轴与锷板架容置腔的回位槽相应配合，在锷板驱动筒反向转动时通过回位轴推动锷板向外侧滑动，摩擦装置设在锷板架与壳体间，并与壳体采用轴向滑动连接，通过摩擦装置产生的摩擦力可以在锷板未卡紧管柱时使锷板和锷板架不随锷板驱动筒转动，而在锷板卡紧管柱时使锷板和锷板架随锷板驱动筒转动。

本发明的技术效果是：它具有结构合理、安全可靠的优点，能够组合安装在钻井或带压作业设备内，能在设备的高压内腔对管柱串的指定接头进行上、卸扣作业，使无内堵塞气井管柱带压作业成为可能，并能够大大简化欠平衡钻井、负压钻井、油水井带压作业（管柱无内堵塞情况）的操作流程，提高安全性。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明一具体实施例的结构示意图；

图3为图2的A—A剖视图；

图4为图2的B—B剖视图；

图5为本发明锷板的结构示意图；

图6为本发明摩擦装置的结构示意图。

具体实施方式

如图1至6所示，它包括壳体1和驱动装置2，所述壳体1内设有可旋转的主钳装置，主钳装置包括传动筒3、锷板驱动筒4、锷板架5、锷板6和摩擦装置7，传动筒3可转动地固定在壳体1内，其外壁设有用于通过齿轮与驱动装置2连接的齿牙，锷板驱动筒4环筒腔内壁设有锷板架容置腔8，锷板架容置腔8于其侧壁设有渐开驱动坡面9，锷板架容置腔8于其端面壁上设有回位槽10，锷板驱动筒4置于传动筒3内，且二者间采用轴向滑动连接，锷板驱动筒4随传动筒3转动，锷板架5为环状体，锷板架5周向均布有径向设置的滑动通道11，锷板架5可转动地置于锷板驱动筒4的锷板架容置腔8内，锷板6内侧端设有用于卡紧管柱的卡紧部12，外侧端设有滚轮13和回位轴14，锷板6置于锷板架5的滑动通道11中，锷板6外侧端的滚轮13与锷板架容置腔8的渐开驱动坡面9相应配合，在锷板驱动筒4正向转动时通过滚轮13推动锷板6向内侧滑动，锷板6外侧端的回位轴14与锷板架容置腔8的回位槽10相应配合，在锷板驱动筒4反向转动时通过回位轴14推动锷板6向外侧滑动，摩擦装置7设在锷板架5与壳体1间，并与壳体1采用轴向滑动连接，通过摩擦装置7产生的摩擦力可以在锷板6未卡紧管柱时使锷板6和锷板架5不随锷板驱动筒4转动，而在锷板6卡紧管柱时使锷板6和锷板架5随锷板驱动筒4转动。滑动连接的方式为可沿齿面相对滑动的齿面连接、花键连接、滑键连接及其他形式的键槽连接等沿直线运动的连接方式。

所述锷板驱动筒4的外壁设有活塞15，所述传动筒3的内壁设有与活塞15相应配合的浮动控制腔16，通过向活塞15两侧的腔内注入液压介质可以驱动锷板驱动筒4上下滑动。

所述活塞15外周和浮动控制腔16的侧壁间采用轴向滑动连接。

所述锷板6和锷板架5为两组，两组的锷板架5上下排列并固定成一体，两组的锷板6均通过锷板驱动筒4驱动。

所述驱动装置2为液压马达。

所述摩擦装置7由阻力筒17、筒状的摩擦毂18、环状的离合式摩擦片19、蝶形弹簧20和压盘21构成，阻力筒17与所述壳体1采用轴向滑动连接，摩擦毂18套在阻力筒17外，且摩擦毂18的端部固定在锷板架5的端面上，多片离合式摩擦片19分成相互叠压的两组并分别随阻力筒17和摩擦毂18转动（两组离合式摩擦片19分别与阻力筒17和摩擦毂18间采用轴向滑动连接），蝶形弹簧20置于离合式摩擦片19外侧并由固定在阻力筒17或摩擦毂18上的压盘21压紧。

所述壳体1内于主钳装置的下方设有用于夹紧并固定管柱的背钳装置。

所述背钳装置由背钳舌体22和液压油缸23构成，背钳舌体22前端设有用于卡紧管柱的卡紧部12，后端通过卡接的方式连接在液压油缸23的活塞杆24端部，所述壳体1上于主钳装置的下方设有径向通道25，背钳舌体22置于该径向通道25内，液压油缸23固定在壳体1上于该径向通道25的外侧端。

9、如权利要求8所述的密闭式液压钳，其特征在于，所述卡紧部12的内侧端设有梯形台肩26，以同时卡紧管柱及其上方连接的管接箍。

密闭式液压钳的功能是（结合图2-6说明）：在高压设备的内腔，对管柱串的指定接头进行上、卸扣作业，或直接驱动管柱旋转。上、卸扣作业时，背钳可卡紧管柱串中指定接头及以下管柱确保其无轴向和旋转动作，同时可承载管柱串重量；主钳可卡紧管柱串指定接头以上管柱并驱动其旋转，在旋转过程中可随管柱一同进行轴向运动：上扣跟进、卸扣退让，且轴向运动可以选择自由浮动，或在上/下方向施加液压压力两种模式。

一、密闭式液压钳的卡紧-卸扣工作原理：

1、背钳

背钳位于装备下部，采用液压缸直推卡紧。

背钳系统通过下壳体螺栓穿过下壳体、上壳体下盖，与上壳体栓接，实现背钳系统与主钳系统的连接组合，构成整机。其中下壳体侧门（通道）、背钳油缸体、背钳油缸盖由背钳油缸螺栓/螺母连接成油缸总成，背钳手动锁紧丝杠、背钳油缸活塞安装于其中，用下壳体侧门螺栓安装于下壳体的侧面，背钳油缸活塞的T型端部与背钳舌体尾部的T型槽连接，舌体前端安装背钳牙板（卡紧部）。

卡紧动作由外接液压源供油推动两侧背钳油缸活塞向中心运动，背钳油缸活塞推动舌体及牙板前进直至卡紧工作管柱。如果需要，可逆时针旋转背钳手动锁紧丝杠，使其顶紧背钳油缸活塞，实现手动锁紧；此时液压源卸压甚至反向操作都不会导致牙板松开工作管柱。

背钳舌体采用扁圆形截面，在下壳体的扁圆形腔中运动，在卡紧管柱时可以承受上下两个方向的轴向力。且背钳舌体与背钳油缸活塞之间采用T型连接，使背钳油缸活塞也只能直线运动不能旋转，可避免旋转背钳手动锁紧丝杠时背钳油缸活塞跟随旋转。

背钳牙板采用阶梯型结构，以同时卡紧被工作管柱及其上方管接箍，使两者间不松扣，可以保证在卸扣时一定在管接箍上方螺纹松开，便于之后的作业，避免管柱落井事故的可能。背钳可根据需要选择为2-4套，呈180°、120°或90°分布。

2、主钳

主钳位于装备上部，锷板爬坡式卡紧及旋转驱动原理：此种卡紧原理的卡紧力由回转体结构强度承受，因此可以实现的最大卡紧力非常大，所能提供的旋转驱动扭力也非常大，因此适用于大管径、大扭力条件下的作业；同时此种工作原理的结构高度比较小，适用于对设备总高有严格限制的作业条件。

两套液压马达通过两侧主动齿轮轴、主动齿轮自两端同步驱动主钳被动齿轮，驱动主钳完成旋转动作。（液压马达、主动齿轮/轴构成的驱动系统，在设备中也可以选择1-4套）

主钳被动齿轮与齿圈上密封盘、齿圈下密封盘相连接（传动筒部分），由轴承和轴承上下支撑，共同构成一个轴向位置固定、可绕轴心旋转、可向内部传递扭力、可承受上下方轴向载荷、可以隔绝密封内外的封闭结构。

主钳采用可控式全浮动两级主钳卡紧结构；浮动卡紧系统由摩擦系统组合（摩擦装置部分）、主钳回转体上盖、上主钳回转体、上主钳锷板架/锷板、下主钳回转体、下主钳锷板架/锷板、下主钳下盖板、下主钳锷板架下盖板（锷板驱动筒部分）连接而成，可以在外界提供旋转扭力时完成对被作业管柱的卡紧和上、卸扣动作，可以在外界提供液压动力时完成上/下动作、上/下施力、任意位置定位、自由浮动几种轴向动作选择。（主钳卡紧机构在设备中也可以只有一套，每套主钳卡紧机构中的锷板数量可以是2-4个）

主钳锷板卡紧管柱需要的爬坡阻力由摩擦系统组合（摩擦装置）提供，摩擦系统为一组碟形弹簧压紧的多片离合器结构，摩擦系统组合中阻力筒外齿与上连接法兰的内齿啮合作为固定端，主钳锷板摩擦毂与上主钳锷板架拴接作为阻力输出端，下主钳锷板架与上主钳锷板架拴接，三者同步旋转。

在卡紧及驱动管柱动作时，为两侧液压回转驱动装置供油使主动齿轮轴、主动齿轮旋转，驱动主钳被动齿轮、上主钳回转体、下主钳回转体一同旋转；而此时由于摩擦系统组合提供的阻力，下主钳锷板架/锷板、上主钳锷板架/锷板并未跟随旋转；随着上主钳回转体、下主钳回转体的旋转动作，其内孔的坡面推动下主钳锷板、上主钳锷板向中心运动，直至锷板接触被卡紧管柱，锷板牙尖与管柱间的咬合旋转阻力大于摩擦系统组合输出的阻力时，下主钳锷板架/锷板、上主钳锷板架/锷板开始随上主钳回转体、下主钳回转体一同旋转，同时锷板咬紧管柱并带动管柱同时旋转。

为保证在松开动作时，上主钳锷板、下主钳锷板能够回复到最大开度，在主钳回转体上盖的下表面、下主钳回转体的上表面加工了上主钳锷板回位槽，在下主钳下盖板的上表面加工了下主钳锷板回位槽，在组装时将上/下主钳锷板的滚轮轴端插入回位槽；这样在松开动作时，回位槽内边线推动锷板滚轮轴向外动作，实现锷板的复位。

二、密闭式液压钳的整机密封结构-主钳系统浮动控制工作原理：

以下各组密封设计，与上盖上端面的密封环槽、下壳体下端面的密封环槽配合，共同实现了对设备内腔高压介质的密封。

1、背钳系统对设备内腔高压介质的密封

下壳体与齿圈下密封盘之间有组合式旋转密封圈，可在齿圈下密封盘旋转或静止时均有效密封两者间隙。

下壳体与下壳体侧门之间有固定式密封圈，可密封下壳体的扁圆形工作腔面对下壳体侧门的端面。

背钳油缸活塞与下壳体侧门之间有多道轴向密封圈，可在背钳油缸活塞运动或静止时均有效密封两者间隙。

2、主钳系统对设备内腔高压介质的密封

上连接法兰与上盖有固定式密封圈，可有效密封两者间的间隙。

齿圈上密封盘与上连接法兰之间有组合式旋转密封圈，可在两者间相对旋转状态有效密封两者间隙。

主钳回转体上盖与齿圈上密封盘之间有组合式旋转密封圈，可在锷板爬坡时两者间相对旋转状态、上/卸扣螺旋运动状态或单独轴向运动状态，均有效密封两者间隙。

下主钳回转体与上主钳回转体、主钳回转体上盖与上主钳回转体之间都有固定式密封圈，可有效密封两者间的间隙。

下主钳回转体与齿圈下密封盘之间有组合式旋转密封圈，可在锷板爬坡时两者间相对旋转状态、上/卸扣螺旋运动状态或单独轴向运动状态，均有效密封两者间隙。

3、主钳系统的浮动控制原理

由摩擦系统组合、主钳回转体上盖、上主钳回转体、下主钳回转体、上主钳锷板架、上主钳锷板、下主钳锷板架、下主钳锷板、下主钳锷板架下盖板、下主钳下盖板共同构成了主钳卡紧/浮动系统，由齿圈上密封盘、主钳被动齿轮、齿圈下密封盘共同构建了容纳主钳卡紧/浮动系统的空腔，空腔的尺寸大于主钳卡紧/浮动系统，可允许主钳卡紧/浮动系统在其内部做一定范围内的上下运动。

上主钳回转体外周安装固定有多个导向键，在主钳卡紧/浮动系统上下运动时，导向键可在主钳被动齿轮内腔面的槽中滑动，可在运动中确保将主钳被动齿轮传递来的扭矩，施加给上主钳回转体。

上主钳回转体外周（上端）安装有轴向密封圈，可在主钳卡紧/浮动系统在主钳被动齿轮内做上下运动时密封两者间隙，起到隔离上下空腔（类比于油缸活塞密封圈）的作用。

在上盖上加工有浮动控制油入口，上腔控制液压油流经轴承的空腔，经由齿圈上密封盘与主钳被动齿轮之间的预留孔隙，进入主钳回转体上盖、齿圈上密封盘、主钳被动齿轮三者间的空腔，实现下行动作控制。

在下壳体上加工有浮动控制油入口，下腔控制液压油流经轴承的空腔，经由齿圈下密封盘与主钳被动齿轮之间的预留孔隙，进入下主钳回转体、齿圈下密封盘主钳被动齿轮三者间的空腔，实现上行动作控制。

Claims (9)

1.密闭式液压钳，包括壳体（1）和驱动装置（2），其特征在于，所述壳体（1）内设有可旋转的主钳装置，主钳装置包括传动筒（3）、锷板驱动筒（4）、锷板架（5）、锷板（6）和摩擦装置（7），传动筒（3）可转动地固定在壳体（1）内，其外壁设有用于通过齿轮与驱动装置（2）连接的齿牙，锷板驱动筒（4）环筒腔内壁设有锷板架容置腔（8），锷板架容置腔（8）于其侧壁设有渐开驱动坡面（9），锷板架容置腔（8）于其端面壁上设有回位槽（10），锷板驱动筒（4）置于传动筒（3）内，且二者间采用轴向滑动连接，锷板驱动筒（4）随传动筒（3）转动，锷板架（5）为环状体，锷板架（5）周向均布有径向设置的滑动通道（11），锷板架（5）可转动地置于锷板驱动筒（4）的锷板架容置腔（8）内，锷板（6）内侧端设有用于卡紧管柱的卡紧部（12），外侧端设有滚轮（13）和回位轴（14），锷板（6）置于锷板架（5）的滑动通道（11）中，锷板（6）外侧端的滚轮（13）与锷板架容置腔（8）的渐开驱动坡面（9）相应配合，在锷板驱动筒（4）正向转动时通过滚轮（13）推动锷板（6）向内侧滑动，锷板（6）外侧端的回位轴（14）与锷板架容置腔（8）的回位槽（10）相应配合，在锷板驱动筒（4）反向转动时通过回位轴（14）推动锷板（6）向外侧滑动，摩擦装置（7）设在锷板架（5）与壳体（1）间，并与壳体（1）采用轴向滑动连接，通过摩擦装置（7）产生的摩擦力可以在锷板（6）未卡紧管柱时使锷板（6）和锷板架（5）不随锷板驱动筒（4）转动，而在锷板（6）卡紧管柱时使锷板（6）和锷板架（5）随锷板驱动筒（4）转动。

2.如权利要求1所述的密闭式液压钳，其特征在于，所述锷板驱动筒（4）的外壁设有活塞（15），所述传动筒（3）的内壁设有与活塞（15）相应配合的浮动控制腔（16），通过向活塞（15）两侧的腔内注入液压介质可以驱动锷板驱动筒（4）上下滑动。

3.如权利要求2所述的密闭式液压钳，其特征在于，所述活塞（15）外周和浮动控制腔（16）的侧壁间采用轴向滑动连接。

4.如权利要求1所述的密闭式液压钳，其特征在于，所述锷板（6）和锷板架（5）为两组，两组的锷板架（5）上下排列并固定成一体，两组的锷板（6）均通过锷板驱动筒（4）驱动。

5.如权利要求1所述的密闭式液压钳，其特征在于，所述驱动装置（2）为液压马达。

6.如权利要求1所述的密闭式液压钳，其特征在于，所述摩擦装置（7）由阻力筒（17）、筒状的摩擦毂（18）、环状的离合式摩擦片（19）、蝶形弹簧（20）和压盘（21）构成，阻力筒（17）与所述壳体（1）采用轴向滑动连接，摩擦毂（18）套在阻力筒（17）外，且摩擦毂（18）的端部固定在锷板架（5）的端面上，多片离合式摩擦片（19）分成相互叠压的两组并分别随阻力筒（17）和摩擦毂（18）转动，蝶形弹簧（20）置于离合式摩擦片（19）外侧并由固定在阻力筒（17）或摩擦毂（18）上的压盘（21）压紧。

7.如权利要求1所述的密闭式液压钳，其特征在于，所述壳体（1）内于主钳装置的下方设有用于夹紧并固定管柱的背钳装置。

8.如权利要求7所述的密闭式液压钳，其特征在于，所述背钳装置由背钳舌体（22）和液压油缸（23）构成，背钳舌体（22）前端设有用于卡紧管柱的卡紧部（12），后端通过卡接的方式连接在液压油缸（23）的活塞杆（24）端部，所述壳体（1）上于主钳装置的下方设有径向通道（25），背钳舌体（22）置于该径向通道（25）内，液压油缸（23）固定在壳体（1）上于该径向通道（25）的外侧端。

9.如权利要求8所述的密闭式液压钳，其特征在于，所述卡紧部（12）的内侧端设有梯形台肩（26），以同时卡紧管柱及其上方连接的管接箍。