CN106761411A - 一种电机驱动式顶驱下套管工具 - Google Patents

Abstract

一种电机驱动式顶驱下套管工具，上芯轴的上、下两端各设置有螺纹，上芯轴的上螺纹与顶驱装置连接，上芯轴的下螺纹与下芯轴连接；上芯轴外侧安装有电机驱动系统；电机驱动系统下端螺栓连接有动力传递系统；动力传递系统内安装有卡瓦系统。工作时，电机系统的大齿轮通过下端的螺纹传动，将电机的旋转运动转换为卡瓦的轴向驱动力，使卡瓦沿楔面胀开，进而实现卡瓦撑紧套管内壁的目的。本发明采用电机驱动，无液压驱动，更环保安全；卡瓦上有交错的横向和环向的卡瓦牙，可以增加工具传递顶驱扭矩的能力；同时，使用本工具还能随时旋转套管、提放套管、循环泥浆，从而提高下套管作业效率和安全性，降低钻井综合成本。

Description

一种电机驱动式顶驱下套管工具

技术领域

本发明涉及石油天然气固井装备技术领域，特别涉及一种电机驱动式顶驱下套管工具。

背景技术

下套管作业的目的在于封隔地层、加固井壁、防止油气泄漏和建立油气通道等，是石油天然气钻井作业过程中的一个极其重要的环节。下套管工具是完成下套管作业的关键性装备，常规下套管装备主要包括：用于夹持套管的井口卡瓦、用于套管旋扣的液压套管钳、用于断续灌注泥浆的开放式灌泥浆装置、用于提升套管的套管吊卡等工具。

上述常规下套管装备存在如下问题：（1）利用套管钳旋扣，套管螺纹的上扣扭距不易精确控制；（2）利用断续灌浆装置灌注泥浆，不能根据需要及时循环泥浆，尤其是在套管下入遇阻时，必须重新连接方钻杆建立泥浆循环，清除沉沙，影响了下套管效率；（3）利用套管吊卡提升套管，井眼中的套管不能旋转；（4）常规下套管装备还存在操作复杂，作业效率低，安全可靠性不高等缺点。

为解决上述问题，国内外研发了顶驱下套管装置，根据卡瓦所受驱动力的形式不同，可以将该工具分类为：液压驱动式和机械驱动式。中国专利号：CN201420409069.5，CN201120557017.9，CN200920105896.4公布了液压驱动式下套管工具，中国专利号：CN201520506694.6，CN201510410640.4，CN201510312492.2公布了机械驱动式顶驱下套管工具。然而，上述液压式下套管工具的液压油容易泄露污染环境，而且液压系统受外界环境的影响较大；而上述机械式下套管工具存在结构复杂缺点，另外，卡瓦传递扭矩的范围较小，不能适应多种套管旋转、套管上扣等工况的使用。

发明内容

为了克服现有下套管装备的上述缺点，本发明的目的：提供一种电机驱动式顶驱下套管工具，具有随时旋转套管、提放套管、灌注泥浆、循环泥浆、作业安全效率高的特点，且卡瓦系统能有效传递顶驱的扭矩。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种电机驱动式顶驱下套管工具，包括上芯轴1、电机驱动系统2、动力传递系统3、卡瓦系统4、导向密封系统5，其特征为：上芯轴1的上、下两端各设置有螺纹，上芯轴1的上螺纹与顶驱装置连接，上芯轴1的下螺纹与下芯轴40连接；上芯轴1外侧安装有电机驱动系统2；电机驱动系统2下端螺栓连接有动力传递系统3；动力传递系统3内安装有卡瓦系统4；卡瓦系统4下端螺纹连接有导向密封系统5；

所述上芯轴1的上、下两端各设置有锥螺纹，上芯轴1的上锥螺纹下侧设置有一段外螺纹10，外螺纹10连接有小圆螺母；上芯轴1的下锥螺纹上侧设置有台阶11；小轴承23安装于小圆螺母与台阶11之间；小轴承23外安装有电机驱动系统2；

所述电机驱动系统2包括电机20、小轴承上端盖21、悬挂筒22、小轴承23、转动筒24、小轴承下端盖25、大齿轮26、球形滚珠27、防转销28、挡盖29、螺纹筒30；所述转动筒24呈空心圆柱状，转动筒24内表面安装有小轴承23，转动筒24能相对上芯轴1转动；转动筒24外表面中部设置有台阶，台阶中部设置有环向半圆弧形凹槽，半圆弧凹槽的中部设置一条轴向半圆弧形凹槽；转动筒24上、下两端面均设置有螺纹孔，转动筒24的上螺纹孔经螺栓连接有小轴承上端盖21，转动筒24的下螺纹孔经螺栓连接有小轴承下端盖25；

转动筒24外套有大齿轮26，大齿轮26的内表面上侧设置有环向半圆弧形凹槽，环向半圆弧形凹槽与转动筒24的环向半圆弧形凹槽，组成环向圆形凹槽，环向圆形凹槽内安装有球形滚珠27，转动筒24与大齿轮26能相对转动；大齿轮26半圆弧凹槽的中部设置有一条轴向半圆弧形凹槽，轴向半圆弧形凹槽与转动筒24的轴向半圆弧形凹槽，组成轴向的圆形孔，轴向的圆形孔用于球形滚珠27的装配；大齿轮26外表面呈阶梯轴状，大齿轮26的大轴端设置有齿轮，齿轮与电机20的小齿轮相互啮合，大齿轮26的小轴端设置有外螺纹；

大齿轮26经外螺纹连接有螺纹筒30，螺纹筒30呈空心圆柱状，螺纹筒30内表面设置有阶梯，阶梯用于定位安装大轴承31，阶梯的上侧设置有内螺纹，内螺纹与大齿轮26的螺纹形成丝扣连接；螺纹筒30上端面均布有四个沿轴向的半圆形孔；螺纹筒30的下端表面设置有螺纹孔，螺纹筒30经螺栓连接有大轴承端盖32；

螺纹筒30的上侧外表面经防转销28连接有悬挂筒22，悬挂筒22呈空心圆柱形；悬挂筒22内表面设置有阶梯，阶梯上均布有四个沿轴向的半圆形孔，半圆形孔与螺纹筒30的半圆形孔形成圆柱孔，圆柱孔内安装有防转销28；悬挂筒22上、下两端面各设置有螺纹孔，上螺纹孔经螺栓连接有小轴承上端盖21，下螺纹孔经螺栓连接有挡盖29；挡盖29呈圆环形；

小轴承上端盖21设置有小轴承23连接通孔，悬挂筒22连接通孔、电机20安装孔；电机20经螺栓紧固于小轴承上端盖21的表面，电机20的小齿轮穿过小轴承上端盖21与大齿轮26啮合；

所述电机驱动系统2与动力传递系统3螺栓连接，所述动力传递系统3包括大圆螺母34、大轴承31、大轴承端盖32、卡瓦座33；所述卡瓦座33内表面套有下芯轴40，卡瓦座33外表面呈阶梯状；卡瓦座33下侧设置有开口的斜T形槽，斜T形槽内安装有卡瓦41；斜T形槽上侧设置有台阶，台阶上侧设置有外螺纹，外螺纹上连接有大圆螺母34；大轴承31安装于台阶与大圆螺母34之间；大轴承31由大轴承端盖32定位、紧固；动力传递系统3能相对下芯轴40转动；

所述卡瓦座33与卡瓦系统4连接，所述卡瓦系统4包括下芯轴40、卡瓦41；所述下芯轴40外表面下侧设置有外楔面，所述卡瓦41内侧下表面设置有内楔面；卡瓦41的内楔面安装于下芯轴40的外楔面内；卡瓦41能沿下芯轴40的楔面滑动；卡瓦外表面设置有纵向卡瓦牙42、横向卡瓦牙43；

所述下芯轴40下端螺纹连接有导向密封系统5，导向密封系统5包括防突环50、胶筒51、导向头52；胶筒51安装于防突环50与导向头52之间，导向头52与下芯轴40螺纹连接。

与现有技术比较，本发明的效果是：1）本顶驱下套管工具采用电机为卡瓦提供驱动力，无需液压源，因此本工具具有安全可靠的特点；2）采用交错布置卡瓦牙，可以增大摩擦力，从而传递更大的扭矩，从而实现套管上扣、套管旋转等工况作业时的需求；3）本顶驱下套管工具结构合理、操作简单便利，且结构简单，因而可以减小加工制造难度，降低生产成本。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图2为本发明三维外观示意图。

图3为本发明三维剖切视图。

图4为上芯轴三维剖切视图。

图5为电机系统三维剖切视图。

图6为电机三维视图。

图7为电机系统主要零部件爆炸三维剖切视图。

图8上轴承端盖三维剖切视图。

图9为悬挂筒三维剖切视图。

图10为转动筒三维剖切视图。

图11为大齿轮三维剖切视图。

图12为螺纹筒三维剖切视图。

图13为动力传递系统三维剖切视图。

图14为卡瓦座三维剖切视图。

图15为卡瓦系统三维剖切视图。。

图16为卡瓦局部三维视图。

图17为导向密封系统三维剖切视图。

1.上芯轴，2.电机驱动系统，3.动力传递系统，4.卡瓦系统，5.导向密封系统，10.外螺纹，11.台阶，20.电机，21.小轴承上端盖，22.悬挂筒，23.小轴承，24.转动筒，25.小轴承下端盖，26.大齿轮，27.球形滚珠，28.防转销，29.挡盖，30.螺纹筒，31.大轴承，32.大轴承端盖，33.卡瓦座，34.大圆螺母，35.卡瓦座台阶，36.卡瓦座螺纹，40.下芯轴，41.卡瓦，42.横向卡瓦牙，43.环向卡瓦牙，50.防突环，51.胶筒，52.导向头。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细叙述。

参照图1~图3，一种电机驱动式顶驱下套管工具，包括上芯轴1、电机驱动系统2、动力传递系统3、卡瓦系统4、导向密封系统5。上芯轴1的上、下两端各设置有螺纹，上芯轴1的上螺纹与顶驱装置连接，上芯轴1的下螺纹与下芯轴40连接；上芯轴1外侧安装有电机驱动系统2；电机驱动系统2下端螺栓连接有动力传递系统3；动力传递系统3内安装有卡瓦系统4；卡瓦系统4下端螺纹连接有导向密封系统5。其中，上芯轴1起到连接顶驱装置，承载重力、传递扭矩的作用；电机驱动系统2起到为卡瓦提供驱动力，驱动卡瓦41径胀开，达到撑紧套管内壁的作用；动力传递系统3起到传递轴向载荷、防止卡瓦跟随电机驱动系统2旋转的作用；卡瓦系统4起到执行机构作用，用于撑紧套管内壁，完成一些列下套管作业等作用；导向密封系统5起到引导和密封下套管工具的作用。下面将对本发明做进一步详细叙述。

参照图1、图4，上芯轴1上、下两端各设置有锥螺纹，上芯轴1的上锥螺纹与顶驱装置连接；上芯轴1的下锥螺纹与下芯轴40连接。上芯轴1的上锥螺纹下侧设置有一段外螺10，外螺纹10用于连接小圆螺母，小圆螺母用于定位、紧固小轴承23。上芯轴1的下锥螺纹上侧设置有台阶11，台阶11用于定位、紧固小轴承23。台阶11和小圆螺母均起到定位、紧固小轴承23内圈的作用。小轴承23由一对圆锥滚子轴承构成。安装小轴承23的作用在于防止电机20及电机20的线缆跟随上芯轴1转动。上芯轴1外表面套有电机驱动系统2。此外，图1表示的是卡瓦处于上极限位置时候的状态。

参照图1、图5、图10，电机驱动系统2包括电机20、小轴承上端盖21、悬挂筒22、小轴承23、转动套、小轴承上端盖21、大齿轮26、球形滚珠27、防转销28、挡盖29、螺纹筒30。转动筒24呈空心圆柱状，转动筒24内表面安装有小轴承23，使转动筒24能相对上芯轴1转动。转动筒24外表面中部设置有台阶，台阶中部设置有两圈环向半圆弧形凹槽，半圆弧形凹槽内安装有球形滚珠27，使大齿轮26能相对于上芯轴1旋转；半圆弧凹槽的中部设置一条轴向半圆弧形凹槽。转动筒24上、下两端面均设置有十二个螺栓孔，转动筒24上端面的螺纹孔经螺栓连接有小轴承上端盖21，转动筒24下端面的螺纹孔经螺栓连接有小轴承下端盖25。

参照图1、图5、图11，转动筒24经过球形滚珠27连接有大齿轮26，大齿轮26的内表面上侧设置有半圆弧形凹槽，半环向圆弧形凹槽能与转动筒24的环向半圆弧形凹槽组成完整的环向圆形凹槽，完整的圆形凹槽用于安装球形滚珠27，使转动筒24与大齿轮26能相对转动。大齿轮26半圆弧凹槽的中部设置有轴向半圆弧形凹槽，轴向半圆弧形凹槽与转动筒24的轴向半圆弧形凹槽组成完整的轴向圆形孔，完整的圆形孔用于球形滚珠27装配时从此孔通过，当球形滚珠27装配完成后，需将此轴向圆形孔堵塞住，以防止球形滚珠27的掉落。大齿轮26外表面呈阶梯轴状，大齿轮26的大轴端设置有齿轮，齿轮能与电机20的小齿轮相互啮合、转动。大齿轮26的小轴端设置有外螺纹，外螺纹用于连接螺纹筒30。

参照图1、图5、图12，大齿轮26经外螺纹连接有螺纹筒30，螺纹筒30呈空心圆柱状。螺纹筒30内的表面设置有阶梯，阶梯用于定位安装大轴承31。螺纹筒30阶梯的上侧设置有内螺纹，内螺纹与大齿轮26的外螺纹的相互配合，从而形成丝扣连接。螺纹筒30上端面均布有四个沿轴向的半圆形孔，半圆形孔内安装有防转销28。设置防转销28的目的在于防止螺纹筒30跟随大齿轮26转动，从而将大齿轮26的旋转运动转化为螺纹筒28的轴向运动，实现为卡瓦41提供轴向的驱动力的目的。螺纹筒30的下端表面设置有螺纹孔，螺纹筒30经螺栓连接有大轴承端盖32。

参照图1、图5、图9，螺纹筒30的上侧外表面经防转销28连接有悬挂筒22，悬挂筒22呈空心圆柱形。悬挂筒22内表面设置有阶梯，阶梯上均布有四个沿轴向的半圆形孔，半圆形孔与螺纹筒30的半圆形孔形成圆柱孔，圆柱孔内安装有防转销28，使螺纹筒30只能相对大齿轮26沿轴向移动，从而将大齿轮26的旋转运动转化为螺纹筒28的轴向运动。悬挂筒22上、下两端面各设置有十二个螺纹孔，上螺纹孔经螺栓连接有小轴承上端盖21，下螺纹孔经螺栓连接有挡盖29。挡盖29呈圆环形，圆环上设计有十二个均布的通孔，用于螺栓连接悬挂筒22。

参照图1、图5、图8，小轴承上端盖21设置设计有两圈通孔，内圈为转动筒连接通孔，外圈为悬挂筒连接通孔，每圈孔的数目为十二个，内圈通孔用于定位、紧固小轴承23，并经螺栓连接有转动筒24；外圈通孔用于连接悬挂筒22。此外，内圈通孔和外圈通孔之间还设计有电机20安装通孔，电机20通过螺栓紧固，且电机20的小齿轮轴穿过安装通孔，伸入悬挂筒22内，实现小齿轮与大齿轮26的啮合。

参照图13~图14，动力传递系统3包括大圆螺母34、大轴承31、大轴承端盖32、卡瓦座33。卡瓦座33内表面套有下芯轴40；卡瓦座33外表面呈阶梯状。卡瓦座33下侧设计有开口的斜T形槽，斜T形槽内安装有六支卡瓦41，卡瓦41沿下芯轴40滑动时，斜T形槽能使卡瓦41上端也胀开。斜T形槽上侧设置有卡瓦座台阶35，卡瓦座台阶35上侧设置有卡瓦座外螺纹36，卡瓦座外螺纹36外连接有大圆螺母34。大轴承31安装于卡瓦座台阶35与大圆螺母34之间，大轴承31通过大轴承端盖32定位及紧固。大轴承32由一对圆锥滚子轴承构成。大轴承31能使动力传递系统3相对于下芯轴40转动，从而防止动力传递系统3跟随下芯轴40转动。

参照图15、图16，卡瓦系统4包括下芯轴40、卡瓦41。下芯轴40外表面下侧设置有六个楔面，每个楔面上配合安装有一支卡瓦41。卡瓦41内侧下表面设置有内楔面。卡瓦41的内楔面安装于下芯轴40的外楔面内，且卡瓦41能沿楔面滑动。由于楔面的楔形作用，卡瓦41能沿径向胀开，使卡瓦41撑紧套管内壁，从而实现套管夹持、旋转。此外，卡瓦41外表面交错布置有横向卡瓦牙42和环向卡瓦牙43；横向和环向的卡瓦牙交错布置能增加横向的摩擦力，从而提高顶驱下套管工具的上扣能力，以及扭矩的传递能力。下芯轴40下端螺纹连接有导向密封系统5。

参照图17，导向密封系统5包括防突环50、胶筒51、导向头52；胶筒51安装于防突环50与导向头52之间，导向头52与下芯轴40螺纹连接。防突环50用于限制胶筒51受压时的大变形行为，以防止泥浆泄露。胶筒51为呈皮碗形，有自密封功能。导向头52用于引导卡瓦系统4进入套管环空。

本发明一种电机驱动式顶驱下套管工具的工作原理是：1）电机20启动带动小齿轮旋转，小齿轮旋转带动大齿轮26旋转，大齿轮26通过下端的螺纹传动使螺纹筒30轴向移动（由于防转销28的限位作用，螺纹筒只能轴向移动，不能发生转动），螺纹筒30轴向移动使动力传递系统3轴向移动，从而使卡瓦41沿下芯轴40楔面移动。由于楔面的作用，卡瓦41在沿轴向移动的同时，也将沿径向移动。卡瓦41的径向移动使卡瓦牙撑紧套管内壁，实现初始预接触。随后提升顶驱下套管工具，由于下芯轴40的楔面作用，卡瓦41将进一步撑紧套管内部，从而实现套管的悬持、套管的旋转，及循环泥浆等作业。2）下套管结束后，控制电机20反转，使卡瓦41缩回，卡瓦41与套管接触分离，随后，将整个顶驱下套管工具提出套管，从而完成一根套管的下入作业。

Claims (1)

1.一种电机驱动式顶驱下套管工具，包括上芯轴（1）、电机驱动系统（2）、动力传递系统（3）、卡瓦系统（4）、导向密封系统（5），其特征为：上芯轴（1）的上、下两端各设置有螺纹，上芯轴（1）的上螺纹与顶驱连接，上芯轴（1）的下螺纹与下芯轴（40）连接；上芯轴（1）外侧安装有电机驱动系统（2）；电机驱动系统（2）下端螺栓连接有动力传递系统（3）；动力传递系统（3）内安装有卡瓦系统（4）；卡瓦系统（4）下端螺纹连接有导向密封系统（5）；

所述上芯轴（1）的上、下两端各设置有锥螺纹，上芯轴（1）的上锥螺纹下侧设置有一段外螺纹（10），外螺纹（10）连接有小圆螺母；上芯轴（1）的下锥螺纹上侧设置有台阶（10）；小轴承（23）安装于小圆螺母与台阶（10）之间；小轴承（23）外安装有电机驱动系统（2）；

所述电机驱动系统（2）包括电机（20）、小轴承上端盖（21）、悬挂筒（22）、小轴承（23）、转动筒（24）、小轴承下端盖（25）、大齿轮（26）、球形滚珠（27）、防转销（28）、挡盖（29）、螺纹筒（30）；所述转动筒（24）呈空心圆柱状，转动筒（24）内表面安装有小轴承（23），转动筒（24）能相对上芯轴（1）转动；转动筒（24）外表面中部设置有台阶，台阶中部设置有环向半圆弧形凹槽，半圆弧凹槽的中部设置一条轴向半圆弧形凹槽；转动筒（24）上、下两端面均设置有螺纹孔，转动筒（24）的上螺纹孔经螺栓连接有小轴承上端盖（21），转动筒（24）的下螺纹孔经螺栓连接有小轴承下端盖（25）；

转动筒（24）外套有大齿轮（26），大齿轮（26）的内表面上侧设置有环向半圆弧形凹槽，环向半圆弧形凹槽与转动筒（24）的环向半圆弧形凹槽组成环向圆形凹槽，环向圆形凹槽内安装有球形滚珠（27），转动筒（24）与大齿轮（26）能相对转动；大齿轮（26）半圆弧凹槽的中部设置有一条轴向半圆弧形凹槽，轴向半圆弧形凹槽与转动筒（24）的轴向半圆弧形凹槽组成轴向的圆形孔，轴向的圆形孔用于球形滚珠（27）的装配；大齿轮（26）外表面呈阶梯轴状，大齿轮（26）的大轴端设置有齿轮，齿轮与电机（20）的小齿轮相互啮合，大齿轮（26）的小轴端设置有外螺纹；

大齿轮（26）经外螺纹连接有螺纹筒（30），螺纹筒（30）呈空心圆柱状，螺纹筒（30）内表面设置有阶梯，阶梯用于定位安装大轴承（31），阶梯的上侧设置有内螺纹，内螺纹与大齿轮（26）的螺纹形成丝扣连接；螺纹筒（30）上端面均布有四个沿轴向的半圆形孔；螺纹筒（30）的下端表面设置有螺纹孔，螺纹筒（30）经螺栓连接有大轴承端盖（32）；

螺纹筒（30）上侧外表面经防转销（28）连接有悬挂筒（22），悬挂筒（22）呈空心圆柱形；悬挂筒（22）内表面设置有阶梯，阶梯上均布有沿轴向的半圆形孔，半圆形孔与螺纹筒（30）的半圆形孔形成圆柱孔，圆柱孔内安装有防转销（28）；悬挂筒（22）上、下两端面各设置有螺纹孔，上螺纹孔经螺栓连接有小轴承上端盖（21），下螺纹孔经螺栓连接有挡盖（29）；

小轴承上端盖（21）设置有转动筒连接通孔，悬挂筒连接通孔、电机安装通孔；电机（20）经螺栓紧固于小轴承上端盖（21）的表面，电机（20）的小齿轮穿过小轴承上端盖（21）与大齿轮（26）啮合；

所述电机驱动系统（2）与动力传递系统（3）螺栓连接，所述动力传递系统（3）包括大圆螺母（34）、大轴承（31）、大轴承端盖（32）、卡瓦座（33）；所述卡瓦座（33）内表面套有下芯轴（40），卡瓦座（33）外表面呈阶梯状；卡瓦座（33）下侧设置有开口的斜T形槽，斜T形槽内安装有卡瓦（41）；斜T形槽上侧设置有台阶，台阶上侧设置有外螺纹，外螺纹上连接有大圆螺母（34）；大轴承（31）安装于台阶与大圆螺母（34）之间；大轴承（31）由大轴承端盖（32）定位、紧固；动力传递系统（3）能相对下芯轴（40）转动；

所述卡瓦系统（4）包括下芯轴（40）、卡瓦（41）；所述下芯轴（40）外表面下侧设置有外楔面，所述卡瓦（41）内侧下表面设置有内楔面；卡瓦（41）的内楔面安装于下芯轴（40）的外楔面内；卡瓦（41）能沿下芯轴（40）的楔面滑动；卡瓦（41）外表面交错设置有纵向卡瓦牙（42）、横向卡瓦牙（43）；

所述下芯轴（40）下端经螺纹连接有导向密封系统（5），导向密封系统（5）包括防突环（50）、胶筒（51）、导向头（52）；胶筒（51）安装于防突环（50）与导向头（52）之间，导向头（52）与下芯轴（40）螺纹连接。