CN106761411B - 一种电机驱动式顶驱下套管工具 - Google Patents
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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
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凹槽,半圆弧凹槽的中部设置一条轴向半圆弧凹槽;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的环向半圆弧凹槽,组成环向圆凹槽,环向圆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环向半圆弧形凹槽,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(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。
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