CN106761412A - 一种环形液压缸驱动的内撑外夹式顶驱下套管工具 - Google Patents
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Abstract
一种环形液压缸驱动的内撑外夹式顶驱下套管工具，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；上芯轴外侧安装有环形液压油缸系统；环形液压油缸系统下端连接有动力传递系统；动力传递系统下端连接有内撑系统；内撑系统下端连接有导向密封系统；导向密封系统外设置有外夹系统。工作时，内撑系统的卡瓦撑紧套管内壁，外夹系统的卡瓦夹紧套管外壁，因此，可以提高顶驱下套管工具承载能力和上扣能力，此外，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，特别涉及一种环形液压缸驱动的内撑外夹式顶驱下套管工具。
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，套管螺纹的扭矩传递扭距不易精确控制；（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，根据卡瓦与套管的作用形式不同，可以将该工具分类为：内撑式顶驱下套管工具，外夹式顶驱下套管工具。专利号：CN200920105896.4、CN201120336246.8、CN201120469419.3、CN201520393455.4、CN201320856096.2等公开了内撑式顶驱下套管工具，专利号：CN201120557017.9、CN201520506694.6等公开了外夹式顶驱下套管工具。然而，上述专利的顶驱下套管装置要么采用内撑式夹持套管，要么采用外夹式夹持套管，从而导致顶驱下套管装置承载能力、卡瓦的夹持能力和扭矩传递能力有限，在下套管遇阻，需要提升套管、旋转套管以通过遇阻地层时，上述顶驱下套管工具的卡瓦夹持能力、承载能力过小，容易使卡瓦夹持套管时发生打滑，使套管发生破坏、或套管掉落，因此，现有顶驱下套管装置不能安全、高效的完成下套管作业。
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：提供一种环形液压缸驱动的内撑外夹式顶驱下套管工具，具有随时旋转套管、提放套管、灌注循环泥浆、作业安全效率高的特点，而且工具夹持能力、工具承载能力、工具扭矩传递能力大。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种环形液压缸驱动的外撑内夹式顶驱下套管工具，包括上芯轴1、环形液压油缸系统2、动力传递系统3、内撑系统4、外夹系统5、导向密封系统6，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7连接；上芯轴1外侧安装有环形液压油缸系统2；环形液压油缸系统2下端连接有动力传递系统3；动力传递系统3下端连接有内撑系统4；内撑系统4下端连接有导向密封系统6；导向密封系统6外设置有外夹系统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台阶，台阶端面设置有圆形通孔；上芯轴1的台阶端面下侧设置有环形凹槽，环形凹槽内安装有卡箍50；所述上芯轴1的中部外表面为圆柱表面，圆柱表面上侧设置有螺纹，螺纹通过丝扣连接有小圆螺母，小圆螺母下侧设置有台阶；台阶与小圆螺母之间安装有上轴承21；
所述上芯轴1中部外表面套有环形液压缸系统，所述环形液压缸系统包括上轴承端盖20、上轴承21、外缸体22、内缸体23、油缸端盖24；所述内缸体23的内表面设置有阶梯孔26，阶梯孔26的小孔内套有上芯轴1，阶梯孔26的大孔内安装有动力传递系统3；内缸体23的外表面设置有阶梯轴27，阶梯轴27的大轴端面与下轴承端盖33螺栓连接，阶梯轴27的小轴外表面设置有环形凸台25，环形凸台25外表面设置有沟槽，沟槽内安装有密封圈，密封圆外套有外缸体22；所述外缸体22内表面设置有阶梯孔，阶梯孔的小孔内安装有上轴承21，阶梯孔的小孔端面与上轴承端盖20螺栓紧固连接，阶梯孔的大孔内安装有内缸体23的环形凸起25，阶梯孔的大孔端面与油缸端盖24螺栓紧固连接；
所述内缸体23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30、防尘圈31、下轴承32、下轴承端盖33、卡瓦座34；所述卡瓦座34内表面套有下芯轴7，卡瓦座34外表面呈阶梯状，卡瓦座34下侧设置有开口的斜T形槽，斜T形槽内安装有内撑系统4的卡瓦；斜T形槽上侧设置有台阶，台阶上侧设置有螺纹，螺纹连接有大圆螺母30，大圆螺母30外套有防尘圈31；下轴承32安装于台阶与圆螺母30之间；下轴承32由下轴承端盖33定位、紧固；
所述卡瓦座34与内撑系统4连接，所述内撑系统4包括下芯轴7、卡瓦40；所述下芯轴7外表面下侧设置有外楔面，所述卡瓦40内侧下表面设置有内楔面；卡瓦40的内楔面安装于下芯轴7的外楔面内；卡瓦40能沿下芯轴7的楔面滑动；
所述下芯轴7下端螺纹连接有导向密封系统6，导向密封系统6包括防突环60、胶筒61、导向头62；胶筒61安装于防突环60与导向头62之间，导向头62与下芯轴7螺纹连接；
所述外夹系统5包括卡箍50、压紧套51、支撑臂52、支撑底座53、方形油缸54、活塞杆55、弧形卡瓦56、焊接端盖57；所述外夹系统5通过卡箍50紧固于上芯轴1的环形凹槽内；所述卡箍50呈半圆形，半圆形端面设置有半圆形凸耳，半圆形凸耳端面设置有圆形通孔，螺栓穿过圆形通孔将两个卡箍50连接成为一体；卡箍50圆弧表面中部设有圆柱凸起，圆柱凸起外套有支撑臂52，支撑臂52与压紧套51接触，支撑臂52通过螺栓紧固于圆柱凸起的端面；所述支撑臂52下端焊接有支撑底座53，支撑底53座呈圆盘形，圆盘形表面均布有两圈通孔，螺栓穿过通孔连接有方形油缸54；方形油缸54呈长方体，长方体的内设置均布有四个凹腔，凹腔内安装有活塞杆55；活塞杆55的中部设置有凸台，凸台外设置有环形凹槽，环形凹槽内设置有密封圈，密封圈外套管方形油缸54；活塞杆55的一端外表面设置有螺纹，螺纹外与弧形卡瓦56紧固连接；焊接端盖57焊接于方形油缸54的凹腔端面
与现有技术比较，本发明的效果是：1）环形液压油缸系统结构简单、装配简便，能简化顶驱下套管装置的复杂结构，并降低顶驱下套管装置制造成本；2）采用外撑式和内夹式两种方式同时夹紧套管，此外，还增加了卡瓦与套管的接触面积，卡瓦的夹持力增大，能有效提高顶驱下套管装置的承载能力、扭矩传递能力；3）本发明承载能力、扭矩传递能力大，能作为套管钻井时套管的夹持头，从而夹持套管完成套管钻井作业；4）本发明能根据需要随时循环泥浆、提放管柱、旋转管柱，提高下套管作业自动化程度、下套管作业效率，降低石油天然气固井作业的综合成本。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
图2为本发明三维结构示意视图。
图3为上芯轴三维结构示意图。
图4为环形油缸系统三维结构示意图。
图5为内缸体三维结构示意视图。
图6为外缸体三维结构示意图。
图7为动力传递系统三维结构示意图。
图8为卡瓦座三维结构示意视图。
图9为外夹系统三维结构示意图。
图10为卡箍三维结构结构示意图。
图11为方形油缸处的三维结构示意视图。
图12为活塞杆结构示意图。
1.上芯轴，2.环形油缸系统，3.动力传递系统，4.内撑系统，5.外夹系统，6.导向密封系统，7.下芯轴，20.上轴承端盖，21.上轴承，22.外缸体，23.内缸体，24.油缸端盖，25.环形台阶，26.阶梯孔，27.阶梯轴，30.大圆螺母，31.防尘圈，32.下轴承，33.下轴承端盖，34.卡瓦座，35.卡瓦座螺纹，40.卡瓦，50.卡箍，51.压紧套，52.支撑臂，53.支撑底座，54.方形油缸，55.活塞杆，56.弧形卡瓦，57.焊接端盖，60.防突环，61.胶筒，62.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2，一种环形液压缸驱动的外撑内夹式顶驱下套管工具，包括上芯轴1、环形液压油缸系统2、动力传递系统3、内撑系统4、外夹系统5、导向密封系统6，其特征为：上芯轴1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7连接；上芯轴1外侧安装有环形液压油缸系统2；环形液压油缸系统2下端连接有动力传递系统3；动力传递系统3下端连接有内撑系统4。
参照图2，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7连接。上芯轴1的上锥螺纹下端设计有盘形凸台，盘形凸台上开有十二个个圆形通孔，该通孔用于螺栓紧固连接卡箍50。上芯轴1的盘形凸台下设计有环形凹槽，环形凹槽内安装有两个卡箍50。上芯轴1的环形凹槽下设计有螺纹，螺纹下侧设计有凸台，所设计的螺纹和凸台用于安装定位环形液压油缸系统2的上轴承21。上芯轴1外表面套有环形液压油缸系统2。
参照图4~图5，环形液压油缸系统2包括上轴承端盖20、上轴承21、外缸体22、内缸体23、油缸端盖24。内缸体23的内表面设置有阶梯孔26，阶梯孔26内的上侧套有上芯轴1；阶梯孔26内的下侧套有动力传递系统3。内缸体23的外表设计有阶梯轴27，阶梯轴27的下侧圆柱端面与动力传递系统3螺栓紧固连接；阶梯轴27的上侧圆柱表面中部设置有环形台阶25，该环形台阶25起到活塞作用；环形台阶25外表面设置有沟槽，沟槽内安装有密封圈，密封圆外套有外缸体22，此时，密封圈将内缸体23分隔为两个液压油腔室，分别为进油腔室和出油腔室，且外缸体22上开有进油孔和出油孔。
参照图4、图6，外缸体22内表面设置有阶梯孔，阶梯孔的上侧端面设置有螺纹孔，用于与上轴承端盖20紧固连接。上轴承端盖20用于定位及紧固上轴承21，上轴承21能使环形油缸系统相对于上芯轴1转动，从而防止环形油缸系统的转动。上轴承21安装于外缸体22的上侧内表面。阶梯孔的下侧端面螺栓连接有油缸端盖24，从而使外缸体22下端封闭，使内缸体23与外缸体22构成环形液压油缸。
参照图7、图8，动力传递系统3包括大圆螺母30、防尘圈31、下轴承32、下轴承端盖33、卡瓦座34。卡瓦座34内表面套有下芯轴7；卡瓦座34外表面呈阶梯状；卡瓦座34下侧设置有开口的斜T形槽，斜T形槽内安装有内撑系统4的卡瓦40，卡瓦40沿下芯轴7滑动时，斜T形槽能使卡瓦40上端径向胀开。斜T形槽上侧设置有台阶，台阶上侧设置有卡瓦座螺纹35，卡瓦座螺纹35外连接有大圆螺母30。下轴承32安装于台阶与大圆螺母30之间，下轴承32通过下轴承32端盖定位及紧固。下轴承32能使动力传递系统3相对于下芯轴7转动，从而防止动力传递系统3跟随下芯轴7转动。
参照图1、图2，内撑系统4包括下芯轴7、卡瓦40。下芯轴7外表面下侧设置有六个外楔面，每个楔面上配合安装有一支卡瓦7。卡瓦40内侧下表面设置有内楔面。卡瓦40的内楔面安装于下芯轴7的外楔面内，且卡瓦40能沿楔面滑动。由于楔面的楔形作用，卡瓦40能沿径向胀开，使卡瓦40撑紧套管内壁，从而实现套管夹持、旋转。
导向密封系统6包括防突环60、胶筒61、导向头62；胶筒61安装于防突环60与导向头62之间，导向头62与下芯轴7螺纹连接。防突环60用于限制胶筒61受压时的大变形行为，以防止泥浆泄露。胶筒61为呈皮碗形，存自封功能。导向头62用于引导卡瓦系统进入套管环空。
参照图9~图12外夹系统5包括卡箍50、压紧套51、支撑臂52、支撑底座53、方形油缸54、活塞杆55、弧形卡瓦56、焊接端盖57。外夹系统5通过卡箍50紧固于上芯轴1环形凹槽内。卡箍50呈半圆形，半圆形端面设置有半圆形凸耳；半圆形凸耳端面设置有三个圆形通孔，螺栓穿过圆形通孔将两个卡箍50连接成为一体，从而使卡箍50抱紧上芯轴1；卡箍50的圆弧表面中部设有一个圆柱凸起；圆柱凸起外套有支撑臂52，支撑臂52通过螺栓紧固于圆柱凸起的端面。支撑臂52下端通过焊接方式连接有支撑底座53，支撑底座53呈圆盘形，圆盘表面设置有两圈通孔，螺栓穿过通孔连接有方形油缸54。方形油缸54为长方体，长方体内设计有四个凹腔，凹腔起到油缸的作用。凹腔内安装有活塞杆55，活塞杆55中部设计有台阶，台阶起到活塞的作用，台阶中部设计有凹槽，凹槽内安装有密封圈，密封圈外套有方形油缸54；方形油缸54端面通过焊接方式连接有焊接端盖57，焊接端盖57用于封闭方形油缸54；此外，方形油缸54下表面还设计有进油孔、出油孔。活塞杆55的一端设计有螺纹，螺纹外连接有弧形卡瓦56，弧形卡瓦56的内表面设计有卡瓦牙。
本发明一种环形液压缸驱动的外撑内夹式顶驱下套管工具的工作原理是：1）夹持时：通过控制液压系统，使内撑系统4的液压油缸充压，卡瓦40沿楔面滑移，使卡瓦40沿径向胀开，卡瓦40撑紧套管内壁，完成内撑夹持系统对套管的夹持；随后，控制液压系统，使外夹系统的油缸充压，使弧形卡瓦56沿径向夹紧套管的外壁，完成外夹系统5对套管的夹持。2）松开时，控制液压系统，使内撑系统4和外夹系统的回油腔充压，使卡瓦40及弧形卡瓦56松开套管。通过上述两种方式夹紧套管，卡瓦的对套管的夹持能力增强，可使顶驱下套管装置的承载能力及扭矩传递能力显著提高。
Claims (1)
1.一种环形液压缸驱动的内撑外夹式顶驱下套管工具，包括上芯轴（1）、环形液压油缸系统（2）、动力传递系统（3）、内撑系统（4）、外夹系统（5）、导向密封系统（6），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（7）连接；上芯轴（1）外侧安装有环形液压油缸系统（2）；环形液压油缸系统（2）下端连接有动力传递系统（3）；动力传递系统（3）下端连接有内撑系统（4）；内撑系统（4）下端连接有导向密封系统（6）；导向密封系统（6）外设置有外夹系统（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台阶，台阶端面设置有圆形通孔；上芯轴（1）的台阶端面下侧设置有环形凹槽，环形凹槽内安装有卡箍（50）；所述上芯轴（1）的中部外表面为圆柱表面，圆柱表面上侧设置有螺纹，螺纹通过丝扣连接有小圆螺母，小圆螺母下侧设置有台阶；台阶与小圆螺母之间安装有上轴承（21）；
所述上芯轴（1）中部外表面套有环形液压缸系统，所述环形液压缸系统包括上轴承端盖（20）、上轴承（21）、外缸体（22）、内缸体（23）、油缸端盖（24）；所述内缸体（23）的内表面设置有阶梯孔（26），阶梯孔（26）的小孔内套有上芯轴（1），阶梯孔（26）的大孔内安装有动力传递系统（3）；内缸体（23）的外表面设置有阶梯轴（27），阶梯轴（27）的大轴端面与下轴承端盖（33）螺栓连接，阶梯轴（27）的小轴外表面中部设置有环形凸台（25），环形凸台（25）外表面设置有沟槽，沟槽内安装有密封圈，密封圆外套有外缸体（22）；所述外缸体（22）内表面设置有阶梯孔，阶梯孔的小孔内安装有上轴承（21），阶梯孔的小孔端面与上轴承端盖（20）螺栓紧固连接，阶梯孔的大孔内安装有内缸体（23）的环形凸起（25），阶梯孔的大孔端面与油缸端盖（24）螺栓紧固连接；
所述内缸体（23）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（30）、防尘圈（31）、下轴承（32）、下轴承端盖（33）、卡瓦座（34）；所述卡瓦座（34）内表面套有下芯轴（7），卡瓦座（34）外表面呈阶梯状，卡瓦座（34）下侧设置有开口的斜T形槽，斜T形槽内安装有内撑系统（4）的卡瓦（40）；斜T形槽上侧设置有台阶，台阶上侧设置有螺纹（35），螺纹（35）连接有大圆螺母（30），大圆螺母（30）外套有防尘圈（31）；下轴承（32）安装于台阶与大圆螺母（30）之间；下轴承32由下轴承端盖（33）定位、紧固；
所述卡瓦座（34）与内撑系统（4）连接，所述内撑系统（4）包括下芯轴（7）、卡瓦（40）；所述下芯轴（7）外表面下侧设置有外楔面，所述卡瓦（40）内侧下表面设置有内楔面；卡瓦（40）的内楔面安装于下芯轴（7）的外楔面内；卡瓦（40）能沿下芯轴（7）的楔面滑动；
所述下芯轴（7）下端螺纹连接有导向密封系统（6），导向密封系统（6）包括防突环（60）、胶筒（61）、导向头（62）；胶筒（61）安装于防突环（60）与导向头（62）之间，导向头（62）与下芯轴（7）螺纹连接；
所述外夹系统（5）包括卡箍（50）、压紧套（51）、支撑臂（52）、支撑底座（53）、方形油缸（54）、活塞杆（55）、弧形卡瓦（56）、焊接端盖（57）；所述外夹系统（5）通过卡箍（50）紧固于上芯轴（1）的环形凹槽内；所述卡箍（50）呈半圆形，半圆形端面设置有半圆形凸耳，半圆形凸耳端面设置有圆形通孔，螺栓穿过圆形通孔将两个卡箍（50）连接成为一体；卡箍（50）圆弧表面中部设有圆柱凸起，圆柱凸起外套有支撑臂（52），支撑臂（52）与压紧套（51）接触，支撑臂（52）通过螺栓紧固于圆柱凸起的端面；所述支撑臂（52）下端焊接有支撑底座（53），支撑底（53）座呈圆盘形，圆盘形表面均布有两圈通孔，螺栓穿过通孔连接有方形油缸（54）；方形油缸（54）为长方体，长方体的内设置均布有四个凹腔，凹腔呈阶梯状，凹腔内安装有活塞杆（55）；活塞杆（55）的中部设置有凸台，凸台外设置有环形凹槽，环形凹槽内设置有密封圈，密封圈外套管方形油缸（54）；活塞杆（55）的一端外表面设置有螺纹，螺纹外与弧形卡瓦（56）紧固连接；焊接端盖（57）焊接于方形油缸（54）的凹腔端面。
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