CN107313726B - 一种套管水泥头快装卡箍及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种套管水泥头快装卡箍及其使用方法，属于油气井高压固完井工具领域。所述套管水泥头快装卡箍包括快速锁紧单元和密封单元；所述快速锁紧单元包括卡箍外壳以及设置在其内腔中的移动挡块和锁紧挡块；当移动挡块沿与卡箍外壳轴线平行的方向移动时，其推动锁紧挡块沿卡箍外壳的径向方向移动，锁紧或松开井口套管接箍；所述密封单元包括上接头以及设置在其内腔中的金属套，在所述金属套上设有密封胶圈；井口套管接箍的端部通过所述密封胶圈密封；所述上接头的一端连接卡箍外壳，另一端连接套管水泥头。

Description

一种套管水泥头快装卡箍及其使用方法

技术领域

本发明属于油气井高压固完井工具领域，具体涉及一种套管水泥头快装卡箍及其使用方法。

背景技术

固井是石油钻井过程中十分重要的环节，固井质量的好坏直接决定一口井能否顺利钻至目的层，成功进行下一步油气开采作业。固井水泥头作为固井环节中的必备装置之一，对固井整个过程起到至关重要的作用。常规固井水泥头采用普通下接头与井口套管连接，由于水泥头体积较大且外形笨重，与井口套管扣相连时不仅操作难度较大，而且存在上扣困难，操作时间过长的问题，不仅安装连接过程繁杂，而且普通接头不能满足高压固井时的耐高压需求，制约了水泥头的使用范围。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种套管水泥头快装卡箍及其使用方法，大大缩减水泥头安装过程的繁琐性和安装时间，并且能够承受高压，满足现场高压固井需求。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种套管水泥头快装卡箍，井口套管接箍插入到套管水泥头快装卡箍中，所述套管水泥头快装卡箍包括快速锁紧单元和密封单元；

所述快速锁紧单元包括卡箍外壳以及设置在其内腔中的移动挡块和锁紧挡块；当移动挡块沿与卡箍外壳轴线平行的方向移动时，其推动锁紧挡块沿卡箍外壳的径向方向移动，锁紧或松开井口套管接箍；

所述密封单元包括上接头以及设置在其内腔中的金属套，在所述金属套上设有密封胶圈；井口套管接箍的端部通过所述密封胶圈密封；

所述上接头的一端连接卡箍外壳，另一端连接套管水泥头。

在所述卡箍外壳的一端设有台阶，在该端的两侧的卡箍外壳的外壁上均开有与其轴线平行的凹槽，在卡箍外壳的另一端的内壁上设有螺纹；

在每个所述凹槽的一个侧面均设有与卡箍外壳的轴线平行的齿条，在凹槽的底部均开有长孔；在凹槽内设有齿轮；所述齿轮的轴线与卡箍外壳的轴线垂直，齿轮与齿条咬合；

在所述移动挡块上连接有传动轴，所述传动轴的一端固定在所述移动挡块上，另一端穿过凹槽底部的所述长孔后与齿轮同轴线固定连接；

所述移动挡块为环状结构，其一端的内壁上设有斜面。

在所述卡箍外壳的内腔中固定安装有限位环，所述锁紧挡块的一端顶住卡箍外壳的台阶，另一端顶住所述限位环；

所述锁紧挡块包括两块对称的半圆弧体，两块半圆弧体均与卡箍外壳同轴线设置；

在每块半圆弧体与台阶接触的端面上开有弹簧槽，在所述弹簧槽内均安装有圆环形的弹簧片，弹簧片的上部位于一块半圆弧体的弹簧槽内，下部位于另一块半圆弧体的弹簧槽内；

在每块半圆弧体的另一端的外壁上设有斜面，半圆弧体上的斜面与移动挡块上的斜面接触，且两者倾斜角度相同。

所述移动挡块安装在由卡箍外壳的台阶、卡箍外壳的内壁、锁紧挡块和限位环围成的空间内。

在所述齿轮上设有扳手，扳手设在偏离齿轮圆心的位置，当转动扳手时，齿轮随之旋转，传动轴在长孔内进行直线移动，进而带动移动挡块沿与卡箍外壳的轴线平行的方向移动，其通过斜面推动锁紧挡块沿卡箍外壳的径向方向移动，锁紧或松开井口套管接箍。

所述齿条的两端分别通过紧定螺钉固定在接箍外壳的凹槽的一侧。

所述密封单元包括上接头，上接头的一端外壁上设有螺纹，与所述卡箍外壳的内螺纹连接；上接头的另一端的内壁上设有螺纹，与水泥头上的外螺纹连接；

在所述上接头的中部设有台阶和卡簧槽，在卡簧槽内安装有卡簧；

所述金属套的一端顶住上接头内部的台阶，另一端顶住所述卡簧；在金属套顶住卡簧的端面上开有卡槽，所述密封胶圈安装在该卡槽内；

在所述金属套与上接头内壁的接触处安装有密封圈。

所述套管水泥头快装卡箍的使用方法包括：

当需要连接套管水泥头与井口套管时，将套管水泥头的下端与上接头内壁上的螺纹连接；

将井口套管接箍插入套管水泥头快装卡箍的内部；

旋转卡箍外壳，通过其与上接头间的螺纹以及套管水泥头的自身重力，使套管水泥头和井口套管接箍在轴向上锁紧；此时，井口套管接箍的上端部插入到金属套的卡槽内，与密封胶圈间形成密封；

转动扳手，使得齿轮沿齿条下行，带动移动挡块向下移动，锁紧挡块受移动挡块的压紧力，沿径向向卡箍外壳的内侧收缩；

当移动挡块下行到极限位置后，锁紧挡块完全收缩并锁紧井口套管接箍，即完成套管水泥头与井口套管的连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)快装卡箍结构简单，体积较小。易于加工及搬运。

(2)通过螺纹与套管水泥头下端连接，操作简便。

(3)通过快速锁紧单元，可在短时间内连接井口套管，减少固井水泥头安装时间，提高固井施工效率。

(4)通过密封单元，使套管水泥头与井口套管间形成有效密封，可满足高压固井需求；配合该快装接箍，使常规水泥头接头处承压能力高于常规套管水泥头，满足清水替浆的高压固井需求。

(5)可收缩式锁紧机构，可根据现场需求调整锁紧挡块尺寸，满足多种尺寸井口套管需求。

附图说明

图1是快装卡箍整体结构示意图

图2是密封单元结构示意图

图3是快速锁紧单元结构示意图

图4是快装卡箍整体外观示意图

图5是快装卡箍与井口套管接箍锁紧前的示意图

图6是快装卡箍与井口套管接箍锁紧后的示意图

图7是锁紧挡块5与弹簧片2、3的位置关系图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

在固井作业开始前，需要将水泥头与井口套管进行连接，两者形成有效连接和密封通道，为固井泥浆和固井胶塞提供密封的过流通道。通常安装套管水泥头时，需将水泥头下部套管扣与井口套管扣进行连接。由于套管水泥头体积较大且外形笨重，与井口套管扣相连时不仅操作难度较大，而且存在上扣困难，操作时间过长的问题。

如图1和图4所示，本发明的水泥头快装卡箍由快速锁紧单元、密封单元组成。其中快速锁紧单元由卡箍外壳、锁紧挡块、移动挡块、齿轮、齿条、传动轴、弹簧片、限位块组成。密封单元由上接头、卡簧、密封胶圈、金属套组成。快速锁紧单元与密封单元通过螺纹相连。密封单元通过上接头的螺纹与套管水泥头相连。齿条的长度方向、传动轴的移动方向都与卡箍外壳的轴线平行。

本发明提供的水泥头快装卡箍通过螺纹与上部水泥头本体形成连接，通过锁紧机构与下部井口套管形成锁定，灵活解决了水泥头本体与井口套管的连接问题。快装卡箍采用的快速锁紧机构，在结构上取消了与井口套管的连接螺纹，通过齿轮、齿条和移动挡块间的相对位置移动，对套管接箍进行锁紧。有效降低了认扣困难、上扣时间长的问题。同时密封机构采用密封橡胶和金属套的结构，使井口套管与上部水泥头本体间形成有效密封，承压能力高于普通套管扣的密封能力，满足高压环境下的固井需求。

套管水泥头快装卡箍的各部分结构如图1所示，图2是快速锁紧单元正视图。齿条4通过紧定螺钉固定在接箍外壳1两侧，移动挡块6与齿轮7通过传动轴8连接，限位环10通过螺纹与接箍外壳1相连。挡块5为2个对称的半圆弧体(如图7所示)，安装在接箍外壳1与限位环10之间，并且一端开设有与其同轴线的两个弹簧槽，在弹簧槽内安装有圆环形弹簧片2、3。

图3是密封单元结构示意图。金属套13通过卡簧11固定在上接头15内部，密封橡胶12安装在金属套13的槽内。金属套13与上接头接触处设有密封圈14。图4是锁紧单元结构示意图。接箍外壳1和上接头15通过螺纹进行连接。

本发明水泥头快装卡箍的使用方法如下：

连接套管水泥头与井口套管之前，如图5所示，首先通过上接头15的螺纹(上接头右端内壁设有母扣螺纹)。将快装卡箍连接在套管水泥头下端，再将井口套管接箍端插入水泥头快装卡箍内部，如图5所示。旋转接箍外壳1，通过其与上接头15间的螺纹以及套管水泥头的自身重力，使套管水泥头和井口套管在轴向上锁紧。此时，套管由于自身重力，其上部锁定在金属套13的卡槽内，与密封橡胶12间形成密封。随后，转动快装卡箍两侧的扳手9，齿轮7沿齿条4下行，带动移动挡块6向下移动。同时，挡块5受移动挡块6的压紧力，向卡箍内侧收缩。当移动挡块6下行到极限位置后，挡块5完全收缩并锁紧井口套管接箍，现轴向的锁紧状态，如图6所示，此时，完成套管水泥头与井口套管的连接，可进行下一步固井施工作业。当施工完毕，需要断开连接时，反向转动扳手即可。

常规水泥头依靠螺纹完成进行各部件的连接，本发明的水泥头采用了高压密封单元结构，利用密封橡胶12和金属间的挤压作用(如图6所示)，达到了高承压的效果。

本发明提供的快装接箍由快速锁紧单元与密封单元组成。在固井作业开始前，首先通过螺纹将快装接箍与套管水泥头下端相连，再将井口套管接箍端插入水泥头快装卡箍内部，通过套管水泥头自身重力并旋转快装接箍，使套管水泥头和井口套管在轴向上锁紧。再通过转动快装卡箍两侧的扳手，卡箍外侧齿轮沿齿条下行，带动快装卡箍内部的移动挡块向下移动。卡箍内部的挡块受移动挡块的压紧力，向卡箍内侧收缩，直至完全收缩并锁紧井口套管接箍。此时，完成套管水泥头与井口套管的有效连接，为固井泥浆和固井胶塞提供密封的过流通道，可进行下一步固井施工作业。该种快装卡箍操作简便，适用范围广，能够有效提高现场施工效率。

该发明提供的套管水泥头快装卡箍适用范围广，能够与常规水泥头配套使用，结构简单，操作简便，能够实现套管水泥头和井口套管的快速连接，减少安装作业时间，灵活解决了水泥头本体与井口套管的连接问题，有效降低了认扣困难、上扣时间长的问题，提高了施工效率。并且特有的密封机构设计能够实现水泥头连接处高压密封，满足页岩气井清水替浆的高压固井需求。因此，该快装卡箍在固井作业过程中，具有广阔的应用前景。

上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。

Claims (7)

1.一种套管水泥头快装卡箍，井口套管接箍插入到套管水泥头快装卡箍中，其特征在于：

所述套管水泥头快装卡箍包括快速锁紧单元和密封单元；

所述快速锁紧单元包括卡箍外壳以及设置在其内腔中的移动挡块和锁紧挡块；当移动挡块沿与卡箍外壳轴线平行的方向移动时，其推动锁紧挡块沿卡箍外壳的径向方向移动，锁紧或松开井口套管接箍；

所述密封单元包括上接头以及设置在其内腔中的金属套，在所述金属套上设有密封胶圈；井口套管接箍的端部通过所述密封胶圈密封；

所述上接头的一端连接卡箍外壳，另一端连接套管水泥头；

在所述卡箍外壳的一端设有台阶，在该端的两侧的卡箍外壳的外壁上均开有与其轴线平行的凹槽，在卡箍外壳的另一端的内壁上设有螺纹；

在每个所述凹槽的一个侧面均设有与卡箍外壳的轴线平行的齿条，在凹槽的底部均开有长孔；在凹槽内设有齿轮；所述齿轮的轴线与卡箍外壳的轴线垂直，齿轮与齿条咬合；

在所述移动挡块上连接有传动轴，所述传动轴的一端固定在所述移动挡块上，另一端穿过凹槽底部的所述长孔后与齿轮同轴线固定连接；

在所述齿轮上设有扳手，扳手设在偏离齿轮圆心的位置，当转动扳手时，齿轮随之旋转，传动轴在长孔内进行直线移动，进而带动移动挡块沿与卡箍外壳的轴线平行的方向移动，其通过斜面推动锁紧挡块沿卡箍外壳的径向方向移动，锁紧或松开井口套管接箍。

2.根据权利要求1所述的套管水泥头快装卡箍，其特征在于：

所述移动挡块为环状结构，其一端的内壁上设有斜面。

3.根据权利要求2所述的套管水泥头快装卡箍，其特征在于：在所述卡箍外壳的内腔中固定安装有限位环，所述锁紧挡块的一端顶住卡箍外壳的台阶，另一端顶住所述限位环；

所述锁紧挡块包括两块对称的半圆弧体，两块半圆弧体均与卡箍外壳同轴线设置；

在每块半圆弧体与台阶接触的端面上开有弹簧槽，在所述弹簧槽内均安装有圆环形的弹簧片，弹簧片的上部位于一块半圆弧体的弹簧槽内，下部位于另一块半圆弧体的弹簧槽内；

在每块半圆弧体的另一端的外壁上设有斜面，半圆弧体上的斜面与移动挡块上的斜面接触，且两者倾斜角度相同。

4.根据权利要求3所述的套管水泥头快装卡箍，其特征在于：所述移动挡块安装在由卡箍外壳的台阶、卡箍外壳的内壁、锁紧挡块和限位环围成的空间内。

5.根据权利要求4所述的套管水泥头快装卡箍，其特征在于：所述齿条的两端分别通过紧定螺钉固定在接箍外壳的凹槽的一侧。

6.根据权利要求5所述的套管水泥头快装卡箍，其特征在于：所述密封单元包括上接头，上接头的一端外壁上设有螺纹，与所述卡箍外壳的内螺纹连接；上接头的另一端的内壁上设有螺纹，与水泥头上的外螺纹连接；

在所述上接头的中部设有台阶和卡簧槽，在卡簧槽内安装有卡簧；

所述金属套的一端顶住上接头内部的台阶，另一端顶住所述卡簧；在金属套顶住卡簧的端面上开有卡槽，所述密封胶圈安装在该卡槽内；

在所述金属套与上接头内壁的接触处安装有密封圈。

7.权利要求1至6任一所述的套管水泥头快装卡箍的使用方法，其特征在于：所述方法包括：

当需要连接套管水泥头与井口套管时，将套管水泥头的下端与上接头内壁上的螺纹连接；

将井口套管接箍插入套管水泥头快装卡箍的内部；

旋转卡箍外壳，通过其与上接头间的螺纹以及套管水泥头的自身重力，使套管水泥头和井口套管接箍在轴向上锁紧；此时，井口套管接箍的上端部插入到金属套的卡槽内，与密封胶圈间形成密封；

转动扳手，使得齿轮沿齿条下行，带动移动挡块向下移动，锁紧挡块受移动挡块的压紧力，沿径向向卡箍外壳的内侧收缩；

当移动挡块下行到极限位置后，锁紧挡块完全收缩并锁紧井口套管接箍，即完成套管水泥头与井口套管的连接。