CN112065807B - 顶驱下套管装置用旋转油缸 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种顶驱下套管装置用旋转油缸，包括心轴、活塞、上缸体、下缸体、上端盖、缸套，所述活塞套设于所述心轴外且所述活塞与所述心轴设置为竖向相对固定，所述上缸体套设于所述活塞外，所述上端盖具有所述心轴恰好竖直穿过的通孔，所述上端盖下端套设于所述活塞外侧壁，所述活塞外侧壁、所述上端盖下端、所述上缸体内壁之间形成上下两个独立的密封的环形上腔体和下腔体，所述上缸体上设置有两个油口，其分别对应贯通至上腔体和下腔体，所述缸套具有所述心轴恰好穿过的通孔，所述下缸体与所述缸套设置为竖向相对固定。本发明通过改变油缸旋转方式以简化油路设计，同时增加安全方面的设计，提高油缸作业的安全性。

Description

顶驱下套管装置用旋转油缸
技术领域
本发明涉及石油固井技术领域。更具体地说，本发明涉及配合顶部驱动钻井装置下套管作业用的顶驱下套管装置用旋转油缸。
背景技术
钻井作业一段时间或结束后为加固井壁，需要下入套管，并进行固井作业。
常规下套管流程是使用套管吊卡提升套管单根；人工对扣；使用液压套管钳旋转顶部套管单根；启动上部气动卡瓦，松开下部钻台气动卡瓦，使上部气动卡瓦支撑套管柱的全部重量，下放套管柱；完成一根套管下入井内。重复以上流程，直至把全部套管连接并下放到井底。
目前下套管作业存在的问题：套管柱不能旋转；不能根据需要随时循环泥浆，一旦遇到井底沉砂，不能及时通过循环泥浆、旋转套管等措施有效解决，套管很难下到设计位置；遇到缩径、狗腿等复杂井段强行压入，存在套管损伤风险。下套管作业时，井架高处及钻台面需人工操作，存在安全隐患。
基于常规下套管作业的局限性，提出了顶驱下套管装置，即一种基于顶部驱动钻井系统，用于下套管作业的集机械、液压于一体的装置。该装置能在顶驱扭矩及提升载荷的作用下，完成套管上扣、上提下放、旋转等作业。
顶驱下套管装置研发需要设计一种旋转油缸，该油缸能为套管夹持机构提供动力实现套管的夹紧与松开，并通过旋转将顶驱扭矩传递给套管夹持机构，实现顶驱下套管装置的上卸扣功能等。由于油缸需要旋转，常规油缸缸体旋转，给旋转油缸供油，进回油路设计复杂，难以实施，因此旋转油缸的设计需要改变旋转方式以简化油路设计，同时增加安全方面的设计，提高油缸作业的安全性。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种顶驱下套管装置用旋转油缸，通过改变油缸旋转方式以简化油路设计，同时增加安全方面的设计，提高油缸作业的安全性。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种顶驱下套管装置用旋转油缸，包括心轴、活塞、上缸体、下缸体、上端盖、缸套，所述心轴为圆柱状结构且具有中心孔，所述活塞套设于所述心轴外且所述活塞与所述心轴设置为竖向相对固定，所述上缸体套设于所述活塞外，所述上端盖具有所述心轴恰好竖直穿过的通孔且位于所述心轴上部，所述上端盖下端套设于所述活塞外侧壁，所述活塞外侧壁、所述上端盖下端、所述上缸体内壁之间形成上下两个独立的密封的环形上腔体和下腔体，所述上缸体上设置有两个油口，其分别对应贯通至上腔体和下腔体，所述缸套具有所述心轴恰好穿过的通孔且位于所述心轴下部，所述上缸体和下缸体竖向连接为一体，所述下缸体与所述缸套设置为竖向相对固定。
优选的是，还包括上轴承组和下轴承组，所述上轴承组与所述心轴和所述活塞之间均采用过渡配合，所述下轴承组与所述缸套和所述下缸体之间均采用过渡配合。
优选的是，所述活塞内壁具有台肩并恰好卡合于所述上轴承组内，所述下缸体内壁具有台肩并恰好卡合于所述下轴承组内。
优选的是，所述缸套凸出于下缸体下方的外壁上设置有内凹的环形卡槽，用于连接套管夹持机构。
优选的是，所述上端盖的竖直截面为门型结构且下端的内侧壁紧贴所述活塞的外侧壁，所述活塞外侧壁具有凸出的分割体，且所述分割体外侧壁与所述上端盖外侧壁平齐，所述上缸体为两级阶梯型结构，其内壁从上至下分别紧贴所述上端盖外侧壁、所述分割体的外侧壁、所述活塞的外侧壁，所述上端盖与所述上缸体固定连接。
优选的是，所述心轴外侧壁在所述上轴承组和所述缸套之间还设置有弹簧、弹簧座、下螺母，所述下螺母与所述缸套固定连接，所述弹簧两端分别紧抵所述弹簧座和下螺母，所述弹簧始终处于压缩状态。
优选的是，所述心轴的外侧壁设置有环形的凸块和上螺母，所述上螺母固定于所述心轴外侧壁，所述上轴承组的上下端面恰好卡合于所述上螺母与凸块之间，所述弹簧座与所述凸块的下端面相抵。
优选的是，还包括下端盖，其恰好紧贴套设于所述缸套外侧壁，所述下端盖与所述下缸体通过螺栓连接，所述上端盖外侧壁凸出为延伸端，并通过延伸端与所述上缸体通过螺栓连接。
优选的是，所述上端盖外侧壁凸出为延伸端，大螺母整体螺纹套设于所述上端盖的延伸端与所述上缸体外。
优选的是，所述心轴两端部均设置有外螺纹。
本发明至少包括以下有益效果：
1、本发明的旋转油缸在油压作用下，缸体轴向往复运动，活塞不动，通过缸体传动动力，结构简单。
2、本发明的旋转油缸设计有心轴，心轴上安装有轴承组，可实现心轴旋转传递扭矩，而缸体不旋转，简化进回油路，操作简单。
3、本发明的旋转心轴上安装有弹簧，通过弹簧预紧力，防止在油缸失压情况下，卡紧机构失效，提高作业安全性。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1为本发明旋转油缸的一种实施方式结构示意图；
图2为本发明旋转油缸的另一种实施方式结构示意图。
附图标记说明：
1、心轴，2、上端盖，3、上缸体，4、活塞，5、下缸体，6、下端盖，7、缸套，8、上螺母，9、上轴承组，10、弹簧座，11、弹簧，12、下螺母，13、下轴承组，14、上腔体，15、下腔体，16、卡槽。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
需要说明的是，下述实施方案中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得；在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
本发明中所有的零部件均与心轴1同轴设置。
如图1和图2所示，本发明提供一种顶驱下套管装置用旋转油缸，包括心轴1、活塞4、上缸体3、下缸体5、上端盖2、缸套7，所述心轴1为圆柱状结构且具有中心孔，所述活塞4套设于所述心轴1外且所述活塞4与所述心轴1设置为竖向相对固定，所述上缸体3套设于所述活塞4外，所述上端盖2具有所述心轴1恰好竖直穿过的通孔且位于所述心轴1上部，所述上端盖2下端套设于所述活塞4外侧壁，所述活塞4外侧壁、所述上端盖2下端、所述上缸体3内壁之间形成上下两个独立的密封的环形上腔体14和下腔体15，所述上缸体3上设置有两个油口，其分别对应贯通至上腔体14和下腔体15，所述缸套7具有所述心轴1恰好穿过的通孔且位于所述心轴1下部，所述上缸体3和下缸体5竖向连接为一体，所述下缸体5与所述缸套7设置为竖向相对固定。
在上述技术方案中，上端盖2和缸套7均与心轴1通过油封密封紧贴且相对滑动设置；活塞4与上缸体3之间相对滑动设置；心轴1与活塞4之间在竖向上相对固定，不发生相对位移；缸套7与下缸体5之间在竖向上相对固定，不发生相对位移；上缸体3对应上腔体14位置具有一个油口，其贯通上腔体14以及外部的进液装置；上缸体3对应下腔体15位置也具有一个油口，其贯通下腔体15以及外部的进液装置。
工作时，流体如液压油通过上缸体3在上腔体14位置的油口进入至上腔体14内，上腔体14内的压力足够大时，驱动上缸体3、下缸体5、上端盖2、缸套7整体向上运动，此时，下腔体15的体积缩小，下腔体15内的液压油从油口流出；而当需要向下运动时，液压油通过上缸体3在下腔体15位置的油口进入至下腔体15内，下腔体15内的压力足够大时，驱动上缸体3、下缸体5、上端盖2、缸套7整体向下运动，此时，上腔体14的体积缩小，上腔体14内的液压油从油口流出；通过液压油驱动缸体运动传递动力，使与其配合使用的套管夹持机构卡紧和张开，套管夹持机构与缸套7固定连接。
在另一种技术方案中，还包括上轴承组9和下轴承组13，所述上轴承组9与所述心轴1和所述活塞4之间均采用过渡配合，所述下轴承组13与所述缸套7和所述下缸体5之间均过渡配合。
在上述技术方案中，顶驱与心轴1上端连接，套管夹持机构与心轴1下端连接。通过顶驱驱动心轴1转动，心轴1、上轴承组9、缸套7、下轴承组13一起旋转，上缸体3、下缸体5和活塞4不旋转，可传递扭矩，实现套管夹持机构的上卸扣、上提下放、旋转、循环泥浆等作业。上轴承组9与心轴1之间可采用间隙配合也可采用过盈配合，过盈配合时不可配合太紧，否则会损坏上轴承组9；间隙配合时，上轴承组9不跟随心轴1一起转动；上轴承组9设置的作用只是为了保证上缸体3不跟随心轴1一起转动，下轴承组13的设置方式以及实现的作用与上轴承组9一致。
在另一种技术方案中，所述活塞4内壁具有台肩并恰好卡合于所述上轴承组9内，所述下缸体5内壁具有台肩并恰好卡合于所述下轴承组13内。
在上述技术方案中，活塞4内壁台肩的设置使得活塞4卡合于上轴承组9内，通过上轴承组9限位，使得活塞4与心轴1不发生竖向的位移变化。下缸体5内壁台肩的设置使得下缸体5卡合于下轴承组13内，通过下轴承组13限位，使得下缸体5在移动时，带动下轴承组13与缸套7一起发生轴向位移。
在另一种技术方案中，所述缸套7凸出于下缸体5下方的外壁上设置有内凹的环形卡槽16，其用于连接套管夹持机构。缸套7与下螺母12螺纹连接，用于对下轴承组13进行限位。
在另一种技术方案中，所述上端盖2的竖直截面为门型结构且下端的内侧壁紧贴所述活塞4的外侧壁，所述活塞4外侧壁具有凸出的分割体，且所述分割体外侧壁与所述上端盖2外侧壁平齐，所述上缸体3为两级阶梯型结构，其内壁从上至下分别紧贴所述上端盖2外侧壁、所述分割体的外侧壁、所述活塞4的外侧壁，所述上端盖2与所述上缸体3固定连接。
在上述技术方案中，分割体为阶梯圆柱形结构，上缸体3内壁也设置为阶梯圆柱形结构，一方面分割为两个独立的密封腔体，另一方面在缸体往复运动时起限位作用。
在另一种技术方案中，还包括下端盖6，其恰好紧贴套设于所述缸套7外侧壁，所述下端盖6与所述下缸体5通过螺栓连接，所述上端盖2外侧壁凸出为延伸端，并通过延伸端与所述上缸体3通过螺栓连接。
在上述技术方案中，下端盖6用于通过螺栓将上缸体3和下缸体5连接为一体，下缸体5的设置主要是方便安装。上端盖2通过设置凸出的延伸端与上缸体3通过多个小螺栓连接为一体，如图1所示。下端盖6还向下缸体5内壁延伸形成台阶，方便安装。
在另一种技术方案中，所述上端盖2外侧壁凸出为延伸端，大螺母整体螺纹套设于所述上端盖2的延伸端与所述上缸体3外。上端盖2与上缸体3的连接还可以通过在外侧套设一个大螺母，螺纹连接，如图2所示，采用一个较大的螺母螺纹连接上端盖2与上缸体3，连接更为牢靠且连接更为方便高效。
在另一种技术方案中，所述心轴1外侧壁在所述上轴承组9和所述缸套7之间还设置有弹簧11、弹簧座10、下螺母12，所述下螺母12与所述缸套7固定连接，所述弹簧11两端分别紧抵所述弹簧座10和下螺母12，所述弹簧11始终处于压缩状态。
在上述技术方案中，弹簧11套设于心轴1上，弹簧11上部安装于弹簧座10上，弹簧11下部与下螺母12顶紧，弹簧11始终处于压紧状态，弹簧11提供的预紧力，可防止油缸失压状态下，配和使用的套管夹持机构松开，保障套管夹持的安全性。
在另一种技术方案中，所述心轴1的外侧壁设置有环形的凸块和上螺母8，所述上螺母8固定于所述心轴1外侧壁，所述上轴承组9的上下端面恰好卡合于所述上螺母8与凸块之间，所述弹簧座10与所述凸块的下端面相抵。凸块和上螺母8将上轴承组9进行限位，弹簧座10也通过凸块进行限位。
在另一种技术方案中，所述心轴1两端部均设置有外螺纹。顶驱与心轴1上端螺纹连接，配合使用的套管夹持机构通过轴与心轴1下端螺纹连接。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (10)

1.顶驱下套管装置用旋转油缸，其特征在于，包括心轴、活塞、上缸体、下缸体、上端盖、缸套，所述心轴为圆柱状结构且具有中心孔，所述活塞套设于所述心轴外且所述活塞与所述心轴设置为竖向相对固定，所述上缸体套设于所述活塞外，所述上端盖具有所述心轴恰好竖直穿过的通孔且位于所述心轴上部，所述上端盖下端套设于所述活塞外侧壁，所述活塞外侧壁、所述上端盖下端、所述上缸体内壁之间形成上下两个独立的密封的环形上腔体和下腔体，所述上缸体上设置有两个油口，其分别对应贯通至上腔体和下腔体，所述缸套具有所述心轴恰好穿过的通孔且位于所述心轴下部，所述上缸体和下缸体竖向连接为一体，所述下缸体与所述缸套设置为竖向相对固定，所述缸套用于连接套管夹持机构。
2.如权利要求1所述的顶驱下套管装置用旋转油缸，其特征在于，还包括上轴承组和下轴承组，所述上轴承组与所述心轴和所述活塞之间均采用过渡配合，所述下轴承组与所述缸套和所述下缸体之间均采用过渡配合。
3.如权利要求2所述的顶驱下套管装置用旋转油缸，其特征在于，所述活塞内壁具有台肩并恰好卡合于所述上轴承组内，所述下缸体内壁具有台肩并恰好卡合于所述下轴承组内。
4.如权利要求1所述的顶驱下套管装置用旋转油缸，其特征在于，所述缸套凸出于下缸体下方的外壁上设置有内凹的环形卡槽。
5.如权利要求1所述的顶驱下套管装置用旋转油缸，其特征在于，所述上端盖的竖直截面为门型结构且下端的内侧壁紧贴所述活塞的外侧壁，所述活塞外侧壁具有凸出的分割体，且所述分割体外侧壁与所述上端盖外侧壁平齐，所述上缸体为两级阶梯型结构，其内壁从上至下分别紧贴所述上端盖外侧壁、所述分割体的外侧壁、所述活塞的外侧壁，所述上端盖与所述上缸体固定连接。
6.如权利要求2所述的顶驱下套管装置用旋转油缸，其特征在于，所述心轴外侧壁在所述上轴承组和所述缸套之间还设置有弹簧、弹簧座、下螺母，所述下螺母与所述缸套固定连接，所述弹簧两端分别紧抵所述弹簧座和下螺母，所述弹簧始终处于压缩状态。
7.如权利要求6所述的顶驱下套管装置用旋转油缸，其特征在于，所述心轴的外侧壁设置有环形的凸块和上螺母，所述上螺母固定于所述心轴外侧壁，所述上轴承组的上下端面恰好卡合于所述上螺母与凸块之间，所述弹簧座与所述凸块的下端面相抵。
8.如权利要求1所述的顶驱下套管装置用旋转油缸，其特征在于，还包括下端盖，其恰好紧贴套设于所述缸套外侧壁，所述下端盖与所述下缸体通过螺栓连接，所述上端盖外侧壁凸出为延伸端，并通过延伸端与所述上缸体通过螺栓连接。
9.如权利要求1所述的顶驱下套管装置用旋转油缸，其特征在于，所述上端盖外侧壁凸出为延伸端，大螺母整体螺纹套设于所述上端盖的延伸端与所述上缸体外。
10.如权利要求1所述的顶驱下套管装置用旋转油缸，其特征在于，所述心轴两端部均设置有外螺纹。
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