CN114876395A - 一种高寿命辅助套管回收的水泥环偏心滚动挤压破碎工具 - Google Patents
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Abstract
一种高寿命辅助套管回收的水泥环偏心滚动挤压破碎工具，包括主轴、上滚轮、活塞、力矩卡套、动滚轮、下滚轮、轴承、扶正器、下接头，动滚轮通过两组轴承和力矩卡套以及在扶正器的作用下安装在主轴上，动滚轮位于上、下滚轮之间，主轴通过两组轴承安装有上滚轮和下滚轮，下接头使用螺纹连接安装在主轴的底部，下接头内部开有圆柱形水嘴，通过调节圆柱形水嘴的直径可以控制工具内部节流压差，进控制活塞的总侧向推力,动滚轮以滚动接触的方式“碾压”套管，此过程类似汽车车轮碾压路面，在钻机的上拉作用下，水泥环的损伤径向破坏宽度逐渐增大，直至整个预期的井下固井水泥完全发生破坏，对改进套管回收作业模式有着积极的借鉴和推广价值。
Description
技术领域
本发明涉及一种高寿命辅助套管回收的水泥环偏心滚动挤压破碎工具，属于弃井套管回收作业技术领域。
背景技术
油气井开发进入中后期，油气资源逐渐枯竭，大量的油气井被永久弃置，在使用水下井口装置时，应该按照行业要求进行永久弃井作业，临时弃井和探井要进行永久弃井处理，要弃井作业的油气井数量逐年增加，《GB2019石油天然气钻井海洋弃井作业规程》要求弃井作业要选择适当的井深处对套管从内至外层层切割和打捞回收，然后用水泥进行永久封堵，目的是实现油气的封隔，防止残余油气泄露造成海洋生态污染和破坏，在完成固井作业后，内层套管、水泥环、外层套管和地层之间因为水泥浆凝固作用而胶结在一起，这大大增加了拔拉套管阻力，导致套管很难拔出甚至是无法拔出井眼，而先切割一小段套管后再逐次进行拔拉，则会增加弃井作业周期和成本，总之，传统弃井作业回收套管方法已远远不能满足弃井作业市场需求，有必要基于创新手段研发新技术对其进行改进。
公布号CN112610177A，公告日为2021年4月6日的中国专利公开了一种用于弃井套管回收作业的挤压装置及挤压作业方法，该专利“挤压环”跟随“芯柱”一起转动，其“芯柱”因与套管之间直接摩擦接触而在使用时偏磨损严重，零部件损耗加快，其“挤压块”的一端直接承受偏心挤压作业时的所有轴向拉力，这会造成其极易变形，进而导致密封失效，降低整个工具的使用寿命，不利于套管回收作业的顺利进行。
发明内容
针对以上问题，本发明提出一种高寿命辅助套管回收的水泥环偏心滚动挤压破碎工具，以提高弃井作业套管回收效率，创新性使用滚动挤压套管方式对水泥环进行间接挤压破坏，降低套管水泥环之间的胶结作用，在保证弃井作业高效进行的同时，提高了工具的整体使用寿命，降低了作业成本。
本发明的目的在于提供一种高寿命辅助套管回收的水泥环偏心滚动挤压破碎工具,该工具采用滚动挤压作业的方式破坏套管和水泥环之间的胶结作用，大大减小了拔套管力，降低了拔套管难度，可以缩短弃井作业周期，提高了套管回收作业效率，活塞仅受挤压套管产生的径向力，上拉工具产生的轴向力由力矩卡套承载，这提高了活塞的使用寿命，动滚轮和和套管之间为滚动接触，避免了直接滑动摩擦接触的高磨损问题，这都大大提高了工具的使用寿命。
本发明通过以下技术方案来实现：
一种高寿命辅助套管回收的水泥环偏心滚动挤压破碎工具，包括主轴、上滚轮、活塞、力矩卡套、动滚轮、下滚轮、轴承、扶正器、下接头，其特征在于：动滚轮通过两组轴承和力矩卡套以及在扶正器的作用下安装在主轴上，动滚轮位于上、下滚轮之间，主轴通过两组轴承安装有上滚轮和下滚轮，下接头使用螺纹连接安装在主轴的底部，下接头内部开有圆柱形水嘴，通过调节圆柱形水嘴的直径可以控制工具内部节流压差，进控制活塞的总侧向推力。
所述主轴为中间开有间隔排列用来安装活塞的液缸孔、两端为变径的阶梯圆柱体，主轴中心处有圆柱形通孔，通孔一侧与排列的活塞相连，通孔的另一侧安装有间隔排列的扶正器，在主轴径向由内至外的方向上，活塞顶部安装在力矩卡套内圈，力矩卡套外圈安装有排列的径向轴承，径向轴承安装在动滚轮内圈。
所述动滚轮由动滚轮外壳、压溃带、上轴承、径向轴承、推力轴承、力矩卡套组成，动滚轮外壳外圈固定有压溃带，动滚轮外壳内圈安装有依次排列的径向轴承B，所述动滚轮外壳其上下两端安装有推力轴承，动滚下方处的主轴限位凸块和限位卡块B对动滚轮起到轴向限位作用，将动滚轮外壳、压溃带、推力轴承、径向轴承、力矩卡套组成一个整体，共同构成动滚轮。
力矩卡套安装在依次排列的径向轴承内部,活塞得侧向力直接推动力矩卡套，力矩卡套再把侧向力传递给径向轴承，最终将侧向力传递给动滚轮外壳，在活塞侧向力的推动下所述动滚轮组件一起产生偏心运动。
所述限位卡块上有与主轴上螺钉孔相配合的螺钉孔，使用螺钉连接的方式固定在主轴上，起到轴向限位的作用。
所述上滚轮有上滚轮外壳、压溃带、径向轴承、止推轴承构成，并列排布的径向轴承安装在主轴和动滚轮外壳之间，上滚轮的两端安装有推力轴承，在限位环和限位卡块的限位作用下，使上滚轮外壳、压溃带、径向轴承、推力轴承构成一个整体，共同组成上滚轮。
所述限位环和主轴之间使用过盈配合方式连接，起到密封和限位两个作用。
所述下滚轮和所述上滚轮的结构设计、工作原理完全一致。
所述扶正器安装在主轴上的开孔内，由弹簧和扶正块构成，弹簧的一端与在主轴开孔底部接触，另一端与扶正块接触，扶正块和轴承内圈直接接触，起到对动滚轮径向限位的作用。
所示下接头使用螺纹方式安装在主轴的底部，内部有节流腔和水嘴，通过改变水嘴的直径来调节工具工作压力，活塞总面积一定时，总侧向推力和工作压力成正比关系。
所述压溃带在滚轮外表面呈螺旋状布置。
综上所述，本发明具有以下增益效果：
(1)本发明提出的一种高寿命辅助套管回收的水泥环偏心滚动挤压破碎工具，结构简单，便于加工制造，所使用的轴承均为标准件，易于采购和检修更换。作业时，活塞由打压的高压流体获得侧向推力，然后活塞推动动滚轮产生偏心位移，挤压套管产生弹性变形，间接使水泥环发生破碎，在套管和水泥环之间形成间隙，到达破坏套管和水泥环之间胶结力的作用，降低了拉套管阻力，缩短了套管回收作业周期，在提高套管回收成功率的同时降低了作业成本，对改进套管回收作业模式有着积极的借鉴和推广价值。
(2)工具在偏心状态使对套管的挤压作用，使套管材料仅产生弹性变形而不产生任何塑性变形，这就避免了对套管过度挤压而使套管因产生永久变形而卡住水泥环，一旦卡住水泥环就会增大拔套管力。
(3)本工具应用工况范围广，充分考了实际固井作业时套管和水泥环之间的偏心状况，即使在套管和水泥环出现最极端的偏心工况下使用本工具依旧能获得预期效果，且不会损坏水泥环外层套管，能有效防止有毒有害物质泄露到地层。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所有需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明结构示意；
图2是图1中的A-A向的截面结构示意图；
图3是本发明的偏心状态时的A-A结构示意图；
图4是本发明的主轴结构示意图；
图5是本发明的力矩卡套示意图；
图6是本发明的工作原理示意图；
1、主轴；2、限位卡块A；3上滚轮外壳；4、上滚轮；5、限位环；6、推力轴承A；7、径向轴承A；8、上压溃带；9、限位卡块B；10、活塞孔；11、动滚轮外壳；12、动滚轮；13、力矩卡套；14、活塞；15、推力轴承B；16、径向轴承B；17、扶正器；18、动滚轮压溃带；19、扶正块；20、弹簧；21、扶正孔；22、主轴限位凸块；23、下滚轮；24、下滚轮外壳；25、限位卡块C；26、推力轴承C；27、径向轴承C；28、下压溃带；29、下接头；30、通孔；31、节流腔；32、水嘴；33、地层；34、外层套管；35、水泥环；36、套管。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述，本发明保护范围包括但不局限于以下描述。
实施例
一种高寿命辅助套管回收的水泥环偏心滚动挤压破碎工具，如图1至图6所示，包括主轴1、上滚轮4、动滚轮12、下滚轮23、力矩卡套13、推力轴承A2、推力轴承B15、推力轴承C26、径向轴承A7、径向轴承B16、径向轴承C27、活塞14、扶正器17、下接头29，动滚轮12通过推力轴承B15、径向轴承B16和力矩卡套13以及在扶正器17的作用下安装在主轴1上，动滚轮12位于上滚轮4和下滚轮23之间，主轴1通过推力轴承和径向轴承安装有上滚轮4和下滚轮23，下接头29使用螺纹连接安装在主轴1的底部，下接头29内部开有圆柱形水嘴32，通过调节圆柱形水嘴32的直径可以控制工具内部节流压差，进控制活塞14的总侧向推力。
主轴1为中间开有间隔排列用来安装活塞的活塞孔10、两端为变径的阶梯圆柱体，主轴1中心处有圆柱形通孔30，通孔一侧与排列的活塞14相连，通孔30的另一侧安装有间隔排列的扶正器17，在主轴1径向由内至外的方向上，活塞14顶部安装在力矩卡套13内圈，力矩卡套13外圈安装有排列的径向轴承16，径向轴承16安装在动滚轮12内圈。
动滚轮12由由由动滚轮外壳11、压溃带B18、推力轴承B15、径向轴承B16、力矩卡套13组成，动滚轮外壳11外圈固定有压溃带B18，动滚轮外壳11内圈安装有依次排列的径向轴承A，所述动滚轮外壳11其上下两端安装有推力轴承B，动滚轮12下方处的主轴限位凸块22和限位卡块A9对动滚轮12起到轴向限位作用，将动滚轮外壳11、压溃带B18、推力轴承B15、径向轴承B16、力矩卡套13组成一个整体，共同构成动滚轮12，力矩卡套13安装在依次排列的径向轴承B16内部,活塞14和力矩卡套13内部矩形浅槽配合，活塞14的侧向力直接推动力矩卡套13，力矩卡套13再把侧向力传递给径向轴承A16，最终将侧向力传递给动滚轮外壳11，在活塞14侧向力的推动下动滚轮组件一起产生偏心运动。
限位卡块A2、限位卡块B9和限位卡块C25上有与主轴1上螺钉孔相配合的螺钉孔，使用螺钉连接的方式固定在主轴1上，起到轴向限位的作用。
上滚轮4有上滚轮外壳3、压溃带A8、径向轴承A7、推力轴承A6构成，并列排布的径向轴承A7安装在主轴1和上滚轮外壳3之间，上滚轮4的两端安装有推力轴承A，在限位环5和限位卡块A2的限位作用下，使上滚轮外壳3、压溃带A8、径向轴承A7、推力轴承A6构成一个整体，共同组成上滚轮4。
限位环5和主轴1之间使用过盈配合方式连接，起到密封和限位两个作用。
下滚轮23和所述上滚轮4的结构设计、工作原理完全一致。
扶正器17安装在主轴1上的开孔内，由弹簧21和扶正块19构成，弹簧21的一端与在主轴1开孔21底部接触，另一端与扶正块19接触，扶正块19和径向轴承B16内圈直接接触，起到对动滚轮12径向限位的作用。
下接头29使用螺纹方式安装在主轴1的底部，内部有节流腔31和水嘴32，通过改变水嘴32的直径来调节工具工作压力，活塞14总面积一定时，总侧向推力和工作压力成正比关系。
本发明专利的工作原理：
图6(a)为工具下入井下的初始状态，当需要作业挤压破坏水泥环35时，注入高压流体激活偏心状态，此时动滚轮12位置如图3和图6(b)所示，此时动滚轮12挤压套管36，使水泥环35发生破坏，在钻机的旋转作用下，动滚轮12处的所有周向位置水泥环都将发生破坏，此时由于动滚轮12的内部安装有径向轴承B16的，动滚轮以滚动接触的方式“碾压”在套管36内圈，此过程类似汽车车轮碾压路面，在钻机的上拉作用下，水泥环35的损伤径向破坏宽度逐渐增大，直至整个预期的井下固井水泥完全发生破坏。
工具在偏心状态下，工具在钻机的带动下同时自转和向上位移，其受力状态可以简化为：套管给工作的径向反作用力由动滚轮外壳上的压溃带依次传递给动滚轮外壳、径向轴承，径向轴承再将又力矩卡套传递给活塞，活塞本身只承受径向力，工具因钻机上提作用受到的来自套管的轴向反作用力动滚轮外壳上的压溃带先传递给动滚轮外壳，然后再传递给位于动滚轮两端的推力轴承，推力轴承再将轴向力反作用力传递给主轴限位凸块，并最终传递给主轴，力矩卡套的作用是承载将钻机施加给工具扭矩，工具在作业时的扭矩高达上万牛/米、轴向力高达数吨甚至是几十吨，如果活塞同时承载巨大的扭矩和轴承向力，势必会降低活塞的使用寿命，力矩卡套可以保护活塞，避免其承受高扭矩，以延长工具的整理使用寿命。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种高寿命辅助套管回收的水泥环偏心滚动挤压破碎工具，其特征在于：包括主轴(1)、上滚轮(4)、动滚轮(12)、下滚轮(23)、力矩卡套(13)、推力轴承(A2)、推力轴承B(15)、推力轴承C(26)、径向轴承A(7)、径向轴承B(16)、径向轴承C(27)、活塞(14)、扶正器(17)、下接头(29)，动滚轮(12)通过推力轴承B(15)、径向轴承B(16)和力矩卡套(13)以及在扶正器(17)的作用下安装在主轴(1)上，动滚轮(12)位于上滚轮(4)和下滚轮(23)之间，主轴(1)通过推力轴承和径向轴承安装有上滚轮(4)和下滚轮(23)，下接头(29)使用螺纹连接安装在主轴(1)的底部，下接头(29)内部开有圆柱形水嘴(32)，通过调节圆柱形水嘴(32)的直径控制工具内部节流压差，进而控制活塞(14)的总侧向推力。
2.根据权利要求1所述一种高寿命辅助套管回收的水泥环偏心滚动挤压破碎工具，其特征在于：主轴(1)为中间开有间隔排列用来安装活塞的活塞孔(10)、两端为变径的阶梯圆柱体，主轴(1)中心处有圆柱形通孔(30)，圆柱形通孔一侧与排列的活塞(14)相连，圆柱形通孔(30)的另一侧安装有间隔排列的扶正器(17)，在主轴(1)径向由内至外的方向上，活塞(14)顶部安装在力矩卡套(13)内圈，力矩卡套(13)外圈安装有排列的径向轴承(16)，径向轴承(16)安装在动滚轮(12)内圈。
3.根据权利要求1所述一种高寿命辅助套管回收的水泥环偏心滚动挤压破碎工具，其特征在于：动滚轮(12)包括动滚轮外壳(11)、推力轴承B(15)、径向轴承B(16)、力矩卡套(13)，动滚轮外壳(11)外圈固定有压溃带B(18)，动滚轮外壳(11)内圈安装有依次排列的径向轴承A(7)，所述动滚轮外壳(11)上下两端安装有推力轴承B(15)，动滚轮(12)下方处的主轴限位凸块(22)和限位卡块A(9)对动滚轮(12)起到轴向限位作用，将动滚轮外壳(11)、推力轴承B(15)、径向轴承B(16)、力矩卡套(13)组成一个整体，共同构成动滚轮(12)，力矩卡套(13)安装在依次排列的径向轴承B(16)内部，活塞(14)和力矩卡套(13)内部矩形浅槽配合，活塞(14)的侧向力直接推动力矩卡套(13)，力矩卡套(13)再把侧向力传递给径向轴承A(16)，最终将侧向力传递给动滚轮外壳(11)，在活塞(14)侧向力的推动下动滚轮组件一起产生偏心运动。
4.根据权利要求1所述一种高寿命辅助套管回收的水泥环偏心滚动挤压破碎工具，其特征在于：上滚轮(4)包括上滚轮外壳(3)、压溃带A(8)、径向轴承A(7)、推力轴承A(6)，并列排布的径向轴承A(7)安装在主轴(1)和上滚轮外壳(3)之间，上滚轮(4)的两端安装有推力轴承A(2)，在限位环(5)和限位卡块A(2)的限位作用下，使上滚轮外壳(3)、压溃带A(8)、径向轴承A(7)、推力轴承A(6)构成一个整体。
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