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一種電機驅動式頂驅下套管工具的製作方法

2023-07-15 14:08:31


本實用新型涉及石油天然氣固井裝備技術領域,特別涉及一種電機驅動式頂驅下套管工具。



背景技術:

下套管作業的目的在於封隔地層、加固井壁、防止油氣洩漏和建立油氣通道等,是石油天然氣鑽井作業過程中的一個極其重要的環節。下套管工具是完成下套管作業的關鍵性裝備,常規下套管裝備主要包括:用於夾持套管的井口卡瓦、用於套管旋扣的液壓套管鉗、用於斷續灌注泥漿的開放式灌泥漿裝置、用於提升套管的套管吊卡等工具。

上述常規下套管裝備存在如下問題:(1)利用套管鉗旋扣,套管螺紋的上扣扭距不易精確控制;(2)利用斷續灌漿裝置灌注泥漿,不能根據需要及時循環泥漿,尤其是在套管下入遇阻時,必須重新連接方鑽杆建立泥漿循環,清除沉沙,影響了下套管效率;(3)利用套管吊卡提升套管,井眼中的套管不能旋轉;(4)常規下套管裝備還存在操作複雜,作業效率低,安全可靠性不高等缺點。

為解決上述問題,國內外研發了頂驅下套管裝置,根據卡瓦所受驅動力的形式不同,可以將該工具分類為:液壓驅動式和機械驅動式。中國專利號:CN201420409069.5,CN201120557017.9,CN200920105896.4公布了液壓驅動式下套管工具,中國專利號:CN201520506694.6,CN201510410640.4,CN201510312492.2公布了機械驅動式頂驅下套管工具。然而,上述液壓式下套管工具的液壓油容易洩露汙染環境,而且液壓系統受外界環境的影響較大;而上述機械式下套管工具存在結構複雜缺點,另外,卡瓦傳遞扭矩的範圍較小,不能適應多種套管旋轉、套管上扣等工況的使用。



技術實現要素:

為了克服現有下套管裝備的上述缺點,本實用新型的目的:提供一種電機驅動式頂驅下套管工具,具有隨時旋轉套管、提放套管、灌注泥漿、循環泥漿、作業安全效率高的特點,且卡瓦系統能有效傳遞頂驅的扭矩。

為了達到上述目的,本實用新型的技術方案是這樣實現的:

一種電機驅動式頂驅下套管工具,包括上芯軸1、電機驅動系統2、動力傳遞系統3、卡瓦系統4、導向密封系統5,其特徵為:上芯軸1的上、下兩端各設置有螺紋,上芯軸1的上螺紋與頂驅裝置連接,上芯軸1的下螺紋與下芯軸40連接;上芯軸1外側安裝有電機驅動系統2;電機驅動系統2下端螺栓連接有動力傳遞系統3;動力傳遞系統3內安裝有卡瓦系統4;卡瓦系統4下端螺紋連接有導向密封系統5;

所述上芯軸1的上、下兩端各設置有錐螺紋,上芯軸1的上錐螺紋下側設置有一段外螺紋10,外螺紋10連接有小圓螺母;上芯軸1的下錐螺紋上側設置有臺階11;小軸承23安裝於小圓螺母與臺階11之間;小軸承23外安裝有電機驅動系統2;

所述電機驅動系統2包括電機20、小軸承上端蓋21、懸掛筒22、小軸承23、轉動筒24、小軸承下端蓋25、大齒輪26、球形滾珠27、防轉銷28、擋蓋29、螺紋筒30;所述轉動筒24呈空心圓柱狀,轉動筒24內表面安裝有小軸承23,轉動筒24能相對上芯軸1轉動;轉動筒24外表面中部設置有臺階,臺階中部設置有環向半圓弧形凹槽,半圓弧凹槽的中部設置一條軸向半圓弧形凹槽;轉動筒24上、下兩端面均設置有螺紋孔,轉動筒24的上螺紋孔經螺栓連接有小軸承上端蓋21,轉動筒24的下螺紋孔經螺栓連接有小軸承下端蓋25;

轉動筒24外套有大齒輪26,大齒輪26的內表面上側設置有環向半圓弧形凹槽,環向半圓弧形凹槽與轉動筒24的環向半圓弧形凹槽,組成環向圓形凹槽,環向圓形凹槽內安裝有球形滾珠27,轉動筒24與大齒輪26能相對轉動;大齒輪26半圓弧凹槽的中部設置有一條軸向半圓弧形凹槽,軸向半圓弧形凹槽與轉動筒24的軸向半圓弧形凹槽,組成軸向的圓形孔,軸向的圓形孔用於球形滾珠27的裝配;大齒輪26外表面呈階梯軸狀,大齒輪26的大軸端設置有齒輪,齒輪與電機20的小齒輪相互嚙合,大齒輪26的小軸端設置有外螺紋;

大齒輪26經外螺紋連接有螺紋筒30,螺紋筒30呈空心圓柱狀,螺紋筒30內表面設置有階梯,階梯用於定位安裝大軸承31,階梯的上側設置有內螺紋,內螺紋與大齒輪26的螺紋形成絲扣連接;螺紋筒30上端面均布有四個沿軸向的半圓形孔;螺紋筒30的下端表面設置有螺紋孔,螺紋筒30經螺栓連接有大軸承端蓋32;

螺紋筒30的上側外表面經防轉銷28連接有懸掛筒22,懸掛筒22呈空心圓柱形;懸掛筒22內表面設置有階梯,階梯上均布有四個沿軸向的半圓形孔,半圓形孔與螺紋筒30的半圓形孔形成圓柱孔,圓柱孔內安裝有防轉銷28;懸掛筒22上、下兩端面各設置有螺紋孔,上螺紋孔經螺栓連接有小軸承上端蓋21,下螺紋孔經螺栓連接有擋蓋29;擋蓋29呈圓環形;

小軸承上端蓋21設置有小軸承23連接通孔,懸掛筒22連接通孔、電機20安裝孔;電機20經螺栓緊固於小軸承上端蓋21的表面,電機20的小齒輪穿過小軸承上端蓋21與大齒輪26嚙合;

所述電機驅動系統2與動力傳遞系統3螺栓連接,所述動力傳遞系統3包括大圓螺母34、大軸承31、大軸承端蓋32、卡瓦座33;所述卡瓦座33內表面套有下芯軸40,卡瓦座33外表面呈階梯狀;卡瓦座33下側設置有開口的斜T形槽,斜T形槽內安裝有卡瓦41;斜T形槽上側設置有臺階,臺階上側設置有外螺紋,外螺紋上連接有大圓螺母34;大軸承31安裝於臺階與大圓螺母34之間;大軸承31由大軸承端蓋32定位、緊固;動力傳遞系統3能相對下芯軸40轉動;

所述卡瓦座33與卡瓦系統4連接,所述卡瓦系統4包括下芯軸40、卡瓦41;所述下芯軸40外表面下側設置有外楔面,所述卡瓦41內側下表面設置有內楔面;卡瓦41的內楔面安裝於下芯軸40的外楔面內;卡瓦41能沿下芯軸40的楔面滑動;卡瓦外表面設置有縱向卡瓦牙42、橫向卡瓦牙43;

所述下芯軸40下端螺紋連接有導向密封系統5,導向密封系統5包括防突環50、膠筒51、導向頭52;膠筒51安裝於防突環50與導向頭52之間,導向頭52與下芯軸40螺紋連接。

與現有技術比較,本實用新型的效果是:1)本頂驅下套管工具採用電機為卡瓦提供驅動力,無需液壓源,因此本工具具有安全可靠的特點;2)採用交錯布置卡瓦牙,可以增大摩擦力,從而傳遞更大的扭矩,從而實現套管上扣、套管旋轉等工況作業時的需求;3)本頂驅下套管工具結構合理、操作簡單便利,且結構簡單,因而可以減小加工製造難度,降低生產成本。

附圖說明

圖1為本實用新型結構示意圖。

圖2為本實用新型三維外觀示意圖。

圖3為本實用新型三維剖切視圖。

圖4為上芯軸三維剖切視圖。

圖5為電機系統三維剖切視圖。

圖6為電機三維視圖。

圖7為電機系統主要零部件爆炸三維剖切視圖。

圖8上軸承端蓋三維剖切視圖。

圖9為懸掛筒三維剖切視圖。

圖10為轉動筒三維剖切視圖。

圖11為大齒輪三維剖切視圖。

圖12為螺紋筒三維剖切視圖。

圖13為動力傳遞系統三維剖切視圖。

圖14為卡瓦座三維剖切視圖。

圖15為卡瓦系統三維剖切視圖。。

圖16為卡瓦局部三維視圖。

圖17為導向密封系統三維剖切視圖。

1.上芯軸,2.電機驅動系統,3.動力傳遞系統,4.卡瓦系統,5.導向密封系統,10.外螺紋,11.臺階,20.電機,21.小軸承上端蓋,22.懸掛筒,23.小軸承,24.轉動筒,25.小軸承下端蓋,26.大齒輪,27.球形滾珠,28.防轉銷,29.擋蓋,30.螺紋筒,31.大軸承,32.大軸承端蓋,33.卡瓦座,34.大圓螺母,35.卡瓦座臺階,36.卡瓦座螺紋,40.下芯軸,41.卡瓦,42.橫向卡瓦牙,43.環向卡瓦牙,50.防突環,51.膠筒,52.導向頭。

具體實施方式

下面結合附圖對本實用新型做進一步詳細敘述。

參照圖1~圖3,一種電機驅動式頂驅下套管工具,包括上芯軸1、電機驅動系統2、動力傳遞系統3、卡瓦系統4、導向密封系統5。上芯軸1的上、下兩端各設置有螺紋,上芯軸1的上螺紋與頂驅裝置連接,上芯軸1的下螺紋與下芯軸40連接;上芯軸1外側安裝有電機驅動系統2;電機驅動系統2下端螺栓連接有動力傳遞系統3;動力傳遞系統3內安裝有卡瓦系統4;卡瓦系統4下端螺紋連接有導向密封系統5。其中,上芯軸1起到連接頂驅裝置,承載重力、傳遞扭矩的作用;電機驅動系統2起到為卡瓦提供驅動力,驅動卡瓦41徑脹開,達到撐緊套管內壁的作用;動力傳遞系統3起到傳遞軸向載荷、防止卡瓦跟隨電機驅動系統2旋轉的作用;卡瓦系統4起到執行機構作用,用於撐緊套管內壁,完成一些列下套管作業等作用;導向密封系統5起到引導和密封下套管工具的作用。下面將對本實用新型做進一步詳細敘述。

參照圖1、圖4,上芯軸1上、下兩端各設置有錐螺紋,上芯軸1的上錐螺紋與頂驅裝置連接;上芯軸1的下錐螺紋與下芯軸40連接。上芯軸1的上錐螺紋下側設置有一段外螺10,外螺紋10用於連接小圓螺母,小圓螺母用於定位、緊固小軸承23。上芯軸1的下錐螺紋上側設置有臺階11,臺階11用於定位、緊固小軸承23。臺階11和小圓螺母均起到定位、緊固小軸承23內圈的作用。小軸承23由一對圓錐滾子軸承構成。安裝小軸承23的作用在於防止電機20及電機20的線纜跟隨上芯軸1轉動。上芯軸1外表面套有電機驅動系統2。此外,圖1表示的是卡瓦處於上極限位置時候的狀態。

參照圖1、圖5、圖10,電機驅動系統2包括電機20、小軸承上端蓋21、懸掛筒22、小軸承23、轉動套、小軸承上端蓋21、大齒輪26、球形滾珠27、防轉銷28、擋蓋29、螺紋筒30。轉動筒24呈空心圓柱狀,轉動筒24內表面安裝有小軸承23,使轉動筒24能相對上芯軸1轉動。轉動筒24外表面中部設置有臺階,臺階中部設置有兩圈環向半圓弧形凹槽,半圓弧形凹槽內安裝有球形滾珠27,使大齒輪26能相對於上芯軸1旋轉;半圓弧凹槽的中部設置一條軸向半圓弧形凹槽。轉動筒24上、下兩端面均設置有十二個螺栓孔,轉動筒24上端面的螺紋孔經螺栓連接有小軸承上端蓋21,轉動筒24下端面的螺紋孔經螺栓連接有小軸承下端蓋25。

參照圖1、圖5、圖11,轉動筒24經過球形滾珠27連接有大齒輪26,大齒輪26的內表面上側設置有半圓弧形凹槽,半環向圓弧形凹槽能與轉動筒24的環向半圓弧形凹槽組成完整的環向圓形凹槽,完整的圓形凹槽用於安裝球形滾珠27,使轉動筒24與大齒輪26能相對轉動。大齒輪26半圓弧凹槽的中部設置有軸向半圓弧形凹槽,軸向半圓弧形凹槽與轉動筒24的軸向半圓弧形凹槽組成完整的軸向圓形孔,完整的圓形孔用於球形滾珠27裝配時從此孔通過,當球形滾珠27裝配完成後,需將此軸向圓形孔堵塞住,以防止球形滾珠27的掉落。大齒輪26外表面呈階梯軸狀,大齒輪26的大軸端設置有齒輪,齒輪能與電機20的小齒輪相互嚙合、轉動。大齒輪26的小軸端設置有外螺紋,外螺紋用於連接螺紋筒30。

參照圖1、圖5、圖12,大齒輪26經外螺紋連接有螺紋筒30,螺紋筒30呈空心圓柱狀。螺紋筒30內的表面設置有階梯,階梯用於定位安裝大軸承31。螺紋筒30階梯的上側設置有內螺紋,內螺紋與大齒輪26的外螺紋的相互配合,從而形成絲扣連接。螺紋筒30上端面均布有四個沿軸向的半圓形孔,半圓形孔內安裝有防轉銷28。設置防轉銷28的目的在於防止螺紋筒30跟隨大齒輪26轉動,從而將大齒輪26的旋轉運動轉化為螺紋筒28的軸向運動,實現為卡瓦41提供軸向的驅動力的目的。螺紋筒30的下端表面設置有螺紋孔,螺紋筒30經螺栓連接有大軸承端蓋32。

參照圖1、圖5、圖9,螺紋筒30的上側外表面經防轉銷28連接有懸掛筒22,懸掛筒22呈空心圓柱形。懸掛筒22內表面設置有階梯,階梯上均布有四個沿軸向的半圓形孔,半圓形孔與螺紋筒30的半圓形孔形成圓柱孔,圓柱孔內安裝有防轉銷28,使螺紋筒30隻能相對大齒輪26沿軸向移動,從而將大齒輪26的旋轉運動轉化為螺紋筒28的軸向運動。懸掛筒22上、下兩端面各設置有十二個螺紋孔,上螺紋孔經螺栓連接有小軸承上端蓋21,下螺紋孔經螺栓連接有擋蓋29。擋蓋29呈圓環形,圓環上設計有十二個均布的通孔,用於螺栓連接懸掛筒22。

參照圖1、圖5、圖8,小軸承上端蓋21設置設計有兩圈通孔,內圈為轉動筒連接通孔,外圈為懸掛筒連接通孔,每圈孔的數目為十二個,內圈通孔用於定位、緊固小軸承23,並經螺栓連接有轉動筒24;外圈通孔用於連接懸掛筒22。此外,內圈通孔和外圈通孔之間還設計有電機20安裝通孔,電機20通過螺栓緊固,且電機20的小齒輪軸穿過安裝通孔,伸入懸掛筒22內,實現小齒輪與大齒輪26的嚙合。

參照圖13~圖14,動力傳遞系統3包括大圓螺母34、大軸承31、大軸承端蓋32、卡瓦座33。卡瓦座33內表面套有下芯軸40;卡瓦座33外表面呈階梯狀。卡瓦座33下側設計有開口的斜T形槽,斜T形槽內安裝有六支卡瓦41,卡瓦41沿下芯軸40滑動時,斜T形槽能使卡瓦41上端也脹開。斜T形槽上側設置有卡瓦座臺階35,卡瓦座臺階35上側設置有卡瓦座外螺紋36,卡瓦座外螺紋36外連接有大圓螺母34。大軸承31安裝於卡瓦座臺階35與大圓螺母34之間,大軸承31通過大軸承端蓋32定位及緊固。大軸承32由一對圓錐滾子軸承構成。大軸承31能使動力傳遞系統3相對於下芯軸40轉動,從而防止動力傳遞系統3跟隨下芯軸40轉動。

參照圖15、圖16,卡瓦系統4包括下芯軸40、卡瓦41。下芯軸40外表面下側設置有六個楔面,每個楔面上配合安裝有一支卡瓦41。卡瓦41內側下表面設置有內楔面。卡瓦41的內楔面安裝於下芯軸40的外楔面內,且卡瓦41能沿楔面滑動。由於楔面的楔形作用,卡瓦41能沿徑向脹開,使卡瓦41撐緊套管內壁,從而實現套管夾持、旋轉。此外,卡瓦41外表面交錯布置有橫向卡瓦牙42和環向卡瓦牙43;橫向和環向的卡瓦牙交錯布置能增加橫向的摩擦力,從而提高頂驅下套管工具的上扣能力,以及扭矩的傳遞能力。下芯軸40下端螺紋連接有導向密封系統5。

參照圖17,導向密封系統5包括防突環50、膠筒51、導向頭52;膠筒51安裝於防突環50與導向頭52之間,導向頭52與下芯軸40螺紋連接。防突環50用於限制膠筒51受壓時的大變形行為,以防止泥漿洩露。膠筒51為呈皮碗形,有自密封功能。導向頭52用於引導卡瓦系統4進入套管環空。

本實用新型一種電機驅動式頂驅下套管工具的工作原理是:1)電機20啟動帶動小齒輪旋轉,小齒輪旋轉帶動大齒輪26旋轉,大齒輪26通過下端的螺紋傳動使螺紋筒30軸向移動(由於防轉銷28的限位作用,螺紋筒只能軸向移動,不能發生轉動),螺紋筒30軸向移動使動力傳遞系統3軸向移動,從而使卡瓦41沿下芯軸40楔面移動。由於楔面的作用,卡瓦41在沿軸向移動的同時,也將沿徑向移動。卡瓦41的徑向移動使卡瓦牙撐緊套管內壁,實現初始預接觸。隨後提升頂驅下套管工具,由於下芯軸40的楔面作用,卡瓦41將進一步撐緊套管內部,從而實現套管的懸持、套管的旋轉,及循環泥漿等作業。2)下套管結束後,控制電機20反轉,使卡瓦41縮回,卡瓦41與套管接觸分離,隨後,將整個頂驅下套管工具提出套管,從而完成一根套管的下入作業。

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