油田水平井防采油管柱断脱落井装置技术领域
本发明涉及油田水平井采油技术领域，具体而言，涉及一种油田水平井防采油管柱断脱
落井装置。
背景技术
水平井作为提高单井产量和转变开发方式的主要技术手段，其数量及产量的比重都呈较
快上升趋势。目前，油田水平井采油管柱与直井或定向井保持一致，因此，开采过程中不可
避免地会出现生产管柱断脱落井事故。由于水平井井身结构的特殊性，一旦生产管柱脱落滑
入水平段内，将会增加打捞难度，加大打捞的成本和风险。
相关统计表明，一口普通水平井的成本约为直井的2倍左右，但其产量可达直井的3～5
倍，甚至更多。水平井的打捞工具一般需要特殊设计，考虑到水平井身结构的特殊性，打捞
管柱还需额外附加扶正器、增力器和震击器等，施工工作量大，作业成本高，约为直井或定
向井打捞成本的5倍。
目前，用于采油管柱的各种配套油管防落装置或油管柱防落锚仅能实现正常采油过程中
的断脱防落，却不能保证管柱在下钻、起钻过程中的断脱防落，而工具的锚定、解卡机构长
期浸泡在液面以下(抽油泵以下，机械采油的所有液体均要通过该装置)，在结垢及腐蚀等因
素的影响下，极大地降低了工具锚定和解卡的灵活性，特别是不适宜在油田水平井中规模推
广应用。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种油田水平井防采油管柱断脱落井装置，以满足在各种工
况下对油田水平井采油管柱的防断脱要求。
本发明的具体技术内容如下：
本装置内设置有配重蓄能机构、润滑机构和辅助回位机构，利用物体失重和加速度等物
理特征，不受制于机械结构，能保护设备良好的工作环境，提高工具的灵敏性，能在打捞断
脱管柱的实现轻松解卡。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供一种油田水平井防采油管柱断脱落井
装置，包括：连接杆；上接头，上接头固定连接在连接杆的上端，且上接头具有锥面槽；卡
瓦，卡瓦可移动地设置在连接杆上，并与上接头的锥面配合；配重蓄能机构，与连接杆连接，
用于利用重力蓄积势能并在失重状态下将蓄积的势能转化为机械能来驱动卡瓦移动。
进一步地，油田水平井防采油管柱断脱落井装置包括：卡瓦座，卡瓦座可移动地设置在
连接杆上，卡瓦设置在卡瓦座上，并随卡瓦座移动。
进一步地，配重蓄能机构包括：配重块，配重块与卡瓦座连接，并可驱动卡瓦座移动；
配重弹簧，配重弹簧位于配重块下方，并与配重块弹性接触；弹簧座，弹簧座位于配重弹簧
的下方，并与配重弹簧弹性接触。
进一步地，配重蓄能机构还包括：连接头，连接头固定连接在连接杆的下端；活塞杆，
活塞杆可移动地穿设在连接头的圆周孔内，且顶端与卡瓦座刚性接触，配重块与活塞杆的下
端刚性接触，并通过活塞杆驱动卡瓦座。
进一步地，油田水平井防采油管柱断脱落井装置还包括：下接头，下接头位于弹簧座的
下方并与弹簧座接触；节流胶筒，节流胶筒套设在下接头上。
进一步地，油田水平井防采油管柱断脱落井装置还包括：调节环，调节环位置可调节地
设置在下接头上，以调节节流胶筒的节流度。
进一步地，油田水平井防采油管柱断脱落井装置还包括：外筒，外筒套设在连接头与下
接头外，外筒的一端固定连接在连接头上，另一端固定连接在下接头上。
进一步地，配重块的周面上设置有周向孔，周向孔内锚定有套在圆柱销上的滚轮。
进一步地，连接杆外套设有防磨套，卡瓦座设置在防磨套外。
进一步地，连接杆的周壁上设置有凸台，卡瓦座上设置有与凸台配合的止挡凸起，卡瓦
座上还固定连接有连接套，驱动部与连接套连接，并驱动连接套运动。
进一步地，连接套上设置有支撑凸起，支撑凸起与凸台之间设置有复位弹簧。
本装置的内部配重蓄能机构能实现采油时及下钻和起钻过程中管柱的断脱防落，采用失
重、加速度等物理特征，不受制于机械结构，保证装置广泛的适应性。装置内部的润滑机构
能使其关键部件始终在良好的环境中工作，能延长其使用寿命，保证长期工作的可靠性。可
通过调整节流胶筒改变工具的灵敏性，装置最大刚体外径较小，降低在起下钻过程中装置自
身的遇卡机率，提高工具适应井筒的能力。辅助回位弹簧能在打捞断脱管柱时配合实现轻松
解卡，整个锚定、解卡机构能够实现无限次作业。本发明可满足油田水平井采油管柱在各种
工况下的防管柱断脱要求，将断脱管柱的水平段的复杂打捞工况改变为直井段内的简单打捞
工况，从根本上改变了断脱后的打捞工艺，能极大地减少工作量，缩短占井周期，节约施工
费用。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实
施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1示出了根据本发明的实施例的油田水平井防采油管柱断脱落井装置示意图；以及
图2示出了图1中A-A剖视图；
图3示出了图1中B-B剖视图。
其中，上述附图包括以下附图标记：
1、上接头；2、连接杆；3、卡瓦；4、防磨套；5、卡瓦座；6、复位弹簧；7、连接套；
8、活塞杆；9、密封垫；10、密封圈；11、连接头；12、外筒；13、配重块；14、滚轮；15、
圆柱销；16、配重弹簧；17、弹簧座；18、密封环；19、下接头；20、节流胶筒；21、调节
环。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
以下结合图1至3以及实施例对本发明进一步说明：
本装置主要包括上接头1、连接杆2、卡瓦3、防磨套4、卡瓦座5、复位弹簧6、连接套
7、活塞杆8、密封垫9、密封圈10、连接头11、外筒12、配重块13、滚轮14、圆柱销15、
配重弹簧16、弹簧座17、密封环18、下接头19、节流胶筒20和调节环21；
连接杆2外壁台阶上方套装防磨套4，台阶下方套装复位弹簧6和支撑该弹簧的连接套7，
卡瓦座5卡扣连接杆2台阶并与连接套7上端口内壁连接，上接头1外壁上的三个燕尾槽内
均设有由卡瓦座5支撑的卡瓦3，连接杆2顶、底端分别通过外螺纹连接上接头1和连接头11。
连接头11上纵向穿有三根由密封垫9密封的活塞杆8，接头外壁通过螺纹连接由密封圈10密
封的外筒12，外筒12底端通过内螺纹连接下接头19。下接头19下方缩径管外套装节流胶筒
20且螺纹连接调节环21，下接头19顶面支撑由密封环18密封的、套装配重弹簧16的弹簧
座17，弹簧座17顶面支撑T型的配重块13，配重块13周面上四个周向孔内均锚定有套在圆
柱销15上的滚轮14。
装配本装置时，先将三片卡瓦3沿上接头1燕尾槽插入并卡于卡瓦座5卡槽内，再将套
装防磨套4的连接杆2的上端螺纹连接上接头1，在连接杆2下方套装复位弹簧6后再把连接
套7(由于连接套7内圆与连接杆2间的配合间隙很小，因此一旦浸入油井液面，该腔体即
可保持长期密闭，保证复位弹簧6长期的可靠性)与卡瓦座5螺纹连接。将密封垫9嵌入连
接头11轴向孔，将密封圈10套在连接头11外圆槽内后螺纹连接外筒12。将圆柱销15穿入
滚轮14后插入配重块13周向孔并与配重块13锚定，从配重块13下端套上配重弹簧16。以
弹簧座17支撑配重块13，从外筒12下端穿入，将下接头19螺纹连接于外筒12内，将节流
胶筒20从下接头19下端套入，最后，将调节环21螺纹连接下接头19。工作时，将润滑油从
连接头11轴向孔灌入，直至液面升至连接头11下端面，将三个活塞杆8从连接头11上端面
穿入，最终将连接杆2下端与连接头11螺纹连接即可开始正常工作。
现场应用时，本装置安装在采油管柱的最下端，根据井筒情况(老井根据通井规通井情
况)调整调节环21，控制节流胶筒20的最大外径。如对于51/2″、内径124.26mm套管完井
的油井，如果Φ116mm通井规可顺利通过，则节流胶筒20的最大外径调整为114mm。
本装置防断脱的机理如下：
1、在起下钻过程中(采油管柱进入井筒，但处于油井液面以上)
如果采油管柱突然断脱，配重块13失重，此时，配重弹簧16储存的弹力瞬间上推配重
块13，上顶活塞杆8，推动连接套7(压缩复位弹簧6)、卡瓦座5、卡瓦3沿上接头1槽内锥
面上移，使卡瓦3最终锚定在套管内壁，进而防止断脱管柱继续下行。在卡瓦3锚定后，配
重块13在其重力的作用下下行至装配位置。从采油管柱突然断脱至锚定理论制动距离仅为
1m，因此，断脱管柱对于套管的冲击力较小，能很好地保护套管，同时，断脱管柱及本装置
本身承受的冲击力也很小，不会产生变形及损坏。
2、在正常采油过程中或起下钻过程中(油井液面以下)
如果采油管柱突然断脱，管柱会呈现加速向下运动，使该装置下部的液体上移，此时，
液体仅能通过节流胶筒20与套管内的环空部分上移，流体遭遇压力损失，该压差产生的上推
力可瞬间推动弹簧座17上移，且该推力会随着断脱管柱下落的速度急速增大。与此同时，配
重块13失重，配重弹簧16储存的弹力也会产生上推力起共同作用，配重块13上顶活塞杆8，
推动连接套7(压缩复位弹簧6)、卡瓦座5、卡瓦3沿上接头1槽内锥面上移，使卡瓦3最终
锚定在套管内壁，进而防止断脱管柱继续下行。在卡瓦3锚定后，配重块13在其重力的作用
下下行至装配位置，与此同时，配重块13通过配重弹簧16将弹簧座17也推至装配位置。从
采油管柱突然断脱至锚定理论制动距离仅为0.8m，因此，断脱管柱对于套管冲击力较小，能
很好地保护套管，同时，断脱管柱及本装置本身承受的冲击力也很小，不会产生变形及损坏。
3、后期的打捞及解卡
当后期需要打捞断脱管柱时，捞住断脱管柱鱼头上提，连接杆2上行，其槽内锥面强制
卡瓦3与套管内壁分离，与此同时，复位弹簧6自由伸长，依次推动连接套7(同时推动活塞
杆8回位)和卡瓦座5(将卡瓦3下拉)，最终卡瓦3回位，本装置本身解卡力理论不大于10KN，
断脱管柱即可顺利捞出。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员
来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等
同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。