一种顶部驱动水泥头技术领域
本发明属于石油机械设备技术领域，用于油气井固井作业，具体涉及一
种顶部驱动水泥头。
背景技术
目前在海上油气开发中主要使用固定式、半潜式和浮动式钻井平台。而
现有水泥头具有回转空间大、抗拉强度低、承扭能力弱、只能投放单一种类
胶塞(钻杆胶塞或套管胶塞等)，无法投座封球、作业过程需要停泵等劣势，
无法适应海上油气开发需要，对陆地深井超深井需求亦无法完全满足。同时
固井压力越来越高，常规固井需作业者近距离作业，不仅承受高压作业风险，
而且承受高空落物打击风险，并且在作业过程中有高空坠落风险。
发明内容
本发明的目的提供一种顶部驱动水泥头，解决了现有技术中的水泥头规
格多，适用性不强，综合能力低的问题。
本发明采用的技术方案是，一种顶部驱动水泥头，从上到下包括依次连
接的旋转总成、至少一个上胶塞释放总成、指示器总成，各个总成依次通过
连接组件密封连接，
所述的旋转总成的结构是，包括开有中心通孔的上接头，上接头腰部外
周套装有筒体，在上接头腰部沿直径方向对称开有两个注入口，两个注入口
的外端分别对接有注入头A和注入头B，注入头A和注入头B分别与筒体
固定连接；筒体内壁与上接头腰部外周之间从上到下依次设置有上轴承、止
动螺母A、密封圈B、密封圈A、止动螺母B、下轴承；上轴承和下轴承内
圈均套装在上接头外周；筒体的上下端口分别安装有上端盖和下端盖；上接
头的下端口与分流器套装连接。
本发明的顶部驱动水泥头，其特征还在于：
上胶塞释放总成的结构是，包括主体A，主体A为一开有中心孔及偏心
孔的回转体，在主体A中部径向安装有旋转阀A，旋转阀A的两端密封面
分别安装有密封环B、密封环A，密封环B的外端安装有堵头A，堵头A固
定在主体A中，旋转阀A的堵头一侧安装有转换接头A。
指示器总成的结构是，包括下接头，下接头外圆开有安装槽，该安装槽
下部径向通孔中设置有投球堵头，投球堵头固定在下接头中，安装槽上部设
置有指示器。
连接组件的结构是，旋转总成的上接头下端口与上胶塞释放总成的主体
A上端口通过六个连接键A连接，六个连接键A内圆表面与上接头及主体A
外圆配套啮合，六个连接键A外部共同套装有卡箍A及卡箍B。
主体A与上接头对接时，主体A的端面B与上接头的端面A贴合，主
体A的密封槽与上接头的密封面配合套接，主体A的凹槽面B与上接头的
凹槽面A在轴向方向对齐。
上接头的下端设置有多个环形凹槽，连接键A内表面从上到下设置有多
个环形凸台，在连接键A轴向的上下端面上，分别设置有一个凸台面A及
凸台面B。
卡箍A的内表面设置有环形锥面C，在卡箍A一端沿周向均匀分布有
六个通孔A，在连接键A外表面上下过渡位置分别设置有环形锥面A和锥
面B，环形锥面A或环形锥面B与环形锥面C互为配合面；
或者，在卡箍G的内表面上有一段环形锥面E，在下端的径向方向延伸
出一凸台，凸台上沿周向均布有六个通孔B，锥面E与连接键A的锥面A
或锥面B配合。
本发明的有益效果是，采用顶部驱动装置或套管送入工具等带动本发明
转动，经指示器总成将载荷传递给管柱；通过键连接传递扭矩，键的内表面
的环形沟槽传递拉压载荷，中心孔与偏心孔配合旋转阀形成内部流道组合；
使用无线信号传输技术进行远程操作控制，控制系统所需动力由固定在上/
下胶塞释放总成上的便携式蓄能器提供。作业过程只需将本发明与顶部驱动
装置和下部管柱连接即可使用，避免了爬高接线及操作风险。可根据实际需
要，增减对上/下胶塞释放总成数量。可远程控制胶塞释放，也可手工投放座
封球等。另外，可承受高扭矩、大钩载，只需一种规格即可满足绝大部分作
业需求，与普通转盘驱动旋转水泥头相比，具有承扭能力高，钩载大，作业
过程不仅可旋转管柱而且可上提下放管柱。
附图说明
图1为本发明装置的总体结构示意图；
图2为本发明装置的半剖视图；
图3为本发明装置快接装置的局部爆炸图；
图4为本发明装置快接装置的母端接头的局部示意图；
图5为本发明装置快接装置的公端接头的局部示意图；
图6为本发明装置快接装置的连接键；
图7为本发明装置快接装置的卡箍；
图8为本发明装置快接装置局部半剖图；
图9为本发明装置快接装置的第二种卡箍半剖图；
图10为本发明装置快接装置的局部装配半剖图；
图11为本发明装置减少模块预装一个胶塞的示意图；
图12为本发明装置增加模块预装三个胶塞的示意图。
图中，10.旋转总成，20.上胶塞释放总成，30.下胶塞释放总成，40.指示
器总成，50.胶塞A，60.胶塞B，70.胶塞C，80.胶塞D；
11.箭头A，22.箭头B，33.箭头C，44.箭头D，55.箭头E；
101.上接头，102.上端盖，103.锁紧螺母，104.上轴承，105.止动螺母A，
106.注入头A，107.筒体，108.下轴承，109.分流套，110.下端盖，111.止动
螺母B，112.密封圈A，113.注入头B，114.密封圈B，115.密封面，116.端面
A，117.环槽A，118.键槽面A，119.螺纹孔A；
201.主体A，202.旋转阀A，203.密封环A，204.堵头A，205.转换接头
A，206.密封环B，207.密封槽，208.端面B，209.环槽B，210.键槽面B，211.
螺纹孔B；
301.主体B，302.旋转阀B，303.密封环C，304.活堵头，305.堵头B，
306.转换接头B，307.密封环D；
401.指示器，402.投球堵头，403.下接头；
501.卡箍A，502.连接键A，503.卡箍B，504.环形凸台，505.凸台面A，
506.凸台面B，507.锥面A，508.锥面B，509.锥面C，510.通孔A，511.锥面
E，512.通孔B，513.卡箍G；
601.卡箍C，602.连接键B，603.卡箍D；
701.卡箍E，702.连接键C，703.卡箍F。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
参照图1，本发明装置的整体结构是，从上到下包括依次连接的旋转总
成10、上胶塞释放总成20、下胶塞释放总成30、指示器总成40，各个总成
依次通过连接组件进行密封连接；另外，还包括汽缸和蓄能器(图1中未显
示)，汽缸用于转动上胶塞释放总成20中的旋转阀A202和下胶塞释放总成
30中的旋转阀B302，蓄能器用于给汽缸提供动力(高压气体)。
参照图2，旋转总成10的结构是，包括开有中心通孔的上接头101，以
上接头101作为回转体主轴，上接头101腰部外周套装有筒体107，在上接
头101腰部沿直径方向对称开有两个注入口(称为注入口A和注入口B)，
两个注入口的外端分别对接有注入头A106和注入头B113，注入头A106和
注入头B113分别通过螺栓与筒体107固定连接(图中未显示螺栓)；筒体
107内壁与上接头101腰部外周之间从上到下依次设置有上轴承104、止动
螺母A105、密封圈B114、密封圈A112、止动螺母B111、下轴承108，其
中的止动螺母A105、密封圈B114、密封圈A112、止动螺母B111一起称为
密封总成；上轴承104和下轴承108内圈均套装在上接头101外周，分别通
过一个锁紧螺母103锁紧在上接头101上；筒体107的上下端口通过螺栓分
别安装有上端盖102和下端盖110；上接头101的下端口与分流器109套装
连接。
上胶塞释放总成20的结构是，包括主体A201，主体A201为一开有中
心孔及偏心孔的回转体，在主体A201中部径向安装有旋转阀A202，旋转阀
A202的两端密封面(见图2中的左侧、右侧)分别安装有密封环B206、密
封环A203(三者一起称为上胶塞旋转阀总成)，密封环B206的外端安装有
堵头A204，堵头A204通过螺纹固定在主体A201中，使密封环B206被压
紧，旋转阀A202的堵头204一侧安装有转换接头A205，转换接头A205是
用来与外部气缸连接的(图中未显示外部的气缸)。
下胶塞释放总成30的结构是，与上胶塞释放总成20的结构一致，包括
主体B301，主体B301也是一个开有中心孔及偏心孔的回转体，在主体B301
中部径向安装有旋转阀B302，旋转阀B302的两端密封面(见图2中的左侧、
右侧)分别安装有密封环D307、密封环C303(三者一起称为下胶塞旋转阀
总成)，密封环D307的外端安装有堵头B305，堵头B305通过螺纹固定在
主体B301中，使密封环D307被压紧，旋转阀B302的堵头B305一侧安装
有转换接头B306，转换接头B306是用来与外部气缸连接的(图中未显示外
部气缸)；在主体B301中还平行中心孔开有偏心孔，偏心孔下部设置有活堵
头304，活堵头304用来堵住主体B301的一段偏心孔，使主体B301的偏心
孔加工性更好。在下胶塞旋转阀总成装入主体B301后，再将活堵头304装
入主体B301，最后完成其他部件的装配。
指示器总成40的结构是，包括下接头403，下接头403外圆开有安装槽，
该安装槽下部径向通孔中设置有投球堵头402，投球堵头402通过螺纹连接
固定在下接头403中，安装槽上部设置有指示器401。指示器401的主要功
能就是在胶塞通过时，通过机械指示或声音、光信号指示，让作业者知道胶
塞已经通过流道。指示器401的原理是在流道中设置一个类似瓣阀的拨片，
该拨片可以旋转90°，胶塞通过流道时推动拨片转动90°，在下接头403
外部有一个与内部流道拨片同步的拨片，将内部的转动动作传递到外部来。
其他的声音、光信号也必须有一个这样的机构来完成信号转换。
参照图2、图3，连接组件的结构是，旋转总成10的上接头101下端口
与上胶塞释放总成20的主体A201上端口通过六个连接键A502连接，六个
连接键A502内圆表面与上接头101及主体A201外圆配套啮合，六个连接
键A502外部共同套装有卡箍A501及卡箍B503，卡箍A501和卡箍B503
分别通过紧定螺钉分别与上接头101、主体A201固定。同样的结构原理，
上胶塞释放总成20与下胶塞释放总成30之间通过六个连接键B602、卡箍
C601及卡箍D603对应连接；下胶塞释放总成30和指示器总成40也是通过
六个连接键C702、卡箍E701和卡箍F703对应连接。
参照图4、图5，主体A201与上接头101对接时，主体A201的端面
B208与上接头101的端面A116贴合，主体A201的密封槽207与上接头101
的密封面115配合套接(图中未显示密封圈)，主体A201的相邻凹槽面B210
之间开有一个螺纹孔B211，主体A201的凹槽面B210与上接头101的凹槽
面A118在轴向方向对齐，便于安装相应的连接键。
上接头101的下端设置有多个环形凹槽(实施例均为4个环形凹槽，图
示环形凹槽数量及截面形状仅为一种展示)，还可根据需要设置其他数量的
凹槽及截面形式；在环形凹槽的轴向方向沿径向均匀分布有六个方形凹槽，
每个方形凹槽中间沿周向均布有一个螺纹孔A119，用于安装紧定螺钉。各
个主体上与连接键A502相配合的结构均与上接头101的下端结构一样。
如图6，连接键A502内表面从上到下设置有多个环形凸台504(实施例
为8个环形凸台504，图示环形凸台数量及截面形状仅为一种展示)，还可有
其他数量的环形凸台及截面形式；在连接键A502轴向的上下端面上，分别
设置有一个凸台面A505及凸台面B506；
如图7，在卡箍A501的内表面设置有环形锥面C509，在卡箍A501一
端沿周向均匀分布有六个通孔A510，用于紧定螺钉的安装固定，实现与上
接头101或各个主体上的螺纹孔的配合使用。
如图8，在连接键A502外表面上下过渡位置分别设置有环形锥面A507
和锥面B508，环形锥面A507或环形锥面B508与环形锥面C509互为配合
面，实现连接键A502与卡箍A501或卡箍B503的紧密接触。
以下按照图3-图8中的实施例价格进行各个总成之间上下连接的说明，
将六个连接键A502的环形凸台504同时镶入上接头101的环槽A117、主体
A201的环槽B209中，进行啮合配合，承受轴向拉力；将凸台面A505与键
槽面A118、凸台面B506与键槽面B210贴合，同时保证与凸台面A505相
邻的几个面完全镶入键槽面A118所在的键槽，且与相应的面配合贴紧。同
样，凸台面B506所在凸台与键槽面B210所在键槽也紧密配合。将其他5
个连接键也进行同样的连接。当连接键A502承受扭矩时，嵌入凹槽的凸台
面A505和凸台面B506即可共同传递扭矩。为防止各个连接键A502在受力
情况下脱落，在其外部套装有卡箍A501和B503，并用紧定螺钉通过螺纹孔
A119、螺纹孔B211进行固定，使其在周向相互不会发生滑动。
参考图9、图10，图9所示为另一种形式卡箍G513，内表面上有一段
环形锥面E511，在下端的径向方向延伸出一凸台，凸台上沿周向均布有六
个通孔B512，锥面E511与连接键A502的锥面A507或锥面B508配合，使
上下两个卡箍G513的通孔B512两两对正，用螺栓连接固定牢靠即可，省
去紧定螺钉及其螺纹孔的设置。各个卡箍限制了所在连接键的外表面的径向
位移。并通过紧定螺钉与主体固定，或者通过螺栓与另一个卡箍连接。各个
卡箍在轴向上完全将与旋转总成、上/下胶塞释放总成以及指示器总成上的键
槽配合的连接键的凸台完全包裹住，不使其外露。
在工作过程中，通过控制旋转阀A202、旋转阀B302的转动，通过不同
相位的旋转配合，实现中心通道的打开与关闭，从而可以实现胶塞的释放。
各个连接键与旋转总成、上/下胶塞释放总成、指示器总成均是同轴的；
连接键轮廓与旋转总成、上/下胶塞释放总成、指示器总成的轮廓相互配合后，
形成一个完整的回转面。各个连接键同时传递旋转总成与上/下胶塞释放总
成、上/下胶塞释放总成与指示器总成之间的拉/压载荷和扭力载荷。包括旋
转总成、上/下胶塞释放总成、指示器总成以及连接键在内，所有总成轮廓及
连接键轮廓至少具有一个环形凹槽，实施例为上下各四个总共八个环形凹
槽。包括旋转总成、上/下胶塞释放总成、指示器总成以及连接键在内，所有
总成轮廓及连接键轮廓至少具有一个环形凸台。
旋转总成下端具有环形凹槽及方形凹槽的外部轮廓，上/下胶塞释放总
成两端均具有环形凹槽及方形凹槽的外部轮廓，指示器总成的上端也具有环
形凹槽及方形凹槽的外部轮廓，连接键具有环形凸台及端面方形凸台的外部
轮廓，且连接键轮廓与旋转总成轮廓、上/下胶塞释放总成轮廓、指示器总成
轮廓互相配合。
本发明装置可预装一个胶塞、二个胶塞或多个胶塞(包括钻杆胶塞、套
管胶塞等)。根据实际需要可增减胶塞释放总成的数量，如图11为一个胶塞
的结构设置，如图12所示为三个胶塞的结构设置，包括胶塞B60、胶塞C70、
胶塞D80。
本发明具有多个流体入口，既可以通过上接头101注入流体，也可通过
注入头A106、注入头B113注入流体，最终所有流体都从下接头403的轴心
孔进入管柱。
本发明装置的工作过程如下：
1)预先安装胶塞：确保旋转阀B302将中心孔通道关闭，将旋转阀A202
绕其中心轴旋动90度，使得中心孔通道处于打开状态，将胶塞C70通过上
接头101压入中心孔通道，使胶塞C70与旋转阀B302相接触，转动旋转阀
A202使其关闭中心孔通道，将胶塞B60通过上接头101压入中心孔通道，
使胶塞B60与旋转阀B302相接触(上下胶塞的安装位置参考图11及图12)。
2)将本发明装置向上与动力端(顶部驱动装置、套管送入装置或转盘
等)、向下与流体输送管线连接好。
3)循环流体：当流体从上接头101进入时，胶塞B60堵在旋转阀B302
中，流体循环路线沿着箭头A11、箭头B22、箭头C33、箭头D44、箭头E55
流动，从下接头403进入下接管柱。当流体从注入头A106或注入头B113
流入时，流体也是通过相同路径完成循环的。
4)释放胶塞或座封球：当需要释放胶塞或座封球时，通过远程设备控
制旋转阀A202或B302，使绕各自回转轴旋转90°，所控制的胶塞就被释
放。当需要投放座封球时，拆开投球堵头402即可手工放入座封球，然后安
装好投球堵头402即可。
本发明的装置，可与顶驱驱动设备或顶驱下套管工具等配套使用，具有
传递大扭矩、承受大载荷、远程控制、模块化设计的特点，具有可投放胶塞、
座封球，在旋转同时可上提下放，可用于一般套管固井及旋转尾管固井等优
点；不仅可用于海上固井作业，也可用于陆地深井超深井大位移水平井固井
作业；不仅实现了套管尾管的顺利下入，也节约了钻井时间，提高固井质量。