全机械式外卡顶驱下套管装置.pdf

全机械式外卡顶驱下套管装置涉及石油机械，心轴（14）的外围设有用于卡紧套管（17）外壁的锁紧装置，锁紧装置包括卡瓦内筒（9）、卡瓦外筒和卡瓦楔块（11），心轴（14）上端与上接头（1）连接处设有上螺纹套（3），卡瓦内筒（9）上端设有下螺纹套（4），卡瓦楔块（11）外侧设有带有导引斜面的楔块体（18），卡瓦外筒内壁设有带有导引斜面的导引凹槽，卡瓦外筒上端与上接头（1）连接，卡瓦楔块（11）置于卡瓦内筒（9）筒壁的窗口内，其外侧的楔块体（18）嵌在卡瓦外筒的导引凹槽内，且卡瓦楔块（11）与卡瓦内筒（9）之间设有复位弹簧（10）。它具有结构合理、操作简单方便、载荷大、安全可靠及高效的优点。

1.  全机械式外卡顶驱下套管装置，包括上接头（1）和心轴（14），心轴（14）上端与上接头（1）连接，下端设有密封皮碗（15）和引锥（16），其特征在于，所述心轴（14）的外围设有用于卡紧套管（17）外壁的锁紧装置，该锁紧装置包括卡瓦内筒（9）、卡瓦外筒和卡瓦楔块（11），心轴（14）上端与上接头（1）连接处设有上螺纹套（3），卡瓦内筒（9）上端设有与上螺纹套（3）相配合的下螺纹套（4），上螺纹套（3）与下螺纹套（4）相对转动时可带动卡瓦内筒（9）轴向运动，卡瓦内筒（9）环筒壁开有若干窗口，卡瓦楔块（11）内侧设有卡瓦牙（12），外侧设有带有导引斜面的楔块体（18），卡瓦外筒内壁设有与楔块体（18）相配合的带有导引斜面的导引凹槽，卡瓦外筒套在卡瓦内筒（9）外，卡瓦外筒上端与上接头（1）连接，卡瓦楔块（11）置于卡瓦内筒（9）筒壁的窗口内，其外侧的楔块体（18）嵌在卡瓦外筒的导引凹槽内，且卡瓦楔块（11）与卡瓦内筒（9）之间设有径向的用于将卡瓦楔块（11）推向外侧的复位弹簧（10），当卡瓦内筒（9）和卡瓦外筒之间相对轴向移动时，卡瓦楔块（11）做径向移动，从而卡紧或松开套管（17）。

2.  如权利要求1所述的全机械式外卡顶驱下套管装置，其特征在于，所述下螺纹套（4）的上端面和上螺纹套（3）外壁上部或上接头（1）的下端面设有相配合的端面凸轮，用于在下螺纹套上行至顶位时起锁止作用。

3.  如权利要求1所述的全机械式外卡顶驱下套管装置，其特征在于，所述卡瓦外筒可转动地固定在上接头（1）上，且卡瓦外筒与所述卡瓦内筒（9）间设有使二者只能做轴向位移的键槽连接。

4.  如权利要求1或2所述的全机械式外卡顶驱下套管装置，其特征在于，所述卡瓦内筒（9）和下螺纹套（4）通过下螺纹套压帽（8）连接，下螺纹套（4）下段的外壁设有台肩，下螺纹套压帽（8）套在该台肩处，下螺纹套（4）与下螺纹套压帽（8）连接的台肩面处设有碟簧（7）。

5.  如权利要求4所述的全机械式外卡顶驱下套管装置，其特征在于，所述下螺纹套（4）和下螺纹套压帽（8）之间设有使二者只能做轴向位移的键槽连接。

6.  如权利要求1所述的全机械式外卡顶驱下套管装置，其特征在于，所述卡瓦外筒由上筒体（2）、中筒体（6）和下筒体（13）构成，上筒体（2）固定在上接头（1）上，中筒体（6）通过挡环（5）及环槽可转动地连接在上筒体（2）上，下筒体（13）固定在中筒体（6）上。

7.  如权利要求6所述的全机械式外卡顶驱下套管装置，其特征在于，所述中筒体（6）内壁和卡瓦内筒（9）间设有使二者只能做轴向位移的键槽连接。

全机械式外卡顶驱下套管装置
技术领域
本发明涉及石油机械，具体涉及一种全机械式外卡顶驱下套管装置。
背景技术
顶驱下套管装置是一种基于顶部驱动钻井系统、用于下套管作业的全机械式装置。它可以不依赖于液压系统，具有安装方便快捷的优点，可以大大节省设备成本。申请号为201320856096.2的中国发明专利申请公开了一种机械式顶驱下套管装置，采用内卡的方式与套管连接，该连接方式向外胀开卡紧套管，可能造成较大的形变，其尺寸受套管内径限制，其承受拉力的能力也受到限制，存在套管从下套管装置中滑脱的可能性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种结构合理、安全可靠的全机械式外卡顶驱下套管装置。
本发明的技术解决方案是：它包括上接头和心轴，心轴上端与上接头连接，下端设有密封皮碗和引锥，所述心轴的外围设有用于卡紧套管外壁的锁紧装置，该锁紧装置包括卡瓦内筒、卡瓦外筒和卡瓦楔块，心轴上端与上接头连接处设有上螺纹套，卡瓦内筒上端设有与上螺纹套相配合的下螺纹套，上螺纹套与下螺纹套相对转动时可带动卡瓦内筒轴向运动，卡瓦内筒环筒壁开有若干窗口，卡瓦楔块内侧设有卡瓦牙，外侧设有带有导引斜面的楔块体，卡瓦外筒内壁设有与楔块体相配合的带有导引斜面的导引凹槽，卡瓦外筒套在卡瓦内筒外，卡瓦外筒上端与上接头连接，卡瓦楔块置于卡瓦内筒筒壁的窗口内，其外侧的楔块体嵌在卡瓦外筒的导引凹槽内，且卡瓦楔块与卡瓦内筒之间设有径向的用于将卡瓦楔块推向外侧的复位弹簧，当卡瓦内筒和卡瓦外筒之间相对轴向移动时，卡瓦楔块做径向移动，从而卡紧或松开套管。
本发明的技术效果是：它具有结构合理、操作简单方便、载荷大、安全可靠及高效的优点。
利用全机械式外卡顶驱下套管装置作业，可以减少复杂情况的发生，可以自动将上扣动作分解为低扭矩旋扣和大扭矩上扣，保护套管螺纹不受伤害，省去了传统的液压式顶驱下套管装置需配备液压源带来的麻烦，极大地提高了下套管作业的效率和质量。
能充分发挥顶驱钻井的所有优点，在下套管作业过程中可同时实现套管柱的旋转（旋转下套管）、提放、灌浆、循环泥浆及套管试压作业；全机械式结构不需配置液压源及液压管线，只需顶驱的旋转运动即可实现操作，结构简单操作方便，减少设备故障和避免了作业现场漏油造成的环境污染；消除了套管从下套管装置中滑脱的可能性；能提高下套管生产效率，提高安全性，增强了下套管作业的自动化程度；还可配置智能化监控系统，实现智能化下套管作业。
附图说明
图1为本发明的剖视结构示意图；
图2为图1A-A截面结构示意图；
图3为图1B-B截面结构示意图；
图4为图1C-C截面结构示意图；
图5为本发明端面凸轮展开图。
具体实施方式
如图1至5所示，它包括上接头1和心轴14，心轴14上端与上接头1连接，下端设有密封皮碗15和引锥16，所述心轴14的外围设有用于卡紧套管17外壁的锁紧装置，该锁紧装置包括卡瓦内筒9、卡瓦外筒和卡瓦楔块11，心轴14上端与上接头1连接处设有上螺纹套3，卡瓦内筒9上端设有与上螺纹套3相配合的下螺纹套4，上螺纹套3与下螺纹套4相对转动时可带动卡瓦内筒9轴向运动，卡瓦内筒9环筒壁开有若干窗口，卡瓦楔块11内侧设有卡瓦牙12，外侧设有带有导引斜面的楔块体18，卡瓦外筒内壁设有与楔块体18相配合的带有导引斜面的导引凹槽，卡瓦外筒套在卡瓦内筒9外，卡瓦外筒上端与上接头1连接，卡瓦楔块11置于卡瓦内筒9筒壁的窗口内，其外侧的楔块体18嵌在卡瓦外筒的导引凹槽内，且卡瓦楔块11与卡瓦内筒9之间设有径向的用于将卡瓦楔块11推向外侧的复位弹簧10，当卡瓦内筒9和卡瓦外筒之间相对轴向移动时，卡瓦楔块11做径向移动，从而卡紧或松开套管17。
所述下螺纹套4的上端面和上螺纹套3外壁上部或上接头1的下端面设有相配合的端面凸轮，用于在下螺纹套4上行至顶位时起锁止作用。
所述卡瓦外筒可转动地固定在上接头1上，且卡瓦外筒与所述卡瓦内筒9间设有使二者只能做轴向位移的键槽连接。
所述卡瓦内筒9和下螺纹套4通过下螺纹套压帽8连接，下螺纹套4下段的外壁设有台肩，下螺纹套压帽8套在该台肩处，下螺纹套4与下螺纹套压帽8连接的台肩面处设有碟簧7。
所述下螺纹套4和下螺纹套压帽8之间设有使二者只能做轴向位移的键槽连接。
所述卡瓦外筒由上筒体2、中筒体6和下筒体13构成，上筒体2固定在上接头1上，中筒体6通过挡环5及环槽可转动地连接在上筒体2上，下筒体13固定在中筒体6上。
所述中筒体6内壁和卡瓦内筒9间设有使二者只能做轴向位移的键槽连接。
结构与工作原理：上接头1通过螺纹与上筒体2和上螺纹套3相连接，上螺纹套3通过多头螺纹和其端面的凸轮（棘齿结构）与下螺纹套4相连，凸轮轮廓曲线与多头螺纹配合，实现当上螺纹套3正转时远离下螺纹套4，反转时接近下螺纹套4，并在反转到达起点时由凸轮的停止平面实现上螺纹套3相对于下螺纹套4的刚性停止，从而实现了把顶驱的旋转运动转化为下螺纹套4及其所连接部件的轴向运动；下螺纹套4通过下螺纹套压帽8和碟簧7与卡瓦内筒9相连实现扭矩的传递，通过蝶簧7的变形，可以起到自动锁紧的作用；上筒体2通过挡环5与中筒体6相连，中筒体6通过螺纹与下筒体13相连；卡瓦楔块11与卡瓦牙12组成卡瓦（可以是整体或分体结构）装配在卡瓦内筒9上的窗口内，卡瓦楔块11上的斜面与下筒体13上的对应斜面配合实现当卡瓦内筒9相对于下筒体13下移时，卡瓦径向内收卡紧套管17，从而实现扭矩和上提力的传递，并且由于采用外卡方式卡紧套管17，卡紧面直径小于接箍19外径，因此消除了套管17从下套管装置中滑脱的可能性；作业时，接箍19处采用护丝20连接保护，并且在心轴插入套管过程中给引锥16和密封皮碗15提供对中导向。并可通过护丝20与下螺纹套4间采用卡嵌连接实现扭矩传递；心轴14中间有水眼，上端通过螺纹与上接头1相连，下端通过螺纹与密封皮碗15和引锥16相连实现套管17内径与外部的封隔密封从而实现灌浆、循环和套管试压的功能。
本发明是一种基于顶部驱动钻井系统、用于下套管作业的全机械式装置。该装置上端与顶驱主轴或浮动接头相连接，可以通过顶驱传动精确控制下套管作业时套管的上扣扭矩；采用特殊的结构设计下端只需通过顶驱主轴的正/反旋转运动驱动卡瓦复位/张开，进而松开/卡紧套管，以传递旋转及提升载荷，完成上扣及提放套管及旋转下套管动作。该装置采用自封式皮碗密封套管，可以在下套管作业的同时随时灌注泥浆，也可在套管遇阻时及时循环泥浆，以减少或避免复杂事故的发生，同时具备套管试压功能。