CN110130831B - 顶驱下套管装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种顶驱下套管装置，包括传动***总成、顶驱防转机构总成和卡瓦防转机构总成，传动***总成包括芯轴、太阳轮、行星轮、丝杆和卡瓦，芯轴与顶驱的芯轴通过锥螺纹联接，太阳轮与芯轴键联接，行星轮与太阳轮啮合传动，丝杆与行星轮构成丝杆螺母副，卡瓦与芯轴为斜楔配合；顶驱防转机构总成包括直线电机、防转齿轮和防转轮盘，在直线电机的输出轴上套装有与防转齿轮啮合的锁紧齿轮，防转轮盘与防转齿轮卡接，行星轮安装在防转轮盘上；卡瓦防转机构总成包括半卡、双列圆锥滚子轴承，双列圆锥滚子轴承的内圈与丝杆联接，外圈与半卡联接，半卡的下端通过拔叉与卡瓦联接。本发明提供的顶驱下套管装置不受油温等环境因素的影响，稳定性更强。

Description

顶驱下套管装置

技术领域

本发明属于油气开采设备技术领域，更为具体地，涉及一种顶部驱动钻井***进行下套管作业的专用装置。

背景技术

顶部驱动钻井***(简称顶驱)是一种自动化程度非常高的石油钻机，与常规钻机相比可以实现随时循环泥浆、随时钻转钻柱，极大的提高钻井的安全。目前国内外的石油钻井公司均配有不同类型的顶驱。顶驱下套管装置是一种专门为顶驱配置的下套管作业的专用装置。传统的下套管装置在下套管过程中如果需要反转套管，会导致卡瓦松脱，存在安全隐患。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种顶驱下套管装置，以解决现有顶驱下套管装置在翻转套管时卡瓦容易松脱造成安全隐患的问题。

本发明提供的顶驱下套管装置，包括：传动***总成、顶驱防转机构总成和卡瓦防转机构总成；其中，传动***总成包括芯轴、太阳轮、行星轮、丝杆、拨叉和卡瓦，传动***总成的芯轴与顶驱的芯轴通过锥螺纹联接，太阳轮与芯轴键联接，行星轮与太阳轮啮合传动，丝杆与行星轮构成丝杆螺母副，卡瓦与芯轴为斜楔配合；顶驱防转机构总成包括直线电机、锁紧齿轮、防转齿轮和防转轮盘，锁紧齿轮套装在直线电机的输出轴上，与防转齿轮啮合，防转轮盘与防转齿轮卡接，行星轮安装在防转轮盘上；卡瓦防转机构总成包括两个半卡、双列圆锥滚子轴承，双列圆锥滚子轴承的内圈与丝杆联接，双列圆锥滚子轴承的外圈与两个半卡联接，两个半卡的下端通过拨叉拔叉与卡瓦联接。

此外，优选的结构是，顶驱下套管装置还包括上套筒和下套筒，上套筒通过端盖安装在芯轴上，在上套筒的上下两端与芯轴之间分别安装有第一单列圆锥滚子轴承和第二单列圆锥滚子轴承，下套筒通过套筒联接件与上套筒联接。

另外，优选的结构是，顶驱下套管装置还包括吊卡总成，吊卡总成包括两个吊卡座、两条吊卡臂、两根吊卡臂连杆、两个吊环连接件两个吊环和一个吊卡，两个吊卡座分别与上套筒固定联接，两条吊卡臂的上端分别与两个吊卡座铰接，两条吊卡臂的下端通过两根吊卡臂连杆与两个吊环连接件的一端铰接，两个吊环连接件的另一端与两个吊环的一端铰接，两个吊环的另一端与吊卡联接。

再者，优选的结构是，在芯轴的下端螺纹联接有导向头，在导向头与芯轴之间安装有密封圈和密封套。

另外，优选的结构是，卡瓦由六组卡瓦牙构成，沿芯轴的圆周均布，六组卡瓦牙均呈阶梯斜面状，在芯轴上开设有与六组卡瓦牙相配合的斜面槽。

此外，优选的结构是，两个半卡的下端面具有六个开槽的条辐，六个条幅分别与六组卡瓦牙的尾部相配合。

与现有技术相比，本发明能够取得以下技术效果：

1、本发明为纯机械式的顶驱下套管装置，与常规的液压式顶驱下套管装置相比，本装置不受油温等环境因素的影响，同时纯机械式的结构执行起来稳定性更强。

2、本发明通过直线电机带动锁紧齿轮解锁防转轮盘，将芯轴的旋转运动转化为太阳轮和防转轮盘的自转，此时行星齿轮随着防转轮盘公转而不自转，无法丝杆做直线运动，丝杆无法向卡瓦施加向下的推力，防止卡瓦在芯轴反转时松脱。

3、本发明采用双列圆锥滚子轴承和半卡来过渡丝杆与卡瓦之间的动联接，实现力与运动的传递。

附图说明

通过参考以下结合附图的说明及权利要求书的内容，并且随着对本发明的更全面理解，本发明的其它目的及结果将更加明白及易于理解。在附图中：

图1为根据本发明实施例的顶驱下套管装置的主视图；

图2为图1沿A-A线的剖视图；

图3为图1中B处的局部放大图；

图4为图1的俯视图。

其中的附图标记包括：芯轴101、端盖102、上套筒103、下套筒104、套筒连接件105、太阳轮106、行星轮107、丝杆108、拨叉109、卡瓦110、导向头111、密封圈112、密封套113、第一单列圆锥滚子轴承114、第二单列圆锥滚子轴承115、花键116、直线电机201、锁紧齿轮202、防转齿轮203、防转轮盘204、第三单列圆锥滚子轴承205、角接触球轴承206、半卡301、双列圆锥滚子轴承302、吊卡座401、吊卡臂402、吊卡臂连杆403、吊环连接件404、吊环405、吊卡406、吊卡连接螺栓407、顶驱5、套管6。

在所有附图中相同的标号指示相似或相应的特征或功能。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的具体实施例进行详细描述。

如图1-图4所示，本发明实施例提供的顶驱下套管装置，包括：传动***总成、顶驱防转机构总成、卡瓦防转机构总成和吊卡总成；其中，传动***总成包括芯轴101、端盖102、上套筒103、下套筒104、套筒连接件105、太阳轮106、行星轮107、丝杆108、拨叉109和卡瓦110，芯轴101与顶驱5的芯轴通过锥螺纹联接，并通过锥螺纹传递扭矩，与顶驱5的水眼相连通，传动***总成的动力来自于顶驱5，通过顶驱5驱动芯轴101正反转，上套筒103通过端盖102安装在芯轴101上，在上套筒103的上下两端与芯轴101之间分别安装有第一单列圆锥滚子轴承114和第二单列圆锥滚子轴承115，下套筒104通过套筒联接件105与上套筒103联接，套筒联接件105包括套筒连接螺栓、弹簧垫圈和套筒连接螺母，太阳轮106与芯轴101通过花键116连接，太阳轮106具有内花键，芯轴101具有外花键，太阳轮106与芯轴101通过花键联接传递扭矩，行星轮107与太阳轮106啮合传动，丝杆108与行星轮107的内孔构成丝杆螺母副，将丝杆108的旋转运动转化为直线运动，卡瓦110通过拨叉109安装在芯轴101上，卡瓦110与芯轴101为斜楔配合，卡瓦110由六组卡瓦牙组成，卡瓦牙的形状为阶梯斜面，在芯轴101上开设有与六组卡瓦牙形状相配合的斜面槽，丝杆108的直线运动会产生施加向下的推力，推力经拨叉109传递给卡瓦110，卡瓦110在芯轴101的斜面槽的作用下，实现在径向上的扩张与伸缩，通过卡瓦110与芯轴101在轴向上相对运动所产生的扩张与收缩，进而实现与套管6的离合。

由于顶驱下套管装置的动力由顶驱5提供，并通过顶驱5的正反转来实现卡瓦机构的收缩与扩张，所以在顶驱下套管装置夹紧套管6之后，此时的太阳轮106与行星轮107处于啮合状态，丝杆螺母副也处于啮合状态，如果继续旋转顶驱5势必会继续给顶驱下套管装置施加力，非常容易造成设备的损坏；同时在下套管6过程中如果需要反转套管6，那么顶驱下套管装置在不加入顶驱防转机构顶驱反转机构的情况下，反转套管6就会造成卡瓦110的松脱，因此存在极大的安全隐患。顶驱防转机构顶驱反转机构的作用在于，无论顶驱5正转或反转，卡瓦110都不会松开套管6，防止顶驱5在反转时松开套管6。

顶驱防转机构总成包括直线电机201、锁紧齿轮202、防转齿轮203和防转轮盘204，直线电机201安装在下套筒104上，锁紧齿轮202套装在直线电机201的输出轴上，通过直线电机201的输出轴的伸缩运动，带动锁紧齿轮202伸缩，与防转齿轮203啮合或脱离防转齿轮203，防转轮盘204与防转齿轮203卡接，防转轮盘204与下套筒104之间装配有第三单列圆锥滚子轴承205，防转轮盘204与芯轴101之间装配有角接触球轴承206，行星轮107安装在防转轮盘204上。

顶驱防转机构总成的工作原理为：当直线电机201带动锁紧齿轮202伸出与防转齿轮203啮合时，防转齿轮203与防转轮盘204保持静止，行星轮107在太阳轮106的传动下绕丝杆108的轴线自转，将丝杆的旋转运动转化为直线运动，向下移动，进而推动卡瓦110张开夹紧套管6；当直线电机201带动锁紧齿轮202回缩时，锁紧齿轮202脱离防转齿轮203，防转齿轮203与防转轮盘204自转，行星轮107绕着太阳轮106公转而不自转，丝杆108无法做直线运动，也就不会施加向下的推力，保证顶驱5带动芯轴101反转时，不会驱使卡瓦110回缩松开套管6。

在芯轴101的下端螺纹联接有导向头111，在导向头11与芯轴101之间安装有密封圈112和密封套113。

在顶驱5上配备有扭矩传感器，用于实时检测的扭矩值，当扭矩值达到紧扣扭矩值时，该信号反馈给直线电机201，使直线电机202缩回，进而将卡紧防转齿轮203的锁紧齿轮202松开，确保顶驱下套管装置紧扣后不会继续施加扭矩造成设备的损坏。

由于卡瓦110是安装到芯轴101中的，所以芯轴101在随着顶驱5转动的过程中，卡瓦110也会随着芯轴101做等速旋转运动，又由于卡瓦110要与其上部的丝杆108连接，以传递丝杆108的运动，因此，卡瓦110在夹紧套管6的过程中，承担运动传递的丝杆108是不做转动的，但此时的卡瓦110和芯轴101要做旋转运动，所以卡瓦110和丝杆108之间必须要一个动连接来过渡和传递运动与力，本发明对此问题的解决办法是卡瓦防转机构来承担这个动联接

用两个背靠背的承受轴向载荷的双列圆锥滚子轴承来承担这个动联接。

卡瓦防转机构总成包括两个半卡301和双列圆锥滚子轴承302，双列圆锥滚子轴承为两个背靠背的滚针轴承，用于承担动联接，双列圆锥滚子轴承302的内圈与丝杆108联接，双列圆锥滚子轴承302的外圈与两个半卡301联接，两个半卡301的下端通过拨叉拔叉109与卡瓦110联接，两个半卡301的下端面各具有三个开槽的条辐，六个条幅分别与六组卡瓦110的尾部相配合。

卡瓦防转机构总成在传递丝杆108的直线运动的同时，适应卡瓦110向外的扩张运动。卡瓦110在夹紧套管6的过程中，丝杆108不做转动，而此时的丝杆108与双列圆锥滚子轴承302的内圈联接，所以丝杆108与双列圆锥滚子轴承302的内圈一起不做旋转运动，而卡瓦110会随芯轴101连同两块半卡301一起做旋转运动，而此时的两个半卡301都与双列圆锥滚子轴承302的外圈联接，所以这时的旋转运动会被双列圆锥滚子轴承302的外圈适应掉。

卡瓦防转机构总成在传递丝杆108的推力时，丝杆108将推力传递给双列圆锥滚子轴承302的内圈，双列圆锥滚子轴承302的内圈将力传递给双列圆锥滚子轴承302的外圈，双列圆锥滚子轴承302的外圈将力和运动传递给两块半卡301，两块半卡301通过拨叉拔叉109传递到卡瓦110，从而实现卡瓦的扩张与收缩。

吊卡总成是用于吊起套管6的专用装置，具体包括两个吊卡座401、两条吊卡臂402、两根吊卡臂连杆403、两个吊环连接件404、两个吊环405和一个吊卡406，两个吊卡座401分别通过吊卡连接螺栓407与上套筒103固定联接，两条吊卡臂402的上端分别与两个吊卡座401铰接，两条吊卡臂402的下端通过两根吊卡臂连杆403与两个吊环连接件404的一端铰接，两个吊环连接件404的另一端与两个吊环404的一端铰接，两个吊环404的另一端与吊卡406联接。

本发明提供的顶驱下套管装置的工作流程为：吊卡总成将套管从猫道提起至于钻台平面并通过摆动油缸实现套管对中，顶驱带动顶驱下套管装置一起下放，直至套管与套管柱对扣完成，顶驱芯轴带动传动***总成的芯轴旋转，进而卡紧套管；顶驱芯轴继续旋转，完成单根套管与套管柱的旋扣与对扣；松开卡瓦，控制顶驱下放套管，套管下放到位后，顶驱停止旋转并继续适量下压套管，使卡瓦松开；顶驱反转，下套管装置收回卡瓦；顶驱下套管装置随顶驱提升到井架的合适位置，重复从猫道提升套管并继续下放套管，直至套管下放完成。

以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种顶驱下套管装置，其特征在于，包括：传动***总成、顶驱防转机构总成和卡瓦防转机构总成；其中，

所述传动***总成包括芯轴、太阳轮、行星轮、丝杆、拨叉和卡瓦，所述传动***总成的芯轴与顶驱的芯轴通过锥螺纹联接，所述太阳轮与所述芯轴键联接，所述行星轮与所述太阳轮啮合传动，所述丝杆与所述行星轮构成丝杆螺母副，所述卡瓦与所述芯轴为斜楔配合；

所述顶驱防转机构总成包括直线电机、锁紧齿轮、防转齿轮和防转轮盘，所述锁紧齿轮套装在所述直线电机的输出轴上，与所述防转齿轮啮合，所述防转轮盘与所述防转齿轮卡接，所述行星轮安装在所述防转轮盘上；

所述卡瓦防转机构总成包括两个半卡、双列圆锥滚子轴承，所述双列圆锥滚子轴承的内圈与所述丝杆联接，所述双列圆锥滚子轴承的外圈与两个半卡联接，两个半卡的下端通过所述拨叉与所述卡瓦联接。

2.如权利要求1所述的顶驱下套管装置，其特征在于，还包括上套筒和下套筒，所述上套筒通过端盖安装在所述芯轴上，在所述上套筒的上下两端与所述芯轴之间分别安装有第一单列圆锥滚子轴承和第二单列圆锥滚子轴承，所述下套筒通过套筒联接件与所述上套筒联接。

3.如权利要求2所述的顶驱下套管装置，其特征在于，还包括吊卡总成，所述吊卡总成包括两个吊卡座、两条吊卡臂、两根吊卡臂连杆、两个吊环连接件两个吊环和一个吊卡，两个吊卡座分别与所述上套筒固定联接，两条吊卡臂的上端分别与两个吊卡座铰接，两条吊卡臂的下端通过两根吊卡臂连杆与两个吊环连接件的一端铰接，两个吊环连接件的另一端与两个吊环的一端铰接，两个吊环的另一端与所述吊卡联接。

4.如权利要求1所述的顶驱下套管装置，其特征在于，在所述芯轴的下端螺纹联接有导向头，在所述导向头与所述芯轴之间安装有密封圈和密封套。

5.如权利要求1所述的顶驱下套管装置，其特征在于，所述卡瓦由六组卡瓦牙构成，沿所述芯轴的圆周均布，六组卡瓦牙均呈阶梯斜面状，在所述芯轴上开设有与六组卡瓦牙相配合的斜面槽。

6.如权利要求5所述的顶驱下套管装置，其特征在于，两个半卡的下端面具有六个开槽的条辐，六个条幅分别与六组卡瓦牙的尾部相配合。