顶驱下套管装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及顶驱下套管装置，是带有顶驱的钻机进行下套管操作的专用装置，属于油气开采设备技术领域。
【背景技术】
[0002]为了封隔地层，加固井壁，每口油气井在钻完后都要进行相应的下套管(即把套管连接起来并下入井内)、固井作业。一口井的下套管时间约占总钻机时间的12?20%。因此下套管的自动化程度对钻井完井效率产生较大影响。
[0003]常规下套管的方法为:使用简易吊卡提升单根套管；安装对扣套对扣；在连接时使用液压套管钳旋转顶部单根套管完成套管的上扣；启动上部气动卡瓦，松开下部钻台气动卡瓦，使上部气动卡瓦支撑套管柱的全部重量，下放套管柱；按要求及时向套管柱内注泥浆，完成一根套管下入井内。重复以上流程，直至把全部套管连接并下入井底。
[0004]常规下套管的方法能够有效的地将套管单根连接在一起形成套管柱下入井内，但仍存在以下问题:(I)套管旋扣复杂、劳动强度大且扭矩不易精确控制，扭矩过大损坏套管扣，扭矩过小上不紧扣套管造成井漏；(2)由于上部气动卡瓦无泥浆通道，造成下套管的过程中不能实现边旋转边循环泥浆，套管下不到指定的位置且由于长时间不活动套管柱易造成粘卡等井下事故；(3)下套管作业效率不高，劳动强度大且需要高空操作，因此存在极大的安全隐患。
[0005]随着顶驱的诞生，顶驱下套管便应运而生。如中国专利文献CN101487277B公开了一种用顶部驱动钻井装置下套管的方法，介绍了一种液压驱动卡瓦张开和收回的结构。如中国专利文献CN 202249762 U公开了一种内卡式顶驱下套管装置，其基本结构与CN101487277B 一样，不同点在于把卡瓦改成了可现场更换的卡瓦以便提高其适应性。上述两专利的顶驱下套管装置，提高了下套管作业的自动化程度，钻完井效率得到提升、劳动强度得到降低，部分解决了常规下套管遇到的前述问题。
[0006]然而，上述两专利的顶驱下套管装置均采用液压驱动，易漏油污染环境，且液压油受环境因素影响较大。另外，上述两专利中的卡瓦的夹持范围较小，不能适应多种管径套管的使用。
【发明内容】
[0007]本发明在于提高下套管作业的自动化程度，并解决现有顶驱下套管装置污染环境且使用范围较小的问题。
[0008]为此，本发明提供了一种顶驱下套管装置，主要由承载主体和卡瓦组成，承载主体和顶驱的芯轴螺纹连接，和顶驱的水眼相连通，卡瓦安装在承载主体上并经径向位移和套管离合；卡瓦主要由不少于2组的卡瓦牙、卡瓦主体关于承载主体所在中心线均布而成；其中卡瓦主体的截面呈楔形，其两端面具有定半径等距分布的牙弧状平面螺纹；卡瓦牙的外表面上具有与套管可啮合的牙；卡瓦牙、卡瓦主体间形成滑轨和/或滑道连接；承载主体上具有和卡瓦数量相同的防扭卡槽，承载主体具有带平面螺纹的两平行的环形面；上述卡瓦安装在承载主体的防扭卡槽内，上述卡瓦中平面螺纹和承载主体中平面螺纹形成平面螺纹副。
[0009]该发明的顶驱下套管装置中，承载主体和顶驱的芯轴螺纹连接，顶驱的芯轴的旋转带动承载主体的旋转。卡瓦径向均布在承载主体内，并和承载主体的两环形面形成平面螺纹副。当承载主体正向旋转时，卡瓦在平面螺纹的作用下径向扩大直到牙咬住套管内壁。在承载主体进一步旋转以及套管的自重下，卡瓦牙在卡瓦主体的楔形面的滑轨和/或滑道上向下滑动，径向尺寸进一步扩大直至抱紧套管形成啮合。当当承载主体反向旋转时，卡瓦在平面螺纹的作用下径向缩小，牙松开套管内壁；卡瓦在承载主体进一步旋转下返回初始位置。
[0010]因此，该发明的顶驱下套管装置，巧妙的利用了平面螺纹副将顶驱的芯轴的转动转化为卡瓦在承载主体的径向移动，然后再利用卡瓦牙在卡瓦主体的楔形面上的滑动使得径向尺寸进一步扩大并达到和套管的啮合。该发明中，卡瓦牙运动轨迹形成的包络圆直径的变化范围比普通的楔形面的直径变化范围要大很多，这样就可夹持同一种规格任意壁厚的套管，甚至可以夹持规格变化不大的套管，因此具有更强的适应性，且无液压驱动，更环保。
[0011]作为进一步改进，该发明的顶驱下套管装置，其特征还在于上述卡瓦主体两侧开有槽，槽内设置有经螺栓固定在承载主体的防掉环。这样可防止卡瓦主体径向扩大时从防扭卡槽里掉落。
[0012]作为进一步改进，该发明的顶驱下套管装置，其特征还在于上述卡瓦主体上设有限位槽或限位块。这样可限定卡瓦牙在卡瓦主体的相对位移范围。
[0013]作为一种优选方案，该发明的顶驱下套管装置中，上述承载主体包括转换头、转换外套、承载主轴、承载体、下主体；其中，转换头的上部设内螺纹；转换头的下部设有外花键；转换头的下部的下端面四周还设有插齿一；转换外套设有内花键，转换头向下移动时外花键插入内花键，转换头和转换外套形成花键连接；转换外套的下部具有外螺纹，承载体的上部具有内螺纹，转换外套和承载体形成螺纹连接；承载主轴的上端面设有插齿二 ；转换头向下移动时插齿一与插齿二啮合，转换头和承载主轴形成可离合的固定连接；承载体的下部均布有3个防扭卡槽；下主体和承载主轴同轴度固定；承载主轴的下端面和下主体的上端面为环形面，具有呈渐开线曲线的平面螺纹。
[0014]这样，将承载主体分为多零部件组合，不仅利于制造、加工，方便安装、维护，同时可实现离合操作，并利于优化作用力。
[0015]作为进一步优化，上述承载主体还包括两个防转销；转换头的下部水眼两侧开有两个防转销连接孔，承载主轴的上部水眼两侧开有两个防转销固定孔，两个防转销的一端在防转销连接孔内滑动，另一端固定在承载主轴的防转销固定孔内。这就防止了承载主轴和转换头间产生相对旋转，保证了插齿一与插齿二的准确对中离合。
[0016]作为进一步优化，上述承载主体还包括拉簧，拉簧一端固定在承载体，另一端与卡瓦牙连接。拉簧承载卡瓦牙一部分自重，以便使卡瓦牙在初始状态与限位块保持一定的距离，为单根套管与卡瓦牙啮合过程中产生短暂打滑留出足够的空间。
[0017]作为进一步优选，上述卡瓦主体、卡瓦牙的截面呈三段楔形，卡瓦主体上开有燕尾槽，卡瓦牙上设有燕尾块，燕尾块和燕尾槽形成滑轨和/或滑道，这样便于卡瓦牙在卡瓦主体上的滑动，方便单根套管与卡瓦牙啮合过程中产生打滑。
[0018]作为进一步优化，上述承载主体还包括插管，插管位于上述转换头的水眼内，在转换头上下移动时插管对水眼侧壁形成动密封，防止侧漏。
[0019]作为进一步优化，上述承载主体还包括与上述承载主轴螺纹连接的承载螺母，以及卡装在上述承载主轴上的防松箍。承载螺母主要是用来承载套管柱的重量。防松箍安装在承载主轴的卡槽内，对承载螺母起到一个防松的作用。
[0020]作为进一步优化，上述承载主体还包括密封导向组件，密封导向组件螺纹连接在上述承载主轴上。密封导向组件在顶驱下套管装置插入单根套管时起到导向作用，在顶驱下套管装置插入套管后在循环泥浆时起到自密封的作用。
【附图说明】
[0021]以下结合附图和【具体实施方式】来进一步说明本发明。
[0022]图1为本发明顶驱下套管装置在钻机上的工作示意图，为清楚起见，对钻机采用了简易画法并省略了部分零部件；
图2为本发明顶驱下套管装置的结构图，为清楚起见，采用了剖视画法；
图3为图2中M处局部放大图；
图4为图2中A向视图，为清楚起见，省略了部分零部件并采用了放大画法；
图5为本发明顶驱下套管装置的结构爆炸图，为清楚起见，省略了部分零部件，其中卡瓦主体、卡瓦牙仅有一组爆破；
图6为本顶驱下套管装置中卡瓦主体的立体图；
图7为本发明顶驱下套管装置中卡瓦牙的立体图。
[0023]其中，I为顶驱，2为顶驱下套管装置，21为转换头，21-1为外花键，21_2为内螺纹，22为插管，23为转换外套，23-1为内花键，24为防转销，24_1为防转销连接孔，25为承载主轴，25-1为平面内螺纹一，26为轴承，27为承载体，27-1为防扭卡槽，27_2为倒角，28为拉簧，29为卡瓦牙，29-1为螺纹牙，210为卡瓦主体，210 -1为平面外螺纹一，210-2平面外螺纹二，211为限位块，212为下主体，212-1平面内螺纹二，213为承载螺母，214为防松箍，215为防掉环，216为密封导向组件，3为举升机械手，30为水眼，41为单根套管，42为套管柱，5为钻台卡瓦。Kl为插齿一，K2为插齿二，K3为T型槽，K4为限位槽，Vl为燕尾槽一，V2为燕尾槽二，Vll为燕尾块一，V21为燕尾块二。
[0024]【具体实施方式】:
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
[0025]如图1所示，该顶驱下套管装置2固定连接在顶驱I芯轴上；举升机械手3直接从井场抓单根套管41至钻台面上并与顶驱下套管装置2实现对中；顶驱I带动顶驱下套管装置2 —起下放，顶驱I芯轴旋转带动顶驱下套管装置2抱紧单根套管41 ;单根套管41和套管柱42上扣；松开钻台卡瓦5，下放套管柱42 ;顶驱I芯轴反向旋转，顶驱下套管装置2松开套管柱42，顶驱下套管装置2随顶驱I提升到井架的合适位置；重复举升机械手4抓住单根套管41从井场举升到顶驱下套管装置2的正下方后的工序，直至把全部套管连接下放到井底。
[0026]如图2所示，该顶驱下套管装置2中心位置设置有水眼30，顶驱I带动顶驱下套管装置2旋转同时泥浆可从顶驱I的主轴水眼和顶驱下套管装置2的水眼30灌入套管柱42，实现边下套管边循环泥浆。
[0027]另外，配备了顶驱扭矩传感器(图中未示出)，即可实现套管旋扣扭矩的精确控制，误差可控制在千分之五左右。
[0028]如图2、图5所示，该顶驱下套管装置包括转换头21、插管22、转换外套23、防转销24、承载主轴25、轴承26、承载体27、拉簧28、卡瓦牙29、卡瓦主体210、限位块211、下主体212、承载螺母213、防松箍214、防掉环215、密封