一种螺纹驱动全机械式顶驱下套管工具的制作方法

本实用新型涉及石油天然气固井装备技术领域，特别涉及一种螺纹驱动全机械式顶驱下套管工具。

背景技术：

下套管作业的目的在于封隔地层、加固井壁、防止油气泄漏和建立油气通道等，是石油天然气钻井作业过程中的一个极其重要的环节。下套管工具是完成下套管作业的关键性装备，常规下套管装备主要包括：用于夹持套管的井口卡瓦、用于套管旋扣的液压套管钳、用于断续灌注泥浆的开放式灌泥浆装置、用于提升套管的套管吊卡等工具。

上述常规下套管装备存在如下问题：(1)利用套管钳旋扣，套管螺纹的上扣扭距不易精确控制；(2)利用断续灌浆装置灌注泥浆，不能根据需要及时循环泥浆，尤其是在套管下入遇阻时，必须重新连接方钻杆建立泥浆循环，清除沉沙，影响了下套管效率；(3)利用套管吊卡提升套管，井眼中的套管不能旋转；(4)常规下套管装备还存在操作复杂，作业效率低，安全可靠性不高等缺点。

为解决上述问题，国内外研发了顶驱下套管装置，根据卡瓦所受驱动力的形式不同，可以将该工具分类为：液压驱动式和机械驱动式。中国专利号：CN201420409069.5，CN201120557017.9，CN200920105896.4公布了液压驱动式下套管工具；中国专利号：CN201520506694.6，CN201510410640.4，CN201510312492.2公布了机械驱动式顶驱下套管工具。然而，上述液压式下套管工具的液压油容易泄露污染环境，而且液压系统受外界环境的影响较大；而上述机械式下套管工具存在结构复杂缺点，另外，卡瓦传递扭矩的范围较小，不能适应多种套管旋转、套管上扣等工况的使用。

技术实现要素：

为了克服现有下套管装备的上述缺点，本实用新型的目的：提供一种螺纹驱动全机械式顶驱下套管工具，无需提供额外的动力源，仅凭顶驱装置就能使顶驱下套管工具完成旋转套 管、提放套管、灌注泥浆、循环泥浆等作业，且卡瓦系统能有效传递顶驱的扭矩。

为了达到上述目的，本实用新型的技术方案是这样实现的：

一种螺纹驱动全机械式顶驱下套管工具，包括上芯轴1、螺纹驱动系统2、动力传递系统3、卡瓦系统4、导向密封系统5，弹簧系统6，其特征为：上芯轴1的上端外表面设置有外螺纹，外螺纹与顶驱形成螺纹连接；上芯轴1的下端内表面设置有内螺纹，内螺纹与弹簧系统6形成螺纹连接；弹簧系统6内悬挂有下芯轴40；下芯轴40的上侧套有动力传递系统3；动力传递系统3系统上侧螺栓连接有螺纹驱动系统2；动力传递系统3下侧装有卡瓦系统4；卡瓦系统4下端螺纹连接有导向密封系统5；

所述上芯轴1的上端外表面设置有锥螺纹11，锥螺纹11与顶驱装置形成螺纹连接；上芯轴1的中部外表面设置有外花键12，外花键12与内筒体24的花键槽相配合形成花键连接；上芯轴1的下端内表面设置有内螺纹，内螺纹与下齿块23形成螺纹连接；

所述上芯轴1与螺纹驱动系统2形成花键连接，所述螺纹驱动系统2包括内筒体24、小轴承25、小轴承端盖26、外筒体27；内筒体24外表面呈阶梯轴状，阶梯轴的大轴外表面设置有外螺纹，外螺纹用于连接外筒体27；阶梯轴的小轴端面设置螺纹孔，螺纹孔用于连接小轴承端盖26；内筒体24的内表面设置有台阶，台阶上侧内设置有花键槽，花键槽与上芯轴1的外花键12相互配合传递旋转运动；小轴承25安装于台阶下孔内，台阶用于定位小轴承25，小轴承25由小轴承端盖26压紧；

外筒体27内表面设置有台阶，台阶上侧的圆孔内设置有内螺纹，内螺纹与内筒体24形成螺纹连接；大轴承31安装于台阶下孔内，台阶用于定位大轴承31；台阶下孔端面设置有螺纹孔，螺栓穿过螺纹孔连接有大轴承端盖32；

所述动力传递系统3包括大轴承31、大轴承端盖32、卡瓦座33、大圆螺母34；卡瓦座33内表面套有下芯轴40，卡瓦座33外表面呈阶梯状；卡瓦座33下侧设置有开口的斜T形槽，斜T形槽内安装有卡瓦41；斜T形槽上侧设置有台阶35，台阶35上侧设置有外螺纹36， 外螺纹36上连接有大圆螺母34；大轴承31安装于台阶35与大圆螺母34之间；大轴承31由大轴承端盖32、外筒体27定位、紧固；动力传递系统3能相对下芯轴40转动；

所述卡瓦系统4包括下芯轴40、卡瓦41；所述下芯轴40顶端外表面设置有外螺纹，外螺纹与上齿块20形成螺纹连接；外螺纹下侧设置有阶梯轴，阶梯轴外安装有弹簧系统6；下芯轴40的下侧外表面设置外楔面，所述卡瓦41内侧下表面设置有内楔面；卡瓦41的内楔面安装于下芯轴40的外楔面内；卡瓦41沿下芯轴40的楔面滑动后能径向胀开；卡瓦41外表面交错设置有纵向卡瓦42、横纵向卡瓦牙43。

所述下芯轴40下端经螺纹连接有导向密封系统5，导向密封系统5包括防突环50、胶筒51、导向头52；胶筒51安装于防突环50与导向头52之间，导向头52与下芯轴40螺纹连接；

所述下芯轴40顶部外侧套有弹簧系统6，弹簧系统6包括球形滚珠19，上齿块20，弹簧21，弹簧挡圈22，下齿块23；所述上齿块20呈圆环形，上齿块20的内表面设置有内螺纹，内螺纹与下芯轴40顶端的外螺纹相配合连接；上齿块20的底端设置有带倒角的三角形凸块；上齿块20底端中部压紧有弹簧21；

弹簧21底端接触有弹簧挡圈22，弹簧挡圈22呈圆环形，弹簧挡圈22底端表面设置有半圆形凹槽，半圆形凹槽内安装有球形滚珠19；球形滚珠19下侧与下齿块23接触；

下齿块23内部设置有阶梯孔，阶梯孔端面设置有半圆形凹槽，半圆形凹槽内安装有球形滚珠19；阶梯孔内表面设置有环形凹槽，环形凹槽内安装有密封圈，密封圈内配合有下芯轴40；下齿块23的顶部端面设置有带倒角的三角形凹块，三角形凹块能与上齿块20的三角形凸块相互啮合传递扭矩；下齿块23的外表面设置有外螺纹，外螺纹与上芯轴1形成螺纹连接。

与现有技术比较，本实用新型的效果是：1)本顶驱下套管工具采用全机械式结构，无需提供额外的动力源，具有安全高效的特点；2)本顶驱下套管工具结构合理、操作简单便利；3)本顶驱下套管工具结构简单，因而可以减小加工制造难度，降低生产成本。

附图说明

图1为本实用新型三维结构示意图。

图2为本实用新型平面半剖结构示意图。

图3为本实用新型三维剖视图。

图4为上芯轴结构示意图。

图5为弹簧系统和螺纹驱动系统安装结构示意图。

图6为弹簧系统三维剖结构示意图。

图7为弹簧系统的上齿块和下齿块啮合前的三维剖结构示意图。

图8为弹簧系统的弹簧挡圈三维剖结构示意图。

图9为螺纹驱动系统的三维剖结构示意图。

图10为螺纹驱动系统的内筒体三维剖结构示意图。

图11为螺纹驱动系统的外筒体三维剖结构示意图。

图12为动力传递系统的三维剖结构示意图。

图13为动力传递系统的卡瓦座三维剖结构示意图。

图14为卡瓦系统的三维剖结构示意图。

图15为卡瓦系统卡瓦牙的局部示意图。

图16为导向密封系统三维剖结构示意图。

1.上芯轴，2.螺纹驱系统，3.动力传递系统，4.卡瓦系统，5.导向密封系统，6.弹簧系统，11.锥螺纹，12.外花键，19.球形滚珠，20.上齿块，21.弹簧，22.弹簧挡圈，23.下齿块，24.内筒体，25.小轴承，26.小轴承端盖，27.外筒体，31.大轴承，32.大轴承端盖，33.卡瓦座，34.大圆螺母，35.台阶，36.外螺纹，40.下芯轴，41.卡瓦，42.纵向卡瓦牙，43.横向卡瓦牙50.防突环，51.胶筒，52.导向头。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步详细叙述。

参照图1～3，一种螺纹驱动全机械式顶驱下套管工具，包括上芯轴1、螺纹驱动系统2、动力传递系统3、卡瓦系统4、导向密封系统5，弹簧系统6。上芯轴1的上端外表面设置有外螺纹，外螺纹与顶驱形成螺纹连接。上芯轴1的下端内表面设置有内螺纹，内螺纹与弹簧系统6形成螺纹连接。弹簧系统6内悬挂有下芯轴40。下芯轴40的上侧套有螺纹驱动系统2。螺纹驱动系统2下端螺栓连接有动力传递系统3；动力传递系统3内安装有卡瓦系统4；卡瓦系统4下端螺纹连接有导向密封系统5。其中，上芯轴1起到连接顶驱装置，承载重力、扭 矩的作用；螺纹驱动系统2起到为卡瓦提供驱动力，驱动卡瓦41径胀开，达到撑紧套管内壁的作用；动力传递系统3起到传递轴向载荷、防止卡瓦跟随螺纹驱动系统2旋转的作用；卡瓦系统4起到执行机构作用，用于撑紧套管内壁，完成一些列下套管作业等作用；导向密封系统5起到引导和密封下套管工具的作用；弹簧系统6起到传递扭矩、承载重力，并使卡瓦系统4恢复原始状态的作用。下面将对本实用新型做进一步详细叙述。

参照图4，上芯轴1的上端外表面设置有锥螺纹11，锥螺纹11用于和顶驱装置连接。上芯轴1的中部外表面沿环形设计有矩形外花键12，外花键12与内筒体24的花键槽相配合形成花键连接，从而传递顶驱装置的旋转运动。上芯轴1的下端内表面设计有内螺纹，内螺纹与下齿块23形成螺纹连接。

参照图5、图9～图10，上芯轴1与螺纹驱动系统2形成花键连接。螺纹驱动系统2包括内筒体24、外筒体27、小轴承25、小轴承端盖26。内筒体24外表面呈阶梯轴状，阶梯轴的大轴外表面设置有外螺纹，外螺纹与外筒体27形成螺纹连接，从而将旋转顶驱装置的旋转运动，转化为外筒体27的轴向移动。内筒体24阶梯轴的小轴端面设置十二个螺纹孔，螺纹孔用于连接小轴承端盖26。内筒体24的内表面设置有台阶，台阶上侧内沿环向设计有花键槽，花键槽内配合安装有上芯轴1的外花键12，使上芯轴1与外筒体27形成花键连接，从而传递顶驱装置的旋转运动。内筒体24台阶的下侧内安装有小轴承25，并用台阶定位、紧固小轴承25；小轴承25由一对圆锥滚子轴承构成，从而使外筒体27能相对下芯轴40转动。

参照图5、图11，外套筒体内表面设置有台阶，台阶上侧的圆孔内设置有内螺纹，内螺纹用于与外筒体27形成螺纹连接。台阶下侧的圆孔内定位安装有大轴承31，大轴承31由一对圆锥滚子轴承构成，大轴承31能使动力传动系统相对于下芯轴40转动。台阶的端面设置有螺纹孔，螺栓穿过螺纹孔连接有动力传递系统3的大轴承端盖32。

参照图13～图14，动力传递系统3包括大圆螺母34、大轴承31、大轴承端盖32、卡瓦座33。卡瓦座33内表面套有下芯轴40；卡瓦座33外表面呈阶梯状。卡瓦座33下侧设计有 开口的斜T形槽，斜T形槽内安装有六支卡瓦41，卡瓦41沿下芯轴40滑动时，斜T形槽能使卡瓦41上端也胀开。斜T形槽上侧设置有卡瓦座台阶35，卡瓦座台阶35上侧设置有卡瓦座外螺纹36，卡瓦座外螺纹36外连接有大圆螺母34。大轴承31安装于卡瓦座台阶35与大圆螺母34之间，大轴承31通过大轴承端盖32定位及紧固。大轴承32由一对圆锥滚子轴承构成。大轴承31能使动力传递系统3相对于下芯轴40转动，从而防止动力传递系统3跟随下芯轴40转动。

参照图14、图15，卡瓦系统4包括下芯轴40、卡瓦41。下芯轴40顶端设计有阶梯轴，阶梯面上侧外表面设置有一段外螺纹，外螺纹外连接有上齿块20。阶梯面下侧设计有一段外螺纹(图中为画出)，外螺纹外连接有圆螺母，圆螺母用于安装、定位大轴承31。下芯轴40顶端阶梯轴外安装有弹簧系统6。下芯轴40外表面下侧设置有六个楔面，每个楔面上配合安装有一支卡瓦41。卡瓦41内侧下表面设置有内楔面。卡瓦41的内楔面安装于下芯轴40的外楔面内，且卡瓦41能沿楔面滑动。由于楔面的楔形作用，卡瓦41能沿径向胀开，使卡瓦41撑紧套管内壁，从而实现套管夹持、旋转。此外，卡瓦41外表面交错布置有横向卡瓦牙43和纵向卡瓦42牙；横向和纵向的卡瓦牙交错布置能增加横向的摩擦力，从而提高顶驱下套管工具的上扣能力，以及扭矩的传递能力。下芯轴40下端螺纹连接有导向密封系统5。

参照图16，导向密封系统5包括防突环50、胶筒51、导向头52；胶筒51安装于防突环50与导向头52之间，导向头52与下芯轴40螺纹连接。防突环50用于限制胶筒51受压时的大变形行为，以防止泥浆泄露。胶筒51为呈皮碗形，有自密封功能。导向头52用于引导卡瓦系统4进入套管环空。

参照图5、图6，下芯轴40顶部外侧套有弹簧系统6，弹簧系统6包括球形滚珠19，上齿块20，弹簧21，弹簧挡圈22，下齿块23。上齿块20呈圆环形，上齿块20的内表面设置有内螺纹，内螺纹与下芯轴40顶端的外螺纹相配合，形成螺纹连接。上齿块20的底端设置有带倒角的三角形凸块，三角形凸块便于引导插入下齿块23的三角形凹腔内。

参照图6、图7，上齿块20底端中部压紧有弹簧21，弹簧21底端接触有弹簧挡圈22。弹簧挡圈22呈圆环形，弹簧挡圈22底端表面设置有半圆形凹槽，半圆形凹槽内安装有球形滚珠19，球形滚珠19的作用在于在初始时，防止下芯轴40跟随上芯轴1转动。

参照图8，球形滚珠19下侧与下齿块23接触。下齿块23内部设置有阶梯孔，阶梯孔端面设置有半圆形凹槽，半圆形凹槽内安装有球形滚珠19，球形滚珠19的作用在于在初始时，防止下芯轴40跟随上芯轴1转动。阶梯孔内表面设置有环形凹槽，环形凹槽内安装有密封圈，密封圈内配合有下芯轴40；密封圈用于防止循环泥浆时，泥浆从下齿块23漏失。下齿块23的顶部端面设置有带倒角的三角形凹块，三角形凹块能与上齿块20的三角形凸块相互啮合，从而传递顶驱装置的扭矩。下齿块23的外表面设置有外螺纹，外螺纹用于将弹簧系统6安装于上芯轴1内。

本实用新型一种螺纹驱动全机械式顶驱下套管工具的主要工作原理是：1)卡瓦41径向膨胀原理：下套管工具伸入套管内壁，顶驱旋转带动上芯轴1旋转(由于弹簧21的作用，此时下芯轴40所受轴向力较小，上齿块20与下齿块23分离，下芯轴40不转动)，上芯轴1通过花键连接带动内筒体24旋转，内筒体24通过螺纹使外筒体27轴向移动，外筒体27轴向移动推动卡瓦41沿楔面滑移(由于大轴承31的作用，卡瓦系统4不能跟随上芯轴1旋转)，由于楔面的扩张作用使卡瓦41向外膨胀，从而撑紧套管内壁。2)上扣原理：卡瓦41撑紧套管内壁后，提升下套管工具，此时，在套管重力大于弹簧21弹性力，弹簧系统6的上齿块20与下齿块23啮合，从而顶驱的扭矩传递给下芯轴40，实现上扣。3)卡瓦41径向收缩原理：当套管单根下入结束后，启动顶驱装置，让其反向旋转，使外筒体27向上移动，从而向上拉动卡瓦41，使卡瓦41径向收缩，此时，在弹簧21的作用下，弹簧系统6的上齿块20和下齿块23分离。4)套管循环泥浆原理：由于皮碗胶筒51具有自密封功能，因此，可以根据现场需要随时循环泥浆。