本發(fā)明涉及石油天然氣固井裝備技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種螺紋驅(qū)動全機械式頂驅(qū)下套管工具。

背景技術(shù)：

下套管作業(yè)的目的在于封隔地層、加固井壁、防止油氣泄漏和建立油氣通道等，是石油天然氣鉆井作業(yè)過程中的一個極其重要的環(huán)節(jié)。下套管工具是完成下套管作業(yè)的關(guān)鍵性裝備，常規(guī)下套管裝備主要包括：用于夾持套管的井口卡瓦、用于套管旋扣的液壓套管鉗、用于斷續(xù)灌注泥漿的開放式灌泥漿裝置、用于提升套管的套管吊卡等工具。

上述常規(guī)下套管裝備存在如下問題：(1)利用套管鉗旋扣，套管螺紋的上扣扭距不易精確控制；(2)利用斷續(xù)灌漿裝置灌注泥漿，不能根據(jù)需要及時循環(huán)泥漿，尤其是在套管下入遇阻時，必須重新連接方鉆桿建立泥漿循環(huán)，清除沉沙，影響了下套管效率；(3)利用套管吊卡提升套管，井眼中的套管不能旋轉(zhuǎn)；(4)常規(guī)下套管裝備還存在操作復(fù)雜，作業(yè)效率低，安全可靠性不高等缺點。

為解決上述問題，國內(nèi)外研發(fā)了頂驅(qū)下套管裝置，根據(jù)卡瓦所受驅(qū)動力的形式不同，可以將該工具分類為：液壓驅(qū)動式和機械驅(qū)動式。中國專利號：cn201420409069.5，cn201120557017.9，cn200920105896.4公布了液壓驅(qū)動式下套管工具；中國專利號：cn201520506694.6，cn201510410640.4，cn201510312492.2公布了機械驅(qū)動式頂驅(qū)下套管工具。然而，上述液壓式下套管工具的液壓油容易泄露污染環(huán)境，而且液壓系統(tǒng)受外界環(huán)境的影響較大；而上述機械式下套管工具存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜缺點，另外，卡瓦傳遞扭矩的范圍較小，不能適應(yīng)多種套管旋轉(zhuǎn)、套管上扣等工況的使用。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有下套管裝備的上述缺點，本發(fā)明的目的：提供一種螺紋驅(qū)動全機械式頂驅(qū)下套管工具，無需提供額外的動力源，僅憑頂驅(qū)裝置就能使頂驅(qū)下套管工具完成旋轉(zhuǎn)套管、提放套管、灌注泥漿、循環(huán)泥漿等作業(yè)，且卡瓦系統(tǒng)能有效傳遞頂驅(qū)的扭矩。

為了達到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的：

一種螺紋驅(qū)動全機械式頂驅(qū)下套管工具，包括上芯軸1、螺紋驅(qū)動系統(tǒng)2、動力傳遞系統(tǒng)3、卡瓦系統(tǒng)4、導(dǎo)向密封系統(tǒng)5，彈簧系統(tǒng)6，其特征為：上芯軸1的上端外表面設(shè)置有外螺紋，外螺紋與頂驅(qū)形成螺紋連接；上芯軸1的下端內(nèi)表面設(shè)置有內(nèi)螺紋，內(nèi)螺紋與彈簧系統(tǒng)6形成螺紋連接；彈簧系統(tǒng)6內(nèi)懸掛有下芯軸40；下芯軸40的上側(cè)套有動力傳遞系統(tǒng)3；動力傳遞系統(tǒng)3系統(tǒng)上側(cè)螺栓連接有螺紋驅(qū)動系統(tǒng)2；動力傳遞系統(tǒng)3下側(cè)裝有卡瓦系統(tǒng)4；卡瓦系統(tǒng)4下端螺紋連接有導(dǎo)向密封系統(tǒng)5；

所述上芯軸1的上端外表面設(shè)置有錐螺紋11，錐螺紋11與頂驅(qū)裝置形成螺紋連接；上芯軸1的中部外表面設(shè)置有外花鍵12，外花鍵12與內(nèi)筒體24的花鍵槽相配合形成花鍵連接；上芯軸1的下端內(nèi)表面設(shè)置有內(nèi)螺紋，內(nèi)螺紋與下齒塊23形成螺紋連接；

所述上芯軸1與螺紋驅(qū)動系統(tǒng)2形成花鍵連接，所述螺紋驅(qū)動系統(tǒng)2包括內(nèi)筒體24、小軸承25、小軸承端蓋26、外筒體27；內(nèi)筒體24外表面呈階梯軸狀，階梯軸的大軸外表面設(shè)置有外螺紋，外螺紋用于連接外筒體27；階梯軸的小軸端面設(shè)置螺紋孔，螺紋孔用于連接小軸承端蓋26；內(nèi)筒體24的內(nèi)表面設(shè)置有臺階，臺階上側(cè)內(nèi)設(shè)置有花鍵槽，花鍵槽與上芯軸1的外花鍵12相互配合傳遞旋轉(zhuǎn)運動；小軸承25安裝于臺階下孔內(nèi)，臺階用于定位小軸承25，小軸承25由小軸承端蓋26壓緊；

外筒體27內(nèi)表面設(shè)置有臺階，臺階上側(cè)的圓孔內(nèi)設(shè)置有內(nèi)螺紋，內(nèi)螺紋與內(nèi)筒體24形成螺紋連接；大軸承31安裝于臺階下孔內(nèi)，臺階用于定位大軸承31；臺階下孔端面設(shè)置有螺紋孔，螺栓穿過螺紋孔連接有大軸承端蓋32；

所述動力傳遞系統(tǒng)3包括大軸承31、大軸承端蓋32、卡瓦座33、大圓螺母34；卡瓦座33內(nèi)表面套有下芯軸40，卡瓦座33外表面呈階梯狀；卡瓦座33下側(cè)設(shè)置有開口的斜t形槽，斜t形槽內(nèi)安裝有卡瓦41；斜t形槽上側(cè)設(shè)置有臺階35，臺階35上側(cè)設(shè)置有外螺紋36，外螺紋36上連接有大圓螺母34；大軸承31安裝于臺階35與大圓螺母34之間；大軸承31由大軸承端蓋32、外筒體27定位、緊固；動力傳遞系統(tǒng)3能相對下芯軸40轉(zhuǎn)動；

所述卡瓦系統(tǒng)4包括下芯軸40、卡瓦41；所述下芯軸40頂端外表面設(shè)置有外螺紋，外螺紋與上齒塊20形成螺紋連接；外螺紋下側(cè)設(shè)置有階梯軸，階梯軸外安裝有彈簧系統(tǒng)6；下芯軸40的下側(cè)外表面設(shè)置外楔面，所述卡瓦41內(nèi)側(cè)下表面設(shè)置有內(nèi)楔面；卡瓦41的內(nèi)楔面安裝于下芯軸40的外楔面內(nèi)；卡瓦41沿下芯軸40的楔面滑動后能徑向脹開；卡瓦41外表面交錯設(shè)置有縱向卡瓦42、橫縱向卡瓦牙43。

所述下芯軸40下端經(jīng)螺紋連接有導(dǎo)向密封系統(tǒng)5，導(dǎo)向密封系統(tǒng)5包括防突環(huán)50、膠筒51、導(dǎo)向頭52；膠筒51安裝于防突環(huán)50與導(dǎo)向頭52之間，導(dǎo)向頭52與下芯軸40螺紋連接；

所述下芯軸40頂部外側(cè)套有彈簧系統(tǒng)6，彈簧系統(tǒng)6包括球形滾珠19，上齒塊20，彈簧21，彈簧擋圈22，下齒塊23；所述上齒塊20呈圓環(huán)形，上齒塊20的內(nèi)表面設(shè)置有內(nèi)螺紋，內(nèi)螺紋與下芯軸40頂端的外螺紋相配合連接；上齒塊20的底端設(shè)置有帶倒角的三角形凸塊；上齒塊20底端中部壓緊有彈簧21；

彈簧21底端接觸有彈簧擋圈22，彈簧擋圈22呈圓環(huán)形，彈簧擋圈22底端表面設(shè)置有半圓形凹槽，半圓形凹槽內(nèi)安裝有球形滾珠19；球形滾珠19下側(cè)與下齒塊23接觸；

下齒塊23內(nèi)部設(shè)置有階梯孔，階梯孔端面設(shè)置有半圓形凹槽，半圓形凹槽內(nèi)安裝有球形滾珠19；階梯孔內(nèi)表面設(shè)置有環(huán)形凹槽，環(huán)形凹槽內(nèi)安裝有密封圈，密封圈內(nèi)配合有下芯軸40；下齒塊23的頂部端面設(shè)置有帶倒角的三角形凹塊，三角形凹塊能與上齒塊20的三角形凸塊相互嚙合傳遞扭矩；下齒塊23的外表面設(shè)置有外螺紋，外螺紋與上芯軸1形成螺紋連接。

與現(xiàn)有技術(shù)比較，本發(fā)明的效果是：1)本頂驅(qū)下套管工具采用全機械式結(jié)構(gòu)，無需提供額外的動力源，具有安全高效的特點；2)本頂驅(qū)下套管工具結(jié)構(gòu)合理、操作簡單便利；3)本頂驅(qū)下套管工具結(jié)構(gòu)簡單，因而可以減小加工制造難度，降低生產(chǎn)成本。

附圖說明

圖1為本發(fā)明三維結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明平面半剖結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為本發(fā)明三維剖視圖。

圖4為上芯軸結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5為彈簧系統(tǒng)和螺紋驅(qū)動系統(tǒng)安裝結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6為彈簧系統(tǒng)三維剖結(jié)構(gòu)示意圖。

圖7為彈簧系統(tǒng)的上齒塊和下齒塊嚙合前的三維剖結(jié)構(gòu)示意圖。

圖8為彈簧系統(tǒng)的彈簧擋圈三維剖結(jié)構(gòu)示意圖。

圖9為螺紋驅(qū)動系統(tǒng)的三維剖結(jié)構(gòu)示意圖。

圖10為螺紋驅(qū)動系統(tǒng)的內(nèi)筒體三維剖結(jié)構(gòu)示意圖。

圖11為螺紋驅(qū)動系統(tǒng)的外筒體三維剖結(jié)構(gòu)示意圖。

圖12為動力傳遞系統(tǒng)的三維剖結(jié)構(gòu)示意圖。

圖13為動力傳遞系統(tǒng)的卡瓦座三維剖結(jié)構(gòu)示意圖。

圖14為卡瓦系統(tǒng)的三維剖結(jié)構(gòu)示意圖。

圖15為卡瓦系統(tǒng)卡瓦牙的局部示意圖。

圖16為導(dǎo)向密封系統(tǒng)三維剖結(jié)構(gòu)示意圖。

1.上芯軸，2.螺紋驅(qū)系統(tǒng)，3.動力傳遞系統(tǒng)，4.卡瓦系統(tǒng)，5.導(dǎo)向密封系統(tǒng)，6.彈簧系統(tǒng)，11.錐螺紋，12.外花鍵，19.球形滾珠，20.上齒塊，21.彈簧，22.彈簧擋圈，23.下齒塊，24.內(nèi)筒體，25.小軸承，26.小軸承端蓋，27.外筒體，31.大軸承，32.大軸承端蓋，33.卡瓦座，34.大圓螺母，35.臺階，36.外螺紋，40.下芯軸，41.卡瓦，42.縱向卡瓦牙，43.橫向卡瓦牙50.防突環(huán)，51.膠筒，52.導(dǎo)向頭。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步詳細(xì)敘述。

參照圖1～3，一種螺紋驅(qū)動全機械式頂驅(qū)下套管工具，包括上芯軸1、螺紋驅(qū)動系統(tǒng)2、動力傳遞系統(tǒng)3、卡瓦系統(tǒng)4、導(dǎo)向密封系統(tǒng)5，彈簧系統(tǒng)6。上芯軸1的上端外表面設(shè)置有外螺紋，外螺紋與頂驅(qū)形成螺紋連接。上芯軸1的下端內(nèi)表面設(shè)置有內(nèi)螺紋，內(nèi)螺紋與彈簧系統(tǒng)6形成螺紋連接。彈簧系統(tǒng)6內(nèi)懸掛有下芯軸40。下芯軸40的上側(cè)套有螺紋驅(qū)動系統(tǒng)2。螺紋驅(qū)動系統(tǒng)2下端螺栓連接有動力傳遞系統(tǒng)3；動力傳遞系統(tǒng)3內(nèi)安裝有卡瓦系統(tǒng)4；卡瓦系統(tǒng)4下端螺紋連接有導(dǎo)向密封系統(tǒng)5。其中，上芯軸1起到連接頂驅(qū)裝置，承載重力、扭矩的作用；螺紋驅(qū)動系統(tǒng)2起到為卡瓦提供驅(qū)動力，驅(qū)動卡瓦41徑脹開，達到撐緊套管內(nèi)壁的作用；動力傳遞系統(tǒng)3起到傳遞軸向載荷、防止卡瓦跟隨螺紋驅(qū)動系統(tǒng)2旋轉(zhuǎn)的作用；卡瓦系統(tǒng)4起到執(zhí)行機構(gòu)作用，用于撐緊套管內(nèi)壁，完成一些列下套管作業(yè)等作用；導(dǎo)向密封系統(tǒng)5起到引導(dǎo)和密封下套管工具的作用；彈簧系統(tǒng)6起到傳遞扭矩、承載重力，并使卡瓦系統(tǒng)4恢復(fù)原始狀態(tài)的作用。下面將對本發(fā)明做進一步詳細(xì)敘述。

參照圖4，上芯軸1的上端外表面設(shè)置有錐螺紋11，錐螺紋11用于和頂驅(qū)裝置連接。上芯軸1的中部外表面沿環(huán)形設(shè)計有矩形外花鍵12，外花鍵12與內(nèi)筒體24的花鍵槽相配合形成花鍵連接，從而傳遞頂驅(qū)裝置的旋轉(zhuǎn)運動。上芯軸1的下端內(nèi)表面設(shè)計有內(nèi)螺紋，內(nèi)螺紋與下齒塊23形成螺紋連接。

參照圖5、圖9～圖10，上芯軸1與螺紋驅(qū)動系統(tǒng)2形成花鍵連接。螺紋驅(qū)動系統(tǒng)2包括內(nèi)筒體24、外筒體27、小軸承25、小軸承端蓋26。內(nèi)筒體24外表面呈階梯軸狀，階梯軸的大軸外表面設(shè)置有外螺紋，外螺紋與外筒體27形成螺紋連接，從而將旋轉(zhuǎn)頂驅(qū)裝置的旋轉(zhuǎn)運動，轉(zhuǎn)化為外筒體27的軸向移動。內(nèi)筒體24階梯軸的小軸端面設(shè)置十二個螺紋孔，螺紋孔用于連接小軸承端蓋26。內(nèi)筒體24的內(nèi)表面設(shè)置有臺階，臺階上側(cè)內(nèi)沿環(huán)向設(shè)計有花鍵槽，花鍵槽內(nèi)配合安裝有上芯軸1的外花鍵12，使上芯軸1與外筒體27形成花鍵連接，從而傳遞頂驅(qū)裝置的旋轉(zhuǎn)運動。內(nèi)筒體24臺階的下側(cè)內(nèi)安裝有小軸承25，并用臺階定位、緊固小軸承25；小軸承25由一對圓錐滾子軸承構(gòu)成，從而使外筒體27能相對下芯軸40轉(zhuǎn)動。

參照圖5、圖11，外套筒體內(nèi)表面設(shè)置有臺階，臺階上側(cè)的圓孔內(nèi)設(shè)置有內(nèi)螺紋，內(nèi)螺紋用于與外筒體27形成螺紋連接。臺階下側(cè)的圓孔內(nèi)定位安裝有大軸承31，大軸承31由一對圓錐滾子軸承構(gòu)成，大軸承31能使動力傳動系統(tǒng)相對于下芯軸40轉(zhuǎn)動。臺階的端面設(shè)置有螺紋孔，螺栓穿過螺紋孔連接有動力傳遞系統(tǒng)3的大軸承端蓋32。

參照圖13～圖14，動力傳遞系統(tǒng)3包括大圓螺母34、大軸承31、大軸承端蓋32、卡瓦座33?？ㄍ咦?3內(nèi)表面套有下芯軸40；卡瓦座33外表面呈階梯狀?？ㄍ咦?3下側(cè)設(shè)計有開口的斜t形槽，斜t形槽內(nèi)安裝有六支卡瓦41，卡瓦41沿下芯軸40滑動時，斜t形槽能使卡瓦41上端也脹開。斜t形槽上側(cè)設(shè)置有卡瓦座臺階35，卡瓦座臺階35上側(cè)設(shè)置有卡瓦座外螺紋36，卡瓦座外螺紋36外連接有大圓螺母34。大軸承31安裝于卡瓦座臺階35與大圓螺母34之間，大軸承31通過大軸承端蓋32定位及緊固。大軸承32由一對圓錐滾子軸承構(gòu)成。大軸承31能使動力傳遞系統(tǒng)3相對于下芯軸40轉(zhuǎn)動，從而防止動力傳遞系統(tǒng)3跟隨下芯軸40轉(zhuǎn)動。

參照圖14、圖15，卡瓦系統(tǒng)4包括下芯軸40、卡瓦41。下芯軸40頂端設(shè)計有階梯軸，階梯面上側(cè)外表面設(shè)置有一段外螺紋，外螺紋外連接有上齒塊20。階梯面下側(cè)設(shè)計有一段外螺紋(圖中為畫出)，外螺紋外連接有圓螺母，圓螺母用于安裝、定位大軸承31。下芯軸40頂端階梯軸外安裝有彈簧系統(tǒng)6。下芯軸40外表面下側(cè)設(shè)置有六個楔面，每個楔面上配合安裝有一支卡瓦41?？ㄍ?1內(nèi)側(cè)下表面設(shè)置有內(nèi)楔面。卡瓦41的內(nèi)楔面安裝于下芯軸40的外楔面內(nèi)，且卡瓦41能沿楔面滑動。由于楔面的楔形作用，卡瓦41能沿徑向脹開，使卡瓦41撐緊套管內(nèi)壁，從而實現(xiàn)套管夾持、旋轉(zhuǎn)。此外，卡瓦41外表面交錯布置有橫向卡瓦牙43和縱向卡瓦42牙；橫向和縱向的卡瓦牙交錯布置能增加橫向的摩擦力，從而提高頂驅(qū)下套管工具的上扣能力，以及扭矩的傳遞能力。下芯軸40下端螺紋連接有導(dǎo)向密封系統(tǒng)5。

參照圖16，導(dǎo)向密封系統(tǒng)5包括防突環(huán)50、膠筒51、導(dǎo)向頭52；膠筒51安裝于防突環(huán)50與導(dǎo)向頭52之間，導(dǎo)向頭52與下芯軸40螺紋連接。防突環(huán)50用于限制膠筒51受壓時的大變形行為，以防止泥漿泄露。膠筒51為呈皮碗形，有自密封功能。導(dǎo)向頭52用于引導(dǎo)卡瓦系統(tǒng)4進入套管環(huán)空。

參照圖5、圖6，下芯軸40頂部外側(cè)套有彈簧系統(tǒng)6，彈簧系統(tǒng)6包括球形滾珠19，上齒塊20，彈簧21，彈簧擋圈22，下齒塊23。上齒塊20呈圓環(huán)形，上齒塊20的內(nèi)表面設(shè)置有內(nèi)螺紋，內(nèi)螺紋與下芯軸40頂端的外螺紋相配合，形成螺紋連接。上齒塊20的底端設(shè)置有帶倒角的三角形凸塊，三角形凸塊便于引導(dǎo)插入下齒塊23的三角形凹腔內(nèi)。

參照圖6、圖7，上齒塊20底端中部壓緊有彈簧21，彈簧21底端接觸有彈簧擋圈22。彈簧擋圈22呈圓環(huán)形，彈簧擋圈22底端表面設(shè)置有半圓形凹槽，半圓形凹槽內(nèi)安裝有球形滾珠19，球形滾珠19的作用在于在初始時，防止下芯軸40跟隨上芯軸1轉(zhuǎn)動。

參照圖8，球形滾珠19下側(cè)與下齒塊23接觸。下齒塊23內(nèi)部設(shè)置有階梯孔，階梯孔端面設(shè)置有半圓形凹槽，半圓形凹槽內(nèi)安裝有球形滾珠19，球形滾珠19的作用在于在初始時，防止下芯軸40跟隨上芯軸1轉(zhuǎn)動。階梯孔內(nèi)表面設(shè)置有環(huán)形凹槽，環(huán)形凹槽內(nèi)安裝有密封圈，密封圈內(nèi)配合有下芯軸40；密封圈用于防止循環(huán)泥漿時，泥漿從下齒塊23漏失。下齒塊23的頂部端面設(shè)置有帶倒角的三角形凹塊，三角形凹塊能與上齒塊20的三角形凸塊相互嚙合，從而傳遞頂驅(qū)裝置的扭矩。下齒塊23的外表面設(shè)置有外螺紋，外螺紋用于將彈簧系統(tǒng)6安裝于上芯軸1內(nèi)。

本發(fā)明一種螺紋驅(qū)動全機械式頂驅(qū)下套管工具的主要工作原理是：1)卡瓦41徑向膨脹原理：下套管工具伸入套管內(nèi)壁，頂驅(qū)旋轉(zhuǎn)帶動上芯軸1旋轉(zhuǎn)(由于彈簧21的作用，此時下芯軸40所受軸向力較小，上齒塊20與下齒塊23分離，下芯軸40不轉(zhuǎn)動)，上芯軸1通過花鍵連接帶動內(nèi)筒體24旋轉(zhuǎn)，內(nèi)筒體24通過螺紋使外筒體27軸向移動，外筒體27軸向移動推動卡瓦41沿楔面滑移(由于大軸承31的作用，卡瓦系統(tǒng)4不能跟隨上芯軸1旋轉(zhuǎn))，由于楔面的擴張作用使卡瓦41向外膨脹，從而撐緊套管內(nèi)壁。2)上扣原理：卡瓦41撐緊套管內(nèi)壁后，提升下套管工具，此時，在套管重力大于彈簧21彈性力，彈簧系統(tǒng)6的上齒塊20與下齒塊23嚙合，從而頂驅(qū)的扭矩傳遞給下芯軸40，實現(xiàn)上扣。3)卡瓦41徑向收縮原理：當(dāng)套管單根下入結(jié)束后，啟動頂驅(qū)裝置，讓其反向旋轉(zhuǎn)，使外筒體27向上移動，從而向上拉動卡瓦41，使卡瓦41徑向收縮，此時，在彈簧21的作用下，彈簧系統(tǒng)6的上齒塊20和下齒塊23分離。4)套管循環(huán)泥漿原理：由于皮碗膠筒51具有自密封功能，因此，可以根據(jù)現(xiàn)場需要隨時循環(huán)泥漿。