一种顶驱下套管装置用多功能补偿短节的制作方法

1.本实用新型涉及石油钻井机械设备领域，具体的说是一种能够在下套管作业时用来对下套管装置、套管重量和套管螺纹丝扣长度进行补偿的短节。


背景技术：

2.在石油钻井过程中，下套管作业是指把直径小于裸井眼直径的套管，通过特定下套管设备下放到事先设计好的井段的作业，是钻井工程中一项非常重要的作业过程，而顶驱下套管装置是一种新型下套管作业装置，该装置具备旋转套管以及循环钻井液的能力，大大降低了作业过程中套管遇阻等作业事故的发生概率，但是此类设备在使用过程中也存在一些不足，首先在下套管过程中顶驱、下套管装置以及单根套管重量全部都通过设备之间的连接接口传递到顶驱和游车之间的平衡液压缸上，导致顶驱平衡液压缸的补偿行程被全部压缩，失去对顶驱下套管装置和单根套管重量的补偿功能；其次由于顶驱下套管装置主轴与顶驱主轴采用螺纹硬性连接，在顶驱下放过程中，下放距离不易控制，如操作不精细则会导致下套管装置和单根套管重量全部加载到套管桩和单根套管螺纹上，极易造成套管螺纹相互碰撞而引起螺纹损坏；另外，由于套管桩上母扣螺纹需要承受下套管装置以及单根套管的全部重量，套管旋扣过程中极易发生公扣螺纹与母扣螺纹之间的错扣或者螺纹的损坏；最后，在使用顶驱下套管装置进行单根套管上、卸扣作业时，不易对上扣过程中套管螺纹接头长度进行补偿。


技术实现要素：

3.本实用新型的目的是提供一种顶驱下套管装置用多功能补偿短节，以解决使用传统顶驱下套管装置进行下套管作业时，重量集中造成顶驱平衡液压缸失去重量补偿功能；下放距离不易控制，造成套管螺纹相互碰撞而引起螺纹损坏；套管旋扣过程中极易发生公扣螺纹与母扣螺纹之间的错扣或者螺纹的损坏以及上扣作业时不易对套管螺纹接头长度进行补偿的问题。
4.为解决上述技术问题，本实用新型所采取的技术方案为：
5.一种顶驱下套管装置用多功能补偿短节，其特征在于：包括主轴、上部承载端盖、中间花键套筒、下部密封套筒和补偿单元，所述主轴竖向设置，主轴外壁中部卡装有中间花键套筒，中间花键套筒上端与上部承载端盖通过螺纹连接，上部承载端盖上端与主轴外壁之间设有导向环二和防尘圈，中间花键套筒下端与下部密封套筒通过螺纹连接，主轴下端插入到下部密封套筒内腔中，并与内腔间设有导向环一和密封圈，主轴与中间花键套筒、下部密封套筒形成的环形空腔中设有补偿单元。
6.优选的，所述主轴外壁上部设有承载凸台，所述承载凸台安装在上部承载端盖和中间花键套筒上端面之间的环形间隙内，主轴中部加工有外花键，主轴下部加工有台肩，所述台肩端面沿轴向设有数组螺栓孔，主轴末端沿圆周方向设有密封导向沟槽，主轴轴心开设有泥浆流通通道。
7.优选的，所述主轴材质为合金钢。
8.优选的，所述中间花键套筒上端内壁沿轴向加工有内花键，中间花键套筒凸台外壁沿径向设有数个油杯安装孔，所述油杯安装孔内设有油杯，中间花键套筒内腔中加工有承载端面。
9.优选的，所述内花键长度大于主轴上的外花键长度和套管螺纹最大丝扣长度之和，内花键与外花键组成一对花键副。
10.优选的，所述补偿单元包括盖板，上弹簧座，补偿弹簧和下弹簧座，所述盖板顶靠在主轴上的外花键下端，盖板直径小于承载端面直径，所述上弹簧座通过螺钉一与盖板连接，上弹簧座与主轴之间设有衬套，所述下弹簧座通过螺钉二固定在主轴下部台肩上，补偿弹簧设置在上弹簧座与下弹簧座之间，补偿弹簧安装时处于预压状态，最大弹力小于等于顶驱下套管装置和单根套管重量之和。
11.优选的，所述上部承载端盖、中间花键套筒和下部密封套筒外表面均加工有若干螺纹上扣时用于卡持扳手的平面。
12.本实用新型的使用过程为：
13.当非工作状态下，下部密封套筒9不悬挂载荷，补偿弹簧10
‑
6处于伸长状态，补偿弹簧10
‑
6弹力通过上弹簧座10
‑
3和盖板10
‑
1在衬套10
‑
4的导向作用下推动中间花键套筒8的承载端面8
‑
3向上移动，直到盖板10
‑
1与主轴5上花键5
‑
2下端相接触。
14.工作状态下，顶驱下套管装置3和套管4连接到下部密封短节9公扣螺纹上，对下部密封套筒9施加悬挂载荷，在顶驱下套管装置3和套管4的重量作用下，中间花键套筒承载端面8
‑
3下压盖板10
‑
1，进而将载荷通过补偿弹簧10
‑
6传递到下弹簧座10
‑
7上，由于下弹簧座10
‑
7通过螺钉二10
‑
8连接到主轴5上，因此将补偿弹簧10
‑
6弹力传递到主轴5上，从而实现对顶驱下套管装置3和套管4重量补偿功能，当补偿弹簧10
‑
6的压缩量达到一定程度，主轴5上的承载凸台5
‑
1上端面接触到上部承载端盖6的下端面，限制补偿弹簧10
‑
6被进一步压缩，防止其因过度压缩而引起损坏。
15.当顶驱下套管装置3将单根套管4下放到套管桩上后，继续下放顶驱1，此时主轴5在外花键5
‑
2和中间花键套筒8上内花键8
‑
1的导向作用下向下移动，直到主轴5下放距离大于等于一个套管丝扣长度，此时通过司钻房内距离测量仪器控制顶驱下放距离。下放完毕，启动顶驱1进行上扣作业，上扣扭矩通过外花键5
‑
2传递到内花键8
‑
1上，进而传递到下部密封套筒9上，最终将上扣扭矩传递到套管4上，随着套管4公扣螺纹拧入到套管桩上母扣螺纹内部，两螺纹台肩之间距离逐渐缩小，此时外花键5
‑
2和内花键8
‑
1提供导向作用，随着上扣过程的进行，套管4带动下部密封套筒9、中间花键套筒8向下移动，进而实现本实用新型对上扣过程中套管螺纹丝扣长度补偿功能。
16.在套管4下放和上扣过程中，主轴5上的外花键5
‑
2与中间花键套筒8上的内花键8
‑
1相互配合，以便满足传递顶驱扭矩以实现单根套管上、卸扣或者旋转套管柱的作业要求。内花键8
‑
1的长度要大于外花键5
‑
2的长度和补偿螺纹的长度总和。
17.在整个工作过程中，主轴5芯轴内的泥浆通道5
‑
4上端与顶驱下套管装置3芯轴泥浆通道相连，泥浆通道5
‑
4下端与下套管工具芯轴内的泥浆通道连通。主轴5芯轴末端加工有密封导向沟槽5
‑
3，导向环11与密封圈12安装在密封导向沟槽5
‑
3内，与下部密封套筒9组成一个密封空腔。当本实用新型进行重量补偿或者丝扣补偿时，下部密封套筒9相对于主轴
5移动，导向环一11与密封圈12始终密封下部套筒9的密封腔室，实现本实用新型对泥浆的动态密封功能。
18.本实用新型的有益效果为：
19.（1）本实用新型在主轴上安装有补偿单元，下套管作业时，在补偿单元的作用下部分下套管工具和套管单根重量从套管接头螺纹转移到本实用新型主轴上，大大降低了单根套管下放过程中单根套管与套管桩上套管接头之间的碰撞载荷，防止套管下放时因碰撞应力过大而造成套管精密螺纹的损坏，同时减小了上、卸扣作业过程中螺纹承受的载荷，降低了上扣过程中错扣、螺纹损坏等作业事故的发生概率。
20.（2）本实用新型主轴上外花键与中间花键套筒内花键配合，组成一对花键副，从而能够满足传递顶驱扭矩以实现单根套管上、卸扣或者旋转套管柱作业要求。内外花键之间可以相对滑动，为本实用新型的重量补偿功能和丝扣长度补偿功能的实现提供条件。
21.（3）本实用新型补偿单元整体嵌套在主轴上，方便中间花键套筒与下部密封套筒之间连接螺纹的作业现场连接与拆卸，简化了整个多功能补偿短节的内部结构，机构简单可靠，降低了故障的发生率，提高设备可靠性。
22.（4）本实用新型主轴上加工有承载凸台，满足下套管作业过程中悬持全部套管柱和下套管装置重量的强度要求。
23.（5）本实用新型主轴上加工有泥浆流通通道及密封导向沟槽，通过与下部密封套筒配合，可实现下套管作业时的泥浆灌注和循环功能以及补偿作业中泥浆的动态密封。
24.（6）本实用新型采用全机械结构，消除了对液压、电气设备外部接口配置的要求，提高了本实用新型对不同型号顶驱和下套管装置的适用性，可在对现有设备不进行大的改动前提下便可达到本实用新型的设计功能，同时，也便于实用新型在作业现场的安装、使用与维护。
25.（7）本实用新型中通过油杯对内花键和外花键进行润滑，保证主轴和中间花键套筒之间相互滑动时的工作性能。
26.（8）本实用新型中上弹簧座与主轴之间设有衬套，起到对补偿弹簧的导向作用，并防止上弹簧座在主轴上产生过大摩擦，保障设备正常运转。
附图说明
27.图1为本实用新型在下套管作业系统中的安装位置示意图。
28.图2为本实用新型的整体外部轴测图。
29.图3为本实用新型非工作状态的剖视图。
30.图4为本实用新型工作状态的剖视图。
31.图5为图2中本实用新型的主轴结构示意图。
32.图6为图2中本实用新型的中间花键套筒示意图。
33.图7为图3中本实用新型的补偿单元剖视图。
34.图8为图7中本实用新型的补偿单元底部固定结构示意图。
35.图9为图3中本实用新型的下部密封套筒中密封导向结构示意图。
36.图10为本实用新型的摘要附图。
37.图中：1、顶驱，2、多功能补偿短节，3、顶驱下套管装置，4、套管，5、主轴，5
‑
1、承载
台，5
‑
2、外花键，5
‑
3、密封导向沟槽，5
‑
4、泥浆通道，5
‑
5、台肩，6、上部承载端盖，7、油杯，8、中间花键套筒，8
‑
1、内花键，8
‑
2、油杯安装孔，8
‑
3、承载端面，9、下部密封套筒，10、补偿单元，10
‑
1、盖板，10
‑
2、螺钉一，10
‑
3、上弹簧座，10
‑
4、衬套，10
‑
6、补偿弹簧，10
‑
7、下弹簧座，10
‑
8、螺钉二，11、导向环一，12、密封圈，13、导向环二，14、防尘圈。
具体实施方式
38.下面结合附图对本实用新型作进一步详细的说明。
39.如图1
‑
图9所示的一种顶驱下套管装置用多功能补偿短节，包括主轴5、上部承载端盖6、中间花键套筒8、下部密封套筒9和补偿单元10，所述主轴5竖向设置，主轴5外壁中部卡装有中间花键套筒8，中间花键套筒8上端与上部承载端盖6通过螺纹连接，上部承载端盖6上端与主轴外壁之间设有导向环二13和防尘圈14，中间花键套筒8下端与下部密封套筒9通过螺纹连接，主轴5下端插入到下部密封套筒9内腔中，并与内腔间设有导向环一11和密封圈12，主轴5与中间花键套筒8、下部密封套筒9形成的环形空腔中设有补偿单元10。
40.主轴5外壁上部设有承载凸台5
‑
1，所述承载凸台5
‑
1安装在上部承载端盖6和中间花键套筒8上端面之间的环形间隙内，主轴5中部加工有外花键5
‑
2，主轴5下部加工有台肩5
‑
5，所述台肩5
‑
5端面沿轴向设有数组螺栓孔，主轴5末端沿圆周方向设有密封导向沟槽5
‑
3，主轴5轴心开设有泥浆流通通道5
‑
4。
41.主轴5材质为合金钢。
42.中间花键套筒8上端内壁沿轴向加工有内花键8
‑
1，中间花键套筒8凸台外壁沿径向设有数个油杯安装孔8
‑
2，所述油杯安装孔8
‑
2内设有油杯7，中间花键套筒8内腔中加工有承载端面8
‑
3。
43.内花键8
‑
1长度大于所述主轴5上的外花键5
‑
2长度和套管螺纹最大丝扣长度之和，内花键8
‑
1与外花键5
‑
2组成一对花键副。
44.补偿单元10包括盖板10
‑
1，上弹簧座10
‑
3，补偿弹簧10
‑
6和下弹簧座10
‑
7，所述盖板10
‑
1顶靠在主轴5上的外花键5
‑
2下端，盖板10
‑
1直径小于承载端面8
‑
3直径，所述上弹簧座10
‑
3通过螺钉一10
‑
2与盖板10
‑
1连接，上弹簧座10
‑
3与主轴5之间设有衬套10
‑
4，所述下弹簧座10
‑
7通过螺钉二10
‑
8固定在主轴5下部台肩5
‑
5上，补偿弹簧10
‑
6设置在上弹簧座10
‑
3与下弹簧座10
‑
7之间，补偿弹簧10
‑
6安装时处于预压状态，最大弹力小于等于顶驱下套管装置和单根套管重量之和。
45.上部承载端盖6、中间花键套筒8和下部密封套筒9外表面均加工有若干螺纹上扣时用于卡持扳手的平面。
46.本实用新型的使用过程为：
47.当非工作状态下，下部密封套筒9不悬挂载荷，补偿弹簧10
‑
6处于伸长状态，补偿弹簧10
‑
6弹力通过上弹簧座10
‑
3和盖板10
‑
1在衬套10
‑
4的导向作用下推动中间花键套筒8的承载端面8
‑
3向上移动，直到盖板10
‑
1与主轴5上花键5
‑
2下端相接触。
48.工作状态下，顶驱下套管装置3和套管4连接到下部密封短节9公扣螺纹上，对下部密封套筒9施加悬挂载荷，在顶驱下套管装置3和套管4的重量作用下，中间花键套筒承载端面8
‑
3下压盖板10
‑
1，进而将载荷通过补偿弹簧10
‑
6传递到下弹簧座10
‑
7上，由于下弹簧座10
‑
7通过螺钉二10
‑
8连接到主轴5上，因此将补偿弹簧10
‑
6弹力传递到主轴5上，从而实现
对顶驱下套管装置3和套管4重量补偿功能，当补偿弹簧10
‑
6的压缩量达到一定程度，主轴5上的承载凸台5
‑
1上端面接触到上部承载端盖6的下端面，限制补偿弹簧10
‑
6被进一步压缩，防止其因过度压缩而引起损坏。
49.当顶驱下套管装置3将单根套管4下放到套管桩上后，继续下放顶驱1，此时主轴5在外花键5
‑
2和中间花键套筒8上内花键8
‑
1的导向作用下向下移动，直到主轴5下放距离大于等于一个套管丝扣长度，此时通过司钻房内距离测量仪器控制顶驱下放距离。下放完毕，启动顶驱1进行上扣作业，上扣扭矩通过外花键5
‑
2传递到内花键8
‑
1上，进而传递到下部密封套筒9上，最终将上扣扭矩传递到套管4上，随着套管4公扣螺纹拧入到套管桩上母扣螺纹内部，两螺纹台肩之间距离逐渐缩小，此时外花键5
‑
2和内花键8
‑
1提供导向作用，随着上扣过程的进行，套管4带动下部密封套筒9、中间花键套筒8向下移动，进而实现本实用新型对上扣过程中套管螺纹丝扣长度补偿功能。
50.在套管4下放和上扣过程中，主轴5上的外花键5
‑
2与中间花键套筒8上的内花键8
‑
1相互配合，以便满足传递顶驱扭矩以实现单根套管上、卸扣或者旋转套管柱的作业要求。内花键8
‑
1的长度要大于外花键5
‑
2的长度和补偿螺纹的长度总和。
51.在整个工作过程中，主轴5芯轴内的泥浆通道5
‑
4上端与顶驱下套管装置3芯轴泥浆通道相连，泥浆通道5
‑
4下端与下套管工具芯轴内的泥浆通道连通。主轴5芯轴末端加工有密封导向沟槽5
‑
3，导向环11与密封圈12安装在密封导向沟槽5
‑
3内，与下部密封套筒9组成一个密封空腔。当本实用新型进行重量补偿或者丝扣补偿时，下部密封套筒9相对于主轴5移动，导向环一11与密封圈12始终密封下部套筒9的密封腔室，实现本实用新型对泥浆的动态密封功能。
52.本实用新型在主轴上安装有补偿单元，下套管作业时，在补偿单元的作用下部分下套管工具和套管单根重量从套管接头螺纹转移到本实用新型主轴上，大大降低了单根套管下放过程中单根套管与套管桩上套管接头之间的碰撞载荷，防止套管下放时因碰撞应力过大而造成套管精密螺纹的损坏。同时减小了上、卸扣作业过程中螺纹上承受的负担，降低了上扣过程中错扣、螺纹损坏等作业事故的发生概率。本实用新型采用全机械结构，消除了对液压、电气设备外部接口配置的要求，提高了本实用新型对不同型号顶驱和下套管装置的适用性，可在对现有设备不进行大的改动前提下便可达到本实用新型的设计功能，同时，也便于实用新型在作业现场的安装、使用与维护。