密闭式旋扣卡瓦

摘要

密闭式旋扣卡瓦涉及石油技术领域，包括壳体（1）和驱动装置（2），壳体（1）内设有旋转卡瓦装置，旋转卡瓦装置包括浮动套筒（4），浮动套筒（4）设有环筒壁设置的传动腔（5）和径向设置的滑动通道（6），浮动套筒（4）于传动腔（5）处设有平面螺母（7），平面螺母（7）可转动地置于传动腔（5）内，平面螺母（7）一端通过平面螺纹与卡瓦块（8）连接，另一端通过传动齿轮与驱动装置（2）连接，以驱动卡瓦块（8）径向移动，浮动套筒（4）通过传动齿轮与驱动装置（2）连接，以驱动其旋转。它具有结构合理、安全可靠的优点。

权利要求

1.密闭式旋扣卡瓦，包括壳体（1）和驱动装置（2），其特征在于，所述壳体（1）内设有旋转卡瓦装置，旋转卡瓦装置包括浮动套筒（4），浮动套筒（4）设有环筒壁设置的传动腔（5）和径向设置的滑动通道（6），浮动套筒（4）于传动腔（5）处设有平面螺母（7），平面螺母（7）一端设有平面螺纹，另一端设有与齿轮配合的齿牙，滑动通道（6）内设有卡瓦块（8），卡瓦块（8）的侧壁上设有与平面螺纹配合的齿牙，平面螺母（7）可转动地置于固定套筒（3）及浮动套筒（4）的传动腔（5）内，平面螺母（7）一端通过平面螺纹与卡瓦块（8）连接，另一端通过传动齿轮与驱动装置（2）连接，以驱动卡瓦块（8）径向移动，浮动套筒（4）通过传动齿轮与驱动装置（2）连接，以驱动其旋转，浮动套筒（4）及其平面螺母（7）和与各自连接的传动齿轮采用滑动连接，以使浮动套筒（4）可在壳体（1）内上下移动。

2.如权利要求1所述的密闭式旋扣卡瓦，其特征在于，所述浮动套筒（4）的外壁设有活塞（9），所述壳体（1）的内壁设有与活塞（9）相应配合的浮动控制腔（10），通过向活塞（9）两侧的腔内注入液压介质可以驱动浮动套筒（4）上下滑动。

3.如权利要求1所述的密闭式旋扣卡瓦，其特征在于，所述浮动套筒（4）的平面螺母（7）通过一介齿轮（11）与驱动装置（2）连接，该介齿轮（11）与平面螺母（7）间采用滑动连接。

4.如权利要求1、2或3所述的密闭式旋扣卡瓦，其特征在于，所述浮动套筒（4）于其上段的外壁套有齿圈（12），该齿圈（12）与浮动套筒（4）间采用轴向滑动连接，浮动套筒（4）通过该齿圈（12）与驱动装置（2）连接。

5.如权利要求1所述的密闭式旋扣卡瓦，其特征在于，所述壳体（1）内于旋转卡瓦装置的下方设有用于夹紧并固定管柱的安全卡瓦装置。

6.如权利要求5所述的密闭式旋扣卡瓦，其特征在于，所述安全卡瓦装置包括与壳体（1）相固定的固定套筒（3），固定套筒（3）设有环筒壁设置的传动腔（5）和径向设置的滑动通道（6），传动腔（5）内设有平面螺母（7），平面螺母（7）一端设有平面螺纹，另一端设有与齿轮配合的齿牙，滑动通道（6）内设有卡瓦块（8），卡瓦块（8）的侧壁上设有与平面螺纹配合的齿牙，平面螺母（7）可转动地置于固定套筒（3）的传动腔（5）内，平面螺母（7）一端通过平面螺纹与卡瓦块（8）连接，另一端通过传动齿轮与驱动装置（2）连接，以驱动卡瓦块（8）径向移动。

7.如权利要求1所述的密闭式旋扣卡瓦，其特征在于，所述驱动装置（2）为液压马达。

8.如权利要求1、3或6所述的密闭式旋扣卡瓦，其特征在于，与所述平面螺母（7）连接的驱动装置（2）为液压马达、电机或手动驱动装置。

说明书

密闭式旋扣卡瓦

技术领域

[0001] 本发明涉及石油技术领域，具体涉及一种适用欠平衡钻井、气井钻井、带压修井作业的专用工具。

背景技术

[0002] 现代石油、常规天然气的钻井开发技术不断进步，尤其是近些年页岩油、页岩气类脆弱地层得到大规模开发，因此欠平衡钻井、负压钻井等带压新型钻井技术得到迅速推广，这种钻具内保持连续带压的工况，对钻井装备提出了更高的要求。

[0003] 前几年大规模开发及新投产的常规和非常规天然气井，在最近一两年内开始进入第一维修周期，由于国内气井一般不配备井下套管阀，在作业的全过程中整个井筒都充满高压，为避免修井时井内高压气体喷出，因此在修井时必须选择高密度泥浆压井-常规修井作业，或者带压修井作业。

[0004] 压井作业使用的高密度泥浆可以在井底压住底层高压气体，但泥浆会渗入地层封闭微裂隙，对天然气井，尤其是页岩气井的产能损害特别大，高密度泥浆压井-常规修井作业后，普通天然气井会损失产能20%以上，页岩气井则会损失产能50%以上，甚至彻底被压死完全丧失产气能力，因此维修时选择带压作业是必然选择，暂不具备带压修井作业条件的一般选择停产封井待修。

[0005] 带压修井作业时，井下工具以下管柱串的内堵塞是世界级难题，没有合适解决方法。

[0006] 吉林油田作业队伍创造了可退式封闭捞矛倒管技术，采用井上预松扣/设备高压内腔卸扣+可退式封闭捞矛封闭管柱上端的方法，能够实现油井及注水井起出无内堵塞管柱，但这种技术只适用于中低压井，操作流程极为繁复（每起出一根油管或一个井下工具，需要严格按顺序操作38个步骤），对操作人员要求极高，每一个操作失误都可能产生严重事故。而气井管柱采用端面密封形式，不能做井上预松扣，且气井压力一般都较高，因此这种技术无法在气井使用。

发明内容

[0007] 本发明所要解决的技术问题是：提供一种密闭式旋扣卡瓦，能够组合安装在钻井或带压作业设备内，能在设备的高压内腔对管柱串的指定接头进行上、卸扣作业，可安装于钻井井控防喷器组内、带压强行钻进设备的高压区段、或带压修井作业装置的高压区段内。

[0008] 本发明的技术解决方案是：它包括壳体和驱动装置，所述壳体内设有旋转卡瓦装置，旋转卡瓦装置包括浮动套筒，浮动套筒设有环筒壁设置的传动腔和径向设置的滑动通道，浮动套筒于传动腔处设有平面螺母，平面螺母一端设有平面螺纹，另一端设有与齿轮配合的齿牙，滑动通道内设有卡瓦块，卡瓦块的侧壁上设有与平面螺纹配合的齿牙，平面螺母可转动地置于固定套筒及浮动套筒的传动腔内，平面螺母一端通过平面螺纹与卡瓦块连接，另一端通过传动齿轮与驱动装置连接，以驱动卡瓦块径向移动，浮动套筒通过传动齿轮与驱动装置连接，以驱动其旋转，浮动套筒及其平面螺母和与各自连接的传动齿轮采用滑动连接，以使浮动套筒可在壳体内上下移动。

[0009] 本发明的技术效果是：它具有结构合理、安全可靠的优点，能够组合安装在钻井或带压作业设备内，能在设备的高压内腔对管柱串的指定接头进行上、卸扣作业，使无内堵塞气井管柱带压作业成为可能，并能够大大简化欠平衡钻井、负压钻井、油水井带压作业（管柱无内堵塞情况）的操作流程，提高安全性。

附图说明

[0010] 图1为本发明的结构示意图。

具体实施方式

[0011] 如图1所示，它包括用于固定在井口的壳体1和驱动装置2，所述壳体1内设有旋转卡瓦装置，旋转卡瓦装置包括浮动套筒4，浮动套筒4设有环筒壁设置的传动腔5和径向设置的滑动通道6，浮动套筒4于传动腔5处设有平面螺母7，平面螺母7一端设有平面螺纹，另一端设有与齿轮配合的齿牙，滑动通道6内设有卡瓦块8，卡瓦块8的侧壁上设有与平面螺纹配合的齿牙，平面螺母7可转动地置于固定套筒3及浮动套筒4的传动腔5内，平面螺母7一端通过平面螺纹与卡瓦块8连接，另一端通过传动齿轮与驱动装置2连接，以驱动卡瓦块8径向移动，浮动套筒4通过传动齿轮与驱动装置2连接，以驱动其旋转，浮动套筒4及其平面螺母7和与各自连接的传动齿轮采用滑动连接，以使浮动套筒4可在壳体1内上下移动。传动腔5也可以由浮动套筒4和壳体1围成。浮动套筒4与平面螺母7同轴设置。

[0012] 所述浮动套筒4的外壁设有活塞9，所述壳体1的内壁设有与活塞9相应配合的浮动控制腔10，通过向活塞9两侧的腔内注入液压介质可以驱动浮动套筒4上下滑动。

[0013] 所述浮动套筒4的平面螺母7通过一介齿轮11与驱动装置2连接，该介齿轮11与平面螺母7间采用滑动连接。

[0014] 所述浮动套筒4于其上段的外壁套有齿圈12，该齿圈12与浮动套筒4间采用轴向滑动连接，浮动套筒4通过该齿圈12与驱动装置2连接。

[0015] 所述壳体1内于旋转卡瓦装置的下方设有用于夹紧并固定管柱的安全卡瓦装置。安全卡瓦装置可采用现有结构的卡瓦装置。

[0016] 所述安全卡瓦装置包括与壳体1相固定的固定套筒3，固定套筒3设有环筒壁设置的传动腔5和径向设置的滑动通道6，传动腔5内设有平面螺母7，平面螺母7一端设有平面螺纹，另一端设有与齿轮配合的齿牙，滑动通道6内设有卡瓦块8，卡瓦块8的侧壁上设有与平面螺纹配合的齿牙，平面螺母7可转动地置于固定套筒3的传动腔5内，平面螺母7一端通过平面螺纹与卡瓦块8连接，另一端通过传动齿轮与驱动装置2连接，以驱动卡瓦块8径向移动。

[0017] 所述驱动装置2为液压马达。

[0018] 与所述平面螺母7连接的驱动装置2为液压马达、电机或手动驱动装置。

[0019] 密闭式旋扣卡瓦的功能是：在高压设备的内腔，对管柱串的指定接头进行上、卸扣作业，或直接驱动管柱旋转。上、卸扣作业时，安全卡瓦可卡紧管柱串中指定接头及以下管柱确保其无轴向位移和旋转动作，同时可承载管柱串重量；旋转卡瓦可卡紧管柱串指定接头以上管柱并驱动其旋转，在旋转过程中可随管柱一同进行轴向运动：上扣跟进、卸扣退让，且轴向运动可以选择自由浮动，或在任意方向施加液压压力两种模式。

[0020] 密闭式旋扣卡瓦选用同心卡盘式卡紧原理，旋转驱动为直接驱动方式。此种卡紧原理具有强烈的自锁特性，在完成卡紧后，不会有松脱风险；且这种卡紧状态不依赖任何外力保持，不论被卡紧管柱承受向上、向下或旋转扭力，均无自然松脱可能；除非操作者使用液压或手动方式松开，否则管柱将一直处于卡紧状态。这个特性对使用过程的安全性拥有非常大的、积极的影响。

[0021] 安全卡瓦系统的卡紧/松开动作由液压马达驱动（也可以不用液压马达，而选用低速电机驱动，或直接用手工工具驱动），在卡紧动作时，马达的主轴直接带动安全卡瓦主动锥齿轮旋转，安全卡瓦主动锥齿轮带动安全卡瓦被动锥齿轮和安全卡瓦平面螺母（两者拴接在一起）旋转，安全卡瓦平面螺母的螺纹与安全卡瓦滑块的螺纹（齿牙）啮合，安全卡瓦平面螺母旋转时推动安全卡瓦滑块在安全卡瓦体的槽中（滑动通道）向中心运动，直至安全卡瓦滑块前端安装的安全卡瓦牙板接触被卡紧管柱并咬入一定深度完成卡紧。

[0022] 在安全卡瓦系统中，安全卡瓦平面螺母和安全卡瓦被动锥齿轮（两者拴接在一起）此两者与浮动部分中的其它组件可以有相对旋转动作，只有轴向位置相对固定。且安全卡瓦平面螺母下部有轴承、外径面有滚针组与安全卡瓦下法兰内腔台阶支承，系统内的相对运转可确保顺滑。

[0023] 安全卡瓦牙板采用阶梯型结构，以同时卡紧管接头及其下方管柱，使两者间不松扣，可以保证在卸扣时一定在管接头上方螺纹松开，便于之后的作业，避免管柱落井事故的可能。

[0024] 安全卡瓦系统可根据规格和需要选择安全卡瓦滑块、安全卡瓦牙板组合；可以选择设置1-8个安全卡瓦主动齿压盖、安全卡瓦主动锥齿轮构成的输入端口，每一个端口都可选择配备液压马达、低速电机，或仅使用手动工具驱动。

[0025] 旋转卡瓦的功能组件主要分为卡紧/松开系统、旋转驱动系统和旋转卡瓦浮动控制系统三部分，可以完成对工作管柱上段的卡紧-松开动作、旋转驱动、可在卡紧并驱动工作管柱旋转的同时随管柱进行螺旋跟进或螺旋退让动作、可在旋转卡瓦卡紧或松开状态下选择自由浮动或在上/下方向施加液压压力两种模式。

[0026] 旋转卡瓦卡紧/松开系统安装于上壳体内腔的下部，主要由旋转卡瓦主动齿轮轴、旋转卡瓦主动齿轮、旋转卡瓦传动介轮、旋转卡瓦被动齿轮、旋转卡瓦平面螺母、旋转卡瓦体、旋转卡瓦滑块、旋转卡瓦牙板，以及支撑/密封/连接这些部件的轴承、密封件、螺栓/销等连接件构成。

[0027] 旋转卡瓦卡紧/松开系统的卡紧/松开动作由液压马达驱动（也可以不用液压马达，而选用低速电机驱动，或直接用手工工具驱动），在卡紧动作时，马达的主轴直接带动旋转卡瓦主动齿轮轴/齿轮旋转，通过旋转卡瓦传动介轮驱动旋转卡瓦被动齿轮，旋转卡瓦被动齿轮与旋转卡瓦平面螺母（两者拴接在一起）共同旋转，旋转卡瓦平面螺母的螺纹与旋转卡瓦滑块的螺纹啮合，旋转卡瓦平面螺母旋转时推动旋转卡瓦滑块在旋转卡瓦体的槽中向中心运动，直至旋转卡瓦滑块前端安装的旋转卡瓦牙板接触被卡紧管柱并咬入一定深度完成卡紧。

[0028] 旋转卡瓦卡紧/松开系统可根据规格和需要选择2-8套旋转卡瓦滑块、旋转卡瓦牙板组合；可以选择设置1-8套介轮及旋转卡瓦主动齿轮/轴构成的输入端口，每一个端口都可选择配备液压马达、低速电机，或仅使用手动工具驱动。

[0029] 旋转卡瓦旋转驱动系统由液压马达带动旋转卡瓦旋转主动齿轮轴、旋转卡瓦旋转主动齿轮旋转，驱动旋转卡瓦旋转被动齿轮，旋转卡瓦旋转被动齿轮的上下方均有轴承支撑并将齿轮定位，旋转卡瓦旋转被动齿轮的内齿与旋转卡瓦浮动齿套的外齿啮合，旋转卡瓦浮动齿套与旋转卡瓦旋转传动筒拴接，旋转卡瓦旋转传动筒下部与旋转卡瓦体拴接并带动旋转卡瓦体一同旋转。

[0030] 浮动部分包含旋转驱动系统和卡紧/松开驱动系统的一部分。旋转卡瓦浮动齿套、旋转卡瓦旋转传动筒、旋转卡瓦体、浮动控制活塞体相互拴接，形成一个统一运动的刚性整体结构。属于旋转卡瓦浮动控制系统的主要零件只有浮动控制活塞体一个，外供液压油通过对浮动控制活塞体的操作来控制整个浮动部分。

[0031] 浮动部分中还包含旋转卡瓦被动齿轮和旋转卡瓦平面螺母（两者拴接在一起），此两者与浮动部分中的其它组件可以有相对旋转动作，只有轴向位置相对固定。且旋转卡瓦浮动齿套下部通过轴承与旋转卡瓦被动齿轮、旋转卡瓦平面螺母上表面支承，旋转卡瓦平面螺母内径面与旋转卡瓦旋转传动筒间有滚针组支承，系统内的相对运转可确保顺滑。

[0032] 在浮动系统与外界的连接部位，旋转卡瓦旋转被动齿轮的内齿与旋转卡瓦浮动齿套外齿啮合部位允许轴向运动；旋转卡瓦被动齿轮与旋转卡瓦传动介轮啮合部位允许轴向运动，由此可在浮动的同时完成旋转驱动或卡紧/松开动作。