一种螺纹驱动全机械式顶驱下套管工具，上芯轴上端螺纹连接顶驱装置，上芯轴下端花键连接有螺纹驱动系统；螺纹驱动系统下端螺栓连接有动力传递系统；动力传递系统下端连接有卡瓦系统；卡瓦系统下端螺栓连接有导向密封系统；卡瓦系统上端安装有弹簧系统。工作时：本发明采用螺纹传动原理，将顶驱装置的旋转运动转换为卡瓦的轴向驱动力，使卡瓦沿楔面胀开，进而实现卡瓦撑紧套管内壁的目的。本发明采用全机械式结构驱动卡瓦，无液压源，因而更环保、安全；卡瓦上有交错的横向和环向的卡瓦牙，可以增加工具传递顶驱扭矩的能力；同时，使用本工具还能随时旋转套管、提放套管、循环泥浆，从而提高下套管作业效率和安全性，降低钻井综合成本。
1.一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，锥螺纹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（13），内螺纹（13）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，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牙（42）、横向卡瓦牙（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。
一种螺纹驱动全机械式顶驱下套管工具
技术领域
[0001] 本发明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
[0002] 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。
[0003] 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。
[0004] 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。
发明内容
[0005] 为了克服现有下套管装备的上述缺点，本发明的目的：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。
[0006] 为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
[0007] 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；
[0008] 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13，内螺纹13与下齿块23形成螺纹连接；
[0009] 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；
[0010] 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；
[0011] 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；
[0012] 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。
[0013] 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；
[0014] 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；
[0015] 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；
[0016] 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。
[0017] 与现有技术比较，本发明的效果是：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
[0018] 图1为本发明三维结构示意图。
[0019] 图2为本发明平面半剖结构示意图。
[0020] 图3为本发明三维剖视图。
[0021] 图4为上芯轴结构示意图。
[0022] 图5为弹簧系统和螺纹驱动系统安装结构示意图。
[0023] 图6为弹簧系统三维剖结构示意图。
[0024] 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。
[0025] 图8为弹簧系统的弹簧挡圈三维剖结构示意图。
[0026] 图9为螺纹驱动系统的三维剖结构示意图。
[0027] 图10为螺纹驱动系统的内筒体三维剖结构示意图。
[0028] 图11为螺纹驱动系统的外筒体三维剖结构示意图。
[0029] 图12为动力传递系统的三维剖结构示意图。
[0030] 图13为动力传递系统的卡瓦座三维剖结构示意图。
[0031] 图14为卡瓦系统的三维剖结构示意图。
[0032] 图15为卡瓦系统卡瓦牙的局部示意图。
[0033] 图16为导向密封系统三维剖结构示意图。
[0034] 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，13.内螺纹，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
[0035] 下面结合附图对本发明做进一步详细叙述。
[0036] 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。下面将对本发明做进一步详细叙述。
[0037] 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13，内螺纹13与下齿块23形成螺纹连接。
[0038] 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与内筒体24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。
[0039] 参照图11，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，内螺纹用于与内筒体24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。
[0040] 参照图12 图13，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。
[0041] 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，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。
[0042] 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。
[0043] 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。
[0044] 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。
[0045] 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。
[0046] 本发明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。
