本發(fā)明涉及石油天然氣固井裝備技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種電機驅(qū)動式頂驅(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：提供一種電機驅(qū)動式頂驅(qū)下套管工具，具有隨時旋轉(zhuǎn)套管、提放套管、灌注泥漿、循環(huán)泥漿、作業(yè)安全效率高的特點，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：

一種電機驅(qū)動式頂驅(qū)下套管工具，包括上芯軸1、電機驅(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，其特征為：上芯軸1的上、下兩端各設(shè)置有螺紋，上芯軸1的上螺紋與頂驅(qū)裝置連接，上芯軸1的下螺紋與下芯軸40連接；上芯軸1外側(cè)安裝有電機驅(qū)動系統(tǒng)2；電機驅(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；

所述上芯軸1的上、下兩端各設(shè)置有錐螺紋，上芯軸1的上錐螺紋下側(cè)設(shè)置有一段外螺紋10，外螺紋10連接有小圓螺母；上芯軸1的下錐螺紋上側(cè)設(shè)置有臺階11；小軸承23安裝于小圓螺母與臺階11之間；小軸承23外安裝有電機驅(qū)動系統(tǒng)2；

所述電機驅(qū)動系統(tǒng)2包括電機20、小軸承上端蓋21、懸掛筒22、小軸承23、轉(zhuǎn)動筒24、小軸承下端蓋25、大齒輪26、球形滾珠27、防轉(zhuǎn)銷28、擋蓋29、螺紋筒30；所述轉(zhuǎn)動筒24呈空心圓柱狀，轉(zhuǎn)動筒24內(nèi)表面安裝有小軸承23，轉(zhuǎn)動筒24能相對上芯軸1轉(zhuǎn)動；轉(zhuǎn)動筒24外表面中部設(shè)置有臺階，臺階中部設(shè)置有環(huán)向半圓弧形凹槽，半圓弧凹槽的中部設(shè)置一條軸向半圓弧形凹槽；轉(zhuǎn)動筒24上、下兩端面均設(shè)置有螺紋孔，轉(zhuǎn)動筒24的上螺紋孔經(jīng)螺栓連接有小軸承上端蓋21，轉(zhuǎn)動筒24的下螺紋孔經(jīng)螺栓連接有小軸承下端蓋25；

轉(zhuǎn)動筒24外套有大齒輪26，大齒輪26的內(nèi)表面上側(cè)設(shè)置有環(huán)向半圓弧形凹槽，環(huán)向半圓弧形凹槽與轉(zhuǎn)動筒24的環(huán)向半圓弧形凹槽，組成環(huán)向圓形凹槽，環(huán)向圓形凹槽內(nèi)安裝有球形滾珠27，轉(zhuǎn)動筒24與大齒輪26能相對轉(zhuǎn)動；大齒輪26半圓弧凹槽的中部設(shè)置有一條軸向半圓弧形凹槽，軸向半圓弧形凹槽與轉(zhuǎn)動筒24的軸向半圓弧形凹槽，組成軸向的圓形孔，軸向的圓形孔用于球形滾珠27的裝配；大齒輪26外表面呈階梯軸狀，大齒輪26的大軸端設(shè)置有齒輪，齒輪與電機20的小齒輪相互嚙合，大齒輪26的小軸端設(shè)置有外螺紋；

大齒輪26經(jīng)外螺紋連接有螺紋筒30，螺紋筒30呈空心圓柱狀，螺紋筒30內(nèi)表面設(shè)置有階梯，階梯用于定位安裝大軸承31，階梯的上側(cè)設(shè)置有內(nèi)螺紋，內(nèi)螺紋與大齒輪26的螺紋形成絲扣連接；螺紋筒30上端面均布有四個沿軸向的半圓形孔；螺紋筒30的下端表面設(shè)置有螺紋孔，螺紋筒30經(jīng)螺栓連接有大軸承端蓋32；

螺紋筒30的上側(cè)外表面經(jīng)防轉(zhuǎn)銷28連接有懸掛筒22，懸掛筒22呈空心圓柱形；懸掛筒22內(nèi)表面設(shè)置有階梯，階梯上均布有四個沿軸向的半圓形孔，半圓形孔與螺紋筒30的半圓形孔形成圓柱孔，圓柱孔內(nèi)安裝有防轉(zhuǎn)銷28；懸掛筒22上、下兩端面各設(shè)置有螺紋孔，上螺紋孔經(jīng)螺栓連接有小軸承上端蓋21，下螺紋孔經(jīng)螺栓連接有擋蓋29；擋蓋29呈圓環(huán)形；

小軸承上端蓋21設(shè)置有小軸承23連接通孔，懸掛筒22連接通孔、電機20安裝孔；電機20經(jīng)螺栓緊固于小軸承上端蓋21的表面，電機20的小齒輪穿過小軸承上端蓋21與大齒輪26嚙合；

所述電機驅(qū)動系統(tǒng)2與動力傳遞系統(tǒng)3螺栓連接，所述動力傳遞系統(tǒng)3包括大圓螺母34、大軸承31、大軸承端蓋32、卡瓦座33；所述卡瓦座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，臺階上側(cè)設(shè)置有外螺紋，外螺紋上連接有大圓螺母34；大軸承31安裝于臺階與大圓螺母34之間；大軸承31由大軸承端蓋32定位、緊固；動力傳遞系統(tǒng)3能相對下芯軸40轉(zhuǎn)動；

所述卡瓦座33與卡瓦系統(tǒng)4連接，所述卡瓦系統(tǒng)4包括下芯軸40、卡瓦41；所述下芯軸40外表面下側(cè)設(shè)置有外楔面，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能沿下芯軸40的楔面滑動；卡瓦外表面設(shè)置有縱向卡瓦牙42、橫向卡瓦牙43；

所述下芯軸40下端螺紋連接有導(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。

與現(xiàn)有技術(shù)比較，本發(fā)明的效果是：1）本頂驅(qū)下套管工具采用電機為卡瓦提供驅(qū)動力，無需液壓源，因此本工具具有安全可靠的特點；2）采用交錯布置卡瓦牙，可以增大摩擦力，從而傳遞更大的扭矩，從而實現(xiàn)套管上扣、套管旋轉(zhuǎn)等工況作業(yè)時的需求；3）本頂驅(qū)下套管工具結(jié)構(gòu)合理、操作簡單便利，且結(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)明結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明三維外觀示意圖。

圖3為本發(fā)明三維剖切視圖。

圖4為上芯軸三維剖切視圖。

圖5為電機系統(tǒng)三維剖切視圖。

圖6為電機三維視圖。

圖7為電機系統(tǒng)主要零部件爆炸三維剖切視圖。

圖8上軸承端蓋三維剖切視圖。

圖9為懸掛筒三維剖切視圖。

圖10為轉(zhuǎn)動筒三維剖切視圖。

圖11為大齒輪三維剖切視圖。

圖12為螺紋筒三維剖切視圖。

圖13為動力傳遞系統(tǒng)三維剖切視圖。

圖14為卡瓦座三維剖切視圖。

圖15為卡瓦系統(tǒng)三維剖切視圖。。

圖16為卡瓦局部三維視圖。

圖17為導(dǎo)向密封系統(tǒng)三維剖切視圖。

1.上芯軸，2.電機驅(qū)動系統(tǒng)，3.動力傳遞系統(tǒng)，4.卡瓦系統(tǒng)，5.導(dǎo)向密封系統(tǒng)，10.外螺紋，11.臺階，20.電機，21.小軸承上端蓋，22.懸掛筒，23.小軸承，24.轉(zhuǎn)動筒，25.小軸承下端蓋，26.大齒輪，27.球形滾珠，28.防轉(zhuǎn)銷，29.擋蓋，30.螺紋筒，31.大軸承，32.大軸承端蓋，33.卡瓦座，34.大圓螺母，35.卡瓦座臺階，36.卡瓦座螺紋，40.下芯軸，41.卡瓦，42.橫向卡瓦牙，43.環(huán)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)明做進一步詳細敘述。

參照圖1~圖3，一種電機驅(qū)動式頂驅(qū)下套管工具，包括上芯軸1、電機驅(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。上芯軸1的上、下兩端各設(shè)置有螺紋，上芯軸1的上螺紋與頂驅(qū)裝置連接，上芯軸1的下螺紋與下芯軸40連接；上芯軸1外側(cè)安裝有電機驅(qū)動系統(tǒng)2；電機驅(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、傳遞扭矩的作用；電機驅(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、防止卡瓦跟隨電機驅(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。下面將對本發(fā)明做進一步詳細敘述。

參照圖1、圖4，上芯軸1上、下兩端各設(shè)置有錐螺紋，上芯軸1的上錐螺紋與頂驅(qū)裝置連接；上芯軸1的下錐螺紋與下芯軸40連接。上芯軸1的上錐螺紋下側(cè)設(shè)置有一段外螺10，外螺紋10用于連接小圓螺母，小圓螺母用于定位、緊固小軸承23。上芯軸1的下錐螺紋上側(cè)設(shè)置有臺階11，臺階11用于定位、緊固小軸承23。臺階11和小圓螺母均起到定位、緊固小軸承23內(nèi)圈的作用。小軸承23由一對圓錐滾子軸承構(gòu)成。安裝小軸承23的作用在于防止電機20及電機20的線纜跟隨上芯軸1轉(zhuǎn)動。上芯軸1外表面套有電機驅(qū)動系統(tǒng)2。此外，圖1表示的是卡瓦處于上極限位置時候的狀態(tài)。

參照圖1、圖5、圖10，電機驅(qū)動系統(tǒng)2包括電機20、小軸承上端蓋21、懸掛筒22、小軸承23、轉(zhuǎn)動套、小軸承上端蓋21、大齒輪26、球形滾珠27、防轉(zhuǎn)銷28、擋蓋29、螺紋筒30。轉(zhuǎn)動筒24呈空心圓柱狀，轉(zhuǎn)動筒24內(nèi)表面安裝有小軸承23，使轉(zhuǎn)動筒24能相對上芯軸1轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)動筒24外表面中部設(shè)置有臺階，臺階中部設(shè)置有兩圈環(huán)向半圓弧形凹槽，半圓弧形凹槽內(nèi)安裝有球形滾珠27，使大齒輪26能相對于上芯軸1旋轉(zhuǎn)；半圓弧凹槽的中部設(shè)置一條軸向半圓弧形凹槽。轉(zhuǎn)動筒24上、下兩端面均設(shè)置有十二個螺栓孔，轉(zhuǎn)動筒24上端面的螺紋孔經(jīng)螺栓連接有小軸承上端蓋21，轉(zhuǎn)動筒24下端面的螺紋孔經(jīng)螺栓連接有小軸承下端蓋25。

參照圖1、圖5、圖11，轉(zhuǎn)動筒24經(jīng)過球形滾珠27連接有大齒輪26，大齒輪26的內(nèi)表面上側(cè)設(shè)置有半圓弧形凹槽，半環(huán)向圓弧形凹槽能與轉(zhuǎn)動筒24的環(huán)向半圓弧形凹槽組成完整的環(huán)向圓形凹槽，完整的圓形凹槽用于安裝球形滾珠27，使轉(zhuǎn)動筒24與大齒輪26能相對轉(zhuǎn)動。大齒輪26半圓弧凹槽的中部設(shè)置有軸向半圓弧形凹槽，軸向半圓弧形凹槽與轉(zhuǎn)動筒24的軸向半圓弧形凹槽組成完整的軸向圓形孔，完整的圓形孔用于球形滾珠27裝配時從此孔通過，當(dāng)球形滾珠27裝配完成后，需將此軸向圓形孔堵塞住，以防止球形滾珠27的掉落。大齒輪26外表面呈階梯軸狀，大齒輪26的大軸端設(shè)置有齒輪，齒輪能與電機20的小齒輪相互嚙合、轉(zhuǎn)動。大齒輪26的小軸端設(shè)置有外螺紋，外螺紋用于連接螺紋筒30。

參照圖1、圖5、圖12，大齒輪26經(jīng)外螺紋連接有螺紋筒30，螺紋筒30呈空心圓柱狀。螺紋筒30內(nèi)的表面設(shè)置有階梯，階梯用于定位安裝大軸承31。螺紋筒30階梯的上側(cè)設(shè)置有內(nèi)螺紋，內(nèi)螺紋與大齒輪26的外螺紋的相互配合，從而形成絲扣連接。螺紋筒30上端面均布有四個沿軸向的半圓形孔，半圓形孔內(nèi)安裝有防轉(zhuǎn)銷28。設(shè)置防轉(zhuǎn)銷28的目的在于防止螺紋筒30跟隨大齒輪26轉(zhuǎn)動，從而將大齒輪26的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為螺紋筒28的軸向運動，實現(xiàn)為卡瓦41提供軸向的驅(qū)動力的目的。螺紋筒30的下端表面設(shè)置有螺紋孔，螺紋筒30經(jīng)螺栓連接有大軸承端蓋32。

參照圖1、圖5、圖9，螺紋筒30的上側(cè)外表面經(jīng)防轉(zhuǎn)銷28連接有懸掛筒22，懸掛筒22呈空心圓柱形。懸掛筒22內(nèi)表面設(shè)置有階梯，階梯上均布有四個沿軸向的半圓形孔，半圓形孔與螺紋筒30的半圓形孔形成圓柱孔，圓柱孔內(nèi)安裝有防轉(zhuǎn)銷28，使螺紋筒30只能相對大齒輪26沿軸向移動，從而將大齒輪26的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為螺紋筒28的軸向運動。懸掛筒22上、下兩端面各設(shè)置有十二個螺紋孔，上螺紋孔經(jīng)螺栓連接有小軸承上端蓋21，下螺紋孔經(jīng)螺栓連接有擋蓋29。擋蓋29呈圓環(huán)形，圓環(huán)上設(shè)計有十二個均布的通孔，用于螺栓連接懸掛筒22。

參照圖1、圖5、圖8，小軸承上端蓋21設(shè)置設(shè)計有兩圈通孔，內(nèi)圈為轉(zhuǎn)動筒連接通孔，外圈為懸掛筒連接通孔，每圈孔的數(shù)目為十二個，內(nèi)圈通孔用于定位、緊固小軸承23，并經(jīng)螺栓連接有轉(zhuǎn)動筒24；外圈通孔用于連接懸掛筒22。此外，內(nèi)圈通孔和外圈通孔之間還設(shè)計有電機20安裝通孔，電機20通過螺栓緊固，且電機20的小齒輪軸穿過安裝通孔，伸入懸掛筒22內(nèi)，實現(xiàn)小齒輪與大齒輪26的嚙合。

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。卡瓦座33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15、圖16，卡瓦系統(tǒng)4包括下芯軸40、卡瓦41。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。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)，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42和環(huán)向卡瓦牙43；橫向和環(huán)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17，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。

本發(fā)明一種電機驅(qū)動式頂驅(qū)下套管工具的工作原理是：1）電機20啟動帶動小齒輪旋轉(zhuǎn)，小齒輪旋轉(zhuǎn)帶動大齒輪26旋轉(zhuǎn)，大齒輪26通過下端的螺紋傳動使螺紋筒30軸向移動（由于防轉(zhuǎn)銷28的限位作用，螺紋筒只能軸向移動，不能發(fā)生轉(zhuǎn)動），螺紋筒30軸向移動使動力傳遞系統(tǒng)3軸向移動，從而使卡瓦41沿下芯軸40楔面移動。由于楔面的作用，卡瓦41在沿軸向移動的同時，也將沿徑向移動?？ㄍ?1的徑向移動使卡瓦牙撐緊套管內(nèi)壁，實現(xiàn)初始預(yù)接觸。隨后提升頂驅(qū)下套管工具，由于下芯軸40的楔面作用，卡瓦41將進一步撐緊套管內(nèi)部，從而實現(xiàn)套管的懸持、套管的旋轉(zhuǎn)，及循環(huán)泥漿等作業(yè)。2）下套管結(jié)束后，控制電機20反轉(zhuǎn)，使卡瓦41縮回，卡瓦41與套管接觸分離，隨后，將整個頂驅(qū)下套管工具提出套管，從而完成一根套管的下入作業(yè)。