石油工程用丢手机构的分析与研究
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作者简介:吴姬昊(1960-),男,浙江宁波人,高级工程师,总工程师,1983年毕业于华东石油学院机械系矿机专业,从事固井工具的研发工作。
文章编号:1001-3482(2004)02-0063-03
石油工程用丢手机构的分析与研究
吴姬昊
(德州大陆架油气高科技有限公司,山东德州253034)
摘要:丢手机构是石油工程中常用的一种井下工具,其结构和特点各不相同。文中详细分析了各种类型丢手机构
的结构特点、工作原理和优缺点,并设计了几种新结构的丢手机构,供丢手工具的设计者和广大用户参考。
关键词:丢手机构;工作原理;结构分析;设计
中图分类号:te931.205,te925.205文献标识码:b
石油工程用丢手机构是一种常用的井下工具,在钻井上通常以安全接头的形式出现,在固井和采油等方面通常叫做丢手工具或自动脱挂结构。按用途来区分,有主动丢手机构和被动丢手机构。主动丢手机构主要应用在固井和采油等方面,用来将套
管柱和油管柱送入井下,然后主动脱开;被动丢手机
构主要应用在钻井方面,当钻具在井下发生事故遇
卡时,不得已启动丢手机构,以保全丢手机构上边的
钻具,同时便于下入处理事故的工具。因此,主动丢
手机构一般不需要传递动力,其丢手动作的可靠性
是第一位的;而被动丢手机构需要传递动力,往往在
井下作旋转运动,其传递动力的能力和安全性是第
一位的。
1不旋转的丢手机构
1.1液压式丢手机构
液压式丢手机构有投球的、盲板的、带活塞的及
不带活塞的等,但其基本结构都采用锁块或锁环进
行丢手(如图1和图2),这些丢手机构主要应用于
采油作业中。
图1液压投球式丢手机构
图2液压非投球式丢手机构
图1所示的丢手机构是一个动作机构内置的投
球式丢手机构,它主要依靠锁块挂住联接套和下接
2004年第33卷石油矿场机械
第2期第63页oilfieldequipment2004,33(2):63～65
头,从而挂住下部管柱。将管柱下井到位后,投球加
压,推动剪切活塞剪断销钉下行,在剪切活塞上加工
有环形槽,允许锁块退入环形槽内,此时锁块便与联
接套脱开,实现丢手。这种丢手机构的优点是内置
式动作机构,确保在下井过程中不会因井壁摩擦发
生误操作,不投球不工作,安全可靠。
图2为一个动作机构外置的非投球式丢手机
构,同样用锁块将上下接头联接起来。将管柱下到
预定位置时,在管柱内加压,通过传导孔推动活塞剪
断剪钉下行,并带动整个下滑套下行,在下滑套内加
工有环形槽,可以使锁块回退到环形槽内,上下接头
脱开,完成丢手操作。这种丢手机构与前一种丢手
机构相比,原理相同。但外置式动作机构有可能会
随着管柱的上下活动而与外层管柱的摩擦引起误操
作,提前丢手。因此,在丢手工具的上下必须加装刚
性扶正器,以避免丢手工具与外层管柱相摩擦。
1.2螺纹联接式丢手机构
螺纹联接式丢手机构主要应用于石油固井套管
柱中,其特点是丢手之前必须在螺纹联接处卸去重
力载荷,其结构如图3。丢手机构通过丢手螺母与
套管柱相联接,丢手螺母和下接头之间通过花键或
八方传递扭矩,上接头与上部钻具相联接。丢手机
构随套管柱下井,当套管柱通过悬挂器挂在外层套
管上或坐在井底时,继续下放一段管柱,让卸荷套与
套管柱压紧,卸去丢手螺母上的轴向载荷,然后转动
上部钻具,因丢手螺母加工有反螺纹,随着钻具的转
动便退入卸荷套内,与套管柱脱开。这种丢手机构
首先是承载能力大,可以承受几百吨的载荷;其次是
卸荷套消除丢手螺母的轴向载荷后,丢手螺母与套
管柱之间有相对运动时,减少了摩擦力的影响,确保
丢手螺母顺利倒螺纹并脱开。
图3螺纹联接式丢手机构
1.3自动爪式丢手机构
自动爪式丢手机构是一种常用于油管柱和套管
柱的自动丢手机构(如图4)。它通过爪子将送入工
具和管柱联接起来。工作时,在管柱下井后,从井口
投胶塞,通过丢手机构,将堵塞剪断,露出传压孔,然
后加压,压力通过传压孔作用在活塞上,推动活塞上
行,活塞上设计有推动环,推动爪子向内收缩,从而
将管柱与上接头脱开,实现丢手。这种丢手机构只
要加压就可以动作,完全自动,但有2个缺陷,第一
是管柱质量依靠几个爪子的尖端来承担,额定载荷
较小,同时丢手时,摩擦力较大,推动活塞运动的液
体压力较高,丢手较困难;第二是在下管柱过程中,
当管柱遇阻或上下振动时,爪子前后摆动,有可能造
成提前脱挂。
图4自动爪式丢手机构
1.4滚珠式丢手机构
这是最简单的丢手机构,主要用于油管柱和套
管柱的丢手作业,其结构如图5。内外管柱之间完
全依靠滚珠联接,当管柱下放到设计位置时,从井口
投球,然后加压,球座剪断销钉脱落,稍稍活动管柱,
滚珠自动脱落,便达到丢手的目的。这种丢手机构
虽然简单,但管柱的全部质量完全依靠滚珠来承担,
一旦由于管柱在下放过程中振动而压碎滚珠,丢不
开手的情况就可能发生。因此,要求滚珠有非常高
的强度和良好的质量,
图5滚珠式丢手机构
2可旋转的丢手机构
2.1摩擦式丢手机构
摩擦式丢手机构也叫做摩擦式安全接头(如图
6),主要用在石油钻井井下工具中,常用在取心筒
上,如,250p取心筒等,其关键零件是内外筒之间的
摩擦环,在摩擦环的2个端面上,通过焊接或机加
工,变成凹凸不平并带有尖锐突出物的表面,内外筒
之间用反螺纹联接。内外筒拧紧后,依靠摩擦环的
2个摩擦端面传递扭矩。所传递扭矩的大小通过摩
擦因数和上紧力矩来控制。当工具在井下遇卡时,
扭矩超过摩擦环所承受的设计扭矩时,反螺纹松开,
内外筒脱开,内筒随钻具一起起上来,外筒丢在井
下,保证了上部钻具的安全。这种丢手工具摩擦环
的扭矩不好控制,摩擦力过大,有可能脱不开;摩擦
力过小,则导致提前丢手,通常用实测法确定摩擦力
的大小。
图6摩擦式丢手机构
2.2液压爪式丢手机构
液压爪式丢手机构主要用于采油作业中,当需
要机械坐封式封隔器时,常用这种结构。该丢手机
构主要通过爪式机构来传递重力和扭矩(如图7),
在上接头设计有卡爪,卡爪顶端加工有凸起的端部,
在下接头上加工有花键与卡爪相配合用来传递扭
矩,花键的另一端有环形槽,与卡爪凸起的端部相配
合用来传递重力,外面有控制液缸。当封隔器坐封
完毕需要丢手时,从管柱内加压,控制液缸剪钉剪
断,液体压力推动控制液缸下行,当控制液缸与卡爪
完全脱开后,上提管柱,卡爪因斜面作用张开,上下
接头脱开,实现丢手。这种工具的主要缺点是传递
重力较小,当下部管柱的质量较大时有一定的危险
性;控制液缸设计在外部,在下放管柱中外力摩擦有
可能误动作,提前丢手。
图7液压爪式丢手机构
3丢手机构的设计
3.1牙嵌式丢手机构
牙嵌式丢手机构是一种用来传递大扭矩和重载
荷的可旋转丢手机构,可用于石油钻井的井下工具
中,作为安全接头使用(如图8),在上接头和滑套之
间设计有相互啮合的牙嵌;滑套和下接头之间设计
有花键联接。正常钻井时,通过牙嵌和花键传递扭
矩,而轴向载荷依靠梯形反螺纹来传递。当钻具在
井下遇卡时,从井口投入一个胶塞,胶塞下行剪断堵
塞,液压孔贯通。此时加压,推动滑套剪断销钉下
行,牙嵌脱开,正转钻具,由于梯形反螺纹自行脱开,
确保上部钻具能够顺利起出井口。
图8牙嵌式丢手机构
3.2内爪式丢手机构
内爪式丢手机构主要用于油管柱和套管柱的丢
手作业中,其结构如图9。丢手工具上接头的前端
加工有内爪,内爪端部有突出端,进入下接头的环行
槽内,由张紧套撑住,防止内爪向内收缩而丢手。整
个丢手机构随着管柱下入井下,到位后再下压一点
距离,使内爪处于环形槽的中部,避免内爪斜面与环
形槽斜面相接触而挤压张紧套,使张紧套因自锁而
难以向下运动。然后投球加压,推动张紧套剪断剪
钉向下运动,当张紧套越过内爪之间的长槽时,上下
管柱相通泄压,内爪端部就可以退入张紧套上的环
形槽内,上提管柱,便自动脱开,完成丢手。这种丢
手机构的优点,一是运动机构均设计在管柱内,不会
因管柱与井壁的刮擦而引起误操作;二是张紧套、球
及内爪等所有零件均随上部管柱的提出而起出,不
会给管柱端部留下阻碍。缺点是承载能力较小。如
果用于可回收管柱的作业时,在下接头内部加工一
个内锥螺纹即可实现。
图9内爪式丢手机构
4结论
各种丢手机构千差万别,因此,根据使用目的和
条件的不同,设计的侧重点也各不相同,但是丢手动
作的可靠性和安全性永远是丢手机构设计的关键,
如前面提到的螺纹联接式丢手机构在现场使用已经
达到了相当的规模,可靠性接近100%。此外,将几
种不同结构的丢手机构组合设计在一起,也是一种
提高可靠性的办法,但会增加成本和加工难度。总
之,丢手机构的设计应遵循可靠、安全、简单这3项
原则。
参考文献:
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吴姬昊:石油工程用丢手机构的分析与研究·65·
