石油工程用丢手机构的分析与研究

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:

[1]刘红梅,王友林.kds-115型液压丢手工具的研究[j].

石油机械,2001,(29)1:32-33.

[2]何云.液压控制型安全接头的研制和应用[j].石油

机械,2002,(30)8:30-31.

[3]柴国兴.spds型水平井防砂丢手工具的设计[j].石

油钻采工艺,1998,26(3):88-89.

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