阅读说明：本技术 一种井下更换套管用倒扣装置 (Replacing back-off device for casing in pit ) 是由 于涛 于海丰 于 2019-11-19 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种套管倒扣装置,用于石油油气井井下套管更换,包括一个转动输入轴(20),所述转动输入轴(20)连接了行星齿轮减速器(X)输入转动的太阳轮；所述行星齿轮减速器(X)包括输出转动的行星轮,转动输出的行星轮连接了接箍定位器(Y)和下锚定器(Z)；所述行星齿轮减速器(X)的内齿圈(8)连接了上锚定器(Q)。下锚定器(Z)和上锚定器(Q)分别用于与被倒扣的相邻两节套管相对固定,分别包括用于与被倒扣的相邻两节套管固定的拆卸式锚定结构。本发明在套管损坏处以下1～2根的接箍松开卸扣,起出损坏套管,重新下入新的套管与下端套管对扣上紧。本发明对套管通径没有缩减,更换后的套管具有使用寿命长的优点。(The invention discloses a casing back-off device, which is used for replacing a casing under a petroleum oil and gas well, and comprises a rotation input shaft (20), wherein the rotation input shaft (20) is connected with a sun gear which is input and rotates by a planetary gear reducer (X); the planetary gear reducer (X) comprises a planetary gear for outputting rotation, and the planetary gear for outputting rotation is connected with the coupling positioner (Y) and the lower anchor (Z); the inner gear ring (8) of the planetary gear reducer (X) is connected with an upper anchor (Q). The lower anchor (Z) and the upper anchor (Q) are respectively used for being relatively fixed with two inverted adjacent casing pipes and respectively comprise detachable anchor structures used for being fixed with two inverted adjacent casing pipes. According to the invention, 1-2 couplings below the damaged part of the casing pipe are loosened and broken off, the damaged casing pipe is pulled out, and a new casing pipe is put in again to be fastened with the lower-end casing pipe. The invention has no reduction on the drift diameter of the casing, and the replaced casing has the advantage of long service life.)

一种井下更换套管用倒扣装置

技术领域

本发明涉及石油油气井井下套管更换装置，更具体地说，涉及一种套管(仅限于技术套管未水泥封固的井)用倒扣装置。

背景技术

石油油气井井下套管因腐蚀或外力原因造成损坏，影响正常生产及其它工程作业。具体如图1所示，井下套管包括多节管体2由多个接箍1依次串联构成。现有技术，当发生套管损坏时，都是进行套管补贴或套管外压注水泥予以修复，套管补贴后的套管通径一般会比原内径减小15～20mm，对后期的其它作业造成很大影响。套管外压注水泥虽然施工上比较简单，但修复成功率较低，且修复后容易在短时间内还会损坏。

为此，本发明提供一套将损坏套管取出进行更换的操作方法，问题在于，现有技术套管的接箍1位置都进行了焊接固定，深井内取出，非常困难。为此本发明还选用了现有技术的行星齿轮原理，如图2所示行星齿轮，包括位于外部的内齿圈、位于中部的太阳轮，以及位于内齿圈和太阳轮之间的行星轮。

本发明还选用了三级以上行星齿轮减速器原理的现有技术，具体可参阅现有技术三级以上行星齿轮减速器内部结构的说明，具体引用现有相关文章的部分内容如下：“在工作时，电机通过联轴与减速机输入装置相连，驱动第一级太阳轮，太阳轮驱动第一级行星轮，带动第一级行星架绕太阳轮轴线转动，从而驱动第二级太阳轮，并依次驱动第二、第三级行星轮系传动机构，最后由输出装置输出转矩。各级行星轮系传动机构中的行星轮也可以是四个以上。”

发明内容

针对井下套管更换问题，本发明通过利用行星齿轮原理、三级以上行星齿轮减速器原理，旨在解决现有的井下套管一次性使用，修复困难等问题，具有更换操作方便，效率高、成本低的特点；重新下入新的套管与下端套管对扣上紧，具有对套管通径没有缩减、更换后使用寿命长的优点。

为了达到上述目的，本发明提供一种套管倒扣装置，包括一个转动输入轴，所述转动输入轴连接了行星齿轮减速器输入转动的太阳轮；所述行星齿轮减速器包括输出转动的行星轮，转动输出的行星轮连接了接箍***和下锚定器；所述行星齿轮减速器的内齿圈连接了上锚定器。

其中，下锚定器和上锚定器包括用于与被倒扣套管固定的拆卸式锚定结构，下锚定器和上锚定器分别用于与被倒扣的相邻两节套管相对固定。具体说，所述锚定结构可以是穿设锚定螺栓的方式，也可以根据需要选择其他锚定或吸附等固定形式，但根据油气井的使用情况，本发明优先选用中国专利CN200610045411.8井下采油螺杆泵固定器的结构。

优选方式下，本发明的进一步改进在于，所述接箍***包括关联减速器转动输出的管状定位接头；所述定位接头外部套接了由剪切销钉固定的定位环；所述定位环的在圆周上外侧间隔支撑了多个定位爪，使得定位爪的下端与定位接头外表面存在间隙；所述定位爪包括板状连接部分，以及上部外表面向上倾斜、下部外表面向下倾斜的爪头；多个定位爪的上部连为一体套于定位接头的外部，并位于定位环和销钉上部；所述定位接头位于爪头的一侧还设置了外径与定位环一致的环状凸起，使得在定位状态下，定位爪的爪头被环状凸起支撑，卡在井下套管损坏处的上节套管与下节套管之间接箍处。

优选方式下，本发明的进一步改进还在于，所述下锚定器和所述上锚定器包括锚爪和凸轮装置；所述凸轮装置包括关联转动输入的中心管；所述中心管外侧设置所述锚爪。在中心管外部还镶嵌有由弹簧径向支撑的摩擦块；摩擦块为环绕中心管一周间隔设置的多个，每一个所述摩擦块由多个所述弹簧25支撑于摩擦块座中。

所述行星齿轮减速器包括三级行星齿轮；各级行星齿轮的内齿圈为共用的减速器内齿圈；所述转动输入轴连接第一级行星齿轮的太阳轮；第一级行星齿轮行星轮的轮架与第二级行星齿轮的太阳轮相对固定，第二级行星齿轮行星轮的轮架与第三级行星齿轮的太阳轮相对固定；第三级行星齿轮行星轮关联了所述下锚定实现转动输入的中心管。

本发明套管倒扣装置用于套管更换，在套管损坏处以下1～2根的接箍松开卸扣(仅限于技术套管未水泥封固的井)，起出损坏套管，重新下入新的套管与下端套管对扣上紧。本发明对套管通径没有缩减，更换后的套管具有使用寿命长的优点。

附图说明

图1是现有技术石油油气井井下套管的结构示意图。

图2是现有技术行星齿轮原理的结构示意图。

图3是本发明倒扣装置的整体结构示意图。

图4是本发明倒扣装置定位到套管损坏位置的状态示意图。

图5是图3所示整体结构左侧部分的放大结构示意图。

图6是图3所示整体结构中间部分的放大结构示意图。

图7是图3所示整体结构右侧部分的放大结构示意图。

图8是图3中A-A、B-B处的剖视图。

图9是图4中C处的放大结构示意图。

图10是图3中D处的放大结构示意图。

具体实施方式

如图3-7所示，套管倒扣装置主要由：动力输入部分P、上锚定器Q、减速器X、接箍***Y、下锚定器Z五部分组成。

动力输入部分P为一个转动输入轴20，所述转动输入轴20带动减速器X第一级行星齿轮的太阳轮12转动。

减速器X各级行星齿轮的内齿圈为共用的减速器内齿圈8。在倒扣状态下，内齿圈8与井下套管损坏处的上节套管相对固定。从而第一级行星齿轮的行星轮11在太阳轮12驱动下动作。第一级行星齿轮行星轮11的轮架与第二级行星齿轮的太阳轮17相对固定，从而驱动第二级太阳轮17；类似上述结构，太阳轮17驱动第二级行星齿轮的行星轮10；第二级行星轮10驱动第三级的太阳轮18；第三级的太阳轮18驱动第三级的行星轮9。上述过程与现有技术的三级以上行星齿轮减速器原理一致。因此本发明也可以依照上述原理，选用多级或一级行星齿轮实现本发明的功能，具体根据输出扭矩以及具体设计决定。

第三级的行星轮9带动了接箍***Y、下锚定器Z部分动作。具体说，第三级的行星轮9连接并带动输出轴7转动，输出轴7连接了接箍***Y的管状定位接头6。所述接箍***Y还包括位于定位接头6外部一周环绕的定位环5，所述定位环5由剪切销钉4固定于定位接头6外部。剪切销钉4为现有技术成形产品，在剪切力下将断开固定。定位环5的外侧在圆周上间隔支撑了多个定位爪3，使得定位爪3的下端(图中右侧)与定位接头6外表面存在弹性间隙(如图10所示，接箍***在定位之前的状态)。所述定位爪3包括板状连接部分，以及上部外表面向上倾斜、下部外表面向下倾斜连接构成的爪头。其中，爪头的下部外表面向下倾斜，使得定位爪3更容易进入井下套管。而如图9所示，上部外表面向上倾斜、下部外表面向下倾斜连接构成的爪头，在定位状态下，正好卡在井下套管损坏处的上节套管2与下节套管2之间接箍1处。此外如图所示，多个定位爪3的上部连为一体套于定位接头的外部，位于定位环5和销钉4上部(图中左侧)；图9和图10所示，定位接头6上的一侧还设置了外径与定位环5基本一致的环状凸起26，使得在定位状态下，定位爪3的爪头被环状凸起26支撑，卡在井下套管损坏处的上节套管2与下节套管2之间接箍1处。

上述定位爪3的定位过程为，首先在未进入井下套管中时为图10所示状态；进入井下套管后，爪头向定位接头6贴靠；当爪头到达井下套管损坏处的上节套管2与下节套管2之间接箍1处，弹出并卡于上节套管与下节套管之间接箍1处，此时需要上提本发明的倒扣装置，从而在爪头卡接作用下，定位爪3相对定位接头6产生相对位移，直至图9状态；再继续提拉倒扣装置爪头的作用力将通过定位环5和销钉4作用于倒扣装置最上端，从而可以通过作用力来判断定位是否准确。

定位环5和销钉4还有一个作用，就是当倒扣完成后，井下套管损坏处的上节套管与下节套管在接箍处相分离，此时通过提升拉倒扣装，图9所示状态，继续提拉，再更大的剪切力下，剪切销钉4被切断；定位爪3继续与定位接头6有相对位移，使得定位爪的爪头至图9环状凸起26的右侧位置，从而可以向定位接头6表面弹性收缩，从而在锚定器Q和下锚定器Z反转释放锚定的前提下，倒扣装置可以被从井下套管中取出。

上锚定器Q和下锚定器Z可选用现有技术的锚定结构，如图8所示，包括锚爪13和凸轮装置22。具体现有技术可参照中国专利CN200610045411.8井下采油螺杆泵固定器的结构。而且该专利的锚定结构方式也可用于本发明。

上锚定器Q的凸轮装置22包括套于转动输入轴20外部的中心管14；所述中心管14外侧以现有技术锚定结构的方式设置锚爪13。而且，所述中心管14还固定连接了减速器内齿圈8，如图6所示。

图6中位于锚爪13上部(图中左侧)在中心管14外部还镶嵌有由弹簧25径向支撑的摩擦块15。摩擦块15在进入井下套管后，被弹簧外侧支撑顶靠在套管内壁，从而使得与摩擦块15固定一体的中心管14与上锚定器Q的锚爪13产生相对转动，从而实现锚定功能。而下锚定器Z的锚爪、摩擦块以及中心管等部件设置方式一致，但转动方向相反。

其中，附图5、6、7中分别的阴影部分对应了在倒扣工作时相对固定的部分。具体说，图5的阴影部分为转动输入轴20的转动输入部分，用于带到第一级行星齿轮的太阳轮12转动。

在倒扣工作时，图6的阴影部分为与井下套管损坏处的上节套管的相对固定部分；需要注意的是，减速器内齿圈8与井下套管损坏处的上节套管相对固定，即图3的A-A处锚爪13与上节套管相对固定，锚爪13与减速器内齿圈8通过一定的连接相对固定。

图7的阴影部分，在倒扣工作时，与井下套管损坏处的下节套管相对固定；即图3的B-B处锚爪13与上节套管相对固定，锚爪13与减速器内齿圈8通过一定的连接相对固定。

而图5、6、7中阴影部分的各个部件，相互间的相对固定可以是现有技术的销、键、螺钉等连接方式，也可以是卡接、嵌入等方式，还可以是通过过渡连接环、连接柱等，可以根据具体要求设计连接固定结构。此外，图3-7所示的装置在实际使用状态下应是右侧在下的立式状态。

本发明的工作原理：

将套管倒扣装置下入套管预定位置，接箍***Y可定位在套管接箍位置，使上锚定器Q和减速器X在接箍上面。下锚定器Z在接箍下面。正转连接下入的钻杆将转动输入轴20的输入扭矩传至减速器，使下锚定器Z正向旋转，而上锚定器Q则反向旋转，下锚定器Z正转、上锚定器Q反转后相继锚定住套管内壁，持续旋转钻杆(输入扭矩)当扭矩达到接箍螺纹与套管螺纹松开扭矩时开始卸扣，旋转钻杆(输入扭矩)扭矩会随着倒开圈数的增加逐渐降低，直至套管螺纹完全松开。

下面提供本发明装置的施工实施例

1、套损定位及通井：

准确测量套管损坏位置，确定大致卸扣位置(为避免上锚定器锚定在损坏的套管上，一般都会在损坏套管以下第一根与第二根之间卸开)，下入通井规(51/2″-φ117*2000，7″-φ153*2000)并顺利通过套管损坏位置以下40米，起出通井规。

2、工具入井前检查：

核实送入钻杆与套管倒扣装置连接螺纹是否匹配，如不匹配可用变扣接头过渡连接，丈量入井钻杆并准确记录。上、下锚定器的锚爪能顺利旋出、收回，接箍***的定位爪无缺失、裂纹、磨损严重等缺欠，减速器旋转平滑无卡顿现象，各个工具间连接无松动现象。

3、工具入井：

作业设备吊起工具树立时应注意缓慢起吊，引入井口套管前收回锚定器锚爪，缓慢下放，当接箍***进入套管时扶正引入定位爪直至顺利进入套管，连接钻杆将工具下入套损位置以下30米，下放速度控制在20米/min以内，记录钻柱悬重。注意：在连接每根钻杆螺纹时确保液压钳背钳不能有打滑转动现象，因锚定器在管柱有旋转动作时锚爪会旋出并卡住套管内壁。下入过程如有卡住或有阻力时可适当反转、稍微上下起落钻杆直至消除卡阻。

4、接箍定位：

缓慢上提套管倒扣装置，观察管柱悬重，如有增加再放缓上提速度，当悬重增加了4～5吨时，可确认套管定位爪已卡在接箍位置，下放钻柱至原悬重。

5、倒扣作业：

将液压钳钳尾用≥16mm钢丝绳固定于作业车立架上，确保钢丝绳绳卡卡紧，液压钳操作手柄用适当长度麻绳连接进行操作，操作时注意人员安全。正转旋转钻杆观察扭矩变化，扭矩增加(一般会在10～20周)说明上、下锚定器已锚定，继续旋转钻杆并观察井口套管是否有反向转动迹象，如有反转现象说明套管接箍已开始松扣，松扣后继续将套管倒开25周以上时停止旋转钻杆，此过程中可见钻杆扭矩逐渐降低。上提套管管柱以确认套管接箍完全倒开，确认套管接箍完全倒开后放下套管管柱。

6、起出工具：

上提钻柱释放接箍***的定位爪，便可起出工具，上提钻具速度应控制在20米/min以内，以免速度过快损坏定位爪，致使定位爪掉落卡住工具。

7、工具维护、保养：

套管倒扣装置起出后应尽早对工具予以维护、保养，以防止工具锈蚀，保养时应检测各个零部件，对有损坏、磨损严重的零部件予以更换修复。

8、更换套管：

起出倒开的套管，根据套管腐蚀及强度受损情况决定是否全部更换或部分更换，下入的新套管对扣、上紧后予以内压检验，检验合格后验收、交井。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。