一种适应多规格钻具的钻具防上顶装置及方法
技术领域
本发明涉及钻井工程井控技术领域，特别是涉及一种井控装置，具体的说，是一种适应多规格钻具的钻具防上顶装置及其方法。
背景技术
石油钻井过程中，钻遇异常高压地层或起下钻过程中地层高压流体涌入井内，需利用防喷器进行关井；关井后井底压力升高，钻具承受较大的上顶力，部分井内的硫化氢含量较高，可能会与钻具发生化学反应，钻具面临氢脆断裂的风险，当钻柱断裂后，只有一小段的钻柱留在井口，其重量和关井密封压力不足以克服溢流造成的钻柱上顶力时，钻柱会向上冲顶(上窜)；或者发生溢流关井后，若井内钻具较少，存在发生井内高压流体推动井筒上部钻具冲出井口，引发井喷失控的风险。如果不及时采取措施则会严重危及相关人员的生命安全，造成巨大的经济损失。为防止钻具向上运动造成钻具折断或引发井喷等井控失效事故的发生，需发明一种稳定、可靠、高效的钻具防上顶装置，解决钻具上顶造成的井控风险问题。
申请公告号为CN1048428A的，公告日为1991年1月9日的中国专利公开了一种三向卡紧液动卡瓦装置，这是一种通过液压装置直接推动卡瓦和底座，从而夹紧钻具，实现夹持效果的装置。
申请公告号为CN2777180Y，公告日为2005年1月10日的中国专利公开了一种自紧式防顶卡瓦，这是一种内含锥面的底座，在内侧含有卡瓦，从外侧有连杆连接在卡瓦底部，通过液压推动卡瓦上移，夹持钻具，实现自锁。
申请公布号为CN106351593A，申请公布日为2017年1月25日的中国专利公开了一种可回退钻杆卡瓦结构，这是一种使用燕尾导向的卡瓦用以夹持钻杆，避免了卡瓦与钻杆难以分离以及卡瓦齿与钻杆碰撞造成损伤的问题。
申请公告号为CN204754903U，公告日为2015年11月11日的中国专利公开了一种预防钻具上顶及卡钻控制装置，通过压力传感器和悬重传感器判断钻杆状态，控制报警器报警信号。但是这种方案仅是对于钻具上顶做出了监测和报警的系统，没有提出有效的防止钻具上顶的装置。
授权公告号为CN204591201U，授权公告日为2015年8月26日的中国发明专利公开了一种钻具死卡，但其靠液压装置来锁死钻具，压力过高容易泄压，结构不稳定，而且其重量较大，在安装和拆卸时都需要花费很长的时间，耗费人力物力。
综上所述，目前关于钻具防上顶装置的研究尚不成熟，有必要研究一种通用、高效、可靠的钻具防上顶装置，开辟石油工具的新领域，增加钻机新功能，提高井控装备的可靠性和钻井工程的安全性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适应多规格钻具的钻具防上顶装置及其使用方法；其装备多弧度卡瓦，其多弧度卡瓦能防止三种尺寸的钻具上顶；从而，其适应多规格钻具的钻具防上顶装置通过其一组多弧度卡瓦就能防止三种规格尺寸的钻具上顶，实现多规格钻具防上顶，结构简单、安装方便、成本低，能够在2分钟内完成钻具防上顶措施；解决了现有技术中因防喷器长期关井造成钻具氢脆断裂后出现的井内高压推动钻具向上运动造成钻具折断引发井喷等重大安全事故的问题。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案为：
一种适应多规格钻具的钻具防上顶装置，包括依次连接的壳体、端盖、液压马达、锁紧螺杆、快速更换装置、卡瓦、卡瓦挡板，所述的液压马达内部具有螺套，优选地，所述的锁紧螺杆整体分为丝杆段、止转段、卡瓦座，所述的丝杆段位于驱动马达的螺套内部并与螺套构成螺纹丝杠结构，通过液压马达驱动所述的螺套旋转，所述的螺套两端设置有止推轴承，止推轴承分别通过轴肩和轴承端盖固定在液压马达中，并通过液压马达上的轴肩和液压马达外侧的轴承端盖(未示出)限制其轴向移动。止推轴承限制螺套的轴向运动，所述的丝杆段的最大外径比止转段的外径小，所述的卡瓦座的外径比所述的止转段的外径大，述壳体为左右对称结构，即其左侧结构与右侧结构的规格相同并且对称，壳体包括本体和法兰结构，所述的本体为长方体，所述的本体最长棱边加工有圆角，壳体上表面有法兰盲孔，前后侧面挖有凹槽，通过凹槽之间的实体结构构成加强筋板，本体的中心为上下贯通的圆形主通孔，钻具穿过所述的主通孔，法兰结构位于本体的正下方，壳体有两个侧通孔，侧通孔分列主通孔两侧，且两个侧通孔的中心线在同一直线上并与主通孔的中心线垂直相交；壳体左右侧面均开有螺纹孔，通过螺栓把壳体和端盖固定连接在一起；卡瓦座底部有与卡瓦挡板相配合的卡槽，所述的卡瓦挡板嵌入所述的卡槽内，通过所述的卡瓦挡板限制卡瓦的向下运动，防止卡瓦从卡瓦座中脱出，卡瓦座的内侧呈倒锥面，卡瓦座的倒锥面上有与卡瓦配合的燕尾槽，燕尾槽长度比卡瓦座弧面母线长度短；所述端盖本体为长方形板件，四角加工有圆角，开有螺纹通孔；端盖本体长方形中心为多边形孔，所述的多边形孔与止转段的截面轮廓具有相互配合的形状，所述的多边形孔与锁紧螺杆的止转段配合来限制锁紧螺杆的转动；端盖上有配合液压马达的台阶座，所述的台阶座与液压马达的台阶面配合，所述的液压马达四周开有螺纹孔，通过螺栓与液压马达固定连接在一起；
优选地，法兰结构包括法兰颈和法兰盘，法兰结构的中间通孔与壳体主通孔相通连，直径大小相等，法兰结构的中心线与壳体主通孔的中心线在同一直线上；
优选地，所述的法兰结构为栽丝结构；
优选地，所述的卡瓦座倒锥面的锥度为1:3；
优选地，壳体通过法兰结构与井口装置连接，所述的井口装置优选为防喷器；
优选地，所述的快速更换装置包括导向滑杆、连接卡板，所述导向滑杆为圆形杆件，端盖的长方形两短边中心开有半圆形凹槽，端盖可以沿导向滑杆滑出，所述连接卡板为板件，四周开有螺纹通孔，通过螺栓将连接卡板与壳体固定连接在一起；
优选地，所述导向滑杆一端有外螺纹，所述外螺纹与连接卡板上的螺纹孔螺纹连接，所述的导向滑杆另一端有销钉孔，通过所述的销钉孔提供所述导向滑杆的螺纹连接时的安装扭矩，并且销钉孔内部设置有限位销，该限位销能够有效防止端盖从导向滑杆上滑落，提高下一次的安装效率和速度；
优选地，所述的快速更换装置由旋转端盖、活页轴、旋转活页组成，旋转端盖单侧设置有旋转活页，旋转端盖绕活页轴旋转；
优选地，所述液压马达中空部分分为两个部分；第一部分为螺套容纳腔，第二部分为光孔部分，光孔部分直径比锁紧螺杆的止转段大径大、长度长；
优选地，所述卡瓦整体成三爪型，一侧有一个爪，另一侧有两个爪，成对使用的卡瓦在卡紧钻具时一爪端和两爪端相互咬合，使钻具无法错位；卡瓦上有三组不同曲率的卡瓦牙板一，卡瓦牙板二、卡瓦牙板三，分别配合卡紧三种不同直径的钻具；卡瓦背后设有燕尾槽凸起，通过燕尾槽凸起与卡瓦座燕尾槽配合滑动连接；
优选地，所述卡瓦与卡瓦座通过背部燕尾凸起和燕尾槽相连接并受限相对移动；所述卡瓦座通过液压马达拖曳，在壳体侧通孔内滑动；所述卡瓦被钻具带动，向上移动时，在1:3锥度倒锥面的作用下，径向作用力增加，加强卡瓦与钻具之间的相对固定，同时轴向力通过卡瓦座上表面传递到壳体，而壳体通过法兰固定连接在环形防喷器上无法上移，实现防止钻具上顶的自锁功能；
优选地，所述的卡瓦为多弧度卡瓦或者为单弧度卡瓦；
一种防止钻具上顶的方法，所述的方法是通过前述的钻具防上顶装置完成：包含以下步骤：S1、装置安装：将装置主体通过法兰与井口装备环形防喷器进行连接固定，将液压源与液压马达的进出油口进行连接，形成液压回路；S2、装置检测：装置主体安装完毕后，检查法兰处连接螺栓预紧力是否达标；在装置中心孔先后放置三种规格的标准钻具，然后重复正转、反转液压马达，使其通过输出轴花键带动卡瓦座上锁紧螺杆向装置中心旋进旋出，观察卡瓦前进后退是否正常，有无异常卡顿；在卡瓦夹持住钻具后，逐级给钻具加2吨、4吨、6吨轴向力，观察卡瓦是否能够卡死三种规格的标准钻具；完成检测后，反转液压马达使得卡瓦座和卡瓦藏于壳体侧通孔内，让出中心通孔，完成整套设备的检测；S3、装置工作：当油气井出现钻具上顶，有发生井喷的危险，需要卡死钻具时，正循环启动液压马达，推动左右卡瓦沿壳体的侧通孔分别向钻具移动，当卡瓦上卡瓦牙板接触钻具后，两个卡瓦相互咬合，液压马达停止运转，卡瓦和钻具相互抱紧，当钻具在上顶力的作用下有向上运动的趋势时，卡瓦也有向上运动的趋势，而卡瓦和卡瓦座在1:3倒锥面的作用下，紧密贴合，越有往上的趋势，越卡越紧；上顶力通过卡瓦座传递到壳体，壳体通过法兰与环形防喷器连接而无法移动，从而卡死钻具，实现钻具防上顶；S4、装置复位：钻具防上顶工作结束后，反循环液压马达使得锁紧螺杆旋出并带动卡瓦退回壳体侧通孔内；若钻具与卡瓦相互锁死，无法依靠液压马达退回卡瓦，则通过下放钻具，使钻具和卡瓦相互松弛，然后再反转液压马达使锁紧螺杆旋出并带动卡瓦退回壳体侧通孔内，结束钻具防上顶工作；S5、卡瓦更换：首先在壳体上安装导向滑杆；反循环液压马达，保证卡瓦、卡瓦座退回壳体侧通孔内，并使卡瓦座后部与端盖相接触；拆掉端盖连接螺栓，将端盖与卡瓦、卡瓦座一起从壳体侧通孔内拔出，滑到导向滑杆上限位销位置，拆掉卡瓦挡板，从燕尾槽中滑出失效卡瓦，更换新卡瓦，逆向安装其他部件，完成卡瓦的更换。
有益效果：
(1)本发明设计巧妙，安装使用方便，适合市场推广使用；(2)中空转子液压马达提供卡瓦的开合动力，液压马达具备防水特性，适合现场工况；(3)锁紧螺杆的丝杆螺纹比其他锁紧方式更安全、稳定、简单，使多弧度卡瓦夹持住钻具后，液压源可泄压；(4)倒卡瓦结构具有自锁功能，上顶力越大，夹持力越大；(5)两侧筋板设计，在符合结构强度要求的同时，减轻整体重量，降低生产成本；(6)导向滑杆的设计便于快速开闭端盖，更换失效的多弧度卡瓦；(7)卡瓦设计能够用一组卡瓦片适应三种规格的钻具，实现一机多用，减少生产成本；(8)液压马达扭矩大，启动迅速，能够在2分钟之内卡紧钻具，快速实现钻具防上顶措施。
附图说明
图1是本发明第一实施例的整体示意图；
图2是本发明第一实施例的半剖主视图；
图3是本发明第二实施例的整体示意图；
图4是本发明第三实施例的整体示意图；
图5是本发明第四实施例的整体示意图；
图6是本发明多弧度卡瓦的示意图；
图7是本发明单弧度卡瓦的示意图；
图8是图2中A部分的放大图。
图中，壳体1、端盖2、液压马达3、螺套3.1、止推轴承3.2、锁紧螺杆4、丝杆段4.1、止转段4.2、卡瓦座4.3、导向滑杆5、连接卡板6、卡瓦7、爪7.1、单弧度卡瓦压板7.2、卡瓦牙板一7.21、卡瓦牙板二7.22、卡瓦牙板三7.23、法兰结构8、法兰颈8.1、法兰盘8.2、法兰盲孔9、凹槽10、加强筋板11、主通孔12、钻具13、侧通孔14、螺栓15、卡瓦挡板16。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
实施例1
作为本发明的一种较佳实施例，参照说明书附图1至附图2，本实施例公开了一种适应多规格钻具的钻具防上顶装置，包括依次连接的壳体1、端盖2、液压马达3、锁紧螺杆4、导向滑杆5、连接卡板6、多弧度卡瓦7、卡瓦挡板16；一种适应多规格钻具的钻具防上顶装置为左右对称结构，即其左侧结构与右侧结构的规格结构相同并且对称；所述多弧度卡瓦7的快速更换装置主要由导向滑杆5、连接卡板6和螺栓组成，其中卡瓦座4.3和多弧度卡瓦7利用1:3锥度倒锥面自锁的性质夹持钻具，液压马达3通过推动卡瓦座4.3使多弧度卡瓦7夹紧钻具，上顶力通过多弧度卡瓦7、卡瓦座4.3传递到壳体1侧通孔14上表面，锁紧螺杆通过止转段4.2限制锁紧螺杆的旋转，以使得液压马达的旋转运动能够转换成直线运动，通过卡瓦座4.3推动卡瓦移动，保证多弧度卡瓦8夹持住钻具；壳体1通过下法兰固定连接在环形防喷器上无法上移，起到防止钻具上顶的作用。其使用方法，它包括以下步骤：
S1、装置安装：将装置主体通过法兰与井口装备环形防喷器进行连接固定，将液压源与液压马达3的进出油口进行连接，形成液压回路。
S2、装置检测：装置主体安装完毕后，检查法兰处连接螺栓预紧力是否达标；在装置中心孔先后放置三种规格的标准钻具，然后重复正转、反转液压马达3，使其通过输出轴花键带动卡瓦座4.3上锁紧螺杆4向装置中心旋进旋出，观察多弧度卡瓦7前进后退是否正常，有无异常卡顿；在多弧度卡瓦7夹持住钻具后，逐级给钻具加2吨、4吨、6吨轴向力，观察多弧度卡瓦7是否能够卡死三种规格的标准钻具；完成检测后，反转液压马达3使得卡瓦座4.3和多弧度卡瓦7藏于壳体1侧通孔14内，让出中心通孔，完成整套设备的检测。
S3、装置工作：当油气井出现钻具上顶，有发生井喷的危险，需要卡死钻具时，正循环启动液压马达3，推动左右多弧度卡瓦7沿壳体1的侧通孔14分别向钻具移动，当多弧度卡瓦7上卡瓦牙板接触钻具后，两个多弧度卡瓦7相互咬合，液压马达3停止运转，多弧度卡瓦7和钻具13相互抱紧，当钻具在上顶力的作用下有向上运动的趋势时，多弧度卡瓦7也有向上运动的趋势，而多弧度卡瓦7和卡瓦座4.3在1:3倒锥面的作用下，紧密贴合，越有往上的趋势，越卡越紧；上顶力通过卡瓦座4.3传递到壳体1，壳体1通过法兰与环形防喷器连接而无法移动，从而卡死钻具，实现钻具防上顶。
S4、装置复位：钻具防上顶工作结束后，反循环液压马达3使得锁紧螺杆4旋出并带动多弧度卡瓦7退回壳体1侧通孔14内；若钻具与多弧度卡瓦7相互锁死，无法依靠液压马达3退回多弧度卡瓦7，则通过下放钻具，使钻具和多弧度卡瓦7相互松弛，然后再反转液压马达3使锁紧螺杆4旋出并带动多弧度卡瓦7退回壳体1侧通孔14内，结束钻具防上顶工作。
S5、卡瓦更换：首先在壳体1上安装导向滑杆5；反循环液压马达3，保证多弧度卡瓦7、卡瓦座4.3退回壳体1侧通孔14内，并使卡瓦座4.3后部与端盖2相接触；拆掉端盖2连接螺栓，将端盖2与多弧度卡瓦7、卡瓦座4.3一起从壳体1侧通孔14内拔出，滑到导向滑杆5上限位销位置，拆掉卡瓦挡板16，从燕尾槽中滑出失效卡瓦，更换新卡瓦7，逆向安装其他部件，完成卡瓦7的更换。
实施例2
如附图3所示，本实施例与实施例1区别在于壳体1没有下法兰结构8，采用栽丝的方式(即在法兰端面圆周方向阵列多个盲孔，盲孔具有内螺纹，该内螺纹通过螺杆将壳体1与其它部件连接固定)与其他井口装置进行连接；装置工作时，安装操作与实施例1完全相同；此套方案的优势在于：其可以进一步减少钻具防上顶装置的高度，适应钻台面下净空高小的工作环境。
实施例3
如附图4所示，本实施例与实施例1区别在于快速更换卡瓦的装置为端盖旋转活页式，其主要由旋转端盖2.1、活页轴2.2、旋转活页2.3组成；旋转端盖2.1单侧设置有旋转活页2.3，旋转端盖2.1可以绕活页轴2.2旋转，壳体1侧通孔14具有满足旋转端盖2.1带动多弧度卡瓦7旋出时的余量，易于多弧度卡瓦7旋出安装维修，具体为通过液压马达反转，将锁紧螺杆完全退回到端盖内，然后转动旋转端盖打开端盖，完成多弧度卡瓦7的更换。
实施例4
如附图5所示，本实施例与实施例3区别在于壳体1没有下法兰结构8；装置工作时，安装操作与实施例3完全相同；此套方案的优势在于：其可以进一步减少钻具防上顶装置的高度，适合钻台面下净空高小的工作环境。
实施例5
如附图6-7所示，本实施例与实施例1基本相同，区别在于单弧度卡瓦7.2卡瓦牙板为单弧度，只能适合一种直径的钻具，装置工作时，安装操作与实施例1完全相同；此套方案的优势在于：单弧度卡瓦7.2与钻具的咬合面积更大，安全性更高。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行的不脱离本发明精神和范围的改动和变化、各种其他组合，都应在本发明所述权利要求的保护范围内。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
