钻井动力卡瓦的结构设计.docx

钻井动力卡瓦的结构设计宿官礼(胜利油田胜华集团公司 ,山东 东营 257060)摘要 :用机械卡瓦代替手提卡瓦或钻井吊卡一直是钻井工人的期盼 。文章通过对井口设备的结构原理及井口操作工艺的进一步探讨和研究 ,总结了过去多种机械卡瓦失败的原因并吸收了部分精华结构后 ,归纳总结了动力卡 瓦应满足的工作条件 ,并设计了新型动力卡瓦的基本结构 。通过对部分重要参数和数据进行计算及分析 ,又得到 了进一步的完善和优化 ,使之形成独特的结构 。关键词 : 钻井 ;动力卡瓦 ;设计中图分类号 : T E921 . 02文献标识码 : A钻井卡瓦是用来把钻柱或套管卡紧在转盘上的工具 。然而用“机械卡瓦”代替手提卡瓦早已是钻井 工人的期盼 ,自从胜利油田开发至今的 30 多 a 来 ,技术人员为了免除井口操作人员在井口来回搬运近百公斤重的钻井吊卡或手提钻井卡瓦及达到加速起 下钻作业 、提高工效 、改善安全及劳动环境的意愿 ,也已经为之付出了艰苦的努力 ,曾研制出多种机械 卡瓦样机 ,也有部分样机在钻井现场试用过 ,但最终都被淘汰 。为此 ,设计了结构独特的钻井动力卡瓦 。该动力卡瓦能够很好地在提升钻柱时卡瓦楔体 能自动松开 、升到一定高度并与上升中的钻柱留有足够的间隙以确保不发生摩擦碰撞 ; 当钻柱不居中 时 ,卡瓦楔体也能自动平稳地推动钻柱居中并楔紧卡住钻柱 ;能够很方便地向转盘内孔吊装及吊卸而 不妨碍钻进 ;气源管线与动力卡瓦之间能够实现快 装快卸 ,以便在提升钻柱过程中能够迅速处理井下 应急情况 ;易损的卡瓦牙板易拆换 ;该设计机型便于推广使用 。下行而收拢 ,直至楔紧并卡住钻柱 。1 气缸 ;2 导向杆 ;3 左提升架 ;4 连杆 ;5 卡瓦楔体 ;6 衬套 ;7 钻柱 ;8 右提升架 ;9 气控阀 ;10 左卡瓦座体 ;11 右卡瓦座体 ;12 调压阀图 1 钻井动力卡瓦结构提升架分左右 2 部分 ,每部分均通过与气缸活塞杆和导向杆上端的铰链连接相对固定在相应的卡 瓦座体上部 。通过凸凹机构的作用实现左右提升架在上 、下行时同步 ,从而实现各卡瓦楔体同步 。卡瓦坐体分左右 2 部分 ,通过铰链轴使 2 部分 实现铰链联接 ,这样整个钻井动力卡瓦可分为左右2 部分 ,从而可实现钻井动力卡瓦相对于钻柱的安装和卸出 。该动力卡瓦集动力缸 、导向杆 、提升架 、卡瓦楔 体及卡瓦座体于一体 ,结构简化 、紧凑 ,实现了使用中的装 、卸方便及确保了工作性能可靠 ;该结构中只1基本结构如图 1 ,这种钻井动力卡瓦利用气缸作动力通过提升架提放卡 瓦 楔 体 , 气 缸 固 定 在 卡 瓦 座 体 上 。当气缸带动提升架上行时 ,同时也带动卡瓦楔体上 行 ,并使其中部斜台面落在卡瓦座体顶部 ,从而使卡 瓦楔体张开 ,允许钻柱从钻井动力卡瓦中心自由通过 。当气缸带动提升架下行时 ,首先迫使卡瓦楔体推动钻柱居中 ,随之使卡瓦楔体沿卡瓦座体内锥面收稿日期 :2004203211作者简介 :宿官礼 (19542) 山东青岛人 ,高级工程师 ,主要从事石油机械技术的管理工作 。宿官礼 :钻井动力卡瓦的结构设计135 有卡瓦座体与钻机转盘接触 ,因此 ,可通过不同的卡瓦座体尺寸实现与各种钻机转盘的配合 ,有利于推 广使用 ;选择压缩空气为动力介质 ,有利于保护井场 和工作环境 ,也有利于降低生产成本 ;压缩空气输送 管和钻井动力卡瓦整机之间采用快装接头联接 ,以便在钻柱提升过程中能够迅速处理井下应急事故 。 f 1 - f 2 ta ,(3)1 + f 1 f 2 f 1 + t g (4)或f 2 。1 - f 1 t g 由式 (3) 或 ( 4) 可见 ,由于 0 ,所以只有当 f 2 f 1 时 ,才能使钻柱被楔紧卡住 。因数 f 1 和 f 2 之间的这种关系 ,依靠在卡瓦楔 体上安装牙板以增大 f 2 来达到 。牙板经过淬火 ,其 硬度大于钻柱硬度 ,当牙齿顶部和钻柱表面接触时 ,就产生接触应力 ,该应力能够保证接触表面处于干摩擦或半干摩擦状态 。而卡瓦楔体相对于卡瓦座体 内锥面运动时 , 往 往 形 成 液 体 摩 擦 或 半 液 体 摩 擦 。 因此 ,仅由钻柱重力 W 产生作用时 , f 2 也总是大于f 1 ,也就是说 ,卡瓦楔体总能卡住钻杆 。当气缸对卡瓦楔体施加作用力 F 下行时 ,只能 更有利于卡瓦楔体对钻柱楔紧卡住 。2卡瓦楔体楔紧并卡住钻柱的条件气缸施加作用力 F 推动卡瓦楔体沿卡瓦座体内锥面下行收拢 ,直至楔紧钻柱 。由图 2 可见 ,这时的卡瓦楔体分别受到经向压力 FN1 和 FN2 , 同时在 各个摩擦面上产生了相应的摩擦力 F1 和 F2 。3卡瓦楔体上提不自锁的条件钻柱准备上提时 ,应先动作气缸给卡瓦楔体一个上提作用力 ,然后再动作钻柱上提 ,然而为简化计算 ,首先 ,设想气缸与卡瓦楔体断开联接 ,再进行上 提钻柱时的卡瓦楔体的受力分析 ,如图 4 。上提钻柱时 ,卡瓦楔体依靠卡瓦牙板与钻柱的摩擦被带动 上移 ,因而其摩擦力 F4 为卡瓦楔体上行的主作用力 ,摩擦力 F3 为卡瓦座体对卡瓦楔体的反作用力 。 为保证卡瓦楔体的上移 , 应使主作用力 F4 大于反 作用力 F3 即在钻柱重力 W 作 用 下 , 依 靠 钻 柱 与 卡 瓦 牙 之间的摩擦力 F4 带动卡瓦楔体继续下行 , 从而使卡 瓦楔体楔紧卡住钻柱 , 这时仅由钻柱重力 W 所产 生的受力情况如图 3 。为简化起见 ,首先 ,计算分析仅由钻 杆 重 力 W 作 用 下 所 产 生 的 受 力 情 况 。这 样 ,卡瓦楔体卡紧钻柱的基本条件是钻柱下行时是 否带动卡瓦楔体而实现楔紧作用 。楔紧作用越强 , 则钻柱卡紧越可靠 。这样就要求钻柱和卡瓦牙之间的摩擦力 F4 应大于或等于卡瓦楔体背锥面与卡瓦座体内锥面之间阻止卡瓦楔体下行的阻力 ,F4 F3co s - FN4 sin 。(5)F4 FN4 sin + F3co s ,(1)即根据卡瓦楔体的经向受力平衡条件 ,当钻柱楔紧卡住状态时有FN3 = FN4co s - F3 sin ,(2)式中 , F3 为 卡 瓦 楔 体 与 卡 瓦 座 体 的 摩 擦 力 , F3 =FN4 f 1 ; FN4 为钻柱与卡瓦楔体之间的摩擦力 , F4 =FN3 f 2 ; f 1 为卡瓦楔体与卡瓦座体之间的摩擦因数 ;f 2 为钻柱与卡瓦座体之间的摩擦因数 ;为卡瓦楔 体外锥或卡瓦座体内锥的半锥角 。由式 (1) 与 (2) 可解得保证楔紧卡住钻柱的条件为图 4 上提钻柱时的卡瓦楔体的受力分析由卡瓦楔体经向受力平衡所得FN3 FN4co s + F3 sin 。(6)f 1 - t g (7)解得f 2 ,1 + f 1 t g 136 OIL FIELD EQUIPMENT2004 Vol . 33 Supplement此式就是卡瓦上提不自锁的条件 ,式中各符号意义同前 。与楔紧卡住钻柱的条件相比较 ,当 0 时 ,在f 1 和 f 2 满 足 式 ( 4) 的 条 件 下 , 式 ( 7 ) 是 恒 满 足 的 。即在满足卡瓦楔体楔紧卡住钻柱的条件下 ,能够保 证卡瓦楔体上提不自锁 。再者 ,由于气缸也给卡瓦楔体一个上提作用力 , 而这个作用力也仅使卡瓦楔体有上提的趋向 ,所以 钻柱上提时卡瓦楔体没有产生自锁的可能 。4最大居中启动力的确定及计算在正常的钻井作业中 ,钻柱不居中的情况是经常的, 钻前工作技术条件规定了钻柱偏离转盘中心距不 大 于 20 mm , 而 实 际 工 作 中 经 常 出 现 60100 mm , 偶尔也可达 120 mm 。本设计是利用气缸 活塞杆的下行动力作为推动钻柱居中的主动力 。首 先 ,气缸活塞杆下行通过提升架及连杆也同时带动卡瓦楔体下行 ,当卡瓦楔体与偏离转盘中心距离较 大 (此分析是针对距离较大的情况) 的钻柱贴紧后 , 活塞杆继续下行就使卡瓦楔体在连杆和卡瓦座体内锥面中间斜面的作用下产生了推动钻杆居中的作用 力 ,如图 5 。当这个作用力大于钻柱的反作用力时 ,卡瓦楔体就会自动将钻柱推向转盘中心 ,并将钻柱 楔紧卡住 。在卡瓦楔体推动钻柱居中的全过程中 , 在活塞杆驱动下卡瓦楔体下端与卡瓦座体内锥的中间斜面相触及内侧面与钻柱贴紧产生的可推动钻柱 居中的较大作用力就叫居中启动力 ,当钻柱偏离中 心越大时 ,居中启动力就越大 ,本设计就把钻柱偏离中心 120 mm 情况下 ,产生的居中启动力再取安全 系数 2 倍后 ,作为本设计的计算依据 ,称它为最大居中启动力 ,如图 6 。 Fwd为大钩的提拉力 , Fwb为居中 启动力 , W a 为钻柱的总重力 。那么有表 2最大居中启动力钻机级别最大居中启动力/ kN32 级60 级4 . 89 . 2表 3 钻机级别与井架高度和钻柱最大重力的关系钻机级别有效高度/ m钻柱最大重力/ kN32 级60 级41431 1252 250实现最大居中启动力的工作条件5气缸活塞杆下行使得卡瓦楔体在连杆和卡瓦座体内锥中间斜面的作用下 ,产生了推动钻柱居中的 作用力 ,其受力分析如图 7 。Fwb = W a t g ,(8)因为本设计中卡瓦座体中心孔 (用于钻柱上下通过)孔径为 190 mm ,那么 , 当钻柱依靠到中心孔侧壁 时 ,钻柱轴线就偏离转盘 中 心 线 为 3115 mm , 其 偏 离角如表 1 。从而 计 算 得 最 大 居 中 启 动 力 如 表 2 。以上计算所用有关数据如表 3 。表 1钻柱轴线偏离角t g 钻机级别图 7 卡瓦楔体居中时的受力分析可列出纵向受力平衡式Fa sin = Fa + Fb sin + Fbco s ,32 级60 级0 . 002 158 50 . 002 058 1(9)式中 , Fa = Fd f a ( f a 为钻柱与卡瓦楔体的摩擦因数取 0 . 4) ; Fb = Fb f b ( f b 为卡瓦楔体下端与卡瓦座体宿官礼 :钻井动力卡瓦的结构设计137 内锥中部斜面的摩擦因数取 0 . 15)也可列出横向受力平衡式Fd + Fbco s = Faco s + Fb sin ,由结构设计得 co s = 0 . 846 2 , sin = 09 ,co s = 0 . 856 7 ,sin = 0 . 515 7 。的工作质量 ( 卡紧能力 、牙板寿 命 及 保 护 钻 柱 表 面等) 有重要影响 。本设计采用 20CrMo 低碳合金钢 作 为 牙 板 材 料 。经 渗 碳 淬 火 后 硬 度 都 能 达 到 HRC55 以上 。(10). 532d)采用气控单向阀在动力卡瓦与气源断开将上述条件代入式 ( 9) 和式 ( 10) 计算结果如表的情况下为使卡瓦楔体保持在提升状态 , 本设计在气缸上安装了气控单向阀 , 这将有利于在与气源断 开的情况下动力卡瓦向转盘内的吊装 , 方便使用 。4 。表 4钻机级别与下行推动力e)采用快装接头采用快装接头不但有使动Fa / kNFa sin / kN钻机级别力卡瓦向转盘内的吊装和吊卸简化 ,更重要的是在起下钻过程中可以迅速地卸掉气源管线 ,以便及时 启动转盘处理井下紧急情况 。32 级60 级5 . 2510 . 052 . 85 . 4注 :表中 Fasin 就是气缸活塞杆对提升架的下行推动力 。7结束语先期研制的样机已经在现场成功地试用 。加快6重要参数及材料的选择a)锥度选择卡瓦楔体的背锥及卡瓦座体的了起下钻速度 ,降低了工人的劳动强度 ,提高了安全生产系数 ,降低了钻柱的磨损且工作性能可靠 ,很受 工人欢迎 ,达到了设计目的 。该设计不仅适用于起 下钻作业 ,而且为钻进作业的新机型的设计奠定了 基础 。内锥面的锥度选为 1 3 ,实践证明 ,使用该锥度 ,甚至在卡瓦楔体和卡瓦座体的摩擦面之间只用水润滑 也能可靠地楔紧卡住钻柱 。我国已颁布了钻井卡 瓦技术条件的部颁标准 ( S Y5049291) 。其中 ,规定卡瓦的锥度 K = 13 ,其中锥角 = 92745230。b)动力缸的选择本设计选择压缩空气作参考文献 :为动力介质 ,这主要有 2 方面的优点 ,一是目前的钻井作业都带有较大的空气压缩站 ,这样就可以减少 设备投资 ,降低生产成本 ; 二是压缩空气使用方便 ,更主要的是不污染环境 。这样动力缸也就为气缸其 内径为 120 mm ,活塞杆下行拉力可达