带标准补心的气动卡瓦的研究与应用.pdf

2 62 石油天然气学报 江汉石油学院学报2 0 1 4 年 1 2 月 第 3 6 卷 第 1 2 期 J o u r n a l o f O i l a n d Ga s T e c h n o l o g y J ． J P I D e c ． 2 0 1 4 V o 1 ． 3 6 N o ． 1 2 带标准补心 的气 动卡瓦的研究与应用 余维初 长江大学化学与 环境工程 学院， 湖 北 J 0 1 4 3 4 0 2 3 邓思哲 中国 石油大学 北京地球科学学院， 北京1 0 2 2 4 9 童孝木 中 石化 江汉 石油工程 公司 钻井一公司， 湖北潜江4 3 3 1 2 3 [ 摘要]研 究 了一种 带标准 补心 的气动卡 瓦，它 由卡 瓦座 、气缸 、活塞杆、卡瓦体、支撑盘 、配气座、销 轴及 气路管线构成 。两块卡瓦座通过铰链 连接 为一个整体 ，内部装有 4个气缸 ，气缸 的活塞 杆上装 有支 撑盘 ，支撑盘下面装有卡瓦体 ，卡瓦体置 于卡 瓦座 内。该气 动卡瓦采用全 内置 式气缸 气路 结构，解决 了 外置气路设备易损坏的 问题，卡紧钻杆 时工作 面基 本与钻 台面平 齐 ，方便 液压 大钳 的使 用 。其 卡瓦座 适 用于标准补心 ，如需进行不 同规格的钻杆起 下钻作 业可 以通过 更换不 同规格 的卡瓦体 来实现 ，卸 下卡瓦 体后 能满足使用手提式卡瓦非正常情况作业，实现 了钻井气动卡瓦的多功 能性 ，使用安全 可靠 。 [ 关键词] 带标准补心 的气动卡 瓦；内置式气缸气路；防轴 向转动 [ 中图分类号]T E 9 2 1 [ 文献标志码]A [ 文章编号]1 0 0 0 9 7 5 2 2 0 1 4 1 2 0 2 6 2 0 3 1 研究现状 目前 国 内各 油 田或地 质钻井 队在 进行起 下 钻井 管杆时 ，一般 都采 用单 吊卡 与手提 式 卡瓦并 用或直 接 采用双吊卡的作业方式，这些方式均存在劳动强度大 ，工作效率低，安全性能差等问题。国外生产的气 动钻杆卡瓦在一定程度上减轻了劳动强度 。但卡瓦体工作高度高，很难与国内井 口设备配套使用 ，不方 便工作人员操作 ，且结构复杂、价格昂贵 ，不利于在国内推广使用[ 1 ] 。 国内研制的气动钻杆卡瓦 ，如 “ 动力卡瓦” 专利号为 0 2 2 1 2 5 0 0 ． 0 ，提供 了一种利用 2个外置式 气缸为动力的钻杆卡瓦，气缸固定在卡瓦座上面，2个气缸采用独立供气 ，4根气路管线摆放于钻 台台 面上 。 自动化程 度较 高 ，减少 了井 口操 作 工人 ，节约 人力 资源 ，有效 降低 了工人 的劳 动强 度 。但存 在卡 瓦体实际工作高度高 ，不利于操作及井口设备配套使用；且气路管线较多 ，导致装卸麻烦 ，外置摆放易 损坏气路管线的问题 。 又如 “ 多功能全 自动钻杆气 动卡瓦” 专 利号 为 2 0 0 3 2 0 1 0 0 4 0 3 ． O ，较 好地 克服 了上述 发 明的不 足 ，但 由于该卡瓦体在提升和下放的过程中是通过活动铰链及卡瓦体的自重打开的，在经历多次作业后 ，会出现 如上销轴固定螺丝滑扣、下销轴弯曲变形、导向杆固定螺丝松动等现象 ，工作可靠性较差。另外 ，当出现 铰链锈蚀情况时，卡瓦不能全部打开，易发生钻杆接箍与卡瓦体相碰撞，导致卡瓦装置损坏的事故。 上述两种气动卡瓦均使用阶梯形卡瓦座，此种阶梯形卡瓦座必须与专用卡瓦体配合一对一使用 ，不 能兼顾使用手提式卡瓦；且卡瓦座下部开 口偏小 ，在倾斜角度偏大的井中起下钻时 ，钻杆及接箍容易磕 碰损坏卡瓦体，严重时，起钻会拖带出卡瓦座。同时，在换钻头、倒划眼、旋转转盘等操作过程中，必 须把卡瓦整体起吊出井 ，严重影响了作业效率。 2 带标准补心的气动卡瓦原理及其主 要结构 2 ． 1 原 理 该带标准补心的气动卡瓦可完全取代转盘大方瓦安装于原转盘大方瓦孔内，其气缸活塞杆及导向杆 [ 收稿日期]2 0 1 4 1 0 1 0 [ 基金项目]国家自然科学基金项 目 5 1 2 7 4 0 4 8 。 [ 作者 简介]余维初 1 9 6 5 一 ，男 ，1 9 8 6 年大学毕业 ，博士 后 ，教授 ，长期从事油田化学和油气储层保护方面的教学与科研工作。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 6 卷第 1 2期 余维初 等 带标 准补心 的气动卡瓦 的研 究与应 用 与支撑盘采用 固定方式连接 ，卡瓦体通过连接片与支撑盘相连。工作时 ，卡瓦体沿卡瓦座锥面下行 ，同 时 向 中心收拢 ，将 钻杆 卡 紧 ；反 之 ，卡瓦体 沿卡 瓦座 锥面 上行 的 同时 向外 张 开 ，松 开钻 杆 ，钻 杆 可从 卡 瓦 中心 的通道 自由通过[ 3 一 。 该卡瓦的升降过程是靠气缸带动支撑板经过连接片带动卡瓦体进行动作的。在气缸拉力 、卡瓦体 自 重 、钻杆与卡瓦体摩擦力的共同作用下 ，卡瓦体完成松开动作 ；在气缸推力和钻杆与卡瓦体的摩擦力作 用下 ，卡瓦体完成卡紧动作 。气缸的所有动作由司钻操作台上的气控 阀进行控制。 该带标准补心的气动卡瓦可通过更换不同规格的卡瓦体来满足不同转盘规格、钻杆直径等不同需求 的作 业 。 2 ． 2 主要 结构 该 带标 准补 心 的气 动 卡瓦 由卡 瓦座 、气缸 、活 塞杆 、卡 瓦体 、支撑 盘 、配气座 、销 轴及气 路 管线构 成 ，结构 图如 图 1所示 ，其特征在于 2块卡瓦座通过铰链连接为一个整体 ，卡瓦座体内制作有 四个气 缸 ，气 缸 内装 有 活塞杆 ，活塞杆 上端 通过 开槽 螺母 固装有 支撑 盘和 连接 片耳 榫 ，支撑盘 与连 接 片耳榫通 过内六角螺丝固接 ；连接片耳榫通过连接片装有卡瓦体 ，卡瓦体内弧面上通过卡瓦牙固定螺丝安装有卡 瓦牙；卡瓦座上面安装有配气座并通过凹槽放置有气路管线 ；卡瓦座底部安装有耐磨环 。 1 O 俯视结构 1 一 卡瓦座 ；2 - 耐磨环；3 一 气缸 ；4 - 活塞杆 ；5 - 卡瓦体；6 - 连接片；7 - 连接片耳榫 ；8 - 开槽螺母 ；9 - 内六角螺丝；1 0 一 支撑盘 ； 1 1 - 配气座；1 2 一 卡瓦牙 ；1 3 一 卡瓦牙固定螺丝；1 4 一 开 口销 ；1 5 一 销轴 ；1 6 _ 气路管线 ；1 7 管杆 图 1 带标准补心的气动卡瓦的结构 图 3 带标准补心的气动卡瓦的使用及特点 3 ． 1起 下钻 作业 工作 过程 进行起钻作业时，司钻操作先将管杆挂住 ，开启气控 阀使配气座从气缸的底部进气 ，使活塞杆上 升 ，活塞杆通过支撑盘和连接片带动卡瓦体进行上行 ；同时管杆被向上提起 ，卡瓦体利用管杆与卡瓦牙 的摩 擦 力 向外 扩 开 ，给管杆 让开 通道 使其 上行 。需 要 卡住管 杆 时 ，在 停止 提升 管杆 的同 时通过气 控 阀控 制配 气座 ，从 气缸 上部 进 气 ，此 时 活 塞杆 下 行 ，拉 动支 撑 盘 下 降 ，4片 卡 瓦体 沿 卡 瓦座 的 内 圆锥 面 下 行 ，中心开 口直径 和 开 口角度逐 渐 减 小 ，直 至 卡 紧 管杆 为止 。在 卡瓦 体 内 圆表 面 的键 槽 中安装 有 卡 瓦 牙 ，卡 瓦牙 卡紧 管杆后 能 防止其 下滑 ，且 带有 一定 的防 轴 向转 动 的功 能 ，根 据现 场 管 杆 的种类 钻 杆 、 钻铤和套管和 材质 的不 同，可 选择 相 应 的卡 瓦牙 ，以达 到安 全可 靠 、操 作合 理、减少 管杆 划伤 的 目的 。 卡 瓦在进 行下 钻作 业 时与起 钻作 业 时的工 作过 程基 本相 同 ，提住 管杆 的 同时使 配气座 从气 缸 的底部 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 石 油机 械 工 程 2 0 1 4年 1 2 月 进气 ，松 开卡 瓦体 ，下放 管杆 ，然 后通 过气控 阀控 制配 气座从 气缸 上部 进气 ，由卡瓦体 收缩 卡 紧管杆 。 当井 口偏斜严重以及换钻头、倒划眼、旋转转盘等工作时 ，取下卡瓦体 ，由于卡瓦座的中心孔为内 圆锥 面 ，则使 用手 提式 卡瓦 能满 足非正 常情 况作业 。 3 ． 2 主要特 点 1 通过 1个配气座 同时给 4个气缸供气 ，保证了气缸升降的同步性，减少 了钻井工作台面的气路 管线数量，自动化程度高 ，降低了劳动强度 ；装配、拆卸方便 。增强了作业的安全性。 2 多功能管杆气动卡瓦采用全内置式气缸 ，大部分气路结构置于卡瓦座内，在工作过程中工作面 基 本上 与钻 台面平 齐 ，降低 了工 作 台高度 ，方便 液压 大钳 的辅助 操作 。 3 配套设置中的气控单 向阀决定了气动卡瓦在_T作过程 中的安全性 ，可使卡瓦体在张开状态下出 现 突然 泄气 的情况 时不 下滑 。 4 采用标准方补心 的卡瓦座 ，需要用不同规格的钻杆进行起下钻作业时 ，可通过更换不同规格的 卡瓦体来实现，卸下卡瓦体后能满足使用手提式卡瓦非正常情况下换钻头、倒划眼 、旋转转盘等工作 ， 实现了钻井气动卡瓦的多功能性 ，提高 了工作效率 。 5 在 Z P 2 0 5 、Z P 2 7 5以及 Z P 3 7 5等 系列修井 机 和钻井 转盘 上 同样 适用 ，应用 范 围广泛 。 4 带标准补心的气动卡瓦的应用及前景分析 带标准补心的气动卡瓦依靠其内置式气缸来推动卡瓦体的运动，通过卡瓦体的打开和收拢来控制对 管杆 的松开 和卡 紧状态 ，该 卡瓦 的优点 比较 突 出 ，主要 表现 在 以下 几个 方面 1 该卡 瓦采 用全 内置式 气缸 及气路 结构 ，通 过一 个 配气 座 同时 给 4个 气 缸供 气 ，保 证 了气 缸 升 降 的同步性 ，减少了钻井工作台面的气路管线数量 ，避免了外置管线过多过高过长给现场工人的行动带来 不便 ，降低了工人 的劳动强度，增强了作业的安全性 。 2 该卡 瓦结 构简单 ，使 用安 全可靠 ，装 配 、拆卸 方便 ，根据 不 同 的需 要 ，卸 下 卡瓦 体 后 能满 足 使 用手提式卡瓦非正常情况下换钻头、倒划眼、旋转转盘等丁作，不需要将卡瓦整体 吊出井 ，大大提高 了 起下钻工作效率 ，在一定程度上降低了钻井成本。 3 该卡瓦的卡瓦体工作在合适高度 ，提升及放下卡瓦体时不依靠铰链和卡瓦体 自重打开 ，避免因 活动 铰链 锈蚀 或销 轴滑 扣 、松 动 、弯 曲变形 而发生 事故 。 因此 ，将此带标准补心的气动卡瓦应用于钻井作业中，增加了工作过程中的自动化程度 ，减少了井 口的人员 配置 ，在保 证 工作人 员安 全性 的 同时大大 提高 了工 作效率 ，具 有较 强 的实用性 和广 阔 的推广应 用前 景 。 本技 术 已获得 国家专利 ，专 利号 Z L 2 0 1 2 2 0 7 4 3 8 5 7 ． 9 。 [ 参考文献] [ 1 ]储 明来 ，丁建林 ．气动套管卡瓦的研制与应用『 J ]．石 油机械 ，2 0 0 6 ， 3 4 9 6 8 7 0 ． [ 2 ]姜建胜 ．多功能钻杆气动 卡瓦 的优化设计及应用 E J ]．石油机械 ， 2 0 0 8 ，3 6 9 4 7 4 9 ． [ 3 ]余维初 ．新型 X DQW 多功能管杆气动卡瓦的研究 与应用 E J ]．石油天然气学报 江汉石油学院学报 ，2 0 0 8 ，3 0 2 l 5 5 ～1 5 7 [ 4 ]余维初 ．新型钻杆液压动力卡瓦 的研制与应用 口]．石油天然气学报 江汉石油学 院学报 ，2 0 1 1 ，3 3 1 1 1 5 8 ～1 6 0 ． [ 编辑 ] 帅群 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m