橫梁式卡管器研制與應用

岳振玉

（勝利油田分公司采油工藝研究院，山東東營 257000）①

在不壓井作業過程中，依靠卡管器的夾卡來實現起下管柱［1－4］。目前常用的游動卡管器為卡瓦外置結構［5－6］，導致不壓井作業設備的高度較高，無法與小修設備配套。還存在3個問題：液壓缸為固定式，維修更換卡瓦困難；卡瓦和管柱不易對中，易卡偏管柱；制造、安裝工序復雜。鑒于此，勝利油田分公司采油工藝研究院研制出了功能完善、技術參數滿足不壓井作業要求的橫梁式卡管器。本文介紹了其結構特點，并對橫梁和卡瓦進行有限元分析，優化了結構。

1 結構及特點

橫梁式卡管器主要由主梁、液壓缸、卡瓦等組成，結構如圖1所示。小型油缸和卡瓦安裝在主梁內，由液壓缸推動卡瓦來夾卡管柱。該卡管器安裝在不壓井作業裝置的舉升液壓缸頂端，跟隨舉升液壓缸運動，實現管柱的加壓起下。由于卡瓦采用了內置式結構，使不壓井作業裝置的整體高度大幅降低，作業人員能夠在卡瓦卡緊油管后方便進行油管的上扣、卸扣操作。卡瓦為變徑結構，可同時實現?73.0mm（2英寸）和?88.9mm（3?英寸）組合油管的夾卡，省去了更換卡瓦的施工工序。橫梁式卡管器的液壓缸在徑向采用軸和軸套安裝固定，可軸向旋轉90°，方便更換卡瓦。

圖1 橫梁式卡管器結構

2 主要技術參數

3 橫梁強度計算［7－8］

橫梁是由2根主梁和2個連接板組成的矩形框，外形尺寸為1170mm×370mm×200mm，主梁的截面尺寸為80mm×200mm，連接板的截面尺寸為25 mm×200mm。橫梁兩端部各受向上力250kN，中部兩內側各受向下力250kN。橫梁的材質為35CrMo，調質硬度為220～255HB，強度極限σb＝685MPa，屈服極限σs＝490MPa，彈性模量為210GPa，泊松比為0.3。取許用應力［σ］＝σs／2＝245MPa。

建立有限元模型，在兩側施加位移約束，在2根主梁上安裝卡瓦的上表面各施加250kN的壓力，用solid185單元進行網格劃分，如圖2所示。圖3是橫梁的等效應力云圖，最大應力為137MPa，該值小于材料的許用應力245 MPa。所以，橫梁的強度滿足要求。

圖2 橫梁有限元模型

圖3 橫梁等效應力分布

4 卡瓦參數優化

4.1 牙板分布角度

有限元計算的已知條件為：卡瓦的橫向壓力為250kN，卡瓦圓弧處截面尺寸200mm×80mm，卡瓦長度200mm。卡瓦材料為35CrMo，彈性模量為210GPa，泊松比為0.3。圖4為卡瓦的有限元模型。兩側面沿卡瓦長度方向的位移和底面沿卡瓦厚度方向的位移受到約束。

由于卡瓦器受力模型有2個對稱面，取其1／4進行ANSYS 計算。為了對卡瓦器的形狀進行優化，分別取?73.0mm（2英寸）油管圓弧段對應的牙板分布角為102～109°，依次建立各種角度的模型，求解計算。模型采用solid185單元，在劃分網格時對油管采用了較為規則的掃描劃分法，而對卡瓦則采用自由劃分法。計算結果如表1。

圖4 卡瓦器有限元模型

表1 不同牙板分布角度下油管的最大位移

由表1可知：隨著夾卡角度的增加，?73.0mm油管的最大位移逐漸變小，而?88.9 mm 油管的最大位移則逐漸變大；當角度小于106°時，?73.0mm油管的x 向最大位移uxmax大于?88.9mm 油管的y向最大位移uymax；當角度大于106°時，uymax＞uxmax；當角度等于106°時，umax取得最小值。為了使2種夾卡工況下油管的變形最小，應將卡瓦中?73.0 mm 油管段圓弧的牙板分布角設計為106°。

4.2 夾持力

利用不壓井作業試驗臺，在卡牙無變形、油管無滑移和油管無變形的約束條件下，用變徑卡瓦分別夾卡材料為J55的?73.0 mm（2英寸）油管和?88.9mm（3?英寸）油管，獲得了夾持力的試驗數據，如表2～3。

表2 變徑卡瓦在夾卡?73.0mm（2英寸）油管的試驗數據

表2 變徑卡瓦在夾卡?73.0mm（2英寸）油管的試驗數據

試驗序號 第1次第2次第3次第4次第5次夾持力／kN 400 550 500 530520油管變形情況正常 變形 正常 滑移 正常

表3 變徑卡瓦在夾卡?88.9mm（3?英寸）油管的試驗數據

5 現場試驗

橫梁式卡管器在勝利油田純梁采油廠的純41斜50井上進行了現場試驗。該井為自噴轉抽油井，含氣量較高，井口壓力1.2 MPa，油管無法正常起下。使用橫梁式卡管器和固定式卡管器交替夾卡油管，加載液壓缸舉升完成上提、下放管柱工序，平均速度5根／h。截至目前，橫梁式卡管器與不壓井設備配合進行約3000口井的不壓井施工作業，取得了較好的效果。

6 結論

1）橫梁式卡管器采用雙橫梁、卡瓦內置式結構，使裝置本身的高度降低，便于不壓井作業裝置與小修作業設備配套使用，提高施工效率，大幅降低施工成本。

3）液壓缸徑向采用軸和軸套安裝固定，可軸向旋轉90°，便于維修卡瓦。

［1］黃小兵，劉清友，王德玉.淺析我國不壓井設備的現狀及發展趨勢［J］.石油礦場機械，2004，33（S1）：19－21.

［2］柴辛，李云鵬，劉鎖建，等.國內帶壓作業技術及應用狀況［J］.石油礦場機械，2005，34（5）：31－34.

［3］常玉連，魏靜，高勝，等.獨立式不壓井作業裝備技術發展［J］.石油礦場機械，2011，40（4）：12－16.

［4］蔡斌，彭勇，閆文輝，等.不壓井修井作業裝備發展現狀分析［J］.鉆采工藝，2008，31（6）：106－109.

［5］趙建國，李友軍，陳蘭明.不壓井作業設備引進技術研究［J］.石油礦場機械，2004，33（6）：104－107.

［6］鐘功祥，劉濤，林寧.不壓井修井作業起下管柱裝置發展及典型結構［J］.石油礦場機械，2012，41（4）：69－72.

［7］龔曙光.ANSYS基礎應用及范例解析［M］.北京：機械工業出版社，2003.

［8］高加強，李法成，姜富陽，等.不壓井裝置承載結構應力分析及強度評價［J］.石油礦場機械，2012，41（1）：33－36.