內(nèi)置式液壓卡瓦的研制

李占柱，倪華峰，王瑞成，李滿江，李 勇，王存和，崔鴻全

（1.中石油川慶鉆探公司長(zhǎng)慶鉆井總公司，陜西西安 710021；2.江蘇誠(chéng)創(chuàng)智能裝備有限公司，江蘇揚(yáng)州 225008）

0 引言

目前國(guó)內(nèi)外動(dòng)力卡瓦主要有簡(jiǎn)易提放式動(dòng)力卡瓦、氣動(dòng)卡瓦、液動(dòng)卡瓦。這些卡瓦大多數(shù)功能單一，有的不具備刮泥、有的只適應(yīng)套管或鉆桿，有的夾持管柱范圍窄。井口不正不能用；正常鉆進(jìn)不能用。而且高出鉆臺(tái)面，影響鐵鉆工或液氣大鉗的操作。根據(jù)目前國(guó)內(nèi)實(shí)際，吸收國(guó)內(nèi)外的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，考慮到國(guó)內(nèi)的材料、配件、加工工藝和手段，提出設(shè)計(jì)思路及運(yùn)行方案，與相關(guān)廠家聯(lián)合，研制了一套目前國(guó)內(nèi)技術(shù)最先進(jìn)、最安全、效率最高的一種動(dòng)力卡瓦。可大大減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、提高效率、提高人身井下安全。

1 設(shè)計(jì)制造所遵循的標(biāo)準(zhǔn)

液壓卡瓦的設(shè)計(jì)制造除了必須執(zhí)行國(guó)家的鑄造、鍛造、焊接、材料、熱處理、液壓和電器等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)外，還必須嚴(yán)格按照美國(guó)石油協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)API 7K 和石油行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5049—2016 執(zhí)行。在這些標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)關(guān)聯(lián)尺寸、設(shè)計(jì)計(jì)算、安全系數(shù)、材料力學(xué)性能、實(shí)驗(yàn)方法和程序、質(zhì)量控制等都做了詳細(xì)的規(guī)定。

2 技術(shù)分析

目前國(guó)內(nèi)動(dòng)力卡瓦主要有簡(jiǎn)易提放式動(dòng)力卡瓦和氣動(dòng)卡瓦這兩大類。簡(jiǎn)易提放式動(dòng)力卡瓦安裝在轉(zhuǎn)盤(pán)上方，通過(guò)動(dòng)力連桿裝置將普通卡瓦上提和下方（圖1）。

氣動(dòng)卡瓦安裝在轉(zhuǎn)盤(pán)內(nèi)，通過(guò)氣缸上提卡瓦（圖2）。兩種卡瓦均高出鉆臺(tái)面，影響其他的施工作業(yè)，同時(shí)還存在正常鉆進(jìn)時(shí)接單根不能使用、井口不正不能使用等問(wèn)題。

目前內(nèi)置式液壓卡瓦也有兩種形式：一種其內(nèi)錐面為階梯形，即含有兩個(gè)9.46°圓錐面，而另一種則為單錐面（圖3）。顯然，在卡瓦提升高度相同的情況下，雙錐面的開(kāi)口直徑更大，通過(guò)性更好，能通過(guò)更大的鉆柱。由于錐度為1：3，每上升3 mm，其直徑才增加1 mm。液缸向上行程300 mm，其直徑增加才100 mm。如果是5英寸（12.70 cm）鉗頭，最大開(kāi)口直徑也僅為227 mm。

圖1 簡(jiǎn)易提放式動(dòng)力卡瓦

圖2 氣動(dòng)卡瓦

圖3 內(nèi)置式液壓卡瓦

在動(dòng)力源上，目前主要是氣動(dòng)或液動(dòng)兩種形式。由于受環(huán)境、結(jié)構(gòu)尺寸等諸多影響，市面上還未出現(xiàn)電驅(qū)形式。其氣、液驅(qū)動(dòng)也僅限于氣缸和液缸。不論氣缸還是液缸，各自都有自己的優(yōu)勢(shì)和不足。采用氣缸，氣源方便，密封形式簡(jiǎn)單，無(wú)污染泄漏等問(wèn)題存在。但在相同缸徑下，其推力小，不能滿足設(shè)備上的某些功能。液缸則可以做到力量大，體積小。特別適用于空間受限的某些場(chǎng)合。

為了鉆臺(tái)面施工作業(yè)方便，也有廠家為了使這種結(jié)構(gòu)形式的液壓卡瓦安裝工作不高出鉆臺(tái)平面，將升降油缸置于卡瓦本體內(nèi)，把液壓卡瓦本體高度加高，甚至其高度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其轉(zhuǎn)盤(pán)的高度，如圖4所示。這樣就又造成了液壓卡瓦坐入轉(zhuǎn)盤(pán)后，其液壓卡瓦底部遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于轉(zhuǎn)盤(pán)的底部，造成了新的問(wèn)題。

動(dòng)力卡瓦本體有兩種帶鉆柱安裝形式，一種為本體對(duì)開(kāi)式，另一種則為活門(mén)式（圖5）。對(duì)開(kāi)式是在動(dòng)力卡瓦坐入轉(zhuǎn)盤(pán)后將銷(xiāo)軸抽出，其徑向力傳遞到轉(zhuǎn)盤(pán)上，但由于安裝間隙的存在，動(dòng)力卡瓦的的卡持圓必定失圓，卡瓦與鉆柱的接觸面積將減小，壓強(qiáng)最大，對(duì)鉆柱可能造成傷害。活門(mén)式的徑向力靠卡瓦本體承受，不會(huì)失圓。但對(duì)卡瓦本體的材料性能要求更高，需要更高度強(qiáng)度和剛度。

圖4 液壓卡瓦不高出鉆臺(tái)平面

圖5 本體的安裝形式

3 結(jié)構(gòu)研制

根據(jù)以上結(jié)構(gòu)形式分析，并到生產(chǎn)一線調(diào)研走訪，了解生產(chǎn)需求、功能，結(jié)合國(guó)內(nèi)的材料、加工能力和手段等因素。設(shè)計(jì)了一種全新的結(jié)構(gòu)形式，其內(nèi)錐配合面任然按API標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的9.46°設(shè)計(jì)，但內(nèi)錐面采用了3 個(gè)不同直徑的錐面以及臺(tái)階（圖6）。以這種方式盡量降低卡瓦行程，同時(shí)增大卡瓦的開(kāi)度，提高其通過(guò)性。在提升高度100 mm 的情況下，其開(kāi)口直徑將增加到160 mm。如果是5 英寸鉗頭，最大開(kāi)口直徑可達(dá)到287 mm。相對(duì)于提升高度為300 mm 的傳統(tǒng)卡瓦，在提升高度降低了200 mm 的情況下，開(kāi)口直徑卻增加了60 mm。

圖6 內(nèi)置結(jié)構(gòu)形式

（1）驅(qū)動(dòng)方式是將傳統(tǒng)的直接上體改成了旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)，采用這種驅(qū)動(dòng)方式最大優(yōu)點(diǎn)在于它除了具有上下驅(qū)動(dòng)力外，還產(chǎn)生了徑向推力。在井口不正的情況下，可將鉆柱推到井口中間，保證卡瓦安全可靠坐下，卡持好鉆柱。

（2）鉗頭采用了套裝式。10.6 英寸（26.924 cm）以下尺寸的鉆柱，直接更換內(nèi)鉗頭部分，10.6 英寸以上則沒(méi)有內(nèi)鉗頭。這樣其適用管徑范圍得到了大大提高。ZP375 型轉(zhuǎn)盤(pán)的液壓卡瓦其最大適用管徑可達(dá)到14 英寸（35.56 cm）。幾乎包括了所有常用的管徑范圍。相比傳統(tǒng)動(dòng)力卡瓦適用管徑范圍有了很大的提高。

（3）在液壓卡瓦中間體與卡瓦體之間設(shè)置了一套快速更換卡瓦體的裝置。實(shí)現(xiàn)特殊的“丟手即鎖定，拉出即松開(kāi)”，大大縮短了卡瓦體的更換時(shí)間，更換卡瓦體可在5 min 內(nèi)完成。同時(shí)無(wú)需拆卸一只螺絲螺帽、一只銷(xiāo)軸，杜絕了由此引起的工具零件掉落井底的事故。

（4）液壓卡瓦在深井和超深井作業(yè)時(shí)，面臨井深結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要卡持不同種類、規(guī)格和重量的管柱。這套液壓卡瓦不但適用管柱尺寸范圍廣，同時(shí)還適用于鉆桿、鉆鋌、套管等各種類型的鉆柱。避免了在整個(gè)鉆井周期內(nèi)頻繁吊出吊進(jìn)液壓卡瓦的作業(yè)。

（5）由于卡瓦提升高度僅有100 mm，大大降低了液壓卡瓦本體和工作高度，整個(gè)液壓卡瓦工作高度不超過(guò)轉(zhuǎn)盤(pán)的高度。因此其液壓卡瓦做到了與鉆臺(tái)面平齊。同時(shí)，液壓卡瓦下平面不再低于轉(zhuǎn)盤(pán)的底平面。成了名副其實(shí)的內(nèi)置式液壓卡瓦。有利于鉆臺(tái)面上液壓大鉗、鐵鉆工、液壓吊卡等設(shè)備、工具的施工作業(yè)。

（6）為了最大限度內(nèi)保護(hù)鉆具，提高卡瓦牙與鉆柱的有效接觸面積，降低壓強(qiáng)。液壓卡瓦的本體采用了活門(mén)式結(jié)構(gòu)形式，這種形式雖然增加了材料的強(qiáng)度性能和加工難度，但提高卡瓦牙與鉆柱的有效接觸面積。接觸面增加，壓強(qiáng)降低，卡瓦牙吃入鉆具的深度減小，對(duì)鉆具的損傷程度得到了降低。

（7）為了在有限的空間內(nèi)，安裝更多的部件零件，實(shí)現(xiàn)更多的功能。其動(dòng)力仍然采用液壓驅(qū)動(dòng)。同時(shí)配備液壓工作站和控制系統(tǒng)，確保其工作的可靠性。

（8）主要技術(shù)參數(shù)如下。

適用最大轉(zhuǎn)盤(pán)型號(hào)：ZP375

最大通徑：520 mm

適用鉆柱范圍：27/8～14 英寸

額定載荷：4500 kN

最大反向承受扭矩：40 kN·m

最小對(duì)中推力：70 kN

液壓系統(tǒng)工作壓力：16 MPa

液壓系統(tǒng)額定流量：30 L/min

4 附加功能

（1）在大多數(shù)安裝好的鉆機(jī)，其井口多少有點(diǎn)不正。即使開(kāi)鉆前調(diào)整正了，在鉆進(jìn)一段時(shí)間后，由于鉆機(jī)基礎(chǔ)下沉，井口也會(huì)發(fā)生偏移。井口偏移不正后卡瓦就不能坐入卡持住鉆柱。這套液壓卡瓦在其內(nèi)設(shè)置了一套對(duì)中裝置，通過(guò)機(jī)械驅(qū)動(dòng)使鉆柱位于井口中央，保證卡瓦有效夾持住鉆柱。

（2）為了提高液壓卡瓦的適用范圍，使液壓卡瓦在正常鉆進(jìn)接單根或立柱時(shí)也能正常使用。液壓卡瓦上還有了一套耐磨環(huán)，在鉆進(jìn)過(guò)程中使鉆柱與耐磨環(huán)接觸摩擦，保護(hù)好鉆柱的同時(shí)，避免了鉆柱與卡瓦牙的接觸摩擦磨損。

（3）起鉆時(shí)鉆柱上掛滿泥漿，嚴(yán)重污染作業(yè)環(huán)境，需要人工進(jìn)行刮泥清出。在這套液壓卡瓦上，增加了一套氣吹刮泥和一套橡膠刮泥裝置，代替人工刮泥作業(yè)，減少了作業(yè)人員和勞動(dòng)強(qiáng)度，保護(hù)了作業(yè)環(huán)境。這兩套刮泥系統(tǒng)可同時(shí)使用，也可單獨(dú)使用。

（4）在液壓卡瓦的控制系統(tǒng)上，安裝了3 套傳感器，將液壓卡瓦的工作狀態(tài)及時(shí)上傳到中控系統(tǒng)，由中控系統(tǒng)集中控制管理，實(shí)現(xiàn)與其他設(shè)備的信息共享與互聯(lián)互鎖，保證其工作安全可靠。如果與液壓吊卡實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互鎖，吊卡沒(méi)有關(guān)好時(shí)，不能松開(kāi)液壓卡瓦就能避免由液壓卡瓦誤操作造成的鉆柱落井事故。

5 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)計(jì)算，工藝安排和生產(chǎn)制造，在完成了工廠測(cè)試后，首臺(tái)套液壓卡瓦運(yùn)抵到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了工業(yè)化測(cè)試使用。就目前的情況來(lái)看，各項(xiàng)功能基本實(shí)現(xiàn)，性能指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，并進(jìn)行了進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)整改。下一步將進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)制造和推廣應(yīng)用。

6 結(jié)論及建議

（1）向更高安全性、更高可靠性的方向發(fā)展。由于石油鉆井行業(yè)作業(yè)的環(huán)境、作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)和投資，對(duì)石油裝備的安全性與可靠性有著更高的要求。為了解決液壓卡瓦的安全性和可靠性問(wèn)題，必將在材料的優(yōu)化設(shè)計(jì)、鍛造方法、加工工藝、熱處理方法等方面不斷的創(chuàng)新發(fā)展。安全性與可靠性也將成為液壓卡瓦的核心競(jìng)爭(zhēng)力。

（2）向智能化、集成化方向發(fā)展。液壓卡瓦的操作與控制將集成到管柱自動(dòng)處理系統(tǒng)中，由司鉆在司鉆房集中統(tǒng)一進(jìn)行操作控制。并與其他設(shè)備實(shí)現(xiàn)信息交換與共享，記錄使用時(shí)間，提示設(shè)備保養(yǎng)與更換鉗牙；與相關(guān)設(shè)備如液壓吊卡實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)與互鎖。提高自動(dòng)化水平，減小勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工作效率。

（3）向?qū)︺@柱傷害更加小的方向發(fā)展。無(wú)論是動(dòng)力卡瓦還是手動(dòng)卡瓦，卡瓦牙對(duì)管柱的徑向卡持力都與管柱的重量成正比，由于所有卡瓦均需按API 7K 規(guī)定的9.46°設(shè)計(jì)，所以在相同管柱重量下，卡瓦牙對(duì)管柱的卡持力（正壓力）完全相等，管柱越重卡持力越大，牙痕越深。只有在卡瓦牙對(duì)鉆柱傷害降低到最小時(shí)，液壓卡瓦在深井和超深井段才能得到廣泛推廣應(yīng)用。