內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慶鉆井總公司，陜西西安 710021；2.江蘇誠創智能裝備有限公司，江蘇揚州 225008）

0 引言

目前國內外動力卡瓦主要有簡易提放式動力卡瓦、氣動卡瓦、液動卡瓦。這些卡瓦大多數功能單一，有的不具備刮泥、有的只適應套管或鉆桿，有的夾持管柱范圍窄。井口不正不能用；正常鉆進不能用。而且高出鉆臺面，影響鐵鉆工或液氣大鉗的操作。根據目前國內實際，吸收國內外的先進經驗，考慮到國內的材料、配件、加工工藝和手段，提出設計思路及運行方案，與相關廠家聯合，研制了一套目前國內技術最先進、最安全、效率最高的一種動力卡瓦。可大大減輕勞動強度、提高效率、提高人身井下安全。

1 設計制造所遵循的標準

液壓卡瓦的設計制造除了必須執行國家的鑄造、鍛造、焊接、材料、熱處理、液壓和電器等相關標準外，還必須嚴格按照美國石油協會標準API 7K 和石油行業標準SY/T 5049—2016 執行。在這些標準中對關聯尺寸、設計計算、安全系數、材料力學性能、實驗方法和程序、質量控制等都做了詳細的規定。

2 技術分析

目前國內動力卡瓦主要有簡易提放式動力卡瓦和氣動卡瓦這兩大類。簡易提放式動力卡瓦安裝在轉盤上方，通過動力連桿裝置將普通卡瓦上提和下方（圖1）。

氣動卡瓦安裝在轉盤內，通過氣缸上提卡瓦（圖2）。兩種卡瓦均高出鉆臺面，影響其他的施工作業，同時還存在正常鉆進時接單根不能使用、井口不正不能使用等問題。

目前內置式液壓卡瓦也有兩種形式：一種其內錐面為階梯形，即含有兩個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，雙錐面的開口直徑更大，通過性更好，能通過更大的鉆柱。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，最大開口直徑也僅為227 mm。

圖1 簡易提放式動力卡瓦

在動力源上，目前主要是氣動或液動兩種形式。由于受環境、結構尺寸等諸多影響，市面上還未出現電驅形式。其氣、液驅動也僅限于氣缸和液缸。不論氣缸還是液缸，各自都有自己的優勢和不足。采用氣缸，氣源方便，密封形式簡單，無污染泄漏等問題存在。但在相同缸徑下，其推力小，不能滿足設備上的某些功能。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合。

為了鉆臺面施工作業方便，也有廠家為了使這種結構形式的液壓卡瓦安裝工作不高出鉆臺平面，將升降油缸置于卡瓦本體內，把液壓卡瓦本體高度加高，甚至其高度遠遠大于其轉盤的高度，如圖4所示。這樣就又造成了液壓卡瓦坐入轉盤后，其液壓卡瓦底部遠遠低于轉盤的底部，造成了新的問題。

圖2 氣動卡瓦

圖3 內置式液壓卡瓦

動力卡瓦本體有兩種帶鉆柱安裝形式，一種為本體對開式，另一種則為活門式（圖5）。對開式是在動力卡瓦坐入轉盤后將銷軸抽出，其徑向力傳遞到轉盤上，但由于安裝間隙的存在，動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，壓強最大，對鉆柱可能造成傷害。活門式的徑向力靠卡瓦本體承受，不會失圓。但對卡瓦本體的材料性能要求更高，需要更高度強度和剛度。

圖4 液壓卡瓦不高出鉆臺平面

3 結構研制

圖5 本體的安裝形式

根據以上結構形式分析，并到生產一線調研走訪，了解生產需求、功能，結合國內的材料、加工能力和手段等因素。設計了一種全新的結構形式，其內錐配合面任然按API標準規定的9.46°設計，但內錐面采用了3 個不同直徑的錐面以及臺階（圖6）。以這種方式盡量降低卡瓦行程，同時增大卡瓦的開度，提高其通過性。在提升高度100 mm 的情況下，其開口直徑將增加到160 mm。如果是5 英寸鉗頭，最大開口直徑可達到287 mm。相對于提升高度為300 mm 的傳統卡瓦，在提升高度降低了200 mm 的情況下，開口直徑卻增加了60 mm。

（1）驅動方式是將傳統的直接上體改成了旋轉驅動，采用這種驅動方式最大優點在于它除了具有上下驅動力外，還產生了徑向推力。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，直接更換內鉗頭部分，10.6 英寸以上則沒有內鉗頭。這樣其適用管徑范圍得到了大大提高。ZP375 型轉盤的液壓卡瓦其最大適用管徑可達到14 英寸（35.56 cm）。幾乎包括了所有常用的管徑范圍。相比傳統動力卡瓦適用管徑范圍有了很大的提高。

圖6 內置結構形式

（3）在液壓卡瓦中間體與卡瓦體之間設置了一套快速更換卡瓦體的裝置。實現特殊的“丟手即鎖定，拉出即松開”，大大縮短了卡瓦體的更換時間，更換卡瓦體可在5 min 內完成。同時無需拆卸一只螺絲螺帽、一只銷軸，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時，面臨井深結構復雜，需要卡持不同種類、規格和重量的管柱。這套液壓卡瓦不但適用管柱尺寸范圍廣，同時還適用于鉆桿、鉆鋌、套管等各種類型的鉆柱。避免了在整個鉆井周期內頻繁吊出吊進液壓卡瓦的作業。

（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，整個液壓卡瓦工作高度不超過轉盤的高度。因此其液壓卡瓦做到了與鉆臺面平齊。同時，液壓卡瓦下平面不再低于轉盤的底平面。成了名副其實的內置式液壓卡瓦。有利于鉆臺面上液壓大鉗、鐵鉆工、液壓吊卡等設備、工具的施工作業。

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

（7）為了在有限的空間內，安裝更多的部件零件，實現更多的功能。其動力仍然采用液壓驅動。同時配備液壓工作站和控制系統，確保其工作的可靠性。

（8）主要技術參數如下。

適用最大轉盤型號：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

最小對中推力：70 kN

液壓系統工作壓力：16 MPa

液壓系統額定流量：30 L/min

4 附加功能

（1）在大多數安裝好的鉆機，其井口多少有點不正。即使開鉆前調整正了，在鉆進一段時間后，由于鉆機基礎下沉，井口也會發生偏移。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設置了一套對中裝置，通過機械驅動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接單根或立柱時也能正常使用。液壓卡瓦上還有了一套耐磨環，在鉆進過程中使鉆柱與耐磨環接觸摩擦，保護好鉆柱的同時，避免了鉆柱與卡瓦牙的接觸摩擦磨損。

（3）起鉆時鉆柱上掛滿泥漿，嚴重污染作業環境，需要人工進行刮泥清出。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，減少了作業人員和勞動強度，保護了作業環境。這兩套刮泥系統可同時使用，也可單獨使用。

（4）在液壓卡瓦的控制系統上，安裝了3 套傳感器，將液壓卡瓦的工作狀態及時上傳到中控系統，由中控系統集中控制管理，實現與其他設備的信息共享與互聯互鎖，保證其工作安全可靠。如果與液壓吊卡實現互聯互鎖，吊卡沒有關好時，不能松開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 現場試驗

經過設計計算，工藝安排和生產制造，在完成了工廠測試后，首臺套液壓卡瓦運抵到現場進行了工業化測試使用。就目前的情況來看，各項功能基本實現，性能指標達到了設計要求，并進行了進一步的優化設計整改。下一步將進行工業化生產制造和推廣應用。

6 結論及建議

（1）向更高安全性、更高可靠性的方向發展。由于石油鉆井行業作業的環境、作業的風險和投資，對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題，必將在材料的優化設計、鍛造方法、加工工藝、熱處理方法等方面不斷的創新發展。安全性與可靠性也將成為液壓卡瓦的核心競爭力。

（2）向智能化、集成化方向發展。液壓卡瓦的操作與控制將集成到管柱自動處理系統中，由司鉆在司鉆房集中統一進行操作控制。并與其他設備實現信息交換與共享，記錄使用時間，提示設備保養與更換鉗牙；與相關設備如液壓吊卡實現聯動與互鎖。提高自動化水平，減小勞動強度，提高工作效率。

（3）向對鉆柱傷害更加小的方向發展。無論是動力卡瓦還是手動卡瓦，卡瓦牙對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 規定的9.46°設計，所以在相同管柱重量下，卡瓦牙對管柱的卡持力（正壓力）完全相等，管柱越重卡持力越大，牙痕越深。只有在卡瓦牙對鉆柱傷害降低到最小時，液壓卡瓦在深井和超深井段才能得到廣泛推廣應用。