橫梁式卡管器研制與應(yīng)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(yè)過程中，依靠卡管器的夾卡來實(shí)現(xiàn)起下管柱［1－4］。目前常用的游動(dòng)卡管器為卡瓦外置結(jié)構(gòu)［5－6］，導(dǎo)致不壓井作業(yè)設(shè)備的高度較高，無法與小修設(shè)備配套。還存在3個(gè)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(duì)中，易卡偏管柱；制造、安裝工序復(fù)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(shù)參數(shù)滿足不壓井作業(yè)要求的橫梁式卡管器。本文介紹了其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并對(duì)橫梁和卡瓦進(jìn)行有限元分析，優(yōu)化了結(jié)構(gòu)。

1 結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

橫梁式卡管器主要由主梁、液壓缸、卡瓦等組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。小型油缸和卡瓦安裝在主梁內(nèi)，由液壓缸推動(dòng)卡瓦來夾卡管柱。該卡管器安裝在不壓井作業(yè)裝置的舉升液壓缸頂端，跟隨舉升液壓缸運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)管柱的加壓起下。由于卡瓦采用了內(nèi)置式結(jié)構(gòu)，使不壓井作業(yè)裝置的整體高度大幅降低，作業(yè)人員能夠在卡瓦卡緊油管后方便進(jìn)行油管的上扣、卸扣操作?？ㄍ邽樽儚浇Y(jié)構(gòu)，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)?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(zhuǎn)90°，方便更換卡瓦。

圖1 橫梁式卡管器結(jié)構(gòu)

2 主要技術(shù)參數(shù)

3 橫梁強(qiáng)度計(jì)算［7－8］

橫梁是由2根主梁和2個(gè)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(nèi)側(cè)各受向下力250kN。橫梁的材質(zhì)為35CrMo，調(diào)質(zhì)硬度為220～255HB，強(qiáng)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(yīng)力［σ］＝σs／2＝245MPa。

建立有限元模型，在兩側(cè)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(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖2所示。圖3是橫梁的等效應(yīng)力云圖，最大應(yīng)力為137MPa，該值小于材料的許用應(yīng)力245 MPa。所以，橫梁的強(qiáng)度滿足要求。

圖2 橫梁有限元模型

圖3 橫梁等效應(yīng)力分布

4 卡瓦參數(shù)優(yōu)化

4.1 牙板分布角度

有限元計(jì)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(cè)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(gè)對(duì)稱面，取其1／4進(jìn)行ANSYS 計(jì)算。為了對(duì)卡瓦器的形狀進(jìn)行優(yōu)化，分別取?73.0mm（2英寸）油管圓弧段對(duì)應(yīng)的牙板分布角為102～109°，依次建立各種角度的模型，求解計(jì)算。模型采用solid185單元，在劃分網(wǎng)格時(shí)對(duì)油管采用了較為規(guī)則的掃描劃分法，而對(duì)卡瓦則采用自由劃分法。計(jì)算結(jié)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(dāng)角度小于106°時(shí)，?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(dāng)角度大于106°時(shí)，uymax＞uxmax；當(dāng)角度等于106°時(shí)，umax取得最小值。為了使2種夾卡工況下油管的變形最小，應(yīng)將卡瓦中?73.0 mm 油管段圓弧的牙板分布角設(shè)計(jì)為106°。

4.2 夾持力

利用不壓井作業(yè)試驗(yàn)臺(tái)，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(yàn)數(shù)據(jù)，如表2～3。

表2 變徑卡瓦在夾卡?73.0mm（2英寸）油管的試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表2 變徑卡瓦在夾卡?73.0mm（2英寸）油管的試驗(yàn)數(shù)據(jù)

試驗(yàn)序號(hào) 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(yàn)數(shù)據(jù)

5 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

橫梁式卡管器在勝利油田純梁采油廠的純41斜50井上進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。該井為自噴轉(zhuǎn)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(shè)備配合進(jìn)行約3000口井的不壓井施工作業(yè)，取得了較好的效果。

6 結(jié)論

1）橫梁式卡管器采用雙橫梁、卡瓦內(nèi)置式結(jié)構(gòu)，使裝置本身的高度降低，便于不壓井作業(yè)裝置與小修作業(yè)設(shè)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(zhuǎn)90°，便于維修卡瓦。

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