超級(jí)單根全液壓鉆機(jī)氣動(dòng)卡瓦結(jié)構(gòu)計(jì)算

□ 岳文斌 □ 王清巖 □ 張飛宇

吉林大學(xué) 建設(shè)工程學(xué)院 長春 130026

超級(jí)單根全液壓鉆機(jī)是一種可滿足煤層氣、頁巖氣、水平井、定向井、深井開采的淺層鉆進(jìn)的鉆機(jī)。該鉆機(jī)的井架起放、鉆進(jìn)動(dòng)力給進(jìn)等主要功能均由液壓控制，具有機(jī)動(dòng)性高、搬家方便、井場(chǎng)占地面積小、鉆機(jī)總裝及井場(chǎng)建場(chǎng)時(shí)間短等特點(diǎn)，可以大大節(jié)約運(yùn)輸時(shí)間、工地準(zhǔn)備時(shí)間及相關(guān)費(fèi)用，節(jié)約了鉆井成本，提升了鉆井效率。在油田鉆井施工中，鉆機(jī)卡瓦是用來夾緊鉆桿或套管的井口工具，通常固定在轉(zhuǎn)盤上。

目前技術(shù)比較成熟的卡瓦驅(qū)動(dòng)方式主要有氣動(dòng)和液動(dòng)兩種，相比之下，氣動(dòng)又比液動(dòng)具有更多優(yōu)點(diǎn)。在鉆井施工現(xiàn)場(chǎng)中，大多配有空氣壓縮機(jī)，能為氣動(dòng)卡瓦提供充足的動(dòng)力介質(zhì)，減少了設(shè)備投資，降低生產(chǎn)成本，并且不污染環(huán)境。

1 氣動(dòng)卡瓦的設(shè)計(jì)要求和參數(shù)

氣動(dòng)卡瓦要有足夠、穩(wěn)定的夾緊力，鉆桿或套管與卡瓦之間不能發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，夾緊機(jī)構(gòu)應(yīng)有自鎖性能；夾緊與松開動(dòng)作迅速，松開徹底，不影響鉆桿或套管的起升；夾緊力要分布均勻，夾緊時(shí)不應(yīng)損傷鉆桿表面，卡瓦強(qiáng)度適當(dāng)，耐磨，摩擦因數(shù)大；卡瓦牙板由于易損壞，應(yīng)便于拆換；結(jié)構(gòu)要緊湊，使用安全，操作方便，易于維修。

氣動(dòng)卡瓦應(yīng)用于2 000～3 000 m超級(jí)單根全液壓鉆機(jī)，配合鐵鉆工、旋扣器、動(dòng)力水龍頭，完成上卸扣、起下鉆工作。

以鉆深3 000 m超級(jí)單根全液壓鉆機(jī)計(jì)算，設(shè)計(jì)承載為350 t。

2 卡瓦結(jié)構(gòu)受力計(jì)算

當(dāng)鉆桿或套管在自身重力作用下沿井壁下行時(shí)，鉆桿或套管與卡瓦體之間的摩擦力F2帶動(dòng)卡瓦體隨鉆桿或套管一同下行，當(dāng)卡瓦體錐面與卡瓦座體的錐面緊密貼合并形成一定的擠壓力時(shí)，卡瓦座體提供給卡瓦體足夠的阻力，阻礙了卡瓦體連同鉆桿或套管的下行，完成了夾持動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)了卡瓦的功能。通過上述分析，卡瓦楔緊并卡住鉆桿或套管的基本條件是，鉆桿或套管下行時(shí)，必須要帶動(dòng)卡瓦體下行實(shí)現(xiàn)楔緊作用，即鉆桿或套管與卡瓦體之間的摩擦力F2應(yīng)大于或等于卡瓦體背錐面與卡瓦座體內(nèi)錐面之間產(chǎn)生的阻止卡瓦體連同鉆桿或套管下行的阻力。

▲圖1 卡瓦楔緊時(shí)受力簡圖

▲圖2 反平行四邊形機(jī)構(gòu)簡圖

▲圖3 氣動(dòng)卡瓦整體結(jié)構(gòu)簡圖

式中：F1為卡瓦體與卡瓦座體之間的摩擦力；F2為鉆桿或套管與卡瓦體之間的摩擦力；N1為卡瓦體受卡瓦座體的法向支撐力；N2為鉆桿或套管受卡瓦體的法向夾持力；f1為卡瓦座體內(nèi)錐面與卡瓦體外錐面的摩擦因數(shù)；f2為鉆桿或套管與卡瓦體的摩擦因數(shù)；α為依據(jù)API標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的半錐角，

將式（2）、（3）、（4）代入式（1）得：

根據(jù)實(shí)驗(yàn)資料和經(jīng)驗(yàn)，卡瓦座體內(nèi)錐面與卡瓦體外錐面的摩擦因數(shù)f1一般取0.05～0.5之間，通常取f1=0.158，通過計(jì)算可以得到 f2≥0.333。

當(dāng)鉆桿或套管上提時(shí)，氣缸帶動(dòng)反平行四邊形連桿機(jī)構(gòu)使卡瓦體松開，卡瓦體隨鉆桿或套管一同上提，卡瓦體采用四塊分體結(jié)構(gòu)，使卡瓦體沿卡瓦座體錐面散開，以便鉆桿或套管能夠自由上提。

3 卡瓦的結(jié)構(gòu)示意

此卡瓦采用單氣缸驅(qū)動(dòng)，經(jīng)過平面幾何尺寸計(jì)算，利用反平行四邊形機(jī)構(gòu)（如圖2所示），能夠使兩側(cè)卡瓦體在左右動(dòng)臂的驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)工作過程，卡瓦的整體結(jié)構(gòu)簡圖如圖3所示。

［1］ 宿官禮.鉆井動(dòng)力卡瓦的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械,2004（S1）.

［2］ 劉躍寶.動(dòng)力卡瓦的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其參數(shù)優(yōu)化［D］.大慶：大慶石油學(xué)院,2012.

［3］ 趙海娜.油田鉆井新型氣動(dòng)卡瓦的研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué),2006.

［4］ 姜建勝，劉敏，高永霞.新型鉆井液壓動(dòng)力卡瓦控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.液壓與氣動(dòng),2011（10）.

［5］ 白雪.渤海裝備成功研制國內(nèi)鉆井新型動(dòng)力卡瓦［J］.石油鉆采工藝,2012（2）.

［6］ 田東海，呂瑞典，周錫容.動(dòng)力卡瓦的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀［J］.機(jī)械,2007（S1）.

［7］ 余維初，胡瓊，肖想松，等.新型鉆桿液壓動(dòng)力卡瓦的研制與應(yīng)用［J］.石油天然氣學(xué)報(bào),2011（11）.

［8］ 王憶川，儲(chǔ)明來，丁建林.新型氣動(dòng)鉆桿卡瓦在鉆井生產(chǎn)中的應(yīng)用［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械,2006（S1）.

［9］ 儲(chǔ)明來，丁建林.氣動(dòng)套管卡瓦的研制與應(yīng)用［C］.2006年石油裝備學(xué)術(shù)研討會(huì),長沙，2006.

［10］陳傳溥.卡瓦在鉆井工程中的作用和使用特點(diǎn)［J］.石油機(jī)械,1989（4）.