【導讀】來對待井下作業(yè)，即保護井內的油氣層，不壓井作業(yè)技術能很好地滿足這一要求。以對不壓井作業(yè)起下管柱裝置進行深入研究有重要的現(xiàn)實意義。柱作業(yè)過程中密封更可靠。學特性以及對井架結構進行靜態(tài)和動態(tài)特性分析。設計中根據(jù)現(xiàn)場實際為依據(jù)，使設計更具有現(xiàn)實意義，為后續(xù)研究提供理論依據(jù)。

　　

【正文】 20 第 3 章 液壓動力卡瓦設計與分析 隨著我國大部分油氣田進入中、后期開發(fā)，修井作業(yè)任務也變得越來越繁重。目前修井作業(yè)起下管柱操作主要由人工操作開口型液壓鉗和倒換吊卡來完成?，F(xiàn)有技術存 在如下缺點：效率低、勞動強度大、安全性差以及易造成井下地層環(huán)境污染等 問題 。 自動化程度低 ，人為 操作失誤會造成重大的設備和人身事故 ， 特別手提式卡瓦重量 比較 大 ，都在 80 kg 以上 [20]。 為了減輕井口操作工人的 勞動強度，加速起下油管或抽油桿柱的速度、提高作業(yè)效率，可采用 動力卡瓦。 動力卡瓦 是不壓井 作業(yè) 裝置 的重要組成部分 。 隨著科學技術的進步 ， 動力卡瓦的設計也隨之向前發(fā)展。動力卡瓦的設計思路主要 有 以下 兩 種 [21]： 1)采用氣壓或液壓裝置直接作用， 使卡瓦 夾緊管柱； 2)采用氣壓或者液壓驅動 升降裝置或彈性裝置下壓楔塊機構 ， 并利用楔塊的自鎖特性 ， 用自重將管柱鎖緊 。 無論哪種設計思路 ，卡瓦的主要結構均由 卡瓦牙 模 、卡瓦體、卡瓦座 、升降機構以及控制系統(tǒng)等組成 。 設計 動力卡瓦 時要考慮以下因素 ： 1)要有足夠的夾緊能力； 2)操作靈活，夾緊速度快； 3)結構緊湊，體積?。? 4)在起下油管或抽油桿柱 時卡瓦夾緊 油管或抽油桿柱 并移動到指定的位置； 5)能平穩(wěn)的松開夾緊的油管或抽油桿柱； 6)在突發(fā)故障時能夾住油管或抽油桿柱不動； 7)卡瓦牙模硬度高，耐磨，摩擦系數(shù)大； 8)卡瓦牙模 更換方便。 動力卡瓦發(fā)展現(xiàn)狀 卡瓦的自動化操作是石油設備生產廠家、研究單位一直研究的一個課題。早在 上個世紀 70 年代 ， 前蘇聯(lián)就研制出了動力卡瓦，但由于體積較大、結構復雜 以及 制造工藝差 等原因 ，未能推廣使用。世界上生產動力卡瓦的廠家很多，而其中最著名的是美國的DENCON 公司和 VARCOBJ 公司。 DENCON 公司和 VARCOBJ 公司生產的動力卡瓦分為氣動和 液動兩種，其功能是一樣的，選取哪種卡瓦主要取決于用戶的需求。 DENCON 公司生產的動力卡瓦在 世界各 油氣田廣泛應用并且優(yōu)勢明顯，技術一直居世界領先水平，可以取代 雙吊卡倒換方式 。DENCON 公司 生產的動力卡瓦在我國 具有廣闊的推廣應用前景 ，市 場潛力巨大 ，在我 國西南石油大學碩士研究生學位論文 21 海洋油 氣 田已得到 廣泛 應用并取得良好的應用效果 [22]。 雖然國外在動力卡瓦的 技術領域取得了領先，但是存在 價格昂貴 ，難以與我國現(xiàn)用的陸上井下作業(yè)設備配套等原因，未能在我國 推廣使用。 與發(fā)達國家相比較，我國的石油設備相對落后。在卡瓦的使用上，國外基本采用機械手 、動力卡瓦，而目前我國 大部分油氣田 起下管柱 作業(yè)時，大都采用雙吊卡或單吊卡加手提式卡瓦作業(yè)方式，自動化程度低、 起下管柱作業(yè) 效率低、 工人勞動強度大、安全性能低 ， 且人為的 操作失誤 往往會導致 重大的設備和人身事故。針對這些問題，我國的 許多科研單位和部分廠家已開發(fā)研制出一些適合我國井下作業(yè) 情況的動力卡瓦。 如 江蘇如東通用機械廠生產的一種 QD 型氣動 卡瓦 ，既可夾持 管柱 也可作為吊卡起、下 管柱， 但其體積龐大 [23]。 所以國內在動力卡瓦的研究還有 許多 工作要做。 本文設計的液壓動力卡瓦 結構與工作原理 目前 ，國內外對 動力卡瓦 的 研究 重點 主要在 不壓井 作業(yè) 設備 的 使用中。如何 在保證動力 卡瓦可靠 地夾緊 管柱的 同時，使動力 卡瓦 的 結構簡單 緊湊 、質量輕、操作簡便、 通用性 和互換性將是今后研究動力卡瓦的重點。目前， 國內各油 氣田 修井作業(yè) 設備 急需改進， 但又不能全部棄用現(xiàn)有設備。國外 不壓井 修井 設備 性能較好，但價格昂貴，不適合我國 油氣田的 實際情況。因此， 在動力卡瓦 設計研究時 應 與 國內現(xiàn)有 的修井作業(yè) 設備，修井井口作業(yè)設備 相結合 。 不壓井作業(yè)要求不壓井作業(yè)裝置的卡瓦能實現(xiàn)管柱處于“管重”或“管輕”狀況下快速、可靠的卡緊和松開管柱。為滿足不要壓井作業(yè)對卡瓦要求，本文 提出了一種不壓井動力卡瓦，實現(xiàn)了管柱在“管重”或“管輕”狀況下自動卡緊、松開管柱，在起下管柱作業(yè)過程中將大大減輕井口操作工人的勞動強度，同時 具有 起下管柱速度快、作業(yè)效率高 的優(yōu)點 。 本文 設計的液壓動力卡瓦結構如圖 41 所示 [2 25]，主要由提升桿 卡瓦牙模 卡瓦體 液壓缸 卡瓦座 卡瓦架 1，壓蓋 7 等組成。由四塊卡瓦牙模 5 和卡瓦體4 組成一組卡瓦實現(xiàn)對管、桿柱的卡緊。上下兩組卡瓦組件對稱安裝，采用液壓缸做動力，通過提升桿 8提放卡瓦體 4，液壓缸 3固定在卡瓦座 2 上。當液壓缸 3帶動提升桿8上行時，同時也帶 動卡瓦體 5 上行，從而使卡瓦體張開，使得油管或抽油桿柱從卡瓦中心自由通過。當液壓缸 3帶動提升桿 8 下行時，卡瓦體 4 推動油管或抽油桿柱居中，隨之使卡瓦體 5沿卡瓦座 2內錐面燕尾槽下行收攏夾住油管或抽油桿柱。在不壓井起下油管或抽油桿柱作業(yè)過程中，由于井口密封， 井內壓力會給油管或抽油桿柱一個上頂力。當油管或抽油桿重力不足以克服井內壓力造成的上頂力時，這種現(xiàn)象稱為“管輕”，這時下卡瓦夾住油管或抽油桿柱阻止油管或抽油 桿柱被頂出井外。反之，當油管或抽油桿柱重力大于上頂力時，這種現(xiàn)象稱為“管重”，這時上卡瓦夾住油管或抽油桿柱阻 止油管或抽油桿柱落入井內。 不壓井修井作業(yè)起下管柱裝置設計與分析 22 圖 31 液壓動力卡瓦結構圖 1卡瓦架； 2卡瓦座； 3液壓缸； 4卡瓦體 ； 5卡瓦壓模； 6管柱； 7壓蓋； 8提升桿 主要設計計算 分析 卡瓦牙均布壓力 bq 的確定 取一組卡瓦牙模和卡瓦體 組成的卡瓦組件 作為受力分析對象，其受力如 32圖所示。 圖 32 卡瓦與管柱受力圖 1管柱 ； 2卡瓦牙模 ； 3卡瓦體 ； 4卡瓦座 西南石油大學碩士研究生學位論文 23 由卡瓦受力平衡得： 2si n c os 0c os si n 0N N f fN N f bH H HH H Hq w q w q Rq w q w q w? ? ????????? ? ?? ? ? (31) 式中， Nq — 卡瓦座對卡瓦體均布正壓力， N/mm2； Nfq — 卡瓦座對卡瓦體 的 分 布 摩擦力， N/mm2； NNNfq f q? (32) Nf — 卡瓦座對 卡瓦體的摩擦系數(shù)； bq — 油管柱對卡瓦牙模的 均 布壓力， N/mm2； fq — 油管柱對卡瓦牙模的分布摩擦力， N/mm2； f b bq f q? (33) bf — 油管柱對卡瓦牙模的摩擦系數(shù)； 2R — 管柱外半徑， mm； ? — 卡瓦體與卡瓦座接觸面傾斜角，176。； ? — 卡瓦牙模環(huán)形包角， rad； w — 卡瓦牙模弦長， mm。 2 sin 22wR ???????? (34) 將 (32)、 (33)、 (34)式帶入 (31)式，整理得： 2 si n( )21 t a n1 t a nNNbfff ?????? ? (35) 令2 si n( )21 ta nta nNNfK f ?????? ? ， K 稱為橫向載荷系數(shù)。 當卡瓦卡住管柱時，卡瓦對油管的摩擦力與管柱的懸重 G相等，即： 24 bb HG f q R?? (36) 將 (35)式帶入 (36)， 整理得 油管柱對 卡瓦牙 模的 均布壓力 bq ： 2244 2 si n( )21 t a nt a nNb NG K GH R H Rfq f ? ????? ??? ? (37) 卡瓦牙 模 高 度 H 的確定 目前 , 關于卡瓦卡緊管柱的力分析學模型主要 有兩種：一種是美國 API 厚壁筒工程不壓井修井作業(yè)起下管柱裝置設計與分析 24 實用算法，如圖 33(a)所示 [26]；另一種是前蘇聯(lián) A ?A ?達烈揚將管柱簡化成薄殼算法，圖 33(b)所示 [27]。 圖 33 卡瓦卡緊油管柱時油管柱的力學分析 API 推薦的計算公式是假定卡瓦與 管柱接觸壓力均勻分布，并認為卡瓦段管體的變形不受兩端管體的影響；前蘇聯(lián) A ?A ?達烈揚認為卡瓦與管柱壓力非均勻分布，將管柱視為薄殼，徑向變形相等，按薄殼對稱變形理論考慮了管壁的縱向彎曲應力，但是沒有考慮縱向彎曲和軸向拉應力對 切向應力的影響。在管柱直徑較大或者卡瓦牙模較短的情況下，縱向彎曲和軸向拉應力對切向應力的影響是不應該忽略的。但為簡化計算，關于卡瓦卡緊管柱的力分析學模型常 采用美國 API 厚壁筒 工程實用算法 。 根據(jù)彈性變形理論，將管柱視為受均布壓力無限長的筒體，在卡瓦卡緊管柱段內任一平面內取一微元體 P，如圖 34所示。顯然，應力分布是軸對稱的，由厚壁筒拉梅公式 [28]： 圖 34 管柱受均布壓力圖 西南石油大學碩士研究生學位論文 25 22212222212212222122222122121111111ra ba bRRrrqqRRRRRRrrqqRRRR??????????????????? ? ???????? (38) 由于管柱只有外壓沒有內壓，即 0aq? 。管柱應力危險點處于卡瓦下端管柱外壁，其應力為： 徑向應力： r bq? ?? (39) 切向應力： 22212221 bRRqRR?? ??? ? (310) 軸向應力： 2221()z GRR? ?? ? (311) 根據(jù)第三強度理論 強度條件 ： ? ?13 ssz n? ? ?? ? ? ? ?? ? ? ?(sn 為安全系數(shù)， s? 為管柱 材料 屈服極限 )， 把 (310)、 (311)及 (37)式代入求得卡瓦牙模高度 H 與管柱懸重 G間的關系 為 ： 2221222 2 1()()4 sssn nGK G R RH R R R ???? ??????? ? (312) 通常 取 49???， ? [29]， ? =9176。 27′ 45 [30]， 代入 (35)式計算得出 橫向載荷系數(shù) K =。 取國產 D 級 122 加厚油管， 在 4000m 管柱懸重下， 把 相關參數(shù) (其中 49???，650s? ? MPa， ? )代入 (312)式進行計算 求得卡瓦牙模高 H為 260mm。圖 35 是按(312)式進行計算 得出的 卡瓦牙模高度 H 與管柱懸重 G 間的關系 變化曲線。 不壓井修井作業(yè)起下管柱裝置設計與分析 26 0501001502002503003504004500 50 100 150 200 250 300 350 400 450卡瓦牙模高度H ，m m管柱懸重G，kN 圖 35 卡 瓦牙模高度 H 與管柱懸重 G 間的關系變化曲線 從圖 35可以得出： (1)卡瓦牙模高度 H 與管柱懸重 G 呈 遞增 關系 ； (2)當卡瓦牙模高度 H小于 200mm 時 , 卡瓦牙模高度每增加 50mm，管 柱懸重增加幅度較大； (3)當卡瓦牙模高度 H 大 于 300mm 時 ， 卡瓦牙模高度每增加 50mm，管柱懸重增加幅度不足 4%。從卡瓦 整體結構尺寸上考慮， 卡瓦牙模高度 H取值范圍為 200mm～ 300mm。 卡瓦體設計與分析 卡瓦體的 主要作用 是固定卡瓦牙 模， 其受力 如圖 36所示。 圖 36 卡瓦體受力圖 西南石油大學碩士研究生學位論文 27 卡瓦體主要承受來自卡瓦座 的 壓力 Nq 、 卡瓦牙模對卡瓦體 的壓力 bq? ( bb qq?? )、 卡瓦 座內錐面 與卡瓦體背錐面 的摩擦力 Nfq 以及 在 管柱懸重狀態(tài)下卡瓦體底部承受來自卡瓦卡緊管柱懸重 G 的