【導(dǎo)讀】來(lái)對(duì)待井下作業(yè)，即保護(hù)井內(nèi)的油氣層，不壓井作業(yè)技術(shù)能很好地滿足這一要求。以對(duì)不壓井作業(yè)起下管柱裝置進(jìn)行深入研究有重要的現(xiàn)實(shí)意義。柱作業(yè)過(guò)程中密封更可靠。學(xué)特性以及對(duì)井架結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性分析。設(shè)計(jì)中根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際為依據(jù)，使設(shè)計(jì)更具有現(xiàn)實(shí)意義，為后續(xù)研究提供理論依據(jù)。

　　

【正文】 20 第 3 章 液壓動(dòng)力卡瓦設(shè)計(jì)與分析 隨著我國(guó)大部分油氣田進(jìn)入中、后期開(kāi)發(fā)，修井作業(yè)任務(wù)也變得越來(lái)越繁重。目前修井作業(yè)起下管柱操作主要由人工操作開(kāi)口型液壓鉗和倒換吊卡來(lái)完成?，F(xiàn)有技術(shù)存 在如下缺點(diǎn)：效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、安全性差以及易造成井下地層環(huán)境污染等 問(wèn)題 。 自動(dòng)化程度低 ，人為 操作失誤會(huì)造成重大的設(shè)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(dòng)強(qiáng)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(dòng)力卡瓦。 動(dòng)力卡瓦 是不壓井 作業(yè) 裝置 的重要組成部分 。 隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步 ， 動(dòng)力卡瓦的設(shè)計(jì)也隨之向前發(fā)展。動(dòng)力卡瓦的設(shè)計(jì)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(qū)動(dòng) 升降裝置或彈性裝置下壓楔塊機(jī)構(gòu) ， 并利用楔塊的自鎖特性 ， 用自重將管柱鎖緊 。 無(wú)論哪種設(shè)計(jì)思路 ，卡瓦的主要結(jié)構(gòu)均由 卡瓦牙 模 、卡瓦體、卡瓦座 、升降機(jī)構(gòu)以及控制系統(tǒng)等組成 。 設(shè)計(jì) 動(dòng)力卡瓦 時(shí)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(jié)構(gòu)緊湊，體積?。? 4)在起下油管或抽油桿柱 時(shí)卡瓦夾緊 油管或抽油桿柱 并移動(dòng)到指定的位置； 5)能平穩(wěn)的松開(kāi)夾緊的油管或抽油桿柱； 6)在突發(fā)故障時(shí)能夾住油管或抽油桿柱不動(dòng)； 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(dòng)力卡瓦發(fā)展現(xiàn)狀 卡瓦的自動(dòng)化操作是石油設(shè)備生產(chǎn)廠家、研究單位一直研究的一個(gè)課題。早在 上個(gè)世紀(jì) 70 年代 ， 前蘇聯(lián)就研制出了動(dòng)力卡瓦，但由于體積較大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜 以及 制造工藝差 等原因 ，未能推廣使用。世界上生產(chǎn)動(dòng)力卡瓦的廠家很多，而其中最著名的是美國(guó)的DENCON 公司和 VARCOBJ 公司。 DENCON 公司和 VARCOBJ 公司生產(chǎn)的動(dòng)力卡瓦分為氣動(dòng)和 液動(dòng)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(chǎn)的動(dòng)力卡瓦在 世界各 油氣田廣泛應(yīng)用并且優(yōu)勢(shì)明顯，技術(shù)一直居世界領(lǐng)先水平，可以取代 雙吊卡倒換方式 。DENCON 公司 生產(chǎn)的動(dòng)力卡瓦在我國(guó) 具有廣闊的推廣應(yīng)用前景 ，市 場(chǎng)潛力巨大 ，在我 國(guó)西南石油大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 21 海洋油 氣 田已得到 廣泛 應(yīng)用并取得良好的應(yīng)用效果 [22]。 雖然國(guó)外在動(dòng)力卡瓦的 技術(shù)領(lǐng)域取得了領(lǐng)先，但是存在 價(jià)格昂貴 ，難以與我國(guó)現(xiàn)用的陸上井下作業(yè)設(shè)備配套等原因，未能在我國(guó) 推廣使用。 與發(fā)達(dá)國(guó)家相比較，我國(guó)的石油設(shè)備相對(duì)落后。在卡瓦的使用上，國(guó)外基本采用機(jī)械手 、動(dòng)力卡瓦，而目前我國(guó) 大部分油氣田 起下管柱 作業(yè)時(shí)，大都采用雙吊卡或單吊卡加手提式卡瓦作業(yè)方式，自動(dòng)化程度低、 起下管柱作業(yè) 效率低、 工人勞動(dòng)強(qiáng)度大、安全性能低 ， 且人為的 操作失誤 往往會(huì)導(dǎo)致 重大的設(shè)備和人身事故。針對(duì)這些問(wèn)題，我國(guó)的 許多科研單位和部分廠家已開(kāi)發(fā)研制出一些適合我國(guó)井下作業(yè) 情況的動(dòng)力卡瓦。 如 江蘇如東通用機(jī)械廠生產(chǎn)的一種 QD 型氣動(dòng) 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(guó)內(nèi)在動(dòng)力卡瓦的研究還有 許多 工作要做。 本文設(shè)計(jì)的液壓動(dòng)力卡瓦 結(jié)構(gòu)與工作原理 目前 ，國(guó)內(nèi)外對(duì) 動(dòng)力卡瓦 的 研究 重點(diǎn) 主要在 不壓井 作業(yè) 設(shè)備 的 使用中。如何 在保證動(dòng)力 卡瓦可靠 地夾緊 管柱的 同時(shí)，使動(dòng)力 卡瓦 的 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 緊湊 、質(zhì)量輕、操作簡(jiǎn)便、 通用性 和互換性將是今后研究動(dòng)力卡瓦的重點(diǎn)。目前， 國(guó)內(nèi)各油 氣田 修井作業(yè) 設(shè)備 急需改進(jìn)， 但又不能全部棄用現(xiàn)有設(shè)備。國(guó)外 不壓井 修井 設(shè)備 性能較好，但價(jià)格昂貴，不適合我國(guó) 油氣田的 實(shí)際情況。因此， 在動(dòng)力卡瓦 設(shè)計(jì)研究時(shí) 應(yīng) 與 國(guó)內(nèi)現(xiàn)有 的修井作業(yè) 設(shè)備，修井井口作業(yè)設(shè)備 相結(jié)合 。 不壓井作業(yè)要求不壓井作業(yè)裝置的卡瓦能實(shí)現(xiàn)管柱處于“管重”或“管輕”狀況下快速、可靠的卡緊和松開(kāi)管柱。為滿足不要壓井作業(yè)對(duì)卡瓦要求，本文 提出了一種不壓井動(dòng)力卡瓦，實(shí)現(xiàn)了管柱在“管重”或“管輕”狀況下自動(dòng)卡緊、松開(kāi)管柱，在起下管柱作業(yè)過(guò)程中將大大減輕井口操作工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí) 具有 起下管柱速度快、作業(yè)效率高 的優(yōu)點(diǎn) 。 本文 設(shè)計(jì)的液壓動(dòng)力卡瓦結(jié)構(gòu)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(shí)現(xiàn)對(duì)管、桿柱的卡緊。上下兩組卡瓦組件對(duì)稱(chēng)安裝，采用液壓缸做動(dòng)力，通過(guò)提升桿 8提放卡瓦體 4，液壓缸 3固定在卡瓦座 2 上。當(dāng)液壓缸 3帶動(dòng)提升桿8上行時(shí)，同時(shí)也帶 動(dòng)卡瓦體 5 上行，從而使卡瓦體張開(kāi)，使得油管或抽油桿柱從卡瓦中心自由通過(guò)。當(dāng)液壓缸 3帶動(dòng)提升桿 8 下行時(shí)，卡瓦體 4 推動(dòng)油管或抽油桿柱居中，隨之使卡瓦體 5沿卡瓦座 2內(nèi)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(guò)程中，由于井口密封， 井內(nèi)壓力會(huì)給油管或抽油桿柱一個(gè)上頂力。當(dāng)油管或抽油桿重力不足以克服井內(nèi)壓力造成的上頂力時(shí)，這種現(xiàn)象稱(chēng)為“管輕”，這時(shí)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(dāng)油管或抽油桿柱重力大于上頂力時(shí)，這種現(xiàn)象稱(chēng)為“管重”，這時(shí)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(nèi)。 不壓井修井作業(yè)起下管柱裝置設(shè)計(jì)與分析 22 圖 31 液壓動(dòng)力卡瓦結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)計(jì)算 分析 卡瓦牙均布?jí)毫?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(duì)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(xué)碩士研究生學(xué)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(duì)卡瓦體均布正壓力， N/mm2； Nfq — 卡瓦座對(duì)卡瓦體 的 分 布 摩擦力， N/mm2； NNNfq f q? (32) Nf — 卡瓦座對(duì) 卡瓦體的摩擦系數(shù)； bq — 油管柱對(duì)卡瓦牙模的 均 布?jí)毫Γ?N/mm2； fq — 油管柱對(duì)卡瓦牙模的分布摩擦力， N/mm2； f b bq f q? (33) bf — 油管柱對(duì)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(zhǎng)， 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(chēng)為橫向載荷系數(shù)。 當(dāng)卡瓦卡住管柱時(shí)，卡瓦對(duì)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(duì) 卡瓦牙 模的 均布?jí)毫?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(guān)于卡瓦卡緊管柱的力分析學(xué)模型主要 有兩種：一種是美國(guó) API 厚壁筒工程不壓井修井作業(yè)起下管柱裝置設(shè)計(jì)與分析 24 實(shí)用算法，如圖 33(a)所示 [26]；另一種是前蘇聯(lián) A ?A ?達(dá)烈揚(yáng)將管柱簡(jiǎn)化成薄殼算法，圖 33(b)所示 [27]。 圖 33 卡瓦卡緊油管柱時(shí)油管柱的力學(xué)分析 API 推薦的計(jì)算公式是假定卡瓦與 管柱接觸壓力均勻分布，并認(rèn)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(dá)烈揚(yáng)認(rèn)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(duì)稱(chēng)變形理論考慮了管壁的縱向彎曲應(yīng)力，但是沒(méi)有考慮縱向彎曲和軸向拉應(yīng)力對(duì) 切向應(yīng)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(yīng)力對(duì)切向應(yīng)力的影響是不應(yīng)該忽略的。但為簡(jiǎn)化計(jì)算，關(guān)于卡瓦卡緊管柱的力分析學(xué)模型常 采用美國(guó) API 厚壁筒 工程實(shí)用算法 。 根據(jù)彈性變形理論，將管柱視為受均布?jí)毫o(wú)限長(zhǎng)的筒體，在卡瓦卡緊管柱段內(nèi)任一平面內(nèi)取一微元體 P，如圖 34所示。顯然，應(yīng)力分布是軸對(duì)稱(chēng)的，由厚壁筒拉梅公式 [28]： 圖 34 管柱受均布?jí)毫D 西南石油大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 25 22212222212212222122222122121111111ra ba bRRrrqqRRRRRRrrqqRRRR??????????????????? ? ???????? (38) 由于管柱只有外壓沒(méi)有內(nèi)壓，即 0aq? 。管柱應(yīng)力危險(xiǎn)點(diǎn)處于卡瓦下端管柱外壁，其應(yīng)力為： 徑向應(yīng)力： r bq? ?? (39) 切向應(yīng)力： 22212221 bRRqRR?? ??? ? (310) 軸向應(yīng)力： 2221()z GRR? ?? ? (311) 根據(jù)第三強(qiáng)度理論 強(qiáng)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(guān)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(jì)算得出 橫向載荷系數(shù) K =。 取國(guó)產(chǎn) D 級(jí) 122 加厚油管， 在 4000m 管柱懸重下， 把 相關(guān)參數(shù) (其中 49???，650s? ? MPa， ? )代入 (312)式進(jìn)行計(jì)算 求得卡瓦牙模高 H為 260mm。圖 35 是按(312)式進(jìn)行計(jì)算 得出的 卡瓦牙模高度 H 與管柱懸重 G 間的關(guān)系 變化曲線。 不壓井修井作業(yè)起下管柱裝置設(shè)計(jì)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(guān)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(guān)系 ； (2)當(dāng)卡瓦牙模高度 H小于 200mm 時(shí) , 卡瓦牙模高度每增加 50mm，管 柱懸重增加幅度較大； (3)當(dāng)卡瓦牙模高度 H 大 于 300mm 時(shí) ， 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(jié)構(gòu)尺寸上考慮， 卡瓦牙模高度 H取值范圍為 200mm～ 300mm。 卡瓦體設(shè)計(jì)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(xué)碩士研究生學(xué)位論文 27 卡瓦體主要承受來(lái)自卡瓦座 的 壓力 Nq 、 卡瓦牙模對(duì)卡瓦體 的壓力 bq? ( bb qq?? )、 卡瓦 座內(nèi)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(lái)自卡瓦卡緊管柱懸重 G 的