余維初 （長(zhǎng)江大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 荊州434023）

鄧思哲 （中國(guó)石油大學(xué) （北京）地球科學(xué)學(xué)院，北京102249）

童孝木 （中石化江漢石油工程公司鉆井一公司，湖北 潛江433123）

1 研究現(xiàn)狀

目前國(guó)內(nèi)各油田或地質(zhì)鉆井隊(duì)在進(jìn)行起下鉆井管桿時(shí)，一般都采用單吊卡與手提式卡瓦并用或直接采用雙吊卡的作業(yè)方式，這些方式均存在勞動(dòng)強(qiáng)度大，工作效率低，安全性能差等問(wèn)題。國(guó)外生產(chǎn)的氣動(dòng)鉆桿卡瓦在一定程度上減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度。但卡瓦體工作高度高，很難與國(guó)內(nèi)井口設(shè)備配套使用，不方便工作人員操作，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格昂貴，不利于在國(guó)內(nèi)推廣使用［1～4］。

國(guó)內(nèi)研制的氣動(dòng)鉆桿卡瓦，如 “動(dòng)力卡瓦”（專利號(hào)為02212500．0），提供了一種利用2個(gè)外置式氣缸為動(dòng)力的鉆桿卡瓦，氣缸固定在卡瓦座上面，2個(gè)氣缸采用獨(dú)立供氣，4根氣路管線擺放于鉆臺(tái)臺(tái)面上。自動(dòng)化程度較高，減少了井口操作工人，節(jié)約人力資源，有效降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。但存在卡瓦體實(shí)際工作高度高，不利于操作及井口設(shè)備配套使用；且氣路管線較多，導(dǎo)致裝卸麻煩，外置擺放易損壞氣路管線的問(wèn)題。

又如 “多功能全自動(dòng)鉆桿氣動(dòng)卡瓦”（專利號(hào)為200320100403．0），較好地克服了上述發(fā)明的不足，但由于該卡瓦體在提升和下放的過(guò)程中是通過(guò)活動(dòng)鉸鏈及卡瓦體的自重打開(kāi)的，在經(jīng)歷多次作業(yè)后，會(huì)出現(xiàn)如上銷軸固定螺絲滑扣、下銷軸彎曲變形、導(dǎo)向桿固定螺絲松動(dòng)等現(xiàn)象，工作可靠性較差。另外，當(dāng)出現(xiàn)鉸鏈銹蝕情況時(shí)，卡瓦不能全部打開(kāi)，易發(fā)生鉆桿接箍與卡瓦體相碰撞，導(dǎo)致卡瓦裝置損壞的事故。

上述兩種氣動(dòng)卡瓦均使用階梯形卡瓦座，此種階梯形卡瓦座必須與專用卡瓦體配合一對(duì)一使用，不能兼顧使用手提式卡瓦；且卡瓦座下部開(kāi)口偏小，在傾斜角度偏大的井中起下鉆時(shí)，鉆桿及接箍容易磕碰損壞卡瓦體，嚴(yán)重時(shí)，起鉆會(huì)拖帶出卡瓦座。同時(shí)，在換鉆頭、倒劃眼、旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤等操作過(guò)程中，必須把卡瓦整體起吊出井，嚴(yán)重影響了作業(yè)效率。

2 帶標(biāo)準(zhǔn)補(bǔ)心的氣動(dòng)卡瓦原理及其主要結(jié)構(gòu)

2.1 原理

該帶標(biāo)準(zhǔn)補(bǔ)心的氣動(dòng)卡瓦可完全取代轉(zhuǎn)盤大方瓦安裝于原轉(zhuǎn)盤大方瓦孔內(nèi)，其氣缸活塞桿及導(dǎo)向桿與支撐盤采用固定方式連接，卡瓦體通過(guò)連接片與支撐盤相連。工作時(shí)，卡瓦體沿卡瓦座錐面下行，同時(shí)向中心收攏，將鉆桿卡緊；反之，卡瓦體沿卡瓦座錐面上行的同時(shí)向外張開(kāi)，松開(kāi)鉆桿，鉆桿可從卡瓦中心的通道自由通過(guò)［3］。

該卡瓦的升降過(guò)程是靠氣缸帶動(dòng)支撐板經(jīng)過(guò)連接片帶動(dòng)卡瓦體進(jìn)行動(dòng)作的。在氣缸拉力、卡瓦體自重、鉆桿與卡瓦體摩擦力的共同作用下，卡瓦體完成松開(kāi)動(dòng)作；在氣缸推力和鉆桿與卡瓦體的摩擦力作用下，卡瓦體完成卡緊動(dòng)作。氣缸的所有動(dòng)作由司鉆操作臺(tái)上的氣控閥進(jìn)行控制。

該帶標(biāo)準(zhǔn)補(bǔ)心的氣動(dòng)卡瓦可通過(guò)更換不同規(guī)格的卡瓦體來(lái)滿足不同轉(zhuǎn)盤規(guī)格、鉆桿直徑等不同需求的作業(yè)。

2.2 主要結(jié)構(gòu)

該帶標(biāo)準(zhǔn)補(bǔ)心的氣動(dòng)卡瓦由卡瓦座、氣缸、活塞桿、卡瓦體、支撐盤、配氣座、銷軸及氣路管線構(gòu)成，結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，其特征在于：2塊卡瓦座通過(guò)鉸鏈連接為一個(gè)整體，卡瓦座體內(nèi)制作有四個(gè)氣缸，氣缸內(nèi)裝有活塞桿，活塞桿上端通過(guò)開(kāi)槽螺母固裝有支撐盤和連接片耳榫，支撐盤與連接片耳榫通過(guò)內(nèi)六角螺絲固接；連接片耳榫通過(guò)連接片裝有卡瓦體，卡瓦體內(nèi)弧面上通過(guò)卡瓦牙固定螺絲安裝有卡瓦牙；卡瓦座上面安裝有配氣座并通過(guò)凹槽放置有氣路管線；卡瓦座底部安裝有耐磨環(huán)。

圖1 帶標(biāo)準(zhǔn)補(bǔ)心的氣動(dòng)卡瓦的結(jié)構(gòu)圖

3 帶標(biāo)準(zhǔn)補(bǔ)心的氣動(dòng)卡瓦的使用及特點(diǎn)

3.1 起下鉆作業(yè)工作過(guò)程

進(jìn)行起鉆作業(yè)時(shí)，司鉆操作先將管桿掛住，開(kāi)啟氣控閥使配氣座從氣缸的底部進(jìn)氣，使活塞桿上升，活塞桿通過(guò)支撐盤和連接片帶動(dòng)卡瓦體進(jìn)行上行；同時(shí)管桿被向上提起，卡瓦體利用管桿與卡瓦牙的摩擦力向外擴(kuò)開(kāi)，給管桿讓開(kāi)通道使其上行。需要卡住管桿時(shí)，在停止提升管桿的同時(shí)通過(guò)氣控閥控制配氣座，從氣缸上部進(jìn)氣，此時(shí)活塞桿下行，拉動(dòng)支撐盤下降，4片卡瓦體沿卡瓦座的內(nèi)圓錐面下行，中心開(kāi)口直徑和開(kāi)口角度逐漸減小，直至卡緊管桿為止。在卡瓦體內(nèi)圓表面的鍵槽中安裝有卡瓦牙，卡瓦牙卡緊管桿后能防止其下滑，且?guī)в幸欢ǖ姆垒S向轉(zhuǎn)動(dòng)的功能，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)管桿的種類 （鉆桿、鉆鋌和套管）和材質(zhì)的不同，可選擇相應(yīng)的卡瓦牙，以達(dá)到安全可靠、操作合理、減少管桿劃傷的目的。

卡瓦在進(jìn)行下鉆作業(yè)時(shí)與起鉆作業(yè)時(shí)的工作過(guò)程基本相同，提住管桿的同時(shí)使配氣座從氣缸的底部進(jìn)氣，松開(kāi)卡瓦體，下放管桿，然后通過(guò)氣控閥控制配氣座從氣缸上部進(jìn)氣，由卡瓦體收縮卡緊管桿。

當(dāng)井口偏斜嚴(yán)重以及換鉆頭、倒劃眼、旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤等工作時(shí)，取下卡瓦體，由于卡瓦座的中心孔為內(nèi)圓錐面，則使用手提式卡瓦能滿足非正常情況作業(yè)。

3.2 主要特點(diǎn)

1）通過(guò)1個(gè)配氣座同時(shí)給4個(gè)氣缸供氣，保證了氣缸升降的同步性，減少了鉆井工作臺(tái)面的氣路管線數(shù)量，自動(dòng)化程度高，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度；裝配、拆卸方便，增強(qiáng)了作業(yè)的安全性。

2）多功能管桿氣動(dòng)卡瓦采用全內(nèi)置式氣缸，大部分氣路結(jié)構(gòu)置于卡瓦座內(nèi)，在工作過(guò)程中工作面基本上與鉆臺(tái)面平齊，降低了工作臺(tái)高度，方便液壓大鉗的輔助操作。

3）配套設(shè)置中的氣控單向閥決定了氣動(dòng)卡瓦在工作過(guò)程中的安全性，可使卡瓦體在張開(kāi)狀態(tài)下出現(xiàn)突然泄氣的情況時(shí)不下滑。

4）采用標(biāo)準(zhǔn)方補(bǔ)心的卡瓦座，需要用不同規(guī)格的鉆桿進(jìn)行起下鉆作業(yè)時(shí)，可通過(guò)更換不同規(guī)格的卡瓦體來(lái)實(shí)現(xiàn)，卸下卡瓦體后能滿足使用手提式卡瓦非正常情況下?lián)Q鉆頭、倒劃眼、旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤等工作，實(shí)現(xiàn)了鉆井氣動(dòng)卡瓦的多功能性，提高了工作效率。

5）在ZP205、ZP275以及ZP375等系列修井機(jī)和鉆井轉(zhuǎn)盤上同樣適用，應(yīng)用范圍廣泛。

4 帶標(biāo)準(zhǔn)補(bǔ)心的氣動(dòng)卡瓦的應(yīng)用及前景分析

帶標(biāo)準(zhǔn)補(bǔ)心的氣動(dòng)卡瓦依靠其內(nèi)置式氣缸來(lái)推動(dòng)卡瓦體的運(yùn)動(dòng)，通過(guò)卡瓦體的打開(kāi)和收攏來(lái)控制對(duì)管桿的松開(kāi)和卡緊狀態(tài)，該卡瓦的優(yōu)點(diǎn)比較突出，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1）該卡瓦采用全內(nèi)置式氣缸及氣路結(jié)構(gòu)，通過(guò)一個(gè)配氣座同時(shí)給4個(gè)氣缸供氣，保證了氣缸升降的同步性，減少了鉆井工作臺(tái)面的氣路管線數(shù)量，避免了外置管線過(guò)多過(guò)高過(guò)長(zhǎng)給現(xiàn)場(chǎng)工人的行動(dòng)帶來(lái)不便，降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，增強(qiáng)了作業(yè)的安全性。

2）該卡瓦結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用安全可靠，裝配、拆卸方便，根據(jù)不同的需要，卸下卡瓦體后能滿足使用手提式卡瓦非正常情況下?lián)Q鉆頭、倒劃眼、旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤等工作，不需要將卡瓦整體吊出井，大大提高了起下鉆工作效率，在一定程度上降低了鉆井成本。

3）該卡瓦的卡瓦體工作在合適高度，提升及放下卡瓦體時(shí)不依靠鉸鏈和卡瓦體自重打開(kāi)，避免因活動(dòng)鉸鏈銹蝕或銷軸滑扣、松動(dòng)、彎曲變形而發(fā)生事故。

因此，將此帶標(biāo)準(zhǔn)補(bǔ)心的氣動(dòng)卡瓦應(yīng)用于鉆井作業(yè)中，增加了工作過(guò)程中的自動(dòng)化程度，減少了井口的人員配置，在保證工作人員安全性的同時(shí)大大提高了工作效率，具有較強(qiáng)的實(shí)用性和廣闊的推廣應(yīng)用前景。

本技術(shù)已獲得國(guó)家專利，專利號(hào)：ZL201220743857．9。

［1］儲(chǔ)明來(lái)，丁建林 ．氣動(dòng)套管卡瓦的研制與應(yīng)用 ［J］．石油機(jī)械，2006，34（9）：68～70．

［2］姜建勝 ．多功能鉆桿氣動(dòng)卡瓦的優(yōu)化設(shè)計(jì)及應(yīng)用 ［J］．石油機(jī)械，2008，36（9）：47～49．

［3］余維初 ．新型XDQW多功能管桿氣動(dòng)卡瓦的研究與應(yīng)用 ［J］．石油天然氣學(xué)報(bào) （江漢石油學(xué)院學(xué)報(bào)），2008，30（2）：155～157．

［4］余維初 ．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) （江漢石油學(xué)院學(xué)報(bào)），2011，33（11）：158～160．