卡瓦作用下钻杆的损伤机理及对策

卡瓦作用下钻杆的损伤机理及对策
纪永超
【摘要】@@%卡瓦体背锥与转盘补心间的摩擦系数μ对钻杆所受径向载荷影响极大.为保证卡瓦能牢固地夹持住钻杆,应选取较小的μ值；而为使钻杆承受较小的径向载荷,μ值应较大.实际操作中应通过室内实验及现场试验,在保证卡瓦能有效夹持钻杆的基础上获得较大的摩擦系数.卡瓦与补心不符API标准,卡瓦与钻杆规格不对应,使用损坏的牙板,牙板新旧混装,摩擦系数过小或过大,用卡瓦旋转钻杆以及钻杆振动等都易加剧钻杆的损伤,使用过程中应避免这些情况的出现.
【期刊名称】《油气田地面工程》
【年(卷),期】2012(031)010
【总页数】2页(P20-21)
【关键词】卡瓦;钻杆;损伤;径向载荷;摩擦系数
【作者】纪永超
【作者单位】江苏信息职业技术学院机电系
【正文语种】中文
钻杆卡瓦是一种在起下钻过程中与吊卡结合用于将钻杆夹紧的井口装置。

卡瓦主要是通过卡瓦体与补心配合，给卡瓦牙施加一个横向载荷使其咬入钻杆表层，通过摩擦力克服钻杆的重力载荷。

随着我国钻井逐步向深井和超深井发展，卡瓦承受源自钻杆的负荷增加，再加上深井钻井本身复杂的工艺特性，卡瓦作用下的钻杆容易损伤失效而损坏钻井工具，甚至导致钻井事故。

因此，有必要对卡瓦作用下钻杆的受
力进行分析，了解钻杆的损伤机理，并提出降低钻杆损伤措施。

对卡瓦夹紧钻杆过程的受力情况进行分析，如图1所示。

图中P为单片卡瓦体所
承受钻杆的负荷，Q为钻杆所受径向力，G为卡瓦体背锥所受支反力，F为卡瓦体背锥所受摩擦力，α为卡瓦体背锥斜角，石油行业中该角度已标准化。

实际所用卡瓦中，牙板通过燕尾槽安装于卡瓦体中，卡瓦与钻杆形成的系统处于受力平衡状态，卡瓦在x与y方向合力为零，即有
又有
式中μ为卡瓦体背锥面与补心间的摩擦系数。

联立方程组（1）和方程（2）可得
到
由公式（3）可知，钻杆所受径向载荷与P和随μ的减小而增大，即摩擦系数μ越小，径向载荷越大。

因此，应尽量保证卡瓦体与补心间较大的摩擦系数，可以通过保持卡瓦体背锥面与补心间干燥环境，从而获得二者间理想的摩擦系数及较小的径向载荷。

卡瓦在操作过程中，可能存在无法咬紧而打滑的情况，此时卡瓦牙对钻杆的损伤极大。

设卡瓦牙与钻杆间的当量摩擦系数为μ′，则卡瓦牙与钻杆间的摩擦力为
要使卡瓦有效地夹持住钻杆，必须满足
结合式（3）得到
由式（6）可知，卡瓦体背锥与补心间的摩擦系数μ越大，越大，当量摩擦系数μ′所要求满足的条件就越高，即要求μ′较大数值，出现打滑现象的可能性增大。

综上分析，为使卡瓦能牢固地夹持住钻杆，应选取较小的μ；而为使钻杆承受较小的径向载荷，应当选取较大的μ。

因此，操作过程应通过室内实验及现场试验，在保证卡瓦能有效夹持钻杆的基础上获得较大的摩擦系数。

2.1 轴向载荷过大
根据公式（3）可知，钻杆所受径向载荷与轴向载荷成正比关系，因此当轴向载荷
过大时将导致钻杆受卡瓦牙作用的径向载荷过大，钻杆会因应力过高而失效。

卡瓦作用下钻杆的正应力为
式中P为钻杆轴向重量载荷；S为钻杆横截面积。

结合拉梅公式
式中W为钻杆单位表面压力；a,b分别为钻杆的内径和外径。

根据第四（变形能）强度理论
式中σT为钻杆的屈服极限。

将上述的σ1和σ2代入上式得到钻杆承受的极限载荷为
式中α为卡瓦体背锥斜角（已标准化）；A2为钻杆与卡瓦牙作用面的面积。

2.2 承受不均匀径向载荷
钻杆承受源于卡瓦牙不均匀的径向载荷是钻杆产生损伤的最主要原因。

卡瓦牙的硬度（约HRC60）远大于钻杆硬度（约HRC24），一旦卡瓦存在结构、精度或操
作方面的问题时，载荷将作用于卡瓦的部分齿上，使得该处钻杆应力集中，容易出现深凹坑。

而凹坑或咬痕深处承载强度下降，容易发生屈服甚至缩颈。

当补心或卡瓦背锥不符合标准时，或者卡瓦牙背面与卡瓦体配合面存在较大误差时，容易造成卡瓦对钻杆施载不均而使钻杆产生较大的损伤。

转盘上的补心承受钻杆重力载荷，与卡瓦等装置产生磨损，而实际上钻井现场很少检查或更换补心，忽视了补心的变形及磨损对钻杆产生的影响。

除此之外，使用明显损坏的牙板以及卡瓦牙新旧混装也容易加剧钻杆损伤。

2.3 钻杆滑移
卡瓦作用下钻杆滑移是钻杆损伤的另一重要原因。

针对不同规格的钻杆，卡瓦标准中规定使用对应规格的卡瓦。

当卡瓦内径大于钻杆外径时，可能存在即使卡瓦体完全合拢也无法夹持住钻杆的情况，钻杆在自重下快速下滑，钻杆接头与卡瓦形成强烈冲击，在滑移过程中可能存在咬痕，对钻杆损伤较大。

当卡瓦内径小于钻杆外径
时，卡瓦体尚未达到预定的合拢程度，卡瓦牙便咬紧钻杆，部分卡瓦牙无法受力，致使钻杆受力集中。

（1）使用符合API标准的卡瓦及补心，定期检查卡瓦体背锥及补心的磨损情况。

（2）所用卡瓦与钻杆规格对应，避免卡瓦内径与钻杆外径不同，例如现场常将5″和512″钻杆所用的卡瓦混用，对钻杆损伤极大。

（3）避免使用损坏的牙板，这种卡瓦牙容易造成钻杆受力不均，导致应力集中。

（4）牙板新旧混装的卡瓦容易使钻杆受力不均，目前卡瓦基本都能更换牙板，而牙板成本相对较低，因此牙板最好成套更换。

（5）保证卡瓦背锥与转盘补心良好的摩擦环境，确保卡瓦夹持钻杆时钻杆不滑移，同时尽量保持摩擦表面干燥，减小钻杆径向载荷。

（6）对卡瓦牙板结构进行优化，选用适宜的卡瓦牙板。

（7）避免将卡瓦用于夹持钻杆以外的操作，如将卡瓦用于旋转钻杆等。

（1）通过对卡瓦夹持钻杆的受力模型进行分析可知，卡瓦体背锥与转盘补心间的摩擦系数μ对钻杆所受的径向载荷影响极大。

要保证钻杆有效地夹持卡瓦，应选
取较小的μ值；而为使钻杆承受尽可能小的径向载荷，应选取较大的μ。

实际操
作中，应当在计算基础上结合室内实验及现场试验确定卡瓦体背锥与补心间的润滑情况。

（2）卡瓦与补心不符API标准，卡瓦与钻杆规格不对应，使用损坏的牙板，牙板新旧混装，摩擦系数过小或过大，用卡瓦旋转钻杆以及钻杆振动等都易加剧钻杆的损伤，使用过程中应避免这些情况的出现。

卡瓦牙与钻杆直接作用，可对其倾角、齿间距和齿高等参数进行优化。