修井作业自动卡瓦设计(60t)

目 录
第 1 章 前言.........................................................1 第 2 章 卡瓦的发展概况...............................................2 2.1 国内卡瓦的发展概况.......................................2 2.2 国外卡瓦的发展概况.......................................4 第 3 章 动力卡瓦总体方案.............................................6 3.1 动力卡瓦的作用及分类.....................................6 3.2 动力卡瓦的工作原理.......................................7 3.3 总体方案的确定...........................................9 第 4 章 卡瓦座的设计及校核..........................................11 4.1 卡瓦座基本尺寸的确定....................................11 4.2 卡瓦座的受力分析........................................11 4.3 卡瓦座窄面接触的受力分析................................12 4.4 卡瓦座定心套的设计......................................12 4.5 卡瓦座防扭转措施的设计..................................13 4.6 卡瓦座的强度校核........................................13 第 5 章 卡瓦体的设计及校核..........................................15 5.1 卡瓦体的设计............................................15 5.2 卡瓦体的强度校核........................................16 第 6 章 卡瓦牙板的设计..............................................18 6.1 卡瓦牙齿面形状布置的设计................................18 6.2 卡瓦牙型的设计..........................................19 6.3 卡瓦牙高度的设计........................................22 6.4 卡瓦牙环形包角的设计....................................23 第 7 章 起升机构的设计..............................................25 7.1 连杆机构的设计..........................................25
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第 2 章 卡瓦的发展概况
2.1 国内卡瓦的发展概况
由于我国大部分油田大都已进入开发中、后期，采油的难度越来越大，工艺 越来越复杂，井况也越来越复杂，修井任务也越来越繁重。与修井任务越来越繁 重的同时，修井工人的劳动强度十分高，修井的环境条件也十分恶劣，高温酷寒， 风天雨天，井场条件差（泄漏出来的天然气和有毒气体的侵熏和井喷） ，特别是地 处高原的西部地区，油井较深、自然及环境条件十分严酷。所以要提高修井效率、 减轻修井轻工人的劳动强度，使工人尽量远离恶劣的工作环境，就要求有较高的 井口设备机械化程度。 与发达国家相比较，我国的钻井工具相对落后，尤其在钻井卡瓦的使用上， 国外大多数使用机械手、气动卡瓦；而目前国内绝大部分油气田(或地质)钻井工 程中起下钻作业时，大都采用双吊卡或单吊卡加手提式卡瓦作业方式，自动化程 度低、效率低、劳动强度大、安全性能不高显而易见，操作失误会造成重大的设 备和人身事故。特别是手提式卡瓦重量大都在 80 kg 以上，迫切需要一种可减轻 钻井劳动强度、提高工作效率的自动钻杆动力卡瓦。而从国外购买一台气动卡瓦， 至少也要5 ～ 8万美元，钻井工具的进步和更新完全依赖进口将支付大量的外汇。 所以针对这些问题，我国的科技工作者和部分厂家也纷纷开发研制了适合自己情 况的动力卡瓦。胜利油田生产的一种液压式动力卡瓦、石油大学（北京）研制的 气动卡瓦及江苏油田工程研究院研制的气动卡瓦等等都取得了不错的经济以及社 会效益。我国江苏如东通用机械厂生产的一种QD型气动套管/吊卡用于起下套管， 既可夹持套管也可作为吊卡起、 下套管。 但其体积庞大， 总高1027 mm， 总重约3 t。 胜利油田生产的某种型号的卡瓦要改造方瓦，卡瓦也不是标准卡瓦，装置本身要 承受钻杆载荷，只能提放钻杆卡瓦。所以国内在动力卡瓦的研究生产方面还有很 多研究工作要做。 上述几种卡瓦是在国内出现比较早的动力卡瓦。在此之后,一些石油相关厂家 和石油院校对井口操作机械化装置开始进行研究,也对国外的一些已经成熟的修 井机进行研究和借鉴,针对国内修井的需要研制了不少自动化修井机。修井机是整 套的井口自动化装置,能够实现油管的起升、下降、对接、自动卡紧，上卸扣，排 放油管等工艺。动力卡瓦是其中的一个重要部分,人们对它的研究和认识日益深 入。 下面介绍几个相关的研究成果（其中也包括钻井中动力卡瓦的研究成果） 。 2000 年浙江万里学院工程技术系的庞浩【1】对嵌入式卡瓦结构进行分析，虽然
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第 1 章 前言
在石油与天然气勘探开发的各项施工中，修井作业是一个重要的环节。油气 水井在自喷、抽油或注水注气过程中，随时会发生故障，造成油井减产甚至停产。 如：油井下沙堵、井筒内严重结蜡、结盐、油层堵塞、渗透降低、油气水层互相 串通、生产油层枯竭等油井本身的故障；油管断裂、油管连接脱扣、套管挤扁、 断劣和渗漏等油井结构损坏；抽油杆弯曲、断裂或脱扣、抽油泵工作不正常等井 下采油设备故障。出现故障后，只有通过井下作业来排除故障。 一套完善的修井设备，一般包括下述部分：主机（修井机） ，具有动力、传动、 绞车、井架、钻台、游动系统。刹车系统以及液压、气动、电气系统；井口工具； 井下工具；运输工具；起吊及发电装置等。其中，井口工具主要包括吊环、吊卡、 吊钳、液压动力大钳、液压套管钳和修井液压动力钳等。 国内生产井口工具的公司主要有：江苏如东通用机械有限公司、泰兴石油机 械有限公司、山东三田临朐石油机械有限公司、牡丹江石油工具有限责任公司、 海城市石油机械制造有限公司、盐城市特达石油机械有限公司、江苏新象股份有 限公司等公司。 在衡量修井设备的性能上，一般有下述指标：修井能力（即绞车功率的大小） ； 井架性能（强度、刚度、安装性） ；移运性；控制是否方便、灵敏；提供操作条件 好坏；配套设备及工具是否完善；工作可靠性；有无特殊的防风、防水、防冻、 防尘及防腐蚀措施等。 在本次设计中，是用机械方法建立一个动力卡瓦装置，这是整个工作流程的 一个重要环节，是对油管、钻铤、钻杆等管柱进行井口拆卸的必要工序，这种动 力卡瓦的工作原理是通过起升装置的带动与管柱表面进行接触，起到卡紧并悬挂 管柱的作用。
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所使用的力学模型为打捞器用的卡瓦，但是在井口上动力卡瓦的卡牙卡紧油管的 研究中，其嵌入式卡紧原理相同，也有借鉴作用。作者针对在使用打捞器卡瓦作 业时,由于使用不当,常使工具损坏,或是定位不可靠等问题对卡瓦工作部分的参 数进行分析、优化，并在工具使用中应用,取得了较好的效果。 2003 年江苏油田工程院成功研制了一种石油钻柱气动卡瓦【2】,在钻井生产中 推广应用已形成产品。此卡瓦安装在转盘大方瓦孔内取代转盘大方瓦,由支撑盘通 过连杆连接卡瓦体,气缸和导向杆与支撑盘固定连接。卡瓦体与钻杆有足够的接触 面积，悬挂能力大；工作安全可靠,安装方便；具有卡持钻杆和起钻时自动给钻杆 刮泥的双重功能,并且更换刮泥盘非常简单方便；卡瓦工作高度适当,不影响液压 钳的上卸扣工作，而且能提高起下钻速度。是目前非常常见的动力卡瓦。
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影响的探讨【7】发现光面齿面卡瓦与钻具之间摩擦系数较低，对于预紧力的降低无 济于事；齿面颗粒状卡瓦虽然摩擦系数较大,但在卡瓦与钻具过载打滑的时候对钻 具伤害较大,故不予考虑。齿面形状为菱形沟槽的卡瓦在同等条件下相对于矩形沟 槽齿面的摩擦系数更大,更有助于降低夹紧系统工作时的夹紧力和装配时的预紧 力,更有利于夹紧系统的稳定。也就是说将现行钻机夹紧系统使用的卡瓦齿面进行 调整达到稳定夹紧系统的目的是可行的;同时,这种方法还可以应用到其他修井设 备的夹紧系统中其作用是积极的。
【3】 2003 年由崔时光开发的专利《油田修井自动作业装置》 是一种新型的有环
保功能的修井自动化作业装置。其中的动力卡瓦包括卡瓦箱体、卡瓦座、卡瓦、 卡瓦驱动机构，卡瓦可由电驱动,驱动机构在卡瓦箱体的外侧，结构上卡瓦座跟卡 瓦体采用锥面配合，卡瓦体的上下移动采用的是齿条齿轮传动，且有复位装置。 值得借鉴的是卡瓦座、卡瓦体都在卡瓦箱体内,整个卡瓦的卡紧工作都是在一个封 闭的空间内进行的，故能够防止原油和污水进入井场,有利于环境的保护. 同年由煤炭科学研究所总院西安分院研制的复式液压夹持器【4】是适合于全液 压钻机使用的产品。它的设计在常闭式夹持器的基础上，增设了与回旋器联动的 复油缸，它具有弹簧夹紧的常闭式夹持器工作安全可靠和油压夹紧的常开式夹持 器夹紧力大的双重优点。这个产品外形尺寸小，开启压力低，有利于液压系统各 个之路间的压力协调，也提高了液压系统的效率；在有联动功能的液压系统中与 液压卡盘配合，可保证动作协调。 2007 年中国石油大学(华东)石油工程学院的张宝增和王瑞和提出了一种自动 起下管柱作业系统【5】 ，该系统构思新颖,结构简单,技术可行,并能够与现有修井设 备配合使用实现油田修井作业的自动化。针对国内修井机械数量多,不能全部弃 用，而对于现有的修井机改造有很重要的意义。此作业系统中提出了一种新型卡 瓦，其主要特点能配合现有的修井机械完成悬吊管住的工作；除此之外，随着材 料科学的发展,目前已经能够制造出一种新型弹性材料,在这种弹性材料中,由嵌 入微型卡紧条制成的楔形卡瓦对管柱表面的损伤极小,针对油田上过去曾经使用 过夹持油管本体作业方式,容易损伤油管,缩短油管的使用寿命的缺点有很好的使 用意义。国外对这种材料已经有了相关的实验和研究【6】 。楔形卡瓦支座的实现方 案为防止楔形卡瓦卡伤管柱表面,影响管柱的使用寿命和耐腐蚀能力,卡瓦与管柱 接触部分采用弹性体微条嵌入式结构。另外在这种新型自动起下管柱装置中为使 桶式吊卡卡住接箍提供方便,卡瓦在卡紧管柱时夹持接箍下部的管体，使接箍完全 外露，可以实现新型管柱起下作业方式。 2007 年 6 月煤炭科学研究总院重庆分院刘卫亮对不同齿面卡瓦对钻机夹紧力