功能钻杆气动卡瓦的优化设计及应用

目３卡瓦体应力的有限元分析 由图３可知，卡瓦体受力时应力值较大地集中 在燕尾槽的最底端，底端的棱边与边角部分也出现 了应力集中现象。实际加工时可以通过倒角的方式 来减少这些部位的应力值，但底端的薄弱部分需要 在厂内试验中予以重视。 ３．气动卡瓦厂内试压试验 多功能钻杆气动卡瓦的厂内试压试验在北京中 非人工晶体研究院的１ ０００ ｔ液压机上进行。在同 一试验台上对适用于ｚＰ－．４９５转盘的４种规格钻杆
优化设计及试验
力，又不咬伤钻杆。建立数学模型开展钻杆有限元 应力分析。
（２）改善卡瓦体与卡瓦牙的装配结构，保证 卡瓦体具有足够的强度，提高卡瓦的承载能力。利 用有限元分析软件开展卡瓦体受力模型优化设计。
多功能钻杆气动卡瓦是以内置组合式整体气缸 作为动力的一种钻井动力卡瓦。主要由大方瓦、卡 瓦体、气缸、气路系统、卡瓦牙、导向杆、刮泥盘 及扶正环等组成¨Ｊ，结构如图１所示。
２００８年第３６卷第９期 ●设计计算◆
石油机械
ＣＨＩＮＡ ＰＥＴＲＯＬＥＵＭ ＭＡＣＨＩＮＥＲＹ
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多功能钻杆气动卡瓦的优化设计及应用＋
姜建胜
（中国石油大学（北京）机电工程学院）
摘要针对气动卡瓦的产品系列化和标准化程度不够，并且在承载力方面没有明确的行业标 准等问题，对钻杆卡瓦进行了系列化和标准化优化设计。优化设计方案主要从以下２点考虑： （１）在结构允许的情况下，力求加大卡瓦与钻杆的接触长度和面积，以提高卡瓦的承载能力，又 不咬伤钻杆。（２）改善卡瓦体与卡瓦牙的装配结构，保证卡瓦有足够的强度，利用有限元软件开 展卡瓦受力模型优化设计。在压力试验的基础上，还对优化方案进行了进一步的改进。优化结果 表明，多功能钻杆卡瓦的厂内最大试验压力达到并超过了６ １２２ ｋＮ，卡瓦卡紧管柱可靠、卡瓦及 钻杆本体无损伤，承载能力达到了设计指标。
【３］ 姜建胜，林立，丁建林．石油钻机多功能钻杆气 动卡瓦的设计及应用．液压与气动，２００５（３）：３３
—３５．
［４］ 石亦平．ＡＢＡＱＵＳ有限元分析实例详解．北京：机 械工业出版社，２００６．
结
论
（１）在钻杆气动卡瓦的优化设计和试验中， 通过建立系统几何模型与力学模型，分别对钻杆及
作者简介：见本刊２００８年第２期。 收稿日期：２００８—０７—０３ （本文编辑王刚庆）
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钻杆气动卡瓦的优化设计方案主要从以下２点 考虑。
（１）在结构允许的情况下，力求加大卡瓦牙 与钻杆的接触长度和面积，以提高卡瓦的承载能
ｌ一图大１方瓦多；功 ２一能卡钻瓦杆体气；动３—卡气瓦缸结；构批示路意系图统：
卜卡瓦牙；６一刮泥盘；７一导向杆；Ｂ一扶正环
气动卡瓦工作时，卡瓦体卡紧钻杆并悬挂于大
１．钻杆受力的有限元分析 在卡瓦体夹紧钻杆的过程中，钻杆的受力主要 在与卡瓦牙接触的表面。因此，在分析钻杆被夹紧 时的应力状态时。仅对接触表面建立三维实体几何 模型即可（图２）。
图２钻杆受力的有限元模型 由图２可知，在４片卡瓦体的作用下，钻杆变 形较均匀，变形量较小；钻杆的最大应力分布发生 在两卡瓦体之间的区域，可以采用增大包角的方式 来减小应力集中。满足气动卡瓦能够可靠地夹紧钻 杆，但又不压溃钻杆的设计要求。 ２．卡瓦体受力的有限元分析 应用ＡＢＡＱＵＳ软件对卡瓦体进行有限元应力 分析，如图３所示。
冯耀忠摘译自Ｗｏｒｌｄ Ｏｉｌ，２００８（４）
卡瓦体的受力进行了有限元分析，验证了优化方案 的可行性。
（２）在压力试验的基础上还对优化方案进行 了进一步改进。优化设计、试验及产品改进结果表 明。多功能钻杆气动卡瓦的厂内最大试验压力达到 并超过了６ １２２ ｋＮ，达到设计指标。同时新型气动 卡瓦可用于各种尺寸系列的钻杆、套管和钻铤等起 下钻作业。
该装置采用高精度数据和油井的关键状态图，保证在油井修井前完成有效的分析和预先测试。它也可 逐井检查其故障的历史测试和通用数据图，在油井修井前对其杆柱、管柱和油管偏差进行评价，并可将杆 管状态与井斜相联系。油田的任一油井的井眼曲线图都可由装置上看出，这就便于油田的地层管理小组进 行有效的协作。其测试结果也可发送到互联网上浏览，从而可对单井或整个油田进行动态三维检查。油井 的杆管尺寸及与井深有关的状态。均可下载到用户的电脑，再以人机对话的形式进行操作。这时，油井的 油管偏差、偏磨与故障的关系，就可快速由单井或油田的图表上给出。采用该装置，可在降低油井的采油 成本和故障频率的同时，使油井增产。
气动卡瓦进行试压试验，试杆包括批８．９（３％英 寸）、‘ｂ１２７．０（５英寸）、咖１３９．７（５％英寸）、 咖１６８．３ ｍｍ（６％英寸）４种实心杆柱，分级加载 ６７５、２ ２５０、５ ０１４ ｋＮ。最初设计的气动卡瓦在加 载至５ ０００ ｋＮ时卡瓦体的燕尾槽最底端发生脆断， 断裂前卡瓦体无滑杆、卸压现象，卡瓦牙无崩齿现 象，但标准试杆表面有明显的卡痕，深度小于１ ｍｍ。说明卡瓦体卡紧可靠，但薄弱的卡瓦体底端 部位需要重新优化设计。并且需要改进卡瓦牙的 牙形。
图４改进后的卡瓦体受力有限元分析 由图４可以看出，经过优化改进的卡瓦体受力 较优化前有了较大的改善，成功地将应力分散在卡 瓦体的不同部位。此优化设计达到了预期的效果， 最终厂内试压试验的最大试验压力达到并且超过 ６ １２２ ｋＮ，卡瓦体无崩齿、滑杆和断裂等损伤现 象。优化试验结果表明，该钻杆气动卡瓦可适用于 井深１２ ０００ ｍ的钻机。 此外，为了进一步增大卡瓦的夹持能力，最大 程度地保护钻杆，将卡瓦牙改成密集的锯齿梯形形 状，在增大接触面积的同时，减少了对钻杆的损伤 （国外称无卡痕卡瓦）。
（３）室内试验及现场应用结果表明，优化设 计后的钻杆气动卡瓦卡紧管柱可靠，卡瓦及钻杆本 体无损伤。承载能力达到了设计指标。
参考文献
［Ｉ】 赵怀文，陈智喜．钻井机械（钻井专业用）．北京： 石油工业出版社，１９９５：３２０—３２４．
［２］ 中华人民共和国石油天然气行业标准．ＳＹ５０４９－－－９１． 钻井卡瓦．１９９Ｉ．
－ＳＥ－ＳＥ·Ｓ！·旺·妞·ＳＥ·ＳＥｄＥ·ＳＥ·Ｓ￡·ａ￡·Ｓ￡－旺·缝·ＳＥｄ￡ｄ￡．昱￡．！Ｉ￡·旺·ＳＥ·ＳＥｄＥｄＥｄ！ｄ￡ｄＥｄ￡．毫Ｅｄ￡．毫！．毫￡ｄ￡ｄＥｄＥｄＥ．妇■蜢砖ｈ旺．毫厶舢■虹止ｈ缸．ｓ蔓 ●信息广角◆
有杆泵井故障诊断装置
引起有杆泵井故障的原因之一是由磨损造成的抽油杆和油管断裂。这类故障会大幅度增加采油成本。 为降低这类故障的发生几率，美国Ｒ＆Ｍ Ｅｎｅｒｇｙ公司成功开发了一种新型有杆泵井故障频率诊断装置。油 井的管理者只要能在油井生产时得到与井深有关的油管尺寸、壁厚和抽油杆状态的资料，通过该装置就可 确定引起油井故障的原因。
关键词 多功能钻杆气动卡瓦 卡瓦牙 卡瓦体 优化设计 有限元分析
引
言
钻井卡瓦是在油田钻井施工中用来把钻杆或套 管夹紧卡持在转盘上的井口工具…。钻井卡瓦包 括钻杆卡瓦、钻铤卡瓦和套管卡瓦３种【２ Ｊ，按照操 作方式的不同可分为手提式卡瓦、半自动卡瓦和全 自动卡瓦。全自动钻杆气动卡瓦作为自动卡瓦的１ 种，在钻井现场已有小批量的应用，具有劳动强度 小、起下钻工作效率高、井口安全操作性能好的特 点，并且具备起钻自动刮泥、现场更换钻杆、套管 卡瓦体等功能。但是，由于目前的产品系列化和标 准化程度不够，并且在气动卡瓦承载力方面没有准 确的行业标准，在起下钻杆卸扣时，国内还是以手 工操作手提式卡瓦或采用双吊卡为主，迫切需要对 新型钻杆气动卡瓦进行系列化和标准化优化设计， 为修订钻井卡瓦行业标准提供理论及试验数据。
现场应用及技术改进
２００８年３—５月，优化设计后的多功能钻杆气 动卡瓦在ＩⅡｔｌｔｌ ＪＪＩ科ｌ井的国内第１台１２ ０００ Ｅ１１钻 机上成功应用。该钻机配备国内首台ＺＰ－－－－４９５型
２００８年第３６卷第９期
姜建胜：多功能钻杆气动卡瓦的优化设计及应用
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转盘，适用于４，８８．９、１２７．０、１３９．７、１６８．３ ｍｉｌｌ 钻杆，设备１次安装成功并正常使用。
针对现场提出的钻台面管线布置较乱的问题， 在保证卡瓦正常工作的前提下，优化气路管线配置， 改进钻杆气动卡瓦管线布置方式，全部实现单向进 出气控制，简化了钻台表面的控制气管线布局。技 术改进后的多功能钻杆气动卡瓦如图５所示。
图５改进后的多功能钻杆气动卡瓦 根据ＡＢＡＱＩＪＳ软件的优化设计结果，将加厚 的卡瓦体设计方案应用于改进套管气动卡瓦。新型 ￥１３９．７、１７７．８ Ｆｉｌｍ套管气动卡瓦分别在胜利油田 渤海钻井二公司７０６１６、４０６００井队成功应用。应 用表明，新型卡瓦不仅增大了卡瓦牙与套管的接触 面积，最大程度减轻了卡瓦对套管本体的伤害。而 且大大提高了套管的悬挂能力。
试验结果分析及优化改进措施
通过多次实验室试压以及前期现场应用试验，对 钻杆气动卡瓦的卡瓦体结构重新进行了改进优化设 计，主要目的是减少卡瓦体下部的应力集中。分别从 加厚卡瓦体底端厚度、分散卡瓦牙在卡瓦体上的受力 和采用特制加厚卡瓦牙等３种手段改善卡瓦体的受力 状态，改进后的卡瓦体受力分析如图４所示。
·多功能钻杆气动卡瓦已获国家实用新型专利，专利号：ＺＬ ２００３２０１００４０３．０。
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Hale Waihona Puke 石油机械２００８年第３６卷第９期
方瓦上，此时钻杆内产生很大的周向应力和轴向应 力，笔者采用ＡＢＡＱＵＳ软件对钻杆的综合受力进 行分析。ＡＢＡＱＵＳ软件是一套功能强大的工程模拟 有限元分析软件，其解决问题的范围从相对简单的 线性分析到复杂的非线性分析。特别是在非线性的 分析中，ＡＢＡＱＵＳ能自动选择相应载荷增量和收敛 限度，不仅能够选择合适参数，而且能连续调节参 数以保证在分析过程中有效地得到精确解¨１。