新型钻井液压动力卡瓦控制系统设计

收稿 日期 ：０ １０ ．２ ２ １ － １ ４ 作者 简介 ： 姜建胜 （ ９ ２ ） 男 ， １７一 ， 山东海 阳人 ， 师 ， 士 ， 讲 博 主 要从事 石油钻机及抽油机 液压 与气 动技术 方 面的科研 和 教学 工 作。

能 卡紧 管柱状 态下 提供 卸扣 扭矩 ， 于实 现过 载保 护 ， 易 而且 工作 噪声 小更 环保 。但 目前 国内没有 以液压 为动 力 的钻井 卡 瓦系统 ， 了更 好地 满足 市场 需求 ， 为 适应 国 内油 田钻 井施 工特 点 ， 计 新型 液压 动力 卡瓦 系统 ， 设 可 以为实 现钻井 自动化提 供性 能更 加优 越 的井 口工具 。 １ 液压 系统 设计 及工 作原 理 整个 液压 系统 主要 由液压泵 站 、 控制 阀 、 液力 双作 用增 压器 、 组合 式 液 压 动 力 卡 瓦等 组 成 。增 压 系 统 采 用液 力 双作用 增压 缸 以实 现 连续 增 压 ， 载保 护 措 施 过 采用 安全 溢 流 阀实 现 ， 可远 程控 制 。在 动力 卡 瓦 结 且 构设 计 中 ， 采用 一 体式 结构 ， 在锥 面 上采用 阶梯过 渡结
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做 往 复运 动 ， 径 大 ， 力 高 ， 程 长 ， 选 用 Ｖ型 圈 直 压 行 故
密 封 。 Ｊ
２ ２ 增压缸 的 结构参 数 ．
件 图及 转 配 图。支 撑 盘 可 以 应 用 原 来 Ｚ １５卡 瓦 的 Ｐ７ 支 撑 盘 的大 部分 结构 ， 需要 将 支 撑 盘 上 与 活 塞杆 连 只
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新型 钻 井 液压 动 力 卡 瓦控 制 系统 设 计
姜建胜 刘 ， 敏 高永霞 ，
Ｄｅ ｉｎ ｏ ｈ ｏ ｔｏ ｙ ｔｍ ｏ ｈ ｅ ｄ ｉｌ ｇ ｈ ｄ ａ ｌｃ ｐ ｗｅ ｌ ｓｇ ｆｔ ｅ ｃ ｎ ｒｌｓ ｓｅ ｆ ｒｔｅ ｎ ｗ ｒ ｉ ｙ ｒｕ ｉ ｏ ｒｓｉ ｌｎ ｐ
引 言
构， 大方 瓦设 计 为对两 瓣 开合式 结构 。
１ １ 系统控 制 回路 ．
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 … 。在 目前 ， 内研 发 国
控 制 回路 中需控制 活 塞杆 实现往 复运 动 ， 上升 、 松 开 钻井 管柱 的过 程 中速 度 要 平稳 ， 瓦 体下 降夹 紧 钻 卡 杆 的过 程 中要 增 大夹 紧力 ， 设计 系统 的最 高工 作压 力 ， 并 且能 够远 程控 制 。
代 原 有 的气动 卡 瓦 系统 ， 新设 计 的动 力卡 瓦工作 更 为平稳 、 应 更 快 、 反 冲击 力 更 小 ， 能够 传递 较 大的 扭 矩 。 并 系统 综合评 价表 明 ， 液压 动 力卡 瓦与 气动卡 瓦相 比 ， 定性 明显提 高 ， 递 的动力 明显 增 大 ， 易于 实现过 载 稳 传 且
摘
要 ： 对 目前钻 井气动卡 瓦在 稳 定性 、 针 冲击 性 、 递 力量等 方 面存在 的 问题 ， 于气动卡 瓦的主要 结 传 基
构和 工作 原理 ， 设计 了液压动 力卡 瓦控 制 回路 与结构 。 系统 以液压 油作 为动 力传 输介 质 ， 采用双 作 用增压缸
的增 压手段 连 续输 出高压 油 ， 增设 过 载保护 回路 和远 程控 制 功 能 ， 对动 力 卡 瓦的 结构 进 行优 化 设 计 ， 体取 整
卸扣 操作 ， 即液压 缸施 加 给钻 杆 的力 必须 到达 一 定 的
要求 。设 计 根 据 Ｎ ５ －－． Ｃ ０６３Ｇ型 钻 杆 接 头 进 行 分 析 计算 ， 转扭 矩值 为 ２ ．４ｋ ・ 旋 ８４ Ｎ ｍ。
经计算可得钻杆与卡瓦之间的正压力
’ ２ ． Ⅳ 一 ． ｒ ＝０ ７ ６ ２＝ 厂 ５ × ３ ５ｍ
决 于 活塞杆 的工作 行 程 。 通过 分 析 ， 方 瓦 内锥 面 和 大
为求得此时活塞杆需要施加给卡瓦体的力 ， 列平 衡 方 程如 下 ：
』 ∑Ｘ＝ Ｎ Ｃ ＝ １ ｎ Ⅳ ． ０ 一 １ＯＯ Ｆｓ ＋ ２ Ｓ／ 一 ‘ ｉ
∑ Ｙ＝０ Ｆ＋ Ｑ＝Ｎ ｎ Ｆ ｃ １ｉａ＋ １０Ｏ ｓ ｓｔ
保护 ， 安全 性 能更 高 ， 更好 地满足 油田钻 井现 场 实际 需要 。 可 关键 词 ： 压 ； 力卡 瓦 ； 液 动 系统 设计 ； 制 回路 ； 构优化 控 结
中 图分 类 号 ： Ｈ１７ 文献标 识码 ： 文 章编 号 ：０ ０４ ５ （ ０ ）００ ２ －４ Ｔ ３ Ｂ １０ －８ ８ ２ １ １ －０ ８０ １
压缸应该提供的液压力为 Ｆ＝ ４ ．５ｋ 。 １４ ２ Ｎ
初 步选 取 活 塞 直 径 、 塞杆 直 径 、 压 缸壁 厚 、 活 液 外 径， 经设 计计 算后 应满 足 系统 强度要 求 。
当缸筒底部为平面时 ， 其厚度 可以按照四周嵌 住的圆盘强度公式进行 近似 的计算ｌ 。由于活塞杆 ３ ］
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腔增 压 后 的高压 油 经过单 向阀输 出 。当增 压缸 活塞 移 动 到右 端 时 ， 动 内置位 置开 关 ， 得 电磁换 向阀 ８得 触 使 到信 号 换 向 ， 压缸 ７活 塞 向左移 动 。 同理 ， 增 左端 小 活 塞 腔输 出的高压 油输 出。此 双作用 增 压缸 ７的活塞 杆
８９ 电磁换向阀 ，．
６刮泥盘 ．
７ 导向杆 ．
８扶正环 ．
图 １ 动 力卡瓦液压 回路
图 ２ 组 合 式 动 力 卡 瓦 示 意 图
１ ２ 系统 的过 载保 护及远 程控 制 ．
２ 动 力卡 瓦的参 数设 计 ２ １ 液压缸 与 活塞杆 受 力计 算与 选择 ．
由于本 液压 控制 系统 属 于 高 、 压 控 制 的远 程控 低 制 系统 ， 以需要 设计 过 载保 护措 施 ， 且压 力 能够实 所 并 现远 程控 制 。如 图 １ 示 ， 所 针对 本 系统 ， 安全 用溢 流 阀 在 系统正 常工 作 的情 况下 是关 闭 的 。当液压 泵或 减压 阀输 出 的油压 高 于 系统 正 常 的工 作 油压 时 ， 流 阀打 逆 开， 降低 系统 压力 ， 保证 系 统正 常工 作 。因为 溢 流 阀的 开启 压力 低 于调定 压 力 ， 溢 流 阀 的调 整 值 应 比系统 故 的最 高工 作压 力稍 高 ， 以免 溢 流 阀打 开 溢 流影 响 系统
连续往复运动 ， 两端交替输出高压油 ， 可以实现连续输 出高压 油 。
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１液 压 泵 站 ．
２溢流 阀 ．
３远程控制阀 ．
４ 手 动 换 向 阀 ．
１ 卡 瓦座 ．
２卡瓦体 ．
３ 液压缸 ．
４ 液 路 系统 ．
５卡瓦牙 ．
５ 先导式减压 阀 ．
６ 液压缸 ．
７ 液力双作用增压器 ．
证 大方 瓦体 具有 足够 的强 度 ， 提高 卡瓦 的承 载能力 。 如 图 ２所 示 ， 压 动 力 卡 瓦 的整 体 结 构是 由两 片 液 尺 寸相 同的卡 瓦座 １组 成 ， 卡瓦 体 ２通 过 连杆 与支 撑 盘 连接 ， 同时支 掌盘通 过 导 向杆 ７与 液 压 缸 ３的活 塞 杆 固结 。支 撑 盘可 以保 证 几 片 卡 瓦体 的动 作 同步 ， 卡 瓦牙 ５安装 在卡 瓦体 ２上 与 管 柱 直 接 接触 ， 成 式 液 集 路 系统 ４置 于卡 瓦座 １内部 ， 与液 压 系 统 控 制 回路 相 连 ； 正环 ８对 管柱起 扶正 作用 ， 扶 防止卡 瓦座磨 损及 管 柱 对卡 瓦体 的磕 碰 ； 体 钻杆 时刮 泥盘 ６同 时工作 ， 上 刮 除附在 钻杆 外表 面上 附着 的泥 浆 。
下 自动 松开 管柱 。
液 压动 力卡 瓦要 求在 卡 紧管柱 过程 中提 供较 大 的 卡 紧力 和 防旋转 扭矩 ， 此需 要 在 液 压 缸 下行 程 中 实 因 现 系统 增压 。液 压 缸 ６下 行 程 夹 紧 钻 井 管 柱 的过 程 中， 由液压泵 输 出 的液压 油 经 过 电磁 换 向阀 ４右位 进 入 增压 缸 ７左 端 的大 、 小活 塞腔 ， 由于大 活塞 腔 中活塞 面积 大于小 活塞 腔 活塞 的 面积 ， 因此 活 塞 在 两者 间 的 压 力差 下 向右运 动 ， 右端 大活塞 腔 通油箱 ， 右端小 活塞
正 常 工作 。
１３ 液压 动 力卡 瓦结 构设 计 ．
现 有 的气 动 卡瓦 仅 仅 能 够 实现 起 下 钻 时 松 开 、 夹 紧钻 杆 ， 而不 能够 实 现在 夹 紧钻 杆 的 状 态下 进 行 上 卸 扣操 作 ， 究其 原 因是气 缸施 加给 卡 瓦体 的力量 不够 大 ， 目前 要设 计 的液 压 缸 除 了能 够 实 现 启 动 卡 瓦 的 功 能 外 ， 主要 的是能 够 实现 在 夹 紧 钻 杆 的状 态 下 进 行 上 最
如图 １ 示 ， 所 液压 缸 ６上 行 程 活 塞 杆 伸 出松 开 管
最新 的钻 井卡 瓦 为多 功 能气 动 卡 瓦 ， 因为 相 比于 过 去 的在 钻井 起 下 钻 作 业 时 使 用 双 吊环 和 手 提 式 钻 杆 卡 瓦， 多功 能气 动卡 瓦具 有 安 装 方 便 、 作 简 单 、 钻 自 操 起 动 刮泥 ， 可有 效杜 绝 因单 吊环 起 钻 而造 成 的设 备 和 人 身安 全 事故 、 降低 工人 劳动 强度 、 大幅度 提 高起下 钻 较 或下 套 管速度 等 特 点 Ｊ 。随 着 油 田井 深 的逐 渐 加 深 ， 所需 井 口卡具 提供 的力 和扭 矩增 大 ， 卡 瓦工 作 稳 定 对 性要 求提 高 ， 压 动 力 卡 瓦 出 现 了 自身 局 限 性 。相 对 气