余維初 （長江大學(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

目前國內(nèi)各油田或地質(zhì)鉆井隊在進(jìn)行起下鉆井管桿時，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強(qiáng)度大，工作效率低，安全性能差等問題。國外生產(chǎn)的氣動鉆桿卡瓦在一定程度上減輕了勞動強(qiáng)度。但卡瓦體工作高度高，很難與國內(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、價格昂貴，不利于在國內(nèi)推廣使用［1～4］。

國內(nèi)研制的氣動鉆桿卡瓦，如 “動力卡瓦”（專利號為02212500．0），提供了一種利用2個外置式氣缸為動力的鉆桿卡瓦，氣缸固定在卡瓦座上面，2個氣缸采用獨立供氣，4根氣路管線擺放于鉆臺臺面上。自動化程度較高，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強(qiáng)度。但存在卡瓦體實際工作高度高，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題。

又如 “多功能全自動鉆桿氣動卡瓦”（專利號為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程中是通過活動鉸鏈及卡瓦體的自重打開的，在經(jīng)歷多次作業(yè)后，會出現(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，卡瓦不能全部打開，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一使用，不能兼顧使用手提式卡瓦；且卡瓦座下部開口偏小，在傾斜角度偏大的井中起下鉆時，鉆桿及接箍容易磕碰損壞卡瓦體，嚴(yán)重時，起鉆會拖帶出卡瓦座。同時，在換鉆頭、倒劃眼、旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤等操作過程中，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，卡瓦體通過連接片與支撐盤相連。工作時，卡瓦體沿卡瓦座錐面下行，同時向中心收攏，將鉆桿卡緊；反之，卡瓦體沿卡瓦座錐面上行的同時向外張開，松開鉆桿，鉆桿可從卡瓦中心的通道自由通過［3］。

該卡瓦的升降過程是靠氣缸帶動支撐板經(jīng)過連接片帶動卡瓦體進(jìn)行動作的。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，卡瓦體完成松開動作；在氣缸推力和鉆桿與卡瓦體的摩擦力作用下，卡瓦體完成卡緊動作。氣缸的所有動作由司鉆操作臺上的氣控閥進(jìn)行控制。

該帶標(biāo)準(zhǔn)補(bǔ)心的氣動卡瓦可通過更換不同規(guī)格的卡瓦體來滿足不同轉(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塊卡瓦座通過鉸鏈連接為一個整體，卡瓦座體內(nèi)制作有四個氣缸，氣缸內(nèi)裝有活塞桿，活塞桿上端通過開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內(nèi)六角螺絲固接；連接片耳榫通過連接片裝有卡瓦體，卡瓦體內(nèi)弧面上通過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)心的氣動卡瓦的結(jié)構(gòu)圖

3 帶標(biāo)準(zhǔn)補(bǔ)心的氣動卡瓦的使用及特點

3.1 起下鉆作業(yè)工作過程

進(jìn)行起鉆作業(yè)時，司鉆操作先將管桿掛住，開啟氣控閥使配氣座從氣缸的底部進(jìn)氣，使活塞桿上升，活塞桿通過支撐盤和連接片帶動卡瓦體進(jìn)行上行；同時管桿被向上提起，卡瓦體利用管桿與卡瓦牙的摩擦力向外擴(kuò)開，給管桿讓開通道使其上行。需要卡住管桿時，在停止提升管桿的同時通過氣控閥控制配氣座，從氣缸上部進(jìn)氣，此時活塞桿下行，拉動支撐盤下降，4片卡瓦體沿卡瓦座的內(nèi)圓錐面下行，中心開口直徑和開口角度逐漸減小，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)動的功能，根據(jù)現(xiàn)場管桿的種類 （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)時與起鉆作業(yè)時的工作過程基本相同，提住管桿的同時使配氣座從氣缸的底部進(jìn)氣，松開卡瓦體，下放管桿，然后通過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，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

1）通過1個配氣座同時給4個氣缸供氣，保證了氣缸升降的同步性，減少了鉆井工作臺面的氣路管線數(shù)量，自動化程度高，降低了勞動強(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)，在工作過程中工作面基本上與鉆臺面平齊，降低了工作臺高度，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卡瓦在工作過程中的安全性，可使卡瓦體在張開狀態(tài)下出現(xiàn)突然泄氣的情況時不下滑。

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，可通過更換不同規(guī)格的卡瓦體來實現(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，實現(xiàn)了鉆井氣動卡瓦的多功能性，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)心的氣動卡瓦的應(yīng)用及前景分析

帶標(biāo)準(zhǔn)補(bǔ)心的氣動卡瓦依靠其內(nèi)置式氣缸來推動卡瓦體的運(yùn)動，通過卡瓦體的打開和收攏來控制對管桿的松開和卡緊狀態(tài)，該卡瓦的優(yōu)點比較突出，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

1）該卡瓦采用全內(nèi)置式氣缸及氣路結(jié)構(gòu)，通過一個配氣座同時給4個氣缸供氣，保證了氣缸升降的同步性，減少了鉆井工作臺面的氣路管線數(shù)量，避免了外置管線過多過高過長給現(xiàn)場工人的行動帶來不便，降低了工人的勞動強(qiáng)度，增強(qiáng)了作業(yè)的安全性。

2）該卡瓦結(jié)構(gòu)簡單，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不依靠鉸鏈和卡瓦體自重打開，避免因活動鉸鏈銹蝕或銷軸滑扣、松動、彎曲變形而發(fā)生事故。

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

本技術(shù)已獲得國家專利，專利號：ZL201220743857．9。

［1］儲明來，丁建林 ．氣動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 ．多功能鉆桿氣動卡瓦的優(yōu)化設(shè)計及應(yīng)用 ［J］．石油機(jī)械，2008，36（9）：47～49．

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

［4］余維初 ．新型鉆桿液壓動力卡瓦的研制與應(yīng)用 ［J］．石油天然氣學(xué)報 （江漢石油學(xué)院學(xué)報），2011，33（11）：158～160．