带标准补心的气动卡瓦的研究与应用

余维初 （长江大学化学与环境工程学院，湖北 荆州434023）

邓思哲 （中国石油大学 （北京）地球科学学院，北京102249）

童孝木 （中石化江汉石油工程公司钻井一公司，湖北 潜江433123）

1 研究现状

目前国内各油田或地质钻井队在进行起下钻井管杆时，一般都采用单吊卡与手提式卡瓦并用或直接采用双吊卡的作业方式，这些方式均存在劳动强度大，工作效率低，安全性能差等问题。国外生产的气动钻杆卡瓦在一定程度上减轻了劳动强度。但卡瓦体工作高度高，很难与国内井口设备配套使用，不方便工作人员操作，且结构复杂、价格昂贵，不利于在国内推广使用［1～4］。

国内研制的气动钻杆卡瓦，如 “动力卡瓦”（专利号为02212500．0），提供了一种利用2个外置式气缸为动力的钻杆卡瓦，气缸固定在卡瓦座上面，2个气缸采用独立供气，4根气路管线摆放于钻台台面上。自动化程度较高，减少了井口操作工人，节约人力资源，有效降低了工人的劳动强度。但存在卡瓦体实际工作高度高，不利于操作及井口设备配套使用；且气路管线较多，导致装卸麻烦，外置摆放易损坏气路管线的问题。

又如 “多功能全自动钻杆气动卡瓦”（专利号为200320100403．0），较好地克服了上述发明的不足，但由于该卡瓦体在提升和下放的过程中是通过活动铰链及卡瓦体的自重打开的，在经历多次作业后，会出现如上销轴固定螺丝滑扣、下销轴弯曲变形、导向杆固定螺丝松动等现象，工作可靠性较差。另外，当出现铰链锈蚀情况时，卡瓦不能全部打开，易发生钻杆接箍与卡瓦体相碰撞，导致卡瓦装置损坏的事故。

上述两种气动卡瓦均使用阶梯形卡瓦座，此种阶梯形卡瓦座必须与专用卡瓦体配合一对一使用，不能兼顾使用手提式卡瓦；且卡瓦座下部开口偏小，在倾斜角度偏大的井中起下钻时，钻杆及接箍容易磕碰损坏卡瓦体，严重时，起钻会拖带出卡瓦座。同时，在换钻头、倒划眼、旋转转盘等操作过程中，必须把卡瓦整体起吊出井，严重影响了作业效率。

2 带标准补心的气动卡瓦原理及其主要结构

2.1 原理

该带标准补心的气动卡瓦可完全取代转盘大方瓦安装于原转盘大方瓦孔内，其气缸活塞杆及导向杆与支撑盘采用固定方式连接，卡瓦体通过连接片与支撑盘相连。工作时，卡瓦体沿卡瓦座锥面下行，同时向中心收拢，将钻杆卡紧；反之，卡瓦体沿卡瓦座锥面上行的同时向外张开，松开钻杆，钻杆可从卡瓦中心的通道自由通过［3］。

该卡瓦的升降过程是靠气缸带动支撑板经过连接片带动卡瓦体进行动作的。在气缸拉力、卡瓦体自重、钻杆与卡瓦体摩擦力的共同作用下，卡瓦体完成松开动作；在气缸推力和钻杆与卡瓦体的摩擦力作用下，卡瓦体完成卡紧动作。气缸的所有动作由司钻操作台上的气控阀进行控制。

该带标准补心的气动卡瓦可通过更换不同规格的卡瓦体来满足不同转盘规格、钻杆直径等不同需求的作业。

2.2 主要结构

该带标准补心的气动卡瓦由卡瓦座、气缸、活塞杆、卡瓦体、支撑盘、配气座、销轴及气路管线构成，结构图如图1所示，其特征在于：2块卡瓦座通过铰链连接为一个整体，卡瓦座体内制作有四个气缸，气缸内装有活塞杆，活塞杆上端通过开槽螺母固装有支撑盘和连接片耳榫，支撑盘与连接片耳榫通过内六角螺丝固接；连接片耳榫通过连接片装有卡瓦体，卡瓦体内弧面上通过卡瓦牙固定螺丝安装有卡瓦牙；卡瓦座上面安装有配气座并通过凹槽放置有气路管线；卡瓦座底部安装有耐磨环。

图1 带标准补心的气动卡瓦的结构图

3 带标准补心的气动卡瓦的使用及特点

3.1 起下钻作业工作过程

进行起钻作业时，司钻操作先将管杆挂住，开启气控阀使配气座从气缸的底部进气，使活塞杆上升，活塞杆通过支撑盘和连接片带动卡瓦体进行上行；同时管杆被向上提起，卡瓦体利用管杆与卡瓦牙的摩擦力向外扩开，给管杆让开通道使其上行。需要卡住管杆时，在停止提升管杆的同时通过气控阀控制配气座，从气缸上部进气，此时活塞杆下行，拉动支撑盘下降，4片卡瓦体沿卡瓦座的内圆锥面下行，中心开口直径和开口角度逐渐减小，直至卡紧管杆为止。在卡瓦体内圆表面的键槽中安装有卡瓦牙，卡瓦牙卡紧管杆后能防止其下滑，且带有一定的防轴向转动的功能，根据现场管杆的种类 （钻杆、钻铤和套管）和材质的不同，可选择相应的卡瓦牙，以达到安全可靠、操作合理、减少管杆划伤的目的。

卡瓦在进行下钻作业时与起钻作业时的工作过程基本相同，提住管杆的同时使配气座从气缸的底部进气，松开卡瓦体，下放管杆，然后通过气控阀控制配气座从气缸上部进气，由卡瓦体收缩卡紧管杆。

当井口偏斜严重以及换钻头、倒划眼、旋转转盘等工作时，取下卡瓦体，由于卡瓦座的中心孔为内圆锥面，则使用手提式卡瓦能满足非正常情况作业。

3.2 主要特点

1）通过1个配气座同时给4个气缸供气，保证了气缸升降的同步性，减少了钻井工作台面的气路管线数量，自动化程度高，降低了劳动强度；装配、拆卸方便，增强了作业的安全性。

2）多功能管杆气动卡瓦采用全内置式气缸，大部分气路结构置于卡瓦座内，在工作过程中工作面基本上与钻台面平齐，降低了工作台高度，方便液压大钳的辅助操作。

3）配套设置中的气控单向阀决定了气动卡瓦在工作过程中的安全性，可使卡瓦体在张开状态下出现突然泄气的情况时不下滑。

4）采用标准方补心的卡瓦座，需要用不同规格的钻杆进行起下钻作业时，可通过更换不同规格的卡瓦体来实现，卸下卡瓦体后能满足使用手提式卡瓦非正常情况下换钻头、倒划眼、旋转转盘等工作，实现了钻井气动卡瓦的多功能性，提高了工作效率。

5）在ZP205、ZP275以及ZP375等系列修井机和钻井转盘上同样适用，应用范围广泛。

4 带标准补心的气动卡瓦的应用及前景分析

带标准补心的气动卡瓦依靠其内置式气缸来推动卡瓦体的运动，通过卡瓦体的打开和收拢来控制对管杆的松开和卡紧状态，该卡瓦的优点比较突出，主要表现在以下几个方面：

1）该卡瓦采用全内置式气缸及气路结构，通过一个配气座同时给4个气缸供气，保证了气缸升降的同步性，减少了钻井工作台面的气路管线数量，避免了外置管线过多过高过长给现场工人的行动带来不便，降低了工人的劳动强度，增强了作业的安全性。

2）该卡瓦结构简单，使用安全可靠，装配、拆卸方便，根据不同的需要，卸下卡瓦体后能满足使用手提式卡瓦非正常情况下换钻头、倒划眼、旋转转盘等工作，不需要将卡瓦整体吊出井，大大提高了起下钻工作效率，在一定程度上降低了钻井成本。

3）该卡瓦的卡瓦体工作在合适高度，提升及放下卡瓦体时不依靠铰链和卡瓦体自重打开，避免因活动铰链锈蚀或销轴滑扣、松动、弯曲变形而发生事故。

因此，将此带标准补心的气动卡瓦应用于钻井作业中，增加了工作过程中的自动化程度，减少了井口的人员配置，在保证工作人员安全性的同时大大提高了工作效率，具有较强的实用性和广阔的推广应用前景。

本技术已获得国家专利，专利号：ZL201220743857．9。

［1］储明来，丁建林 ．气动套管卡瓦的研制与应用 ［J］．石油机械，2006，34（9）：68～70．

［2］姜建胜 ．多功能钻杆气动卡瓦的优化设计及应用 ［J］．石油机械，2008，36（9）：47～49．

［3］余维初 ．新型XDQW多功能管杆气动卡瓦的研究与应用 ［J］．石油天然气学报 （江汉石油学院学报），2008，30（2）：155～157．

［4］余维初 ．新型钻杆液压动力卡瓦的研制与应用 ［J］．石油天然气学报 （江汉石油学院学报），2011，33（11）：158～160．