超级单根全液压钻机气动卡瓦结构计算

□ 岳文斌 □ 王清岩 □ 张飞宇

吉林大学 建设工程学院 长春 130026

超级单根全液压钻机是一种可满足煤层气、页岩气、水平井、定向井、深井开采的浅层钻进的钻机。该钻机的井架起放、钻进动力给进等主要功能均由液压控制，具有机动性高、搬家方便、井场占地面积小、钻机总装及井场建场时间短等特点，可以大大节约运输时间、工地准备时间及相关费用，节约了钻井成本，提升了钻井效率。在油田钻井施工中，钻机卡瓦是用来夹紧钻杆或套管的井口工具，通常固定在转盘上。

目前技术比较成熟的卡瓦驱动方式主要有气动和液动两种，相比之下，气动又比液动具有更多优点。在钻井施工现场中，大多配有空气压缩机，能为气动卡瓦提供充足的动力介质，减少了设备投资，降低生产成本，并且不污染环境。

1 气动卡瓦的设计要求和参数

气动卡瓦要有足够、稳定的夹紧力，钻杆或套管与卡瓦之间不能发生相对滑动，夹紧机构应有自锁性能；夹紧与松开动作迅速，松开彻底，不影响钻杆或套管的起升；夹紧力要分布均匀，夹紧时不应损伤钻杆表面，卡瓦强度适当，耐磨，摩擦因数大；卡瓦牙板由于易损坏，应便于拆换；结构要紧凑，使用安全，操作方便，易于维修。

气动卡瓦应用于2 000～3 000 m超级单根全液压钻机，配合铁钻工、旋扣器、动力水龙头，完成上卸扣、起下钻工作。

以钻深3 000 m超级单根全液压钻机计算，设计承载为350 t。

2 卡瓦结构受力计算

当钻杆或套管在自身重力作用下沿井壁下行时，钻杆或套管与卡瓦体之间的摩擦力F2带动卡瓦体随钻杆或套管一同下行，当卡瓦体锥面与卡瓦座体的锥面紧密贴合并形成一定的挤压力时，卡瓦座体提供给卡瓦体足够的阻力，阻碍了卡瓦体连同钻杆或套管的下行，完成了夹持动作，实现了卡瓦的功能。通过上述分析，卡瓦楔紧并卡住钻杆或套管的基本条件是，钻杆或套管下行时，必须要带动卡瓦体下行实现楔紧作用，即钻杆或套管与卡瓦体之间的摩擦力F2应大于或等于卡瓦体背锥面与卡瓦座体内锥面之间产生的阻止卡瓦体连同钻杆或套管下行的阻力。

▲图1 卡瓦楔紧时受力简图

▲图2 反平行四边形机构简图

▲图3 气动卡瓦整体结构简图

式中：F1为卡瓦体与卡瓦座体之间的摩擦力；F2为钻杆或套管与卡瓦体之间的摩擦力；N1为卡瓦体受卡瓦座体的法向支撑力；N2为钻杆或套管受卡瓦体的法向夹持力；f1为卡瓦座体内锥面与卡瓦体外锥面的摩擦因数；f2为钻杆或套管与卡瓦体的摩擦因数；α为依据API标准规定的半锥角，

将式（2）、（3）、（4）代入式（1）得：

根据实验资料和经验，卡瓦座体内锥面与卡瓦体外锥面的摩擦因数f1一般取0.05～0.5之间，通常取f1=0.158，通过计算可以得到 f2≥0.333。

当钻杆或套管上提时，气缸带动反平行四边形连杆机构使卡瓦体松开，卡瓦体随钻杆或套管一同上提，卡瓦体采用四块分体结构，使卡瓦体沿卡瓦座体锥面散开，以便钻杆或套管能够自由上提。

3 卡瓦的结构示意

此卡瓦采用单气缸驱动，经过平面几何尺寸计算，利用反平行四边形机构（如图2所示），能够使两侧卡瓦体在左右动臂的驱动下实现工作过程，卡瓦的整体结构简图如图3所示。

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