内置式液压卡瓦的研制

李占柱，倪华峰，王瑞成，李满江，李 勇，王存和，崔鸿全

（1.中石油川庆钻探公司长庆钻井总公司，陕西西安 710021；2.江苏诚创智能装备有限公司，江苏扬州 225008）

0 引言

目前国内外动力卡瓦主要有简易提放式动力卡瓦、气动卡瓦、液动卡瓦。这些卡瓦大多数功能单一，有的不具备刮泥、有的只适应套管或钻杆，有的夹持管柱范围窄。井口不正不能用；正常钻进不能用。而且高出钻台面，影响铁钻工或液气大钳的操作。根据目前国内实际，吸收国内外的先进经验，考虑到国内的材料、配件、加工工艺和手段，提出设计思路及运行方案，与相关厂家联合，研制了一套目前国内技术最先进、最安全、效率最高的一种动力卡瓦。可大大减轻劳动强度、提高效率、提高人身井下安全。

1 设计制造所遵循的标准

液压卡瓦的设计制造除了必须执行国家的铸造、锻造、焊接、材料、热处理、液压和电器等相关标准外，还必须严格按照美国石油协会标准API 7K 和石油行业标准SY/T 5049—2016 执行。在这些标准中对关联尺寸、设计计算、安全系数、材料力学性能、实验方法和程序、质量控制等都做了详细的规定。

2 技术分析

目前国内动力卡瓦主要有简易提放式动力卡瓦和气动卡瓦这两大类。简易提放式动力卡瓦安装在转盘上方，通过动力连杆装置将普通卡瓦上提和下方（图1）。

气动卡瓦安装在转盘内，通过气缸上提卡瓦（图2）。两种卡瓦均高出钻台面，影响其他的施工作业，同时还存在正常钻进时接单根不能使用、井口不正不能使用等问题。

目前内置式液压卡瓦也有两种形式：一种其内锥面为阶梯形，即含有两个9.46°圆锥面，而另一种则为单锥面（图3）。显然，在卡瓦提升高度相同的情况下，双锥面的开口直径更大，通过性更好，能通过更大的钻柱。由于锥度为1：3，每上升3 mm，其直径才增加1 mm。液缸向上行程300 mm，其直径增加才100 mm。如果是5英寸（12.70 cm）钳头，最大开口直径也仅为227 mm。

图1 简易提放式动力卡瓦

图2 气动卡瓦

图3 内置式液压卡瓦

在动力源上，目前主要是气动或液动两种形式。由于受环境、结构尺寸等诸多影响，市面上还未出现电驱形式。其气、液驱动也仅限于气缸和液缸。不论气缸还是液缸，各自都有自己的优势和不足。采用气缸，气源方便，密封形式简单，无污染泄漏等问题存在。但在相同缸径下，其推力小，不能满足设备上的某些功能。液缸则可以做到力量大，体积小。特别适用于空间受限的某些场合。

为了钻台面施工作业方便，也有厂家为了使这种结构形式的液压卡瓦安装工作不高出钻台平面，将升降油缸置于卡瓦本体内，把液压卡瓦本体高度加高，甚至其高度远远大于其转盘的高度，如图4所示。这样就又造成了液压卡瓦坐入转盘后，其液压卡瓦底部远远低于转盘的底部，造成了新的问题。

动力卡瓦本体有两种带钻柱安装形式，一种为本体对开式，另一种则为活门式（图5）。对开式是在动力卡瓦坐入转盘后将销轴抽出，其径向力传递到转盘上，但由于安装间隙的存在，动力卡瓦的的卡持圆必定失圆，卡瓦与钻柱的接触面积将减小，压强最大，对钻柱可能造成伤害。活门式的径向力靠卡瓦本体承受，不会失圆。但对卡瓦本体的材料性能要求更高，需要更高度强度和刚度。

图4 液压卡瓦不高出钻台平面

图5 本体的安装形式

3 结构研制

根据以上结构形式分析，并到生产一线调研走访，了解生产需求、功能，结合国内的材料、加工能力和手段等因素。设计了一种全新的结构形式，其内锥配合面任然按API标准规定的9.46°设计，但内锥面采用了3 个不同直径的锥面以及台阶（图6）。以这种方式尽量降低卡瓦行程，同时增大卡瓦的开度，提高其通过性。在提升高度100 mm 的情况下，其开口直径将增加到160 mm。如果是5 英寸钳头，最大开口直径可达到287 mm。相对于提升高度为300 mm 的传统卡瓦，在提升高度降低了200 mm 的情况下，开口直径却增加了60 mm。

图6 内置结构形式

（1）驱动方式是将传统的直接上体改成了旋转驱动，采用这种驱动方式最大优点在于它除了具有上下驱动力外，还产生了径向推力。在井口不正的情况下，可将钻柱推到井口中间，保证卡瓦安全可靠坐下，卡持好钻柱。

（2）钳头采用了套装式。10.6 英寸（26.924 cm）以下尺寸的钻柱，直接更换内钳头部分，10.6 英寸以上则没有内钳头。这样其适用管径范围得到了大大提高。ZP375 型转盘的液压卡瓦其最大适用管径可达到14 英寸（35.56 cm）。几乎包括了所有常用的管径范围。相比传统动力卡瓦适用管径范围有了很大的提高。

（3）在液压卡瓦中间体与卡瓦体之间设置了一套快速更换卡瓦体的装置。实现特殊的“丢手即锁定，拉出即松开”，大大缩短了卡瓦体的更换时间，更换卡瓦体可在5 min 内完成。同时无需拆卸一只螺丝螺帽、一只销轴，杜绝了由此引起的工具零件掉落井底的事故。

（4）液压卡瓦在深井和超深井作业时，面临井深结构复杂，需要卡持不同种类、规格和重量的管柱。这套液压卡瓦不但适用管柱尺寸范围广，同时还适用于钻杆、钻铤、套管等各种类型的钻柱。避免了在整个钻井周期内频繁吊出吊进液压卡瓦的作业。

（5）由于卡瓦提升高度仅有100 mm，大大降低了液压卡瓦本体和工作高度，整个液压卡瓦工作高度不超过转盘的高度。因此其液压卡瓦做到了与钻台面平齐。同时，液压卡瓦下平面不再低于转盘的底平面。成了名副其实的内置式液压卡瓦。有利于钻台面上液压大钳、铁钻工、液压吊卡等设备、工具的施工作业。

（6）为了最大限度内保护钻具，提高卡瓦牙与钻柱的有效接触面积，降低压强。液压卡瓦的本体采用了活门式结构形式，这种形式虽然增加了材料的强度性能和加工难度，但提高卡瓦牙与钻柱的有效接触面积。接触面增加，压强降低，卡瓦牙吃入钻具的深度减小，对钻具的损伤程度得到了降低。

（7）为了在有限的空间内，安装更多的部件零件，实现更多的功能。其动力仍然采用液压驱动。同时配备液压工作站和控制系统，确保其工作的可靠性。

（8）主要技术参数如下。

适用最大转盘型号：ZP375

最大通径：520 mm

适用钻柱范围：27/8～14 英寸

额定载荷：4500 kN

最大反向承受扭矩：40 kN·m

最小对中推力：70 kN

液压系统工作压力：16 MPa

液压系统额定流量：30 L/min

4 附加功能

（1）在大多数安装好的钻机，其井口多少有点不正。即使开钻前调整正了，在钻进一段时间后，由于钻机基础下沉，井口也会发生偏移。井口偏移不正后卡瓦就不能坐入卡持住钻柱。这套液压卡瓦在其内设置了一套对中装置，通过机械驱动使钻柱位于井口中央，保证卡瓦有效夹持住钻柱。

（2）为了提高液压卡瓦的适用范围，使液压卡瓦在正常钻进接单根或立柱时也能正常使用。液压卡瓦上还有了一套耐磨环，在钻进过程中使钻柱与耐磨环接触摩擦，保护好钻柱的同时，避免了钻柱与卡瓦牙的接触摩擦磨损。

（3）起钻时钻柱上挂满泥浆，严重污染作业环境，需要人工进行刮泥清出。在这套液压卡瓦上，增加了一套气吹刮泥和一套橡胶刮泥装置，代替人工刮泥作业，减少了作业人员和劳动强度，保护了作业环境。这两套刮泥系统可同时使用，也可单独使用。

（4）在液压卡瓦的控制系统上，安装了3 套传感器，将液压卡瓦的工作状态及时上传到中控系统，由中控系统集中控制管理，实现与其他设备的信息共享与互联互锁，保证其工作安全可靠。如果与液压吊卡实现互联互锁，吊卡没有关好时，不能松开液压卡瓦就能避免由液压卡瓦误操作造成的钻柱落井事故。

5 现场试验

经过设计计算，工艺安排和生产制造，在完成了工厂测试后，首台套液压卡瓦运抵到现场进行了工业化测试使用。就目前的情况来看，各项功能基本实现，性能指标达到了设计要求，并进行了进一步的优化设计整改。下一步将进行工业化生产制造和推广应用。

6 结论及建议

（1）向更高安全性、更高可靠性的方向发展。由于石油钻井行业作业的环境、作业的风险和投资，对石油装备的安全性与可靠性有着更高的要求。为了解决液压卡瓦的安全性和可靠性问题，必将在材料的优化设计、锻造方法、加工工艺、热处理方法等方面不断的创新发展。安全性与可靠性也将成为液压卡瓦的核心竞争力。

（2）向智能化、集成化方向发展。液压卡瓦的操作与控制将集成到管柱自动处理系统中，由司钻在司钻房集中统一进行操作控制。并与其他设备实现信息交换与共享，记录使用时间，提示设备保养与更换钳牙；与相关设备如液压吊卡实现联动与互锁。提高自动化水平，减小劳动强度，提高工作效率。

（3）向对钻柱伤害更加小的方向发展。无论是动力卡瓦还是手动卡瓦，卡瓦牙对管柱的径向卡持力都与管柱的重量成正比，由于所有卡瓦均需按API 7K 规定的9.46°设计，所以在相同管柱重量下，卡瓦牙对管柱的卡持力（正压力）完全相等，管柱越重卡持力越大，牙痕越深。只有在卡瓦牙对钻柱伤害降低到最小时，液压卡瓦在深井和超深井段才能得到广泛推广应用。