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1、目录第一章 绪论31.1 引言31.2 设计目的及意义31.3 设计主要内容41.4 设计方法41.5 技术路线51.6 国内外技术现状调研61.6.1国外技术现状61.6.2国内技术现状7第二章 总体要求及总体方案设计92.1 顶驱套管送入工具的总体要求92.1.1依据套管载荷提出的要求92.1.2根据套管钻井扭矩提出的要求102.1.3其他参数的设计要求102.2总体结构方案设计122.2.1总体方案示意图122.2.2总体方案设计内容132.2.3驱动方式方案设计132.2.4夹持机构方案设计142.2.5其他部件的方案设计15第三章 顶驱下套管工具的结构设计173.1夹持机构的设计和计
2、算173.1.1卡瓦结构的设计和计算173.1.2卡瓦座结构设计和计算263.2驱动机构设计和计算303.2.1上凸轮结构设计和计算303.2.2振动筛结构方案设计及计算303.3其他零部件的设计30第四章 强度校核314.1危险点分析314.2危险点强度校核31第五章工艺、安装与保养325.1关键工艺措施325.2安装与使用325.3维护与保养32总 结32谢 辞33参考文献33第一章 绪论1.1 引言顶驱下套管装置是一种集机械、液压、电子技术于一体，利用顶部驱动钻井装置进行下套管作业的一种石油装置。顶驱下套管装置上端与顶驱主轴相连接，可以通过顶驱精确控制下套管作业时套管的上扣扭矩、传递旋转
3、及提升载荷，完成上扣及提放套管动作。常规下套管作业工艺，主要有井眼准备确保井眼处于良好的状态，钻机及工具设备的准备，这里最关键的设备主要是吊环、吊卡、液压大钳等，然后开始对扣和上扣套管，针对对扣和上扣的扭矩进行相关计算，最后下入套管，选用合理的下放和提升速度，并且需要对复杂情况进行相应的处理。装置采用自封式皮碗密封套管，可以在下套管作业的同时循环钻井液，以减少或避免复杂事故的发生。对于常规液压式顶驱套管送入工具的工作原理：通过顶驱的液压源，使驱动机构的上、下油腔充油并升压至额定压力，驱动油缸上下运动来驱动卡瓦机构复位或张开，进而松开或卡紧套管，以传递旋转及提升载荷，完成上扣及提放套管动作。本设
4、计预选方案为机械驱动，同时尝试电磁驱动的探索。对于机械式驱动方式来说，其工作原理：通过顶部驱动正反旋转，带动驱动机构上移或是下移，从而带动卡瓦的径向夹持或松开，用以卡紧或释放套管，完成上扣提放套管以及套管钻井。1.2 设计目的及意义目前钻井过程中，完钻后的井眼（尤其是裸眼）经常出现缩经、坍塌、岩屑沉淀等许多问题，会影响下套管作业进程。这些问题如果不能及时通过循环泥浆、旋转套管等措施有效解决，就可能导致套管无法正常下到井底。现有的常规下套管的方法只能够将套管单根连接在一起形成套管柱并下入井内，同时存在诸多不足：旋扣时操作复杂、不能精确控制上扣扭矩；悬挂在井眼中的套管柱不能旋转；下套管作业的配套设
5、备和人员繁多，综合成本高；下套管作业效率不高，存在极大的安全隐患。基于常规下套管作业的以上局限性，各国石油钻井公司积极研究更安全、更高效的下套管作业方法及装备，顶驱下套管装置的成功应用为下套管技术改进和套管钻井开辟了一个新的空间。顶驱下套管装置，与常规下套管技术相比有一下特点：通过顶驱上扣扭矩的准确控制，提高下套管的作业质量；通过液压驱动，可实现下套管自动化，降低劳动强度；减少作业的综合成本；具有安全、高效的特点。近年来，顶驱驱动钻井装置在我国不断应用并推广，国内多家厂家（北石、天意、宝石等）已经形成顶驱系列产品。然而在顶驱套管送入工具的研究还相对较少，只有少数的厂家（如北石）有过报导，并申请
6、了专利。国外已有多家公司推出了系列顶驱下套管装置，并展开了一系列的研究工作，其产品已在世界范围内销售。因此寻找一种高效、可靠、实用的顶驱下套管装置意义重大。1.3 设计主要内容（1）调研国内外资料，总结套管作业工具国内外研究使用现状熟悉国内外现有套管作业工具的种类、结构、性能以及作业过程的工艺流程，分析现有技术的优势及不足，提出改进方案，结合选题进行总结。（2）结合套管作业要求，完成一种9 5/8內撑式套管作业工具的总体要求制定分析下套管作业及套管钻井作业的整个工艺过程，针对现场作业对顶驱下套管装置的强度、刚度、稳定性以及可靠性的需求，提出9 5/8內撑式套管作业工具的结构、尺寸、材料等的总体
7、要求。（3）完成一种9 5/8內撑式套管作业工具总体设计针对设计的总体要求，根据机械原理、石油设备的设计准则等标准，设计內撑式套管作业工具的机械机构的总体设计，包括驱动方式的设计、夹持装置的设计、整体机构的设计等其他零部件的设计。（4）完成关键构件的设计计算关键构件主要包括接头、驱动装置、夹持装置、导向机构等部件，根据机械设计准则、石油设备的设计准则等标准，设计其具体的结构尺寸，并对其结构进行必要的强度校核，同时对其稳定性和可靠性进行适当的分析。（5）完成9 5/8內撑式套管作业工具的总装图与零件图绘制使用CAD等软件绘制一张0号纸张的总装图，同时还需绘制传动接头、驱动装置、夹持装置、卡瓦机构
8、、密封机构等的零件图，最终工作量为2.5张0号图纸。1.4 设计方法 拿到设计题目后，首先进行前期的资料调研，通过网络、学校图书馆、期刊室等途径查找顶驱下套管装置、常规下套管工艺、国内外下套管技术的相关资料，搜集设计需要的理论参考书目，对所设计产品的发展概况有一定的了解，对已有的类似产品做全面的分析，了解现有产品的优点以及存在的不足，明确自己所设计产品的目的和应该达到的预期效果。同时还要查阅类似设计的专利文献资料，在此基础上开展自已的设计工作。其次，采用理论联系实际的方法，积极与导师沟通，切实的了解设计中难点及相应的解决途径。在有条件的情况下，尽可能到现场参观、调研，从感性认识上加深对所设计产
9、品的理解。对于某些关键设计，还必须通过实验的手段来检验设计的合理性与可靠性，实践才是检验真理的唯一标准。设计过程中要保持严谨的科学作风，科学的仔细的完成每一个设计细节，从而保证整个产品的可靠性。最后，在设计过程中，要注意劳逸结合的工作方法，良好的休息，才能保证有健康的身体，才能保证高效率的工作，才能使我们的设计工作顺利的完成。本方案设计，采用计算机辅助设计方法，熟练掌握CAD的制图操作，通过绘制总装配图和部分结构图，让所设计的产品更加有实体感和美观。1.5 技术路线图1.1 本方案设计所采取的主要技术路线1.6 国内外技术现状调研 1.6.1国外技术现状国外顶驱下套管装置研发较早，主要生产厂家
10、Tesco、Canrig、Weather-ford 、Volant、Franks、Offshore Energy及 Premiere等。鉴于常规下套管作业的局限性，各国石油钻井公司积极开发更安全、高效的下套管装备。如美国BJ Tubular Service公司开发出了一种用于油田下套管和油管作业的全机械化系统，可用于下177.8914 mm(736英寸)的套管，大大提高了作业的安全性和效率。美国Weathefford公司开发了一种用于套管钻井的DwCTM内驱动套管系统，该系统既能安全快速地连接单根套管，也能够驱动深度不超过4 500 m的244339.7 (9 5/813 3/8英寸)套管柱或
11、深度不超过1500 in的406508 mm(1620英寸)套管柱。加拿大Teseo公司研制出一种先进的套管驱动系统，该系统根据不同规格的套管分外驱动和内驱动2种，分别适用于114.3177.8 mm(4 1/27英寸)套管和177.8244 mm(79 5/8英寸)套管，在遇到困难井眼时配套附件还可以扩眼。以上新型下套管设备都可以在下套管作业时使套管柱同时完成旋转、提放及循环钻井液等工作，最大限度地保证了套管能正常下到井底。他们的产品种类比较繁多，其原理也有差异，有机械驱动也有液压驱动的，其产品的特点也有差异，Tesco顶驱下套管装置如下图1.2（a）：图1.2 （a） （b）Tesco 公
12、司主要有内卡式和外卡式类顶驱下套管装置，内卡式顶驱下套管装置夹持套管内表面，外卡式顶驱下套管装置夹持套管外表面；像Canrig顶驱下套管装SureGripTM，采用新型的钢球夹持机构，能够实现套管柱的微痕夹持，特别适合在深井、超深井等恶劣环境中应用；Volant顶驱下套管装置如图1.2（b），机械式顶驱下套管装置主要通过顶驱的旋转、上提及下放，实现心轴相对于卡瓦的轴向位移，进而实现卡瓦的径向位移，完成下套管装置与套管的夹持作业；Weatherford顶驱下套管装置的主要特点，重力补偿装置集成一体化，内部安全锁定机构能够防止套管柱的脱落，形成了一套外夹持机构的专利技术；Offshore Ener
13、gy顶驱下套管装置CRT350的主要特点是配有传感器的扭矩接头，它能够检测并记录套管的上扣扭矩、重力及转速等参数，还配有液压可调节的吊卡。这些产品都有很多的专利，已经在实际工程中成功应用了多年，其范围遍布全球的各大油田，得到了客户很高的认可。这些产品都有自己的特色，但同时他们也存在着不足，如大部分传统的顶驱下套管装置的驱动方式为液压驱动，液压油容易泄漏、污染环境及液压油受环境因素影响较大等；传统的顶驱下套管装置采用楔形锥面夹持结构、卡瓦牙夹持方式，使管柱所受的夹持力随下放管柱重力的增大而增大，但随着深井、超深井的开发日益增多，这种顶驱下套管装置夹持套管柱的重力就越大，套管所受的夹持力也随之增大
14、，有的甚至损坏套管。1.6.2国内技术现状根据国内油田需要，国内最近几年才开始对顶驱套管送入工具进行研发，主要生产厂家是中国石油集团钻井工程技术研究院北京石油机械厂。北石机械厂计划研制开发新型智能化、机械化的顶驱下套管装置。北京石油机械厂的顶驱下套管装置，主要产品有XTG178 和XTG244 两种型号。其内部结构原理图如下图（1.3）所示：图1.3 液压式驱动机构内部结构示意图 1连接螺纹； 2驱动机构； 3限位机构； 4夹持卡瓦； 5密封机构； 6导向机构；其采用液压驱动的方式工作原理，通过顶驱的液压源，使驱动机构上、下油缸充油，推动驱动机构上、下运动，进而实现夹持机构与套管的松开或夹紧，
15、其夹持机构的夹持方式为卡瓦牙夹持，楔形锥面夹持结构可使管柱所受的夹持力随下放管柱重力的增大而增大。该装置拟代替目前国内外钻井广泛使用的套管钳等下套管设备，充分发挥顶驱的优越性，不仅实现套管柱的自动化连接，而且可以提供旋转套管以及循环钻井液的能力，大大减少卡钻、遇阻等潜在的安全危害，极大地提高下套管作业的成功率，为套管顺利下入到计划深度提供装备保证，同时还减少下套管人员，具有安全、高效等特点。目前，北京石油机械厂已经完成了顶驱下套管装置的现场应用，2010年在四川门西001-H3气井套管回接过程中成功应用，2011年，该厂已出口数台顶驱下套管装置至加拿大。我国顶驱下套管装置的设计和制造基本上都是
16、液压式驱动，国内目前市场上并未出现机械式驱动的产品。阻碍顶驱下套管装置发展，主要有以下几个方面：（1）我国针对研究顶驱下套管工具起步晚，生产制造以及推广使用的时间也相对较晚。（2）我国制造顶驱下套管装置企业较少，国内厂家主要有北石、天意、宝石等，对其有研究成果的就更少了。（3）新产品在推出之前，缺乏足够的实验室验证。（4）国外针对此类产品，对我国的技术封锁严重，缺乏技术层面的支撑。（5）由于材料、加工工艺、加工精度和配套使用的通用设备的质量都存在不同程度的问题，所以性能上跟国外设备有一定的差距，同时在设备使用寿命上也比国外的同产品短。（6）近几年来，通过努力对顶驱下套管工具的研究有了较大的突破
17、，但在工艺水平、耐磨损和耐腐蚀性的特殊材料及密封等的研制上有待完善和提高。欲提高我国顶驱下套管工具设备的水平，必须深入研究我国各类油田的特点及特殊要求，认真分析借鉴国外先进设备的结构形式及设计制造经验，引进高新技术，发扬创新精神，针对难点逐个攻关。通过不断努力，使国产顶驱下套管工具种类逐步齐全，相关设备的技术和可靠性不断提高，以适应我国油田和进入国际市场的需要。第二章 总体要求及总体方案设计2.1 顶驱套管送入工具的总体要求 结合套管作业要求，完成一种9 5/8內撑式套管作业工具的总体要求制定，分析下套管作业及套管钻井作业的整个工艺过程，针对现场作业对顶驱下套管装置的强度、刚度、稳定性以及可靠
18、性的需求，提出9 5/8內撑式套管作业工具的结构、尺寸、材料等的总体要求。2.1.1依据套管载荷提出的要求油井套管是优质钢材制成的无缝管或焊接管，两端均加工有锥型螺纹，大多数的套管是用套管接箍连结成套管柱。油井套管有其特殊的标准，每种套管都应符合标准我国现用的套管标准与API标准类似。本设计是为9 5/8套管作业设计的套管送入工具，其套管外径244.48mm，下表为9 5/8套管系列相关参数：重量(kg/m)内径(mm)壁厚(mm)螺纹类型钢级长度48.11228.647.92 圆螺纹/ 偏梯螺纹h40/j55/n80/ p110/8m-12m53.62226.68.9459.58224.15
19、10.0364.79222.3811.0570.01220.511.9971.69216.813.84表2.1 9 5/8套管系列参数其石油套管重量计算公式如下： (外径-壁厚)壁厚0.02466= (kg/m) （2-1）针对这个系列的套管，本设计以内径216.8mm为例进行设计和校核，主要因为此套管的重量较大，下套管时静载荷较大，以此为依据进行强度校核更能保证设计的合理性。而针对其他内径的套管，只是将套管送入工具的夹持机构外径增大，其他结构基本保持不变。套管下入深度设计，针对不同的井，套管下入的深度不同，而9 5/8套管系列通常用于技术套管，在实践中9 5/8套管可以下入5000m以下的地
20、层中。其下套管的速度也是一定的，根据常规下套管工艺，可以发现下放提升套管的速度在0.230.46m/s之间。作为顶驱下套管工具，一种高效率的下套管方式，其下放提升的速度应该较大，同时为了得到较大的动载荷进行校核，我们取下方提升速度为0.46m/s，同时这里我们就针对5000m以上的井进行设计。其载荷如下：静载荷：Q = (外径-壁厚)壁厚0.024665000= (244.48-13.84)13.840.024665000= 3857.09(KN)取整得到其静载荷为4000KN，由于静载荷在整个下套管和套管钻井的过程中一直存在，只是由0逐渐增大到这个载荷值，所以用这个静载荷的数值进行顶驱下套管
21、装置的参数和结构设计，就更加合理。动载荷：Fd = 415.55vA= 415.550.465.17= 9684(KN)此为下套管过程的动载荷，其主要出现在下放和提升的加速和减速的过程中，出现的时间较短，所以对其主要进行强度校核。所以针对工具设计，主要考虑其静载荷的影响，以静载荷为设计准则。其顶驱下套管装置中，主要承载受力的部分为夹持卡瓦、承载卡瓦座、驱动凸轮副、接头等。2.1.2根据套管钻井扭矩提出的要求根据当前顶驱系统的最大工作扭矩，我们可以提出本设计工具的基本承载扭矩。再调研现有产品的相关参数，我们发现，北石的5000mm顶驱的工作扭矩为40KNm；北石的7000mm顶驱的工作扭矩为50
22、KNm；Varco的TDSH-11SA顶驱的工作扭矩为50KNm；宏华DQ450DB2顶驱的工作扭矩为40KNm；TESCO的HCI500顶驱的工作扭矩为41.05KNm；天意的DQ70111-A驱的工作扭矩为56KNm。通过对以上产品和其他产品的分析，针对50007000m的井来说，其顶驱的工作扭矩在4056KNm之间，本设计针对的井深为5000m，取工作扭矩为50KNm，是较为合理的数据。扭矩要求，主要针对套管钻井是从钻头传递给套管，再传递给驱动工具，其主要施加在夹持机构、主体通径、凸轮机构等部件。2.1.3其他参数的设计要求水眼过小，总泵压高，对套管内壁冲蚀严重，长时间高压容易损坏套管；
23、水眼过大，钻头处冲击力低，将影响钻井速度。上端接头螺纹(API)采用6 5/8REG的标准接头。顶驱下套管装置可广泛用于钻井固井下放套管作业以及套管钻井，有效地实现固井作业的需求，是下套管过程不可缺少的重要设备之一。所以，它应满足下列要求：（1）结构布置合理各组成部分应从上至下，由接头、主体通径、凸轮驱动机构、承载及限位机构、夹持机构、密封及导向机构依次安装对接，以实现夹持套管、下放套管、提升套管以及旋转套管等功能。（2）使用寿命长由于长期处于夹持、下放、提升管以及旋转等状态下，其设备的疲劳磨损严重，要求设计所选用的材料，加工工艺等能够使设备具有较长的使用寿命。（3）有足够的抗拉和抗扭能力在下
24、套管作业及套管钻井作业过程中，其该设备应具有一定的抗拉和抗扭能力，以抵抗下方套管带来的载荷对设备产生的持续加压。（4）安装维护方便要求在顶驱套管送入工具使用时，可以方便的安装、换件，设备的维护是工业生产所必需的过程，方便的维护，不仅降低了工人的工作压力，还给企业减少了设备的运行成本。国内常用顶驱下套管装置的主要技术参数如下表：表2.2 顶驱下套管装置的主要技术参数套管规格79 5/8水眼直径/mm5776水眼密封压力/MPa35/7035/70最大抗拉载荷/KN31504500最大工作扭矩/(KNm)2550上端接头螺纹(API) 6 5/8REG6 5/8REG2.2总体结构方案设计2.2.
25、1总体方案示意图及工作原理图2.1 总体结构方案原理示意简图 1连接螺纹； 2驱动机构； 3轴移缸套； 4驱动凸轮； 5外壁圆筒； 6 水 眼 ； 7主轴通径； 8夹持卡瓦； 9密封机构； 10导向机构； 顶驱下套管装置的工作原理，将工具旋扣在顶驱上，下端下放到套管内。开始旋转顶驱带动工具主轴转动，是上凸轮随着一起转动，由于摩擦力的存在下凸轮与上凸轮之间会存在一个位移差，一定圈数后上凸轮与下凸轮分离。上提顶驱带动卡瓦座轴向移动，使卡瓦产生径向位移夹持套管，继续旋转主轴带动卡瓦一起旋转，同时上凸轮的斜面在下凸轮支撑下沿轴向向上移动。此时，卡瓦与套管的动摩擦力越来愈大，直到大于静摩擦力，卡瓦与套管
26、夹紧之间无相对运动。而此时卡瓦与卡瓦座之间依然是动摩擦，继续转动直到卡瓦与卡瓦座之间无相对运动夹持动作结束。开始下放或上提套管，结束后反向旋转，主轴在重力的作用下沿轴向下移，卡瓦沿径向回缩，松开套管。2.2.2总体方案设计内容顶驱套管送入工具主要由接头、主体通径、凸轮驱动机构、承载及限位机构、夹持机构、密封及导向机构等组成，主要是用于下套管固井以及套管钻井的中间设备。针对设计的总体要求，根据机械原理、石油设备的设计准则等标准，设计內撑式套管作业工具的机械机构的总体设计，包括驱动方式的设计、夹持装置的设计、整体机构的设计等其他零部件的设计。2.2.3驱动方式方案设计针对现有产品进行分析，对于液压
27、式的驱动方式来说，是通过液压缸来实现轴向运动的，所以要考虑的是套管送入工具与顶驱的液压系统的配合问题，但是对于机械式的来说，是通过顶驱带动驱动机构旋转来实现轴向运动，应考虑周向旋转与轴向移动之间的连接副形式。本设计采用机械式驱动方式，其中将旋转运动转换为轴向移动，可以考虑以下方式：顶驱通过接头连接一轴向螺纹，也就是中间主体部分有一段螺纹传动如图（2.2），当外面的螺母固定后，主体在螺纹传动的过程中实现轴向移动，带动夹持机构径向移动产生夹持力；还有一种方式是采用凸轮副驱动方式，上凸轮与主体部分连接一起随顶驱旋转，下凸轮与外筒连接在于套管配合时起到固定的作用，当顶驱旋转带动主体上的凸轮旋转，上凸轮
28、就会沿着凸轮副成轴向向上移动，从而带动夹持机构径向移动产生夹持力，同时凸轮副上有一吊钩如图（2.1），当反向运动松开套管时，可以通过吊钩配合带动整体一起运动。图2.2 螺纹驱动夹持机构结构、原理示意简图分析这两种方式，可以发现螺纹传动方式，需要较多的旋转圈数，才能得到较长的移动距离，然而凸轮副驱动方式，只需要四分之一的旋转圈数就可以得到较长的轴向移动距离，当然这是理论上的，由于夹持力是借助夹持机构与套管内壁的摩擦力实现的，卡瓦与套管内壁就会存在相对移动，所以实际操作过程中顶驱带动凸轮转动，凸轮带动驱动机构上移，产生夹持移动，凸轮带动整体转动，出现滑移，凸轮带动驱动机构继续上移，直到与套管完全加
29、紧。而轴向的较长的长度更适合监测，所以采用凸轮副驱动更加合适。2.2.4夹持机构方案设计对于夹持机构的主要任务是将轴向运动转变为径向移动，并产生夹持力，用以夹紧套管内壁。本设计采用常规的钻井工具夹持形式，其组成主要包括以下几个部分：卡瓦座、卡瓦、卡瓦牙、上下限位，结构形式如下图（2.3）所示：图2.3 夹持机构结构示意图卡瓦座在主体上，随主体一起沿轴向运动，卡瓦的斜锥角通过夹持条件来确定，由于是內撑式夹持，夹持机构在套管内，其内径是有一定限度的，所以单个斜锥面的长度不宜过长。从总体要求中可以看出，套管的重量很大，所以夹持的长度必然很长，初步设计为400mm。由此斜锥面的个数也要相应的增多，单个
30、斜锥面过短会导致卡瓦座和卡瓦接触面减小，结合轴向移动的距离在40mm左右，其每个卡瓦座的轴向距离可以设计在100mm左右，得到卡瓦的个数为4个，即轴向公4个斜锥面。同时为了安装的需要和结构的固定，四个卡瓦座沿轴向，从上到下直径要依次递减。而卡瓦要与其配合，在与卡瓦座接触的面上，其设计要与卡瓦座的斜锥面相配合。当工具松开套管时如图（2.2.43），主体沿轴向下移，卡瓦座也同时下移，卡瓦被释放，径向开始松动，径向力消失；当工具夹紧套管时如图（2.3），主体沿轴向上移，卡瓦座也同时上移，一定行程后，卡瓦座与卡瓦接触并产生径向位移，卡瓦与套管逐渐接触并产生径向力。从此过程中，可以看出卡瓦座与卡瓦初始为
31、非接触平面，随着卡瓦座上移而逐渐接触，并且接触面是逐渐减少的。分析可知，卡瓦座与每个卡瓦有效的接触面轴向长度为60mm左右。2.2.5其他部件的方案设计（1）密封设计，本工具的设计中，用到了大量的密封装置，多数为主体通径与外筒壁之间的滑动密封，这里主要设计工具与套管之间密封的基本形式，其他的会在后面进行详细的说明。工具与套管之间的密封主要采用双层密封形式(皮碗密封)，其结构如下的图（2.4），其中斜锥密封圈的外面是一个斜锥面，会随着套管趋于向下运动越来越紧，同时随着钻井液的压力增加，进入到平衡间隙里的钻井液的压力也会随之增加，使得密封圈与套管内壁更加紧密，已达到较好的密封效果。图2.4 导向机
32、构与密封机构示意图（2）导向机构，用以在工具进入套管内壁时，起到导向作用的机构，其主要特点如图（2.4）所示，下端为水眼出口，直径较小比水眼直径略大，其上端与密封机构相连，直径比套管内径略小。（3）圆筒外壁，主要起到固定卡瓦、固定和承载下凸轮、上凸轮滑动导向，其结构如图（2.4），主要由下端长圆筒、上端短圆筒和薄壁圆筒组成。根据套管头的长度确定长圆筒的长度在800mm左右，是卡瓦长度的2倍。上端短圆筒还要用来与套管头接触，用以限位，其长度在150mm左右，直径应最大，要与其它配备装置配合，在工具夹持套管后从此处冲入高压油，保持凸轮副的接触来维持夹持力。薄壁圆筒密封凸轮副之间的液压油，同时主体在
33、轴向运动时起导向作用。其尺寸主要是根据凸轮副的尺寸来设计，其长度在50mm左右。（4）上端接头螺纹(API)采用6 5/8REG的标准接头。（5）将各个部分的尺寸进行分析，得到此工具的总长度在2000mm左右。第三章 顶驱下套管工具的结构设计3.1夹持机构的设计和计算3.1.1卡瓦结构的设计和计算1、卡瓦的受力分析卡瓦是作用于套管内壁，通过径向移动，与套管内壁接触至一定形变产生相应的应力，在正压力作用下产生静摩擦力即对应的夹持套管的夹持力。卡瓦的卡紧过程是主体的圆锥卡瓦座由于上端连接的驱动机构沿轴向向上移动而向上的，由于卡瓦被限制在外筒上，所以卡瓦座会带动卡瓦沿径向移动，使卡瓦牙与套管内壁接触
34、，并且逐渐楔紧的。受力情况如图（3.1）所示： 图3.1 卡瓦受力意图在楔紧的过程中套管的重量Q为主动力，在Q力的作用下，靠管柱与卡瓦牙之间的摩擦力，带动卡瓦一起下行，使卡瓦楔紧管柱。因此，卡瓦卡紧管柱的基本条件是套管下行时能否带动卡瓦牙而实现楔紧作用。楔紧作用越强，则管柱卡紧越可靠。为此应保证: （3-1）式中 卡瓦与卡瓦座之间的摩擦力，； 卡瓦牙与套管之间的摩擦力，；法向反力； 正压力；卡瓦体与卡瓦座之间的摩擦系数；卡瓦体与管柱之间的摩擦系数；斜角。当卡瓦卡紧后，根据平衡条件有： （3- 2）整理得： （3- 3）上式就也是卡瓦正常工作的必要条件，分析上式，可以得出以下结论：（1）必须有当
35、时，才能使卡瓦牙保持平衡，从而卡住管柱。因此使用时要保持卡瓦牙背部清洁光滑，及时检查卡瓦牙的磨损情况，一旦发现磨损严重时要立即更换。（2）越小，则卡紧越易，但过小会使卡瓦轴向尺寸过长，并且产生自锁现象，而且也会进一步增大对管柱的压力,同时如果越大会增加径向的长度，卡瓦座的主体部分会变的较薄，其主体承受的径向和轴向载荷的能力都将下降。因此，必须合理的确定，既不能太大又不能过小。2、卡瓦斜角的确定卡瓦在工作时，必须靠驱动机构下行提来实现松卡，然后通过卡瓦座旋转，依靠重力下降促使卡瓦回收。因此，要求卡瓦座不能产生自锁现象。卡瓦座不自锁的条件是卡瓦斜角应大于卡瓦与卡瓦座之间摩擦角，即：为防止卡瓦座与卡
36、瓦发生自锁现象，设计时应保证，又，所以：卡瓦体与卡瓦座之间的摩擦系数取值范围为0.050.15，当摩擦条件恶劣时，所以：即斜角应大于831才不致于产生自锁现象。在实际应用中，常采用92745230，此时锥度k1：3。无论是从不产生自锁要求出发，还是从尽量减小卡瓦轴向长度出发，都希望能较大。分析式（3-3）可知，当越小，越大，则越大。有关数据表明，当锥度k1：3时，即使在卡瓦和卡瓦座的摩擦表面只用水润滑也能可靠地卡紧套管，这个锥度对现有各型卡瓦是比较合理的。减小的途径可通过提高卡瓦牙与卡瓦座的加工精度，降低表面粗糙度和改善润滑条件实现。但在计算时仍保守地取0.15，以保证安全。增大的途径是提高牙
37、板材料，改进热处理条件，合理选择牙板牙形来实现，据资料介绍，可达0.5之多。这时卡瓦牙与套管之间已不能简单地用刚体摩擦来解释了，实际上彼此有变形、吃入现象。图3.2 不同锥度下和P/Q与之间的关系曲线如果把0.15，0.5代入式（3-3）中可得出角稍大于15。取15，恰为k1：1.866的标准锥度（图3.2）。这是卡瓦的最大锥度，但是采用此锥度会导致主体圆筒的厚度过薄其径向和轴向载荷都会受大影响；如果采用锥度k1：3时，92745，此时0.15，0.3180.5，符合要求，因而是可行的。同时我国已经颁布了钻井卡瓦技术条件的部颁标准（SY504984），其中规定卡瓦的锥度k1：3，其半锥角927
38、45230 ，为标准锥度，便于加工。3、卡瓦材料的选择卡瓦牙作为卡瓦的主要部件，其中卡瓦牙的牙形、材料和硬度对于卡瓦的套管卡紧、卡瓦牙寿命及保护套管柱内壁表面等都有重要的影响。目前大多采用20CrMo、12CrNi、20CrMnTi之类的低碳合金结构钢作卡瓦牙，经过渗碳淬火后使其硬度达HRC4352或采用高碳合金钢进行高频加热与淬火。卡瓦牙属于易损零件，其拆换应力求方便。卡瓦座通常用中碳合金结构钢，铸成后热处理的硬度为HB207328。卡瓦的强度应按最大作用载荷并考虑25的可能过载进行计算。计算时所取的安全系数应不小于2。本设计卡瓦的材料及相关参数初选为：钢号： 20CrMnTi；热处理硬度：
39、HRC5060；屈服极限： 850 Mpa；强度极限： 1100 Mpa；弹性模量： =207000Mpa；泊松比： 0.25。4、卡瓦夹持面、面积及卡瓦长度的确定卡瓦牙的牙形对卡瓦的性能有很大影响。确定卡瓦的牙形既要考虑套管的脏污程度，同时又要考虑卡瓦牙的耐磨性和牙齿之间消除污物的自洁能力，特别是产生的锈蚀。图3. 3 螺纹型切牙示意图 图3. 4 凸块型切牙示意图根据实际使用的情况，主要有两种牙形被广泛采用。第一种切牙是螺纹，牙距78mm，和80（如图3.3）；第二种切牙是一种凸块，每个凸块呈切顶角锥形3mm3mm（如图3. 4），这种形状和尺寸的切牙能够保证卡瓦与套管的结合系数不论表面在
40、干的或湿的状态都能满足要求。有资料表明，咬合系数随套管在卡瓦中的轴向位移增大而增大。卡瓦卡紧套管时会在卡瓦内产生复杂应力。这种复杂应力是由两种载荷的作用引起的，即轴向拉伸载荷和径向压缩载荷。拉伸载荷由套管自重引起，其作用方向为轴向；压缩载荷是卡瓦工作时所产生其方向为径向。前面已经对其结构的受力分析过，这两种载荷互相联系、取决于卡瓦与卡瓦座斜角以及卡瓦与卡瓦座、卡瓦与套管的摩擦系数大小。改进卡瓦结构还有一个途径，就是增加牙板对套管内壁的环形包角，以使卡瓦的压力能更均匀地夹持到套管内壁上，这对增加卡瓦的悬重能力，避免卡瓦咬伤管壁很重要。当卡瓦面上有充足的正压力时，才能产生足够的周向和轴向静摩擦力。
41、但如果卡瓦面上单位面积的载荷过大，一方面会导致套管柱可能被挤坏，另一方面也会使卡瓦牙更加快速的磨损从而无法正常工作，这都是我们不想看到的。根据力学平衡条件及相关的推导，各个卡瓦施加给套管柱内壁的径向总压紧力为： （3-4）式中卡瓦表面正压力； 套管重量。因此卡瓦的最小接触面积为： （3-5）带入相关的数据可以得到，最小接触面积为44247mm2取整为45000mm2，本设计采用四个沿套管内壁均匀夹持的卡瓦。在套管直径一定的条件下，卡瓦总周长实际上是一定的，因此求接触面积S的目的是确定卡瓦的长度。目前卡瓦的长度一般不少于200mm，同时最大长度也不超过400mm，相关的研究表明，载荷并不随长度按
42、对应的比例增加。当卡瓦长度从300mm加大到400mm，所能增加的轴向载荷不大于1012，所以卡瓦长度要选择适宜。对于216.8mm的套管内径来说，内周长为，所以每个卡瓦牙在周向上与套管内壁接触的长度约150mm，其之间的周向距离大约为20mm。当每个卡瓦接触面积S此时为280cm2，其轴向可以设置67个矩形牙环，周向有效接触周长为150mm，轴向有效接触长度为200mm，其总长度为400mm。求得每个卡瓦的接触面积为30000mm2，其总接触面积=1200 cm25、夹持牙痕分析由于卡瓦与钻杆的接触可以被认为为曲面接触，根据接触力学，在曲面接触中，最大剪应力发生在表层下，因而塑性变形最先始于
43、表层下，其周围被弹性变形所抑制，只有当载荷进一步增加，使塑性变形区逐渐扩展到表面时，在表面上才出现塑性变形特征,即在表面上形成永久性的压痕。此时，平均接触应力的最大值，为塑性变形剪应力临界值， ，为压缩屈服应力。通常，定义材料的硬度H(HB)，即上式还表示了材料硬度的HB值与压缩屈服应力之间的关系由此我们可以得出结论：球面或圆柱对平面，或圆柱对圆柱，抑或曲面对曲面施加载荷时，若平均接触应力Hm未到达三倍压缩屈服应力之前，或者说，Hm未超过表面硬度的HB值，则表面不会发生明显的永久性压痕，那么，不发生永久性塑性变形的判据便是：我们可利用这一结论来判断动力卡瓦在夹紧牙板齿是否在套管内壁表面上留下永
44、久性压痕。由本文前面得出的结果可知：卡瓦作用在套管内壁上的正压力为12315.66KN，即，同时接触面积为1206cm2 则正应力为12315.66KN /1200cm2 =102.6MPa 273.33MPa(此值为套管最低屈服极限的三分之一倍)，所以套管上不会产生永久性压痕。6、卡瓦的最小厚度设计图3.5 卡瓦最小厚度位置示意图如图（3.5）所示卡瓦的最小厚度在与轴向第一个卡瓦座最低端接触的平面上，以这个界面为基础，绕中心轴旋转360度，形成一薄壁圆筒，由此建立以薄壁圆筒的模型，求解卡瓦的最小厚度。模型如下图（3.6）所示：图3.6 薄壁圆筒的模型1其中轴向应力，由于对称性，轴向内力应沿圆
45、周分布，同时圆筒为薄壁，还可以假设轴向应力沿壁厚均布，故轴向应力在整个截面上是均布的，横截面上的正应力即为轴向应力，其值应为轴向力除上其有效横截面积，公式如下： （3-6）式中，为轴向力，大小为轴向摩擦力等于4000(KN)，其横截面积应为四个卡瓦折合后的横截面积，大小为，其中。将以上数据和公式带入到公式（3-6），求得轴向应力。对于周向应力，从上图圆筒薄壁模型中截取分立体如图（3.7）所示， 图3.7 薄壁圆筒的模型2纵向截面上的法向应力假设沿壁厚和沿轴向均布，两个纵向截面的正应力的合力均为： （3-7）由图（3.1.7）所示的沿竖直方向的力的平衡条件可知内力2与内外压力的合力相等：以此得到周向应力： （3-8）其中为内压，大小为卡瓦与卡瓦座的正压力与有效接触面积之比，通过前面的计算，其，每个卡瓦有效接触面积为252cm2，求得；为外压，大小为卡瓦与套管的正压力与有效接触面积之比，其，每个卡瓦有效接触面积为300cm2，求得。将以上数据带入公式（3-1-8）得到周向应力为： （3-9）最后是径向应力的计算，在圆筒内壁，在圆筒外壁上，由于内外压的存在，压力大小相差不大，所以不能因为壁薄的原因，就将其忽略，而厚壁圆筒却可以解决存在内外压时，径向应力的计算，其计算公式可以借助
