横梁式卡管器研制与应用

2013-07-08岳振玉

石油矿场机械 2013年4期

岳振玉

（胜利油田分公司采油工艺研究院，山东东营 257000）①

在不压井作业过程中，依靠卡管器的夹卡来实现起下管柱［1－4］。目前常用的游动卡管器为卡瓦外置结构［5－6］，导致不压井作业设备的高度较高，无法与小修设备配套。还存在3个问题：液压缸为固定式，维修更换卡瓦困难；卡瓦和管柱不易对中，易卡偏管柱；制造、安装工序复杂。鉴于此，胜利油田分公司采油工艺研究院研制出了功能完善、技术参数满足不压井作业要求的横梁式卡管器。本文介绍了其结构特点，并对横梁和卡瓦进行有限元分析，优化了结构。

1 结构及特点

横梁式卡管器主要由主梁、液压缸、卡瓦等组成，结构如图1所示。小型油缸和卡瓦安装在主梁内，由液压缸推动卡瓦来夹卡管柱。该卡管器安装在不压井作业装置的举升液压缸顶端，跟随举升液压缸运动，实现管柱的加压起下。由于卡瓦采用了内置式结构，使不压井作业装置的整体高度大幅降低，作业人员能够在卡瓦卡紧油管后方便进行油管的上扣、卸扣操作。卡瓦为变径结构，可同时实现Ø73.0mm（2英寸）和Ø88.9mm（3½英寸）组合油管的夹卡，省去了更换卡瓦的施工工序。横梁式卡管器的液压缸在径向采用轴和轴套安装固定，可轴向旋转90°，方便更换卡瓦。

图1 横梁式卡管器结构

2 主要技术参数

3 横梁强度计算［7－8］

横梁是由2根主梁和2个连接板组成的矩形框，外形尺寸为1170mm×370mm×200mm，主梁的截面尺寸为80mm×200mm，连接板的截面尺寸为25 mm×200mm。横梁两端部各受向上力250kN，中部两内侧各受向下力250kN。横梁的材质为35CrMo，调质硬度为220～255HB，强度极限σb＝685MPa，屈服极限σs＝490MPa，弹性模量为210GPa，泊松比为0.3。取许用应力［σ］＝σs／2＝245MPa。

建立有限元模型，在两侧施加位移约束，在2根主梁上安装卡瓦的上表面各施加250kN的压力，用solid185单元进行网格划分，如图2所示。图3是横梁的等效应力云图，最大应力为137MPa，该值小于材料的许用应力245 MPa。所以，横梁的强度满足要求。

图2 横梁有限元模型

图3 横梁等效应力分布

4 卡瓦参数优化

4.1 牙板分布角度

有限元计算的已知条件为：卡瓦的横向压力为250kN，卡瓦圆弧处截面尺寸200mm×80mm，卡瓦长度200mm。卡瓦材料为35CrMo，弹性模量为210GPa，泊松比为0.3。图4为卡瓦的有限元模型。两侧面沿卡瓦长度方向的位移和底面沿卡瓦厚度方向的位移受到约束。

由于卡瓦器受力模型有2个对称面，取其1／4进行ANSYS 计算。为了对卡瓦器的形状进行优化，分别取Ø73.0mm（2英寸）油管圆弧段对应的牙板分布角为102～109°，依次建立各种角度的模型，求解计算。模型采用solid185单元，在划分网格时对油管采用了较为规则的扫描划分法，而对卡瓦则采用自由划分法。计算结果如表1。

图4 卡瓦器有限元模型

表1 不同牙板分布角度下油管的最大位移

由表1可知：随着夹卡角度的增加，Ø73.0mm油管的最大位移逐渐变小，而Ø88.9 mm 油管的最大位移则逐渐变大；当角度小于106°时，Ø73.0mm油管的x 向最大位移uxmax大于Ø88.9mm 油管的y向最大位移uymax；当角度大于106°时，uymax＞uxmax；当角度等于106°时，umax取得最小值。为了使2种夹卡工况下油管的变形最小，应将卡瓦中Ø73.0 mm 油管段圆弧的牙板分布角设计为106°。

4.2 夹持力

利用不压井作业试验台，在卡牙无变形、油管无滑移和油管无变形的约束条件下，用变径卡瓦分别夹卡材料为J55的Ø73.0 mm（2英寸）油管和Ø88.9mm（3½英寸）油管，获得了夹持力的试验数据，如表2～3。

表2 变径卡瓦在夹卡Ø73.0mm（2英寸）油管的试验数据

试验序号第1次第2次第3次第4次第5次夹持力／kN 400 550 500 530520油管变形情况正常变形正常滑移正常

表3 变径卡瓦在夹卡Ø88.9mm（3½英寸）油管的试验数据

5 现场试验

横梁式卡管器在胜利油田纯梁采油厂的纯41斜50井上进行了现场试验。该井为自喷转抽油井，含气量较高，井口压力1.2 MPa，油管无法正常起下。使用横梁式卡管器和固定式卡管器交替夹卡油管，加载液压缸举升完成上提、下放管柱工序，平均速度5根／h。截至目前，横梁式卡管器与不压井设备配合进行约3000口井的不压井施工作业，取得了较好的效果。