超深井5in钻杆使用动力卡瓦可行性评估
汤平汉，胡安智，范洪兴，段振江，木合塔尔，郭海清
(塔里木油田分公司工程技术部，新疆库尔勒841000)
摘要：超深井使用动力卡瓦起下钻作业时，如钻具的悬重过大，钻杆被夹持部位在强挤压力下，易产生塑性变形，导致"缩 颈”损坏，引起重大事故。文中分别采用传统设计方法和使用A ba qu s有限元分析软件对某井5 in钻具、悬重220 t、卡瓦夹持长 度为420 m m等条件下，对钻杆承载极限分析计算，分析认为在6500 m井深下，5 in钻杆使用动力卡瓦是安全可行的，可行性 评估也证明了这一点。
关键词：超深井；动力卡瓦；钻杆；承载极限；可行性评估sms是什么
myo中图分类号:TE 92 文献标志码:A 文章编号：1002-2333(2017)08-0133-03 Feasibility Evaluation of Using Power Slips with 5" Drill Pipe in Ultra-deep Well TANGPinghan, HU Anzhi, FAN Hongxin, DUAN Zhenjiang, MUHE Taer,GUO Haiqing
(Technique Department of Tarim Oilfield, Kuerle 841000, China)ghj
Abstract ： W hen power slips is ud in a trip in super deep well, perm anent deform ation such as ne
cking will occur on drill pipe string to cau rious accident becau the suspension is too heavy and the clam p im pact may exceed the limit. Traditional m echanical design m ethod and the Abaqus finite elem ent analysis software are ud to calculate the lim it analysis of the drill pipe under the condition of a well with 5" drill p ip e,220 ton load b earin g,420 m illim eter power slips gripping length. The analysis shows that it is safe and feasible to u this power slips in the 5 in drill pipe at a depth of 6500 m eters.
Key words ： u ltra-deep well; power slips; drill pipe; lim it of load bearing; feasibility evaluation
0引言
超深井钻井时，在钻机上配备动力卡瓦，采用“一吊 一卡”起下钻作业，是降低钻工劳动强度，提高起下钻速 度，避免单吊环起钻事故的有效途径之一 [1-3]。国内某油田 井深为6500 m时，采用5 in钻具组合，考虑泥浆的浮力，钻 具悬重约为220 t。在这样大的轴向载荷下，使用动力卡瓦 起下钻，钻杆夹持部位将有可能出现因弹塑性变形的“颈 缩”失效+8]。本文通过该井钻杆承载能力分析，得出超深 井5 in钻杆使用动力卡瓦是安全可行的。
1力学模型
使用卡瓦起下钻杆作业时，钻杆靠楔形结构动力卡 瓦夹持，该横向载荷作为一种压缩力，作用在钻杆上[1&12]。
动力卡瓦夹持钻杆如图1所示，图中为卡瓦体与钻
杆之间的摩擦力，或
可卡紧钻杆悬重；疋
为卡瓦体与钻杆之
间的挤压力，为卡
瓦座对卡瓦体的正
guesthou压力;M为卡瓦座对
卡瓦体的摩擦因数;
a为锥度角。
卡瓦卡紧钻杆
后，根据平衡条件，
必满足下面两个方
程式:
| X i^=〇 ?F-jUbNcosa-Nsina=0; (工)
1^-A^cosa+/xsina=0〇
按A P I标准动力卡瓦，取锥度角a=9°27'45〃±2'30"，从 式⑴可得：
(6卞)
(l+6/x)
F。⑵当钻杆上被卡瓦咬合时，产生的挤压力对咬合部位管体产生的应力超过了管材的毁坏强度后，将会发
生“缩颈”和挤碎现象。
2钻柱极限载荷计算
卡瓦内悬挂钻柱的极限载荷计算公式很多，按使用最广泛的A P讼式％当钻杆内某点应力增加到20yp，钻杆 直径不发生永久变形的临界条件必须满足式(3)的条件：(a-a)2+ (a-A)2+ (a-A)2 = 2〇y2p。⑶式中：为轴向应力，为半径a•处的径向应力，6^
;〇e为周向应力，〇e=;〇y p为钻杆屈服强度，为钻杆轴向力M为钻杆横截面积;6为钻杆 外径;a为钻杆内径;w；为钻杆外挤压力，。其中:W为侧面挤压力为侧面卡瓦面积；尺为横向载荷系数，K=—---^(少为摩擦角，*A=tan_1M);M为卡瓦座对卡tan(a+少）
瓦体的摩擦因数。
当载荷增加到一定程度，钻杆屈服扩展到整个钻杆壁
厚，从式(3)分析可知，钻杆被夹持部位最大应力点在钻 杆内侧，内侧应力要满足式(4):
2
I L]_
1+1+-KA\
2
I+122a KA
1+22
教育部雅思考试官网
\b-a V
i1。⑷
3国内某油田应用A P I公式计算结果
某油田使用5 in钻具组合，S135钢级高强度钻杆，其 最小屈服强度为930.79 M P a，钻杆与卡瓦参数见表1。
表1某油田使用5 in钻杆及卡瓦参数
壁厚外径内径外半径内半径^胃紧侧向"mm D/mm G?/mm 6/mm o/mm 一面积山/
积 A/m2"mm m2 9.19 127 108.6 63.5 54.3 3405 420 167 573
取h 2.8(横向载荷系数)，将参数带入式(4)，得出最 小、最大屈服强度下钻杆承载极限：
[F|m in=258.6 t>220 t 〇(5)按A P I公式的规定，从式(5)计算结果得知，被夹持在卡 瓦内的钻杆不会出现“颈缩”和压裂等弹塑性变形现象，该 井起下钻作业时，5 in钻杆使用动力卡瓦是安全可行的。
4动力卡瓦夹持钻杆有限元分析
动力卡瓦夹持钻杆的有限元分析可以更好地了解钻 杆与卡瓦接触部位的应力分布情况[14^。钻杆与卡瓦的接 触面积，具体的为每个卡瓦牙齿表面积乘卡瓦牙总数，计 算中采用实际数据(卡瓦夹持长度为420 m m，牙齿总数 4080个，每个牙齿齿宽0.2 m m、弦长6.55 m m)，忽略连接
图2卡瓦夹持钻杆模型图3管体外表面Von Miss等网格划分效应力
图4钻杆内侧Von Miss等图5钻杆外表面牙痕底部Von 效应力Miss等效应力结构，4片动力卡瓦夹持钻杆的三维计算模型及网格划分
如图2所示。
根据动力卡瓦的工作情况，限制卡瓦座的自由度，卡
瓦斜面可沿卡瓦座斜面向下移动，并承受来自卡瓦座的
均布压力，钻杆下部承受220 t的轴向载荷。
使用Abaqus有限元分析软件，计算动力卡瓦夹持钻杆
的Von Miss等效应力，计算得出结果如下:1)钻杆外表面，
夹持部位下端最大应力为877.2 M P a，如图3所示;2)钻杆
在夹持部位下端内侧，最大应力877.2 M P a，如图4所示;3)
钻杆外表面牙痕底部，最大应力877.2 M P a，如图5所示。
从分析结果可以看出，钻杆在夹持部位的外表面、管
体内侧、牙痕底部都出现最大应力为877.2 M Pa。以上最
大应力值没有超过钻杆的屈服应力强度（930.79 M P a),
另外卡瓦服应力强度高于钻杆屈服应力强度，说明该工
况下，5 in钻杆使用动力卡瓦是安全可行的。
5结论
A P I经验公式表明，钻杆柱悬挂在卡瓦内时的弹塑性
轴向极限载荷的大小，与钻杆外径、壁厚、钻杆材料屈服
强度以及卡瓦夹紧长度成正比。经验公式的计算结果表
明卡瓦夹持钻杆的最大安全悬重超过258.6 t，5 in钻杆使
用动力卡瓦是安全可行的。有限元分析结果进一步验证，
只要钻杆柱的最大悬重不大于A P I公式计算最小值，被夹
持在卡瓦内的钻杆不会出现直径缩小的“颈缩”和压裂等
弹塑性变形现象。
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[14]王龙，李波，赵海侗，等.轻便型模块化岩芯钻(下转第136页）
图3 X6132C床身导轨中心距尺寸检具图样
1.百分表
2.检具体
3.M5X25J22-8紧固螺钉
4.销轴
5.对表体观察百分表1表针的变化，当表针变化在加减3格(±0.03 mm)以内时表示此项检测合格。
3)床身两侧导轨平行度0.02 m m。该尺寸的控制主要 是为了满足整机产品的精度符合国家标准要求。X6132C 床身导轨平行检具样如图4所示，该检具设计成为整体 式，两/?a l.6刮面垂直相交，水平/?a l.6刮面加工出2处 3 m m深槽，以提高检具的工艺性。当床身导轨精铣加工 完成后使用该检具进行测量，将两/?a l.6垂直相交平面与 矩形导轨4基准面和导轨上平面贴合，将百分表1和表 座吸附在检具右侧7^6.3上平面，调整表杆使百分表1触 头与矩形导轨另侧面接触，压表0.10 m m左右，转动百分 表1指针归零位。匀速推动检具至导轨全长，此时观察百 分表1表针的变化，当表针变化在加减2格(±0.02 m m)
(上接第134页）
机研制及优化[J].煤炭技术,2014(8):292-294.
[15]刘玉明，张波，史玉才，等.大位移水平井水力延伸能力影响因素
分析[J].河南科学,2015(8):1411-1415.
(编辑启迪)以内时表示此项检测合格。
2 X6132C型卧式铣床床身导轨检测装置的生产工艺
床身矩形导轨检测装置共有3项专用检具构成，现 就其中整体式检具卡板检具和床身导轨平行检具编制机 ______________表1卡板检具生产工艺________________工序号工序名称工序内容设备型号"1
n正火
1 铣
泰迪熊主题曲
2 划线
3 立钻
4 淬火
5 平磨
6 线切割
7 刃具磨
8 钳工
加生产工艺，具体内容如下。
2J X6132C卡板检具的生产工艺
X6132C卡板检具图样如图2所示，卡板检具生产工
表2床身导轨平行检具生产工艺
工序号工序名称工序内容设备型号I铸造
n时效
1
2
划线
划53尺寸上下两面线，3尺寸窝槽
线，340尺寸左面线，40尺寸上面线
粗精恍53尺寸上下两面，3尺寸窝
槽，340尺寸左面，40尺寸上面
X5040统
3划线划两处梯形槽位置线，4x3空刀槽位
置线
4铣铣两处梯形槽X5040
5
6
刨
刮研
刨4x3空刀槽
刮90。两垂直7?al.6面，要求刮面25
B665
m m2内刮点不少于16点
yellowbook7钳工去毛刺、锐边倒钝
艺见表1。
22X6132C床身导轨平行检具的生产工艺
X6132C床身导轨平行检具如图3所示，床身导轨平 行检具生产工艺见表2。艾薇儿好听的英文歌
3结语
week
经过1a多的生产实践，X6132C型卧式铣床采用以 上床身矩形导轨检测装置后，降低了员工的劳动强度，提 高了工作效率。同时减少了由于床身矩形导轨生产不合 格所造成的铣床产品总装工序产品拆装返修和售后服务 反馈，使公司的产品质量得到了提升。（编辑昊天)作者简介：刘慧男（1982— )，工程师，铣床事业部装配车间技术主管。
收稿日期：2016-12-26
作者简介：汤平汉(1967—)，高级工程师，从事油田钻具工具研究工作。
收稿日期:2016-12-15
铣124x390外形轮廓，4-5x45度倒角
richmanpoorman划4-c/)3孔，#孔位置线
X5040
钻4-(/>3孔，令6孔Z5125
磨4尺寸厚度至要求
完成T、Z端开口槽，每侧/?a〇.8面留
磨量 0.20〜0.30 mm
M7130
DK7763
磨T、Z端开口槽至要求
去毛刺、锐边倒钝
M6025C
In I I
