液压卡瓦应用现状分析

2020-11-26赵国强

石油和化工设备 2020年11期

赵国强

（中石化四机石油机械有限公司，湖北荆州 434024）

自上世纪二十年代带压作业设备问世以来，经过几十年的发展，带压作业在国外已广泛应用，作业工艺成熟[1]。随着2002年北京托普威尔公司从国外引进第一台辅助式带压作业设备，2007年国内首台车载长冲程静密封独立式带压作业设备研制成功，带压作业在国内开始蓬勃发展[2,3]。液压卡瓦作为带压作业设备的核心部件，跟随带压作业设备在国内各大油田进行了大量施工作业。作业过程中，带压作业设备利用卡瓦卡紧管柱，实现对管柱的控制，防止管柱掉入井内或者从井口飞出。当前，国外生产液压卡瓦的厂家主要包括美国TES、Hydra Rig等公司，通过现场不断的试验验证，国产化液压卡瓦也在持续优化及改进，目前整体性能已能达到国际先进水平[4,5]。现场应用的卡瓦结构形式包括水平夹紧式、变径导轨式、对开式、滑块式四种类型。水平夹紧式、变径导轨式卡瓦因其先天结构的缺陷已较少应用，目前市场上主流卡瓦产品均为对开式、滑块式两种类型。

1 液压卡瓦应用现状

1.1 水平夹紧式卡瓦

水平夹紧式卡瓦通过水平布置的三组油缸直接驱动卡瓦牙夹紧管柱，可承受管轻、管重两种工况载荷。由于卡瓦牙夹紧管柱所需夹持力直接由油缸提供，油缸推力过小容易发生打滑，油缸推力过大容易对管柱产生过大损伤，因此对卡瓦油缸压力控制要求极高。由于该种卡瓦为非自锁结构，作业过程中若油缸突然泄压也会产生夹持力松动，发生溜管事故，因此，存在一定安全隐患。该种类型卡瓦通常作为备用安全卡瓦安装于井控防喷器之间，用于停机或紧急状况下使用[6]，由于存在结构弊端及局限性，未能大规模推广应用。

图1 水平夹紧式卡瓦结构及施工作业图

1.2 变径导轨式卡瓦

变径导轨式卡瓦在卡瓦牙夹紧管柱部位设置为锥形自锁导轨结构，在卡瓦牙完全打开部位通过增大导轨倾角，增大卡瓦牙水平方向位移，进而增大了卡瓦整体通径。该种卡瓦在满足锥形自锁夹持可靠的同时，兼具了大通径的优点。该种卡瓦在油田现场应用过程中，由于卡瓦导轨为两个滑槽板，卡瓦牙滑动部位为滑动销，长时间运行时两者均容易变形或损坏，使用寿命较短；因采用变径导轨结构，在导轨倾角过渡位置容易发生卡阻，影响使用性能；且外形尺寸较大、较笨重。受上述三种因素影响，该种卡瓦未能跟随带压作业设备大规模推广应用。

图2 变径导轨式卡瓦结构及施工作业图

1.3 滑块式卡瓦

滑块式卡瓦起源于美国Hydra rig公司，该种结构卡瓦牙可沿导向块固定斜面卡槽滑动来实现开启、闭合，由于斜面倾角变大时卡瓦牙夹持效果会相应变差，所以斜面倾角一般都比较小，卡瓦牙在沿斜面卡槽滑动夹紧管柱时，卡瓦牙背锥面与固定斜面之间摩擦系数小于卡瓦牙与管柱之间的当量摩擦系数，因此具备自锁性能。此种卡瓦因卡瓦牙全程均在卡槽内滑动，所以运行轨迹平稳，可靠性较高，对中性较好，在高压、大载荷工况下的井口施工作业中优势更加明显。但也存在因结构形式限制而导致的通径偏小问题，当现场施工遇到大直径工具通过时，只能将其整体移走[7,8]。当前，该种卡瓦跟随带压作业设备在中东、北美、东南亚等地广泛应用，四机公司通过技术引进方式已完成液压卡瓦国产化，先后在涪陵页岩气田、胜利油田、埕北油田等地大量投入使用。

图3 滑块式卡瓦结构及施工作业图

1.4 对开式卡瓦

对开式卡瓦起源于加拿大Snubbertech公司，该种结构卡瓦通常只装有一个水平布置的卡瓦油缸，通过油缸两端的伸缩控制四片卡瓦牙的开启闭合[9,10]。由于卡瓦牙只有顶端一处位置与卡瓦油缸连动杆相连，卡瓦牙下部依靠重力自然下垂，所以运动轨迹不稳定，可靠性相对较低、对中性较差，工作过程中如果反向安装，可能会产生卡瓦牙向内翻转问题，造成开合卡阻，因而通常只能用于低压油水井修井作业。目前该种类型卡瓦在加拿大地区应用较广，国内的大庆油田、苏格里油田、长庆油田也有应用。