钻杆套管两用动力钳的研制及应用.doc

钻杆套管两用动力钳研制及应用

摘要：为了提高原钻杆动力钳的使用效率，在其上增加套管钳功能，实现一钳两用的目的。在原有钻杆动力钳液压回路的基础上并联一低压回路、液压站中的液压泵选用自变量柱塞泵、设计上下钳体浮动气缸、安装了扭矩监控系统。新研制的钻杆套管两用动力钳基本满足了钻杆、套管上卸扣性能及参数的要求，实现了两钳合一。经现场应用效果良好。

关键词：钻杆套管两用动力钳 液压回路 自变量柱塞泵 浮动气缸 扭矩监控系统 应用

一、 引言
钻杆动力钳、套管动力钳是最常用的井口工具，分别用于钻井及下套管施工作业。而钻杆和套管动力钳的工作原理、结构基本相同。不同点仅在于钻杆钳与套管钳上卸扣时相应动力钳钳头转速和扭矩的要求不同。通过液压系统个性设计解决两种动力钳所要求不同的性能参数，同时在原钻杆动力钳上增加套管动力钳功能,在结构方面存在的问题进行针对性的设计，实现了两钳合一。另外在两用动力钳上使用了扭矩控制记录仪，可测量、显示、记录和控制钻杆套管上扣时的扭矩，以保证钻井及下套管施工作业时的上卸扣扭矩符合标准要求。2008年年底新研制的钻杆套管两用动力钳在现场试验取得了较好效果 ,2009年期间开始在大庆钻井二公司8个井队推广应用，得到了钻井队的好评。在钻杆套管两用动力钳研制中，两项技术“钻井两用动力钳”和“动力大钳主钳的升降机构”分别获国家实用新型专利。

二、 技术分析
1. 液压回路设计
在原钻杆动力钳的基础上，增加套管动力钳功能，由于钻杆动力钳与套管动力钳性能参数不同，故要在钻杆动力钳液压系统的基础上并联一低压回路，将钻杆动力钳的性能参数切换成套管动力钳的性能参数，液压原理图为图1。其原理图分为三部分；
（1）钻杆动力钳
（2) 液压动力站
（3）低压回路控制
① 当低压回路控制装置上的球阀处于关闭状态，即低压回路不起作用。液压动力站与钻杆动力钳连接后做为钻杆动力钳使用，动力站上调定压力为16.6MPa，流量为114 L/min，其性能参数与原钻杆动力钳一致，用做钻杆动力钳，其性能参数如下：
最大输出扭矩：高档6.7kN.m 低档100KN.m
输出转速：高档″56r/min 低档 3.8r/min
适用钻杆：3-1/2″、4-1/2″、5″、5-1/2″、 8″。
图1
② 当低压回路控制装置上的球阀处于导通状态，即低压回路开始工作。液压系统由高压回路（调定压力为16.6MPa）转成低压回路（调定压力为8MPa）。动力钳的最大工作压力为8MPa，流量为160L/min，用做套管动力钳使用，其性能参数如下：
最大输出扭矩： 高档 5KN.m 低档 48KN.m
输出转速： 高档42r/min, 低档 2.8r/min
适用套管：3-1/2″、4-1/2″、5″、5-1/2″、8″。
③ 基本结构和操作
低压回路控制装置由一只板式高压球阀和一只溢流阀组成。安装在钻杆动力钳的上壳，操作控制较方便，具体标识牌见图2，通过改变高压球阀的手柄的位置，即球阀的“导通” 和“关闭”，实现钻杆动力钳与套管动力钳的转化，也即是动力钳的扭矩的变化。具体结构见图3所示，低压回路控制装置由低压溢流阀2和高压球阀4组成，固定在阀板7上。其上有两对进回油接口。接口1和3分别 图1 液压原理图
与液压柱塞泵的回进油相连，接口5和6分别与液压动力
站进回油口相连。低压溢流阀已调定锁紧在8MPa的压力上。

图2标识牌 图3：低压控制回路外形图

1、接液压柱塞泵阀板回油 2、低压溢流阀 3、接液压柱塞泵阀板高压进油
4、高压球阀 5、接动力站高压油 6、接动力站回油 7、阀板

2. 上下钳间隙调节汽缸
由于在旋扣过程中上下钳口座间的相互位置是变动的，因此要求上钳对下钳能相对浮动，并能留有充分间隙。浮动体(图4中2)，通过浮动气缸（图4中4）中的四个弹簧座到缺口齿轮上，依靠弹簧的弹性可保证浮动体有足够的垂直位移。同时上钳由于浮动弹簧的作用仍然具有向下50mm的浮动量。为了保证在接头偏磨时仍能夹紧，浮动体还可以相对于缺口齿轮作水平方向的位移。该位移靠装在缺口齿轮上的三个传动销(图4中3)的方套与浮动体上的矩形孔间的间隙来保证。在用做套管动力钳使用时，原上下钳（浮动体与缺口齿轮）间距过小，无法检查和直接观察套管上卸扣是否偏扣等情况。现在浮动弹簧筒内设计一气行程为80mm的浮动气缸（图4中4），通过快速气管线接头（图4中5）向气缸内供气可使上钳（浮动体）上浮，增加上下钳间净空间高度为80mm（图4所示）；浮动气缸结构如图5。为了适应新的高度原有的传动销也加长了80mm。

图4钳头图

1:制动盘 2：浮动体 3：动销销 4:浮动气缸 5：快速气管接头

图5 浮动气缸

6:堵头螺丝 7：密封圈 8：端盖 9：密封圈 10：内六角螺丝 11：弹簧垫 12：套筒
13：密封圈 14:密封圈 15：活塞 16：限位圈 17：密封圈 18：密封圈 19：弹簧座 20：内套筒 21：弹簧盖 22：弹簧

3、液压动力站柱塞泵的重新选型
考虑到下套管时套管钳钳头需要相对高的转速，我们对液压动力站中的柱塞泵进行重新选型。将原液压动力站的柱塞泵160SCY14-1BF更换为自变量柱塞泵160YCY14-1BF。其自变量泵变量点为12MPa，即当压力在0-12MPa时，柱塞泵的输出流量为160 L/min。当压力大于12MPa时，柱塞泵的输出流量自动变为114 L/min。因为套管动力钳正常工作时压力低于12Mpa，其相对流量为160 L/min，扭矩不变，输出转速（高低档）分别为：42 r/min和2.8 r/min。基本满足套管动力钳的要求。

4、 液压动力钳扭矩控制记录仪的使用
在动力钳上安装了扭矩控制记录仪，简称TPC，这是一种先进的扭矩信号处理控制记录系统,可测量、显示、记录和控制钻杆上扣期间的扭矩，以保证钻杆套管上扣时的最佳拧接扭矩,并将每个接头的拧紧过程产生图线资料保存在磁盘上,供以后查询。

三、 现场应用情况
2008年底钻杆套管两用动力钳的样机在大庆油田投入使用，近半年期的试验证明，该钳基本满足钻井、下套管施工作业的需要，同时也反映出如下问题，进行逐步改进。
（1）下套管时由于上钳（浮动体）上升了80mm刹带的中心也随之向下偏移，偏离了钳框，无法正常工作。为此根据现场实际情况对刹带结构进行了改进。把原先的结构(图6所示)改成现有的结构(图7所示)下套管时把刹带旋转180°进行安装，保证了有效的夹紧面积。

图6 图 7

（2）目前我公司有15部交流变频钻机，全部使用行走式钻杆动力钳，考虑应将此两用钳体用于新型行走式钻杆动力钳上。
（3）此钻杆套管两用动力钳是在原钻杆动力钳的基础上研制的，钳框的开口尺寸不能改变。因此应用上卸扣套管尺寸仅限于3-1/2″、4-1/2″、5、 5-1/2″、 8″。
继续对产品的适用性进行不断改进，使产品性能更趋完善，进一步满足钻井施工的要求。

四、 结论
（1）新研制的钻杆套管两用动力钳是基于原钻杆动力钳的基础上设计研制的，其性能参数基本能够满足钻井及下套管施工的需要。
（2）过去一个井队配备一个钻杆钳、一个套管钳，现在只需配备一个钻杆套管两用动力钳，节省了套管动力钳的配套成本及维护费用。
（3）减少占用钻台有限空间，更加有利于安全生产。
（4）由于结构尺寸的限制，该钳不适用于大于8"的套管，现场应用中存在一定的局限性
这也是我们下一步有待于研究解决的课题。

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