0 引 言

斜井钻机是利用井架倾斜一定角度后，由地面开始钻斜井，可用于建筑下面、沼泽地带和河流地区等^{[1, 2]}复杂区域的油气资源开发以及陆地上浅层油气资源的开发。目前斜井钻机常应用于钻采浅层稠油^[3]、井场密集丛式井开发及复杂地况钻井等。

斜井钻机井架倾斜钻井，液气卡瓦等井口工具应用时同样需要按井架角度倾斜使用^[4]。常规的钻井气动卡瓦倾斜时卡瓦体在重力作用下与钻柱发生干涉，无法正常使用。常规手动卡瓦理论上可以使用，可手动卡瓦在倾斜状态下由人工提放极不方便^[5]，且在这种状态下人员提放卡瓦存在安全隐患。

目前，国内如通机械有限公司生产的气动斜井卡瓦采用气缸驱动连杆，带动卡瓦体上、下移动释放或夹紧钻柱；加拿大精确钻井公司的斜井钻机上配有适用其钻机形式的专用斜井卡瓦，卡瓦内置于井架内部，液缸驱动卡瓦体伸出贴紧钻柱下移卡紧管柱。

河北华北石油荣盛机械制造有限公司根据斜井钻井工况，研制了一种应用于斜井钻机的卡瓦。该斜井卡瓦与井架连接，与井架一起倾斜，卡瓦运动构件安装于限位轨道上，在倾斜状态下能够正常工作，解决了常规液气卡瓦在倾斜状态下卡瓦体与钻柱干涉问题。相比于目前国内外斜井卡瓦，新研制的卡瓦采用左右移动打开方式，占用井口高度空间小，打开通径大；井口承重平台与斜井卡瓦集成一体，整个斜井卡瓦直接采用圆柱销连接于井架上，结构紧凑稳定。

斜井卡瓦结构如图 1所示。井架连接座固连于井架前面底部，左、右壳体通过井架圆柱销与井架连接座铰接，左、右壳体间通过壳体圆柱销连接；推力液缸安装于左、右壳体外侧，锥座对中分为两半，分别安装在左、右壳体内，左、右壳体内加工有槽形轨道，保证移动锥座只能沿轨道左、右移动，液缸杆与锥座通过连接杆连接；弹簧浮动机构安装于锥座上，可上、下浮动；圆锥卡瓦体分为两半，每部分通过2个卡瓦体圆柱销分别与左、右锥座相连，卡瓦体法兰下平面压在弹簧浮动机构上，在弹簧作用下浮起一定距离^{[6, 7]}，卡瓦体可在下压力作用下下移；左、右壳体后侧下部安装有锁销机构，锁销机构可沿限位轨道前、后方向张开或缩回，锁销张开，可锁紧伸出锥座，禁止锥座缩回。

图 1 斜井卡瓦结构示意图 Fig.1 Structural schematic of slant slip 1—推力液缸；2—井架连接座；3—锥座；4—弹簧浮动机构；5—卡瓦体；6—锁销机构；7—连接杆；8—井架圆柱销；9—左壳体；10—壳体圆柱销；11—卡瓦体圆柱销；12—右壳体。

图选项

斜井卡瓦安装在钻机井架上，卡瓦轴线与钻机顶驱轴线重合。斜井卡瓦随井架一起倾斜，卡瓦运动构件锥座、卡瓦体和锁销等均有轨道或圆柱销限位，倾斜情况下各构件运动轨迹不受重力影响，能够正常工作；卡瓦体外锥面与锥座内锥面配合锥度1:3^{[8, 9]}，为国标规定卡瓦体通用自锁锥度，加之弹簧浮动机构上浮卡瓦体使之有下移空间，保证了卡瓦体在承载钻柱重力时能够利用锥面自锁原理微动下移卡紧钻柱；锥座在推力液缸推动下伸出后，锁销可张开锁紧锥座，禁止锥座收回，锁销缩回，锥座可自由收回，锁销锁紧锥座后面采用楔块结构，锁紧面配合斜度1:5，保证锁销受锥座挤压力作用下不被挤出，锁销受液缸回拉力时能够顺利脱出收回。

斜井卡瓦工作时，钻柱停在井口，推力液缸推动锥座伸出，卡瓦体上卡瓦牙夹紧钻柱，卡瓦牙初始夹紧力为80 kN，锁销打开，锁紧锥座，锥座无法缩回，使之成为固定锥座；顶驱释放钻柱，卡瓦体在钻柱重力带动下微动下移进一步卡紧并托住钻柱，完成钻柱卡紧过程。斜井卡瓦打开时，顶驱微上提钻柱，钻柱带动卡瓦体上移，卡瓦体卸掉对锥座的压力，进而锥座卸掉对锁销的压紧力，锁销收回，移动锥座收回，卡瓦体卡瓦牙在卡瓦体圆柱销回拉力作用下脱开钻柱回落复位，井口打开，钻机进行后续操作。

最大通径350 mm，夹持管柱范围Φ60.3~Φ244.5 mm，承载能力675 kN，液缸最大推力300 kN(推力可调)，卡紧管柱操作时间10 s，释放管柱操作时间10 s。

(1)斜井钻机井架倾斜钻井，管柱在井口处于倾斜状态，要求卡瓦在倾斜情况下工作^[10]。根据斜井钻机特点，将承重平台、锥座和卡瓦体合为一体构成斜井卡瓦，安装于井架下部，随井架一起倾斜，结构紧凑，解决了卡瓦倾斜安装问题。

(2)卡瓦体通过圆柱销与锥座连接，在锥座上安装有弹簧浮动机构，顶住卡瓦体法兰平面，卡瓦体夹紧管柱后，管柱重力可带动卡瓦体进一步下移实现自锁，卡瓦体法兰平面压下弹簧浮动机构，释放管柱后，弹簧浮动机构将卡瓦体弹出，保证卡瓦体下一次卡紧管柱自锁下行空间。

(1)现有液气自动卡瓦多采用卡瓦体上升同时卡瓦体重心后移打开方式，卡瓦如在倾斜情况下工作，卡瓦体在重力作用下绕连杆轴旋转而与钻柱碰撞干涉，钻井无法正常进行；斜井卡瓦根据斜井实际工况，设计了锥座在槽形轨道内左、右滑移打开，同时卡瓦体与锥座间采用双导向圆柱销导向，使卡瓦体在倾斜情况下也只能沿锥面上、下滑动，保证了斜井卡瓦在倾斜情况下正常工作。同时，左、右移动对开方式的设计，减少了斜井卡瓦对井口高度空间的占用，对于轻型桅杆井架钻机，减小了桅杆井架的高度。

(2)斜井卡瓦结构中引入楔面锁销结构，打开锁销使锥座在一段时间内成为固定锥座，楔面结构锁紧不受钻杆和牙板在使用过程中磨损产生尺寸偏差的影响，同时，设计楔面斜度1:5，保证锁销能够锁紧锥座的同时又易于锁销收回。

斜井卡瓦组装完成后，安装于斜井钻机井架上；井架倾斜45°，斜井卡瓦进行载荷试验，试验步骤如下。

(1)锥座伸出，推动卡瓦体夹紧芯轴，初始夹紧力设定为80 kN。

(2)锁销打开锁紧锥座。

(3)芯轴上部液缸下压芯轴，下压力逐渐增大，增力数值点300、500、700、800和900 kN，观察芯轴与卡瓦体之间是否打滑。

(4)卡瓦体承力试验完成后，液缸解除下压力，缩回锁销，观察锁销是否能够顺利收回。

(5)井口打开。

(6)重复上述过程10次。

(7)取出卡瓦体，检测卡瓦体、锥座和壳体变形情况。

试验结果表明，在初始夹紧力80 kN情况下，卡瓦体承受芯轴900 kN载荷，无打滑现象；芯轴载荷消失后，锁销能够顺利打开。完成试验后，采用三坐标仪检测主承载件卡瓦体、锥座和壳体，均未出现塑性变形情况。

斜井卡瓦安装在MZJ-15XY斜直井钻机上。2012年12月，MZJ-15XY斜直井钻机钻45°斜井——荣盛-1X试验井。该井井斜深1 100 m，接卸钻柱过程中，由于倾斜钻井液返涌严重，井口环境恶劣，井口斜井卡瓦表现稳定可靠，保证了荣盛-1X井顺利完钻；2014年10月，MZJ-15XY斜直井钻机在山西晋城固县钻2口煤层气开发井，井型为直井定向井，井号为华固34-1和华固34-2，井深分别为847和790 m，钻井过程中斜井卡瓦表现稳定，反应迅速，卡紧和释放成功率100%。

(1)研制的斜井卡瓦可以应用于斜井和直井等轻型钻机上。

(2)斜井卡瓦打开通径350 mm，无需移开卡瓦，Φ311 mm钻头可顺利通过。

(3)斜井卡瓦采用左、右打开结构，占用井口高度空间小。

(4)钻柱尺寸变化时，卡瓦体更换方便，只需将卡瓦体直接提出，放入与井口管柱相匹配的卡瓦体，插入卡瓦体圆柱销即可。

(5)现场应用结果表明，斜井卡瓦在倾斜状态下能够正常工作，卡瓦卡紧管柱成功率高，操作时间短。