一种管柱卡瓦极限承载能力测试装置的制作方法

本发明涉及一种管柱卡瓦极限承载能力测试装置，属于石油天然气开采行业的钻井机械技术领域。

背景技术：

地层中的油气资源是基于一定的钻采工艺，通过钻井系统在地层中形成井眼而开采出来的，该系统包括地面系统和井下设备等。其中钻柱是最重要的井下设备之一，它既作为传递井口动力的桥梁，也是隔离内外环空钻井流体的屏障。随着油气资源开采的不断进行，钻井作业不断向深部地层转移，深井超深井的数量逐步增大。根据我国油气资源的分布特点，四川及陕甘宁两大盆地的天然气中有52％埋藏于深部地层，西部地区的石油资源中这个比例达到73％。与此同时，我国的油气开发也逐步向深海迈进。

在钻井过程中，当需要起下钻时，通常使用吊卡或卡瓦卡住钻柱最上端，然后通过大钩将整个钻柱吊起。然而，对于深井超深井而言，一个关键的问题在于当井深过大时，钻柱的重量太大，例如6000米钻柱重量可达两百吨，起钻时还要考虑流体的黏滞阻力，甚至还可能出现钻具卡钻等特殊情况。当对数百吨的钻柱起下钻时，井口处钻柱被卡持区所受轴向拉力最大。当使用卡瓦时，卡持区的钻柱既受轴向拉力又受径向压力，而且卡瓦牙板上带有尖锐的钢牙，使得钻柱在该区域容易出现失效破坏。当钻杆出现塑形变形时，那么该钻杆便不能正常工作，由此造成巨大的经济损失。因此，如何确定卡瓦作用下钻柱的极限载荷，便成为深井超深井钻井的一个关键问题。对于钻井作业而言，由于钻井装备成本较高，对钻井安全的要求也较高，因此在钻井现场开展钻柱卡瓦极限承载能力的测试既不经济也不安全。基于这一背景，如何设计一种室内测试管柱卡瓦极限承载能力的装置便成为我们所关心的问题。

根据卡瓦的结构与工作原理可以发现，与管柱直接接触的卡瓦牙板是卡瓦的核心零件。卡瓦牙板的钢牙有多种类型，例如钢牙的数量、钢牙的高度、钢牙齿尖夹角、钢牙齿尖倒角等，不同的卡瓦牙板对管柱的夹持也有不同的影响。因此在卡瓦的设计中，需要对不同类型的卡瓦或卡瓦牙板进行试验以确定其效果，例如不同类型卡瓦牙板作用下管柱的塑性变形或损伤。根据卡瓦夹持管柱工作的特点，对卡瓦或卡瓦牙板的测试方案可以与测试管柱极限承载能力的相同，因此核心问题仍然是如何设计相关的测试装置。

技术实现要素：

本发明的目的在于为了克服上述难点，特提出一种管柱卡瓦极限承载能力测试装置，从而用于指导深井管柱和管柱卡瓦的设计。

为达到上述目的，本发明解决此技术问题采用的技术方案是：

一种管柱卡瓦极限承载能力测试装置，主要由底座、齿轮箱、电动机、传动轴、滚珠丝杠、施压板、柱状筒、横梁、顶板、卡瓦座、卡瓦体、卡瓦牙板、止动块、螺钉、管柱、中心杆、支撑盘、上扶正盘、上变形传感器、中变形传感器、下变形传感器、下扶正盘、承压盘、螺柱和拉力传感器组成，其特征在于：所述底座固定于地面上，电动机通过传动轴带动齿轮箱运动，电动机的转动经齿轮箱传递使两根滚珠丝杠同步转动，进一步带动两个柱状筒上下移动，其中两个柱状筒均与横梁固定连接；所述顶板设置于滚珠丝杠顶端，顶板上放置有卡瓦座，卡瓦体设于卡瓦座内，卡瓦牙板镶嵌于卡瓦体的燕尾槽内，卡瓦体顶端设有用于防止卡瓦牙板脱落的止动块，螺钉将止动块固定于卡瓦体上；所述管柱穿过顶板、横梁和施压板并由卡瓦牙板夹紧，在管柱夹紧区的内部设有上变形传感器、中变形传感器和下变形传感器，在上变形传感器的上端和下变形传感器的下端分别设有上扶正盘和下扶正盘，变形传感器、扶正盘和支撑盘通过中心杆串联，支撑盘用于支撑中心杆；所述拉力传感器的下端通过螺柱连接于管柱上，当柱状筒的移动将带动施压板运动，当柱状筒向下移动时，同步移动的施压板作用于承压盘上并进一步作用于拉力传感器上。

所述的一种管柱卡瓦极限承载能力测试装置，其特征在于所述卡瓦座的内部和卡瓦体的外部均呈锥状；所述卡瓦体的数量为3个且沿卡瓦座内壁周向分布，每一个卡瓦体上均设有6排3列共计18块卡瓦牙板，卡瓦牙板沿管柱的圆周方向设置。

所述的一种管柱卡瓦极限承载能力测试装置，其特征在于所述上扶正盘和下扶正盘均由弹性橡胶制成。

所述的一种管柱卡瓦极限承载能力测试装置，其特征在于所述支撑盘到卡瓦体顶端的距离大于管柱的外径。

所述的一种管柱卡瓦极限承载能力测试装置，其特征在于所述管柱所受的拉力由拉力传感器测量并转换成电信号，再经载荷放大器调整后送入数字记录仪，并通过载荷显示器显示；所述管柱内径的变形由内径变形传感器测量，经变形放大器调整后送入数字记录仪，并通过变形显示器显示。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：(1)本发明装置可用于管柱卡瓦极限承载能力的测试；(2)本发明装置可用于不同类型卡瓦或卡瓦牙板的性能；(3)本发明装置结构简单，操作方便。

附图说明

图1为本发明一种管柱卡瓦极限承载能力测试装置的结构示意图；

图2为图1中I的局部放大图；

图3为本发明装置中管柱所受拉力数据的测量原理图；

图4为本发明装置中卡瓦夹持区管柱变形数据的测量原理图；

图中：1.底座，2.齿轮箱，3.电动机，4.传动轴，5.滚珠丝杠，6.施压板，7.柱状筒，8.横梁，9.顶板，10.卡瓦座，11.卡瓦体，12.卡瓦牙板，13.止动块，14.螺钉，15.管柱，16.中心杆，17.支撑盘，18.上扶正盘，19.上变形传感器，20.中变形传感器，21.下变形传感器，22.下扶正盘，23.承压盘，24.螺柱，25.拉力传感器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

如图1和图2所示，一种管柱卡瓦极限承载能力测试装置，主要由底座1、齿轮箱2、电动机3、传动轴4、滚珠丝杠5、施压板6、柱状筒7、横梁8、顶板9、卡瓦座10、卡瓦体11、卡瓦牙板12、止动块13、螺钉14、管柱15、中心杆16、支撑盘17、上扶正盘18、上变形传感器19、中变形传感器20、下变形传感器21、下扶正盘22、承压盘23、螺柱24和拉力传感器25组成，其特征在于：所述底座1固定于地面上，电动机3通过传动轴4带动齿轮箱2运动，电动机3的转动经齿轮箱2传递使两根滚珠丝杠5同步转动，进一步带动两个柱状筒7上下移动，其中两个柱状筒7均与横梁8固定连接；所述顶板9设置于滚珠丝杠5顶端，顶板9上放置有卡瓦座10，卡瓦体11设于卡瓦座10内，卡瓦牙板12镶嵌于卡瓦体11的燕尾槽内，卡瓦体11顶端设有用于防止卡瓦牙板12脱落的止动块13，螺钉14将止动块13固定于卡瓦体11上；所述管柱15穿过顶板9、横梁8和施压板6并由卡瓦牙板12夹紧，在管柱15夹紧区的内部设有上变形传感器19、中变形传感器20和下变形传感器21，在上变形传感器19的上端和下变形传感器21的下端分别设有上扶正盘18和下扶正盘22，变形传感器、扶正盘和支撑盘17通过中心杆16串联，支撑盘17用于支撑中心杆16；所述拉力传感器25的下端通过螺柱24连接于管柱15上，柱状筒7的移动将带动施压板6运动，当柱状筒7向下移动时，同步移动的施压板6作用于承压盘23上并进一步作用于拉力传感器25上。

所述的一种管柱卡瓦极限承载能力测试装置，其特征在于所述卡瓦座10的内部和卡瓦体11的外部均呈锥状；所述卡瓦体11的数量为3个且沿卡瓦座10内壁周向分布，每一个卡瓦体11上均设有6排3列共计18块卡瓦牙板12，卡瓦牙板12沿管柱15的圆周方向设置。

所述的一种管柱卡瓦极限承载能力测试装置，其特征在于所述上扶正盘18和下扶正盘22均由弹性橡胶制成。

所述的一种管柱卡瓦极限承载能力测试装置，其特征在于所述支撑盘17到卡瓦体11顶端的距离大于管柱15的外径，根据圣维南原理，此时支撑盘17对管柱15夹持区的受力影响较小。

如图3和图4所示，所述的一种管柱卡瓦极限承载能力测试装置，其特征在于所述管柱15所受的拉力由拉力传感器25测量并转换成电信号，再经载荷放大器调整后送入数字记录仪，并通过载荷显示器显示；所述管柱15内径的变形由内径变形传感器测量，经变形放大器调整后送入数字记录仪，并通过变形显示器显示。

以上所述具体实施方式用于说明本发明而非限制本发明的范围，任何本领域的技术人员在不脱离本发明的构思和原则前提下所作出的等同变化与修改，均属于本发明的保护范围。