通过中国页岩气资源评价可知,目前国内页岩气资源普遍存在于垂直深度3500m以上的地层中,深层页岩气的开采需求对不压井作业机提出了更高的要求,要求其适应作业管径范围大,具有更高的提升和注入管柱能力。不压井作业机配套的液压卡瓦(游动卡瓦和固定卡瓦)是决定了作业管柱和作业负荷的关键设备,故对液压卡瓦的研究就显得十分重要。本文在对研究液压卡瓦的过程中,主要开展了如下工作:(1)通过查看相关的国内外文献,概述了不压井作业机装置及液压卡瓦的国内外现状,从而找出了课题研究的意义和内容。(2)介绍液压卡瓦的结构组成和工作原理,并依靠力学知识,得到液压卡瓦可靠夹持管柱和上提管柱不自锁的条件、三角形单齿和梯形单齿两种齿形夹持管柱的力学模型。(3)建立了9-5/8in管柱和3.5in管柱两种夹持工况下液压卡瓦夹持管柱的有限元模型,通过两种工况下分析结果的对比,发现9-5/8in管柱夹持工况下卡瓦齿比较容易失效,为下文的研究提供了方向。(4)9-5/8in管柱夹持工况下液压卡瓦的参数优化,结合有限元分析方法、回归正交试验设计、线性加权法和MATLAB优化工具箱四者得到液压卡瓦的优化参数,将9-5/8in卡瓦优化结构推广到3.5in卡瓦验证通用性后以3.5in卡瓦为研究对象进行卡瓦齿的角度研究。(5)建立液压卡瓦在3.5in管柱夹持工况下的拓扑优化模型,借助ABAQUS的拓扑优化模块ATOM得到拓扑结构,考虑到拓扑结构不便实际加工生产,通过模型重建得到符合实际制造的卡瓦结构。