水力割刀痕跡和刀片選擇分析

張君偉

摘要：在WZ11-4-A5井的大修作業(yè)中，切割I(lǐng)油組盲管的時(shí)候，在不能很好判斷是否把盲管切開的情況下，下入了打撈工具，沒能打撈成功，再次下入割刀第二次切割。進(jìn)行這項(xiàng)分析的目的在于增加判斷管柱切開與否的準(zhǔn)確性，減少一趟打撈鉆。

關(guān)鍵詞：大修;水力切割;刀痕

1 刀片痕跡判斷管柱是否切開

假設(shè)刀片的實(shí)際張開長(zhǎng)度為L(zhǎng)，割刀本體距離管柱內(nèi)壁的距離為d，管柱的壁厚為x。

1.1 理想情況

刀片切割完管柱后，長(zhǎng)度保持不變，即L不變。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)，便可以畫出以上這個(gè)刀片張開模擬圖

刀片張開接觸到盲管內(nèi)壁時(shí)候形成的角度為θ1，其大小可以算出θ1=arcos（d/L）

橫進(jìn)尺：我們先假設(shè)刀片橫向進(jìn)入管柱的長(zhǎng)度為橫進(jìn)尺K

斜進(jìn)尺：我們?cè)偌僭O(shè)刀片斜向（即刀片痕跡）進(jìn)入管柱的長(zhǎng)度為斜進(jìn)尺M(jìn)

那么，我們不難發(fā)現(xiàn)，刀片從接觸內(nèi)壁到完全張開的過程中，其實(shí)際張開的長(zhǎng)度不變L;那么，橫進(jìn)尺K是關(guān)于θ的一個(gè)余弦函數(shù)，k=Lcosθ-d

同理，斜進(jìn)尺M(jìn)=k/cosθ=L-d/cosθ

那么，當(dāng)?shù)镀耆珡堥_時(shí)候（即水平的時(shí)候），θ=0，此時(shí)斜進(jìn)尺M(jìn)=L-d

當(dāng)?shù)镀『媚馨压苤虚_時(shí)候，此時(shí)刀片剛好接觸到管柱外壁，θ3=arcos[（x+d）/L]，那么，此時(shí)的斜進(jìn)尺M(jìn)=L-d/cosθ3=L[1-d/（x+d）]

1.2 實(shí)際情況

刀片隨著切割的深入，刀尖將會(huì)磨損，長(zhǎng)度減小，即L會(huì)隨之減小。

那么，理想情況恰好切斷管柱時(shí)候刀片實(shí)際張開長(zhǎng)度為L(zhǎng)，實(shí)際情況恰好切斷管柱時(shí)候刀片的實(shí)際張開長(zhǎng)度變?yōu)長(zhǎng)-△x（其中△x為刀片磨損掉的長(zhǎng)度）。

同理，此時(shí)的θ4=arcos[（d+x）/（L-△x）]，而此時(shí)的斜進(jìn)尺M(jìn)=x/cosθ4=x（L-△x）/（d+x）。

從上式中可以看出：取出割刀后，我們只用測(cè)量L-△x這段長(zhǎng)度，便可以知道切斷管柱需要的標(biāo)準(zhǔn)斜進(jìn)尺M(jìn)，再用刀片上實(shí)際的斜進(jìn)尺與之比較，若比它M短，則沒有切斷，若大于M，則為切割。

1.3 總結(jié)

我們可以通過，用取出刀片的痕跡的長(zhǎng)度，和剛好切斷管柱的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)比較，便能判斷井下管柱是否切開。為了方便，我們可以把上述幾個(gè)公式寫到EXCEL，以后在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中，我們只用輸入測(cè)量的刀片實(shí)際斜進(jìn)尺M(jìn)、刀片實(shí)際張開長(zhǎng)度L、刀片磨損掉的長(zhǎng)度△x、割刀本體與被切管柱內(nèi)壁距離d、管柱壁厚x便能準(zhǔn)確判斷井下管柱的切割情況。

2 刀片的選擇

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，刀片保持45°角切割管柱的效率是最佳的。因此我們不妨假設(shè)三種極限的情況：

第一種：刀片剛好接觸管柱內(nèi)壁的時(shí)候，刀片45°張開

第二種：刀片剛好接觸管柱外壁的時(shí)候，刀片45°張開

第三種：刀片在切割管柱厚度一半距離的時(shí)候，刀片45°張開

我們先討論第一種情況：

當(dāng)?shù)镀佑|管柱內(nèi)壁時(shí)，刀片張開45°，那么這里假設(shè)割刀本體不確定，即d為未知值，此時(shí)刀片的選擇同時(shí)受到d和d+x的影響，刀片的長(zhǎng)度L=d，同時(shí)又要滿足L>d+x（即完全張開時(shí)候能切斷管柱）。假設(shè)恰好L=d+x，則d=d+x，即x=）d=0.414d（這個(gè)式子的意思就是說，當(dāng)管壁厚是0.414d的時(shí)候，刀片完全張開才能恰好切斷，當(dāng)管壁大于0.414d的時(shí)候，刀片完全張開也無法切斷）。

而根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，切割7″套管，選用的是5-3/4″的割刀本體，這樣算的話，d=15.875mm，X=16.1mm。

切割3.55″內(nèi)徑，4″外徑的管柱時(shí)，選用的是3-1/8″的割刀本體，這樣的話，d=5.4mm，X=11.43mm。

因此，這種極限情況，很難實(shí)現(xiàn)有效的切割管柱。如果縮小本體，增大d值，來實(shí)現(xiàn)X=0.414d的理論值，這樣同時(shí)也增大了L=d的長(zhǎng)度，刀片的抗扭也將成為一個(gè)需要考慮的問題。因此可以排除第一種選擇刀片的方法。

第二種情況：

當(dāng)?shù)镀佑|管柱外壁時(shí)，刀片張開45°，此時(shí)刀片的長(zhǎng)度只用滿足L=（d+x）即可，考慮到刀片在切割時(shí)候的磨損，選刀片的時(shí)候可適當(dāng)增加△x的長(zhǎng)度（3-5mm）

在切割7″套管時(shí)，選用5-3/4″的割刀本體，此時(shí)d=15.875mm，x=16.1mm，那么刀片長(zhǎng)度L最佳選擇長(zhǎng)度為L(zhǎng)=（d+x）=（15.875+16.1）=45.2mm的刀片，考慮刀片磨損，在理論L的基礎(chǔ)上加上△x，即選用L=45.2+△x=50.2mm

在切割3.55″內(nèi)徑，4″外徑的管柱時(shí)，選用3-1/8″的割刀本體，這樣的話，d=5.4mm，x=11.43mm，那么刀片長(zhǎng)度L最佳選擇長(zhǎng)度L=（d+x）=（5.4+11.43）=23.8mm，考慮刀片磨損，在理論值L的基礎(chǔ)上加上△x，即選用L=23.8+△x=23.8+5mm=28.8mm

在切割9-5/8″套管時(shí)，選用5-3/4″的割刀本體，此時(shí)d=37.2mm，x=24mm，那么刀片長(zhǎng)度L的最佳選擇長(zhǎng)度L=（d+x）=（37.2+24）=86.5mm的刀片，考慮刀片磨損，在理論L的基礎(chǔ)上加上△x，即選用L=86.5+△x=91.5mm

第三種情況：

刀片在切割管柱厚度一半距離的時(shí)候，刀片45°張開，此時(shí)刀片的長(zhǎng)度需要滿足L=（d+x/2），同時(shí)需要L>d+x（即完全張開時(shí)候能切斷管柱），即d>0.7x此種情況和第一種情況類似，受限條件太多。因此不適宜作為刀片選擇的標(biāo)準(zhǔn)。

綜上所述：按照第二種方法，我們便可以在本體固定的情況下，選擇最適宜切割的刀片。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張鈞等著.海洋石油完井手冊(cè).北京石油工業(yè)出版社.1998.3;

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