高效切割一體多刀水力割刀研究

王明杰，魏愛拴，陳永鋒，郝宙正，左 凱，嚴(yán)孟凱

（中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300452）

海上油井有80%以上需要進行防砂作業(yè)。油井開發(fā)3～5 年，防砂篩管由于地層出砂等原因破損，地層砂進入井筒，導(dǎo)致井下和地面設(shè)備損壞，影響油井的生產(chǎn)[1-3]，為保證產(chǎn)量，需要頻繁修井作業(yè)。修井作業(yè)時需要使用水力割刀將防砂管柱切割打撈，再進行二次防砂作業(yè)。

現(xiàn)有水力割刀通常由本體、噴嘴、活塞、心軸、割刀組成，每套水力割刀包含一副割刀，每副割刀包含3 個刀片。水力割刀作業(yè)時，主要通過泥漿循環(huán)時在噴嘴處產(chǎn)生的節(jié)流壓力推動活塞向下移動，活塞帶動心軸向下移動，心軸帶動刀片向外張開，使刀片與被切割管柱接觸，此時旋轉(zhuǎn)割刀就可以切割管柱[7-9]。當(dāng)前水力割刀主要采用硬質(zhì)合金刀片或者在刀片上敷焊硬質(zhì)合金顆粒提高刀片硬度及耐磨性，提升割刀切割能力[10-12]。隨著硬質(zhì)材料性能研究未能繼續(xù)突破，割刀切割性能提升出現(xiàn)瓶頸。

海上油田的防砂管柱長度大多在200 m 左右，進行切割打撈作業(yè)時需要進行多次切割。目前水力割刀單次入井只能切割一處，然后起出水力割刀更換割刀，再次下井切割[4-6]。為了提高修井作業(yè)的效率，筆者研制了一種一體多刀水力割刀工具，該工具一次入井可以至少切割三次，減少了修井作業(yè)起下鉆的次數(shù)和時間，提高了切割防砂管柱效率。

1 結(jié)構(gòu)及工作原理

一體多刀水力割刀屬于機械式內(nèi)割刀，包含動力機構(gòu)、切割機構(gòu)、換向機構(gòu)三部分，主要用于切割防砂管柱。具體結(jié)構(gòu)包括上接頭、浮動活塞、割刀本體、上割刀、中割刀、下割刀、心軸、噴嘴、導(dǎo)向銷、彈簧、定位頭、下接頭等。

1.1 動力機構(gòu)

動力機構(gòu)主要包括皮碗、噴嘴、噴嘴保護器、割刀本體、心軸，泥漿自割刀本體流入噴嘴時，循環(huán)通道由大變小，泥漿在噴嘴處產(chǎn)生節(jié)流壓力，節(jié)流壓力對活塞有向下推力，并帶動心軸向下移動使割刀張開（見圖1）。

圖1 動力機構(gòu)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structural diagram of power mechanism

1.2 切割機構(gòu)

切割機構(gòu)主要由割刀本體、上割刀、中割刀、下割刀、銷軸組成（見圖2），每套水力割刀包含上、中、下三副割刀，每副割刀包含三個切割刀片，上、中、下割刀通過銷軸繞割刀本體轉(zhuǎn)動，相鄰割刀間距l(xiāng)a與lb相同，三副割刀長度可根據(jù)作業(yè)情況調(diào)整，單次作業(yè)可以選擇相同長度割刀提升切割強度，也可以選擇不同長度割刀擴大切割范圍。割刀表面敷焊硬質(zhì)合金顆粒，提升切割能力。

1.3 換向機構(gòu)

換向機構(gòu)主要由導(dǎo)向銷、心軸、導(dǎo)向塊、彈簧組成（見圖3）。心軸上安裝有三組導(dǎo)向塊，每組導(dǎo)向塊包含三個導(dǎo)向塊，三組導(dǎo)向塊周向夾角為40°，每組導(dǎo)向塊中三個導(dǎo)向塊周向均布設(shè)計；心軸上設(shè)計有9 組連續(xù)“Y”形結(jié)構(gòu)導(dǎo)向槽，導(dǎo)向槽槽軌上部與導(dǎo)向塊沿軸向?qū)R，槽軌下部與兩相鄰導(dǎo)向塊中線對齊。

導(dǎo)向銷一端固定在割刀本體上，另一端伸入導(dǎo)向槽內(nèi)，在節(jié)流壓力作用下心軸可繞導(dǎo)向銷轉(zhuǎn)動并壓縮彈簧向下移動，當(dāng)導(dǎo)向銷相對移動至導(dǎo)向槽槽軌上部時，導(dǎo)向塊與割刀接觸并推動割刀繞銷軸轉(zhuǎn)動，割刀向外張開（見圖4）。節(jié)流壓力消失后，在彈簧推力作用下，心軸繞導(dǎo)向銷轉(zhuǎn)動并向上移動，當(dāng)導(dǎo)向銷相對移動至導(dǎo)向槽槽軌下部時，導(dǎo)向塊與割刀分離，割刀向內(nèi)收縮（見圖5）。

圖2 切割機構(gòu)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structural diagram of cutter mechanism

圖3 換向機構(gòu)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structural diagram of reversing mechanism

圖4 割刀張開示意圖Fig.4 Schematic diagram of cutter opening

圖5 割刀關(guān)閉示意圖Fig.5 Schematic diagram of cutter closing

1.4 技術(shù)參數(shù)

一體多刀水力割刀適用于切割244.475 mm 套管井139.7 mm 防砂管柱，水力割刀長度2 300 mm，噴嘴內(nèi)徑9 mm，最大外徑114.3 mm，抗拉60 t，抗扭15 kN·m，切割范圍118～177.8 mm。

2 關(guān)鍵技術(shù)分析

泥漿經(jīng)過動力機構(gòu)時因流道面積變小，對心軸產(chǎn)生向下的節(jié)流壓力，為割刀張開提供動力，節(jié)流壓力所提供推力為水力割刀設(shè)計關(guān)鍵數(shù)據(jù)。推力計算公式為：

式中：D-浮動活塞外徑，mm；d-噴嘴直徑，mm；Q-泥漿循環(huán)流量，m3/min；C-孔口系數(shù)；ρ-泥漿密度，g/cm2。

動力結(jié)構(gòu)中浮動活塞外徑為D=83.8 mm，噴嘴直徑d=9 mm，孔口系數(shù)C=0.95；海上切割作業(yè)中推力不得低于40 kN。

因此浮動活塞在循環(huán)流量為0.5 m3/min，泥漿密度ρ 為1.02 g/cm2時所產(chǎn)生推力為52.9 kN，滿足實際作業(yè)中所需推力要求。

圖6 浮動活塞有限元分析模型Fig.6 Finite element analysis model of floating piston

為驗證浮動活塞處節(jié)流壓力準(zhǔn)確性，利用ANSYS CFX 流體分析模塊對浮動活塞節(jié)流壓力進行流體計算。為節(jié)約計算時間，浮動活塞與噴嘴模型可簡化為一體式結(jié)構(gòu)，其中浮動活塞為液體進入部分，噴嘴為液體出口部分，網(wǎng)格數(shù)量175 000。模型（見圖6），流體介質(zhì)為水，進口處直徑為Φ83.8 mm，進口處流量為0.5 m3/min，出口處直徑為Φ9 mm，出口處環(huán)境壓力為0 MPa，溫度為40 °C，邊界層類型為湍流。

液體自浮動活塞流入噴嘴時產(chǎn)生節(jié)流壓力（見圖7），活塞處最大節(jié)流壓力10.97 MPa，活塞相應(yīng)推力為59.8 kN，因此浮動活塞結(jié)構(gòu)設(shè)計正確，活塞推力滿足作業(yè)要求。

圖7 浮動活塞流體分析結(jié)果Fig.7 Fluid analysis result of floating piston

3 試驗驗證

2020 年4 月，在中海油試驗基地JJSY-2H 井對一體多刀水力割刀進行井口換向測試和井下切割防砂管柱試驗，以驗證動力機構(gòu)、換向機構(gòu)設(shè)計參數(shù)準(zhǔn)確性以及割刀切割防砂管柱實際性能是否滿足現(xiàn)場作業(yè)要求。

3.1 割刀換向測試

在鉆臺甲板進行一體多刀水力割刀換向測試，一根139.7 mm 盲管固定在井口，水力割刀上部連接頂驅(qū)，下放水力割刀至盲管內(nèi)，開泵正循環(huán)，以0.1 m3/min為增量逐步增大循環(huán)流量，割刀張開穩(wěn)定2 min 后停止正循環(huán)。通過反復(fù)正循環(huán)，測試割刀張開情況，測試記錄數(shù)據(jù)（見表1）。

從測試數(shù)據(jù)可以看出一體多刀水力割刀三副割刀張開時所需循環(huán)流量穩(wěn)定在0.5 m3/min，所需泵壓為10 MPa；循環(huán)流量由0.5 m3/min 降為0 時，已張開割刀收回；水力割刀換向順序為上、中、下割刀循環(huán)換向，換向順序穩(wěn)定，一體多刀水力割刀換向功能滿足現(xiàn)場應(yīng)用要求。

表1 割刀換向功能測試結(jié)果Tab.1 Test results of cutter reversing function

3.2 切割防砂管柱能力測試

在試驗井下入一趟三層防砂管柱，管柱頂深500 m，底深610 m，在每層防砂管柱中設(shè)定一切割目標(biāo)。在井口測試割刀張開順序為上、中、下循環(huán)張開，下一輪次張開割刀為上割刀，水力割刀連接鉆柱，分別下入至切割位置，開泵正循環(huán)并正轉(zhuǎn)管柱進行切割作業(yè)，作業(yè)數(shù)據(jù)（見表2）。

管柱以50 r/min 正轉(zhuǎn)，正循環(huán)流量增加至0.5 m3/min時，扭矩由1 kN·m 增大至4.3 kN·m 左右，割刀張開并與防砂管柱內(nèi)壁接觸，切割1 h 左右時，扭矩出現(xiàn)波動，最終穩(wěn)定在1.3 kN·m 左右，完成切割后上、中、下割刀均有明顯磨損，表明三副割刀均完成切割作業(yè)。

4 結(jié)論

（1）分析了現(xiàn)有水力割刀結(jié)構(gòu)、工作原理以及提高割刀切割能力方法，確定采用增加割刀數(shù)量方法，設(shè)計了一種一體多刀水力割刀工具，并對關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進行了分析校核。一體多刀水力割刀適用于切割244.475 mm套管井139.7 mm 防砂管柱。

表2 割刀切割測試結(jié)果Tab.2 Test results of cutter cutting

（2）一體多刀水力割刀包含上、中、下三副割刀，通過泥漿流量控制割刀張開、收回，三副割刀自上而下循環(huán)張開，每副割刀可以完成一次切割，單趟鉆可完成三次切割，提高防砂管柱切割回收效率，降低作業(yè)成本。

（3）一體多刀水力割刀通過結(jié)構(gòu)創(chuàng)新提高了水力割刀切割能力，為后續(xù)水力割刀研究提供一種新思路。