超高壓磨料射流切割工具的設(shè)計

王俊姬，鞠少棟，王新濤，王世強

（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）

1 高壓磨料射流切割工具技術(shù)原理

磨料水射流技術(shù)是近年來發(fā)展很迅速的一種新型技術(shù)，其原理是將一定粒度的磨料粒子(石英砂、石榴石和碳化硅等)混合到高壓水射流當中，利用高速磨料顆粒的硬度和動能沖蝕材料表面，實現(xiàn)對物料的切割，目前普遍采用的磨料混合方式為前混式[1]。

切割工具的海上工程施工現(xiàn)場工況如圖1所示，工程船上的作業(yè)員將切割工具通過船舷外側(cè)或月池下放至欲切除的套管中，通過井身結(jié)構(gòu)參數(shù)來制定切割深度，通過臍帶纜下放長度來控制切割深度。

圖1 切割工具的現(xiàn)場工況示意圖

2 超高壓磨料射流切割工具的設(shè)計

2.1 超高壓磨料射流切割工具的設(shè)計

超高壓磨料射流切割工具主要包括由上至下依次連接的動力室、扶正室、傳動室、壓力空氣旋轉(zhuǎn)動密封室和切割工作室。該工具可以使用工程船舶連接撓性高壓管線進行切割作業(yè)。

圖2 高壓磨料射流切割工具結(jié)構(gòu)圖

①切割工具動力室，用于布置馬達，可以控制工具的旋轉(zhuǎn)速度。由于工具用在9-5/8"套管內(nèi)部，工作空間受限；需要實現(xiàn)切割工具360°旋轉(zhuǎn)且轉(zhuǎn)速可調(diào)節(jié)范圍為3-10小時/圈，故采用新型低速大扭矩擺線式馬達。其優(yōu)點有體積小，外形尺寸比同樣扭矩馬達小得多；轉(zhuǎn)速范圍廣，可無級調(diào)速，最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速可達15轉(zhuǎn)/分；在液壓系統(tǒng)中可串聯(lián)使用，也可并聯(lián)使用；轉(zhuǎn)動慣性小，在負載下容易起動，正反轉(zhuǎn)都可使用，換向時不用停機。

②扶正室，用于完成推靠動作。推力油缸伸出活塞，將滑動油缸座向下推，滑動滾輪則在扶正本體的坡面凹槽內(nèi)滾動，進而將扶正本體和耐磨扶正巴掌沿滑軌和滑鞋確定的軌道推出，使工具能夠居中固定在套管內(nèi)壁指定位置處。

③傳動室和旋轉(zhuǎn)動密封室，可以將馬達輸出的扭矩傳動至切割工作室，驅(qū)動該機構(gòu)旋轉(zhuǎn)。切割工具需要考慮設(shè)計壓縮空氣通道，壓縮空氣的作用是在磨料射流的外圍形成環(huán)狀的空氣流，即在噴嘴出口處形成密封的空氣區(qū)域，提高磨料射流切割效率。設(shè)計壓縮空氣的旋轉(zhuǎn)密封時，要求旋轉(zhuǎn)密封耐壓不小于2MPa。壓縮空氣的旋轉(zhuǎn)密封如圖3所示，主要通過3組合式旋轉(zhuǎn)密封圈實現(xiàn)，其他位置為常規(guī)靜密封圈。

圖3 壓縮空氣旋轉(zhuǎn)密封

④切割工作室，內(nèi)含高壓耐磨噴嘴，彎頭，可以旋轉(zhuǎn)。

⑤中心高壓管，位于切割工具本體軸心上，通過高壓磨料漿液及傳遞扭矩用。

2.2 高壓磨料射流切割工具創(chuàng)新點

①切割工具依靠高壓軟管自身柔性實現(xiàn)結(jié)構(gòu)整體旋轉(zhuǎn)。

②切割工具內(nèi)部承壓介于200-240MPa之間。

③切割工具無需高壓旋轉(zhuǎn)動密封。

④旋轉(zhuǎn)機構(gòu)可實現(xiàn)切割工具360°旋轉(zhuǎn)。

3 工具現(xiàn)場試驗

切割工具套管內(nèi)施工的工況，與下圖所示現(xiàn)場試驗工況相似。將切割工具放入套管中，切割工具由臍帶纜懸掛，慢慢下入套管底部。甲板上的液壓站工作，液壓缸驅(qū)動鎖緊機構(gòu)，推靠固定在套管內(nèi)壁上，液壓回路應(yīng)具備自鎖功能，保證鎖緊效果。甲板上的高壓泵及混砂泵啟動，開始噴射高壓切割液（磨料射流）。馬達啟動，驅(qū)動切割工具旋轉(zhuǎn)部件（切割噴嘴）旋轉(zhuǎn)，正式開始切割。切割完成，停高壓泵及混砂泵，液壓缸驅(qū)動鎖緊機構(gòu)回收。臍帶纜提出切割工具。

表1 切割工具試驗數(shù)據(jù)

圖4 工具現(xiàn)場試驗及切痕

4 結(jié)論

工程技術(shù)公司自主研發(fā)的超高壓磨料射流切割工具已在綏中36-1油田E平臺多層套管切割及隔水管重入作業(yè)應(yīng)用1口井。在潿洲11-4c平臺井口棄置多層套管切割作業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用4口井。磨料射流切割技術(shù)及工具性能滿足現(xiàn)場作業(yè)要求，在油氣井棄置中有更廣泛的應(yīng)用前景。