海底棄井等離子弧切割裝備研究

劉 鵬，劉永紅，孫 強，武鑫磊，韓延聰

（中國石油大學(xué)（華東）機電工程學(xué)院，山東 青島 266580）

隨著科技的發(fā)展，人類社會對能源的需求量與日俱增。 為搶占寶貴的海洋油氣資源，世界上許多國家紛紛大力發(fā)展海上采油業(yè)，積極興建海上鉆井采油平臺。 僅至21 世紀初期，世界范圍內(nèi)就已興建了超過7000 座海上油氣生產(chǎn)設(shè)施[1-3]。 我國的海洋采油業(yè)從1966年建造第一座固定式鉆井平臺開始起步發(fā)展[4]，到目前為止，我國建造的海上采油平臺已達200 多座[5-6]。 這些平臺為人類社會生活的正常運轉(zhuǎn)提供了重要的油氣資源。 海洋油氣生產(chǎn)平臺也像其他工程機械一樣具有服役年限，會面臨退役問題[7-8]，其設(shè)計壽命一般為20～30年，當?shù)竭_指定年限后，若不進行棄置處理，廢棄的油井可能會對海洋環(huán)境造成污染，同時也會影響船舶通航安全[5]，因此，各國出臺的規(guī)定要求對不能生產(chǎn)的海洋油氣設(shè)施必須及時采取棄置處理，從而還原海洋環(huán)境的原貌，以保證海洋環(huán)境的生態(tài)平衡[9-11]。

海底廢棄井口的切割回收工作是海洋平臺棄置作業(yè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。 現(xiàn)階段海底廢棄井口棄置作業(yè)的主流方式是機械切割和水射流切割，其中機械切割存在切削力大、裝置振動明顯、刀具易磨損和斷刀以及在偏心井口套管工況中割刀受力不均衡等缺點[12-13]；水射流切割對裝備的密封性要求極高，同時混砂水射流噴嘴易堵死且磨損較快，裝備制造和維護費用昂貴[14-17]。 綜合來看，這兩種方式的可靠性低、穩(wěn)定性差，作業(yè)效率也較為低下。 而我國的海洋平臺和海底井口拆除作業(yè)，長期以來更是依賴進口設(shè)備，這些設(shè)備的租賃費用昂貴，使我國海洋油氣設(shè)施棄置作業(yè)的開展受到極大限制[18]。

針對目前主流井口棄置方式存在的不足，同時為提高海底井口拆除作業(yè)的工作效率、降低作業(yè)成本以及擺脫國外對我國海上井口棄置作業(yè)的技術(shù)牽制， 本文以等離子切割技術(shù)為核心加工方法，自主研發(fā)了一套專用于海底棄井套管切割的裝備，這對于我國海上油氣設(shè)施棄置作業(yè)的發(fā)展來說具有重要意義。

1 基于等離子弧的棄井切割裝備

海底棄井等離子切割裝備的總體設(shè)計方案見圖1。該裝備通體呈圓柱狀，最大外徑190 mm、總長1600 mm，主要由法蘭、套筒和接箍三種結(jié)構(gòu)件通過螺紋連接固定， 可保證裝備整體具有良好的同軸度，同時能為其裝配工作提供便利，也可有效地避免裝備內(nèi)部管線發(fā)生纏繞。 為提高裝備在海水環(huán)境中工作的可靠性， 采用了液壓驅(qū)動作為其驅(qū)動方式。 相較于電驅(qū)動方式，液壓驅(qū)動降低了裝備對驅(qū)動機構(gòu)的密封性要求。 即使在水下工作時發(fā)生液壓泄漏，裝備的動作機能也不會失效，從而大幅提高了裝備工作的可靠性。

圖1 海底棄井等離子切割裝備工作示意

從整體結(jié)構(gòu)來看， 該裝備主要由支撐機構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機構(gòu)和切割機構(gòu)三大部分組成。 支撐機構(gòu)的主要功能是將整個裝備牢固地鎖緊在井筒內(nèi)壁面上，并能使裝備沿著井筒軸線方向?qū)崿F(xiàn)自定心，從而為下方的旋轉(zhuǎn)機構(gòu)和切割機構(gòu)提供穩(wěn)定的支撐，以保證切割工作能平穩(wěn)進行；旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的主要功能是帶動裝備最下方的切割機構(gòu)實現(xiàn)大于360°的穩(wěn)定正反轉(zhuǎn)， 從而保證井下套管的割縫呈現(xiàn)完整的圓環(huán)形；切割機構(gòu)的核心部件是一個特制的水下等離子割炬，可在海水環(huán)境中將高溫、高能的等離子弧快速持續(xù)地噴射到井筒套管內(nèi)壁面，從而實現(xiàn)對棄井套管的切割作業(yè)。 海底棄井等離子切割裝備的樣機實物見圖2。

圖2 海底棄井等離子切割裝備樣機整裝

2 裝備關(guān)鍵機構(gòu)的運動特性和力傳遞分析

為分析所設(shè)計裝備的機構(gòu)運動特性及其在工作時的力傳遞情況， 借助ADAMS 多體動力學(xué)仿真平臺建立了裝備關(guān)鍵動作機構(gòu)的數(shù)值仿真模型。 支撐機構(gòu)在井下支撐作業(yè)時的仿真模型如圖3 所示，模型中的所有零部件均設(shè)定為剛性體，材料參數(shù)選擇為仿真平臺參數(shù)庫中的鋼材。

圖3 支撐機構(gòu)運動仿真模型

首先對支撐機構(gòu)的運動特性進行仿真，在動力元件油缸的活塞和缸體之間添加直線副進行約束，并在直線副上添加直線電機，同時由于裝備所選油缸行程為30 mm，設(shè)定電機速度為30 mm/s、仿真時間為1 s，再在模型的特定位置添加相應(yīng)的測量點，經(jīng)仿真可得到支撐機構(gòu)連桿的運動特性。

圖4 是裝備支撐機構(gòu)連桿的運動特性曲線。 由此可知，裝備在井筒直徑方向的可支撐范圍為190-230 mm。 對于9-5/8″套管來說，裝備處于支撐工作狀態(tài)時，連桿長度方向與裝備軸心的夾角為41.05°，上、下支撐的垂直間距為439.5 mm。

圖4 裝備支撐機構(gòu)連桿運動特性曲線

接著，對支撐機構(gòu)在工作時的力傳遞情況進行仿真分析，在套管和與之接觸的連桿之間設(shè)定“碰撞接觸”，并將接觸的摩擦系數(shù)設(shè)定為0.1，這些接觸可以方便獲取機構(gòu)工作時在每個支撐點處的支撐力。 由于裝備所選油缸缸徑為50 mm， 在5 MPa的油液壓力下能提供10000 N 的驅(qū)動力，就在模型的活塞上設(shè)定2000 N/s 勻值增長的主動力，將仿真時間取為5 s， 經(jīng)計算可得支撐機構(gòu)在工作時支撐點的接觸力以及鉸接點的力傳遞情況。

圖5 是裝備支撐機構(gòu)在9-5/8″套管內(nèi)壁穩(wěn)定支撐時的力傳遞情況。 可知，隨著油缸驅(qū)動力的不斷上升，裝備支撐點和鉸接點處的受力呈線性上升趨勢，在10000 N（液壓供給5 MPa）的油缸驅(qū)動力條件下， 裝備6 個支撐點處均能提供6000 N 的支撐力。 由于裝備采用等離子切割，工作時幾乎不會產(chǎn)生切削力、裝備不會振動，同時裝備的總重量約為140 kg，在6 個6000 N 的支撐力作用下可穩(wěn)定地將其鎖緊在套管內(nèi)壁面。

圖5 支撐機構(gòu)連桿受力情況

3 裝備關(guān)鍵機構(gòu)的強度分析

為分析所設(shè)計裝備關(guān)鍵機構(gòu)的強度，本文借助接觸碰撞分析領(lǐng)域口碑良好的LS-dyna 有限元仿真平臺，建立了裝備支撐機構(gòu)的數(shù)值模擬模型。

圖6 是支撐機構(gòu)在支撐工作時的有限元仿真模型。 模型中最外側(cè)為水泥環(huán)，對其賦予混凝土材料參數(shù)， 同時對模型中套管賦予N80 材料參數(shù)、對支撐機構(gòu)選用45 鋼材料參數(shù)。 在機構(gòu)的各處鉸接點建立剛性連接區(qū)域并添加轉(zhuǎn)動副，以約束水泥環(huán)最外圈一層節(jié)點的所有自由度，并給機構(gòu)的下法蘭提供一個10000 N 的推力，經(jīng)仿真計算可得支撐機構(gòu)在工作狀態(tài)下的應(yīng)力分布情況。

圖6 支撐機構(gòu)強度模擬模型

在10000 N 的液壓驅(qū)動力下，支撐機構(gòu)及其連桿的應(yīng)力分布情況見圖7?？芍?，在連桿與套管接觸處的應(yīng)力最大并出現(xiàn)了應(yīng)力集中，連桿的鉸接點處比連桿的桿身產(chǎn)生的應(yīng)力要大。 觀察該機構(gòu)的整體所受應(yīng)力，發(fā)現(xiàn)均沒有超過45 鋼的屈服極限，可知該機構(gòu)的強度滿足工作要求。

圖7 支撐機構(gòu)及其連桿應(yīng)力分布

4 水下套管切割物理實驗

為驗證所研制裝備在水下的切割能力，在實驗室環(huán)境內(nèi)搭建了如圖8 所示的實驗平臺。

圖8 套管水下等離子切割實驗平臺

首先對所研制的水下等離子割炬開展了起弧實驗測試。 起弧實驗現(xiàn)象見圖9。 圖9a 為未起弧階段；圖9b 為起弧的第一階段，此時屬于內(nèi)部起弧，陽極弧根落在噴嘴上；圖9c 為起弧的第二階段，此時屬于外部起弧，陽極弧根從噴嘴轉(zhuǎn)移到套管內(nèi)壁上，弧光強增加，切割能力得到提高。 這種先內(nèi)部起弧再將弧根轉(zhuǎn)移到外部套管的起弧方式可大幅提高起弧的成功率。

圖9 起弧實驗現(xiàn)象

在實驗室環(huán)境、水深為1 m 以內(nèi)、切割電流為100 A 的條件下， 分別在等離子供氣壓強為0～0.1、0.1～0.2、0.2～0.3 MPa 時進行20 次起弧實驗， 所得實驗結(jié)果見表1?？芍?，供氣壓強為0.1～0.2 MPa 時，起弧成功率最高。

表1 100 A 電流時的不同供氣壓強起弧成功率

接著根據(jù)廢棄油井的套管水泥環(huán)多層嵌套結(jié)構(gòu)，制作了不同厚度的“鋼板-水泥夾層-鋼板”結(jié)構(gòu)的實驗試件。 在切割電流為100 A、 供氣壓強為0.15 MPa 的實驗條件下對試件開展水下等離子穿洞實驗得到的結(jié)果見圖10。 圖10a 中試件總厚度51 mm、水泥厚度23 mm，耗時2 min 43 s 被打穿；圖10b 中試件總厚度66 mm、 水泥厚度38 mm，耗時3 min 46 s 被打穿；圖10c 中試件總厚度80 mm、水泥厚度52 mm，耗時7 min 30 s，切割深度僅觸及其第二層鋼板，沒有完全將第二層鋼板打穿。 考慮實際工況，針對9-5/8″和13-3/8″套管夾水泥層的情況，需要徑向的切割總厚度約為60 mm，如果時間允許，基于等離子弧切割的井口切割方法可一次完成兩層套管的切割工作。

圖10 不同厚度試件的穿洞實驗

最后借助所搭建的實驗平臺， 在切割電流為200 A、 等離子供氣壓強為0.15 MPa 的實驗條件下進行套管環(huán)切實驗。 實驗現(xiàn)象及結(jié)果如圖11 所示，可見實驗過程中產(chǎn)生的弧光十分強烈，水也近乎沸騰狀態(tài)；在2 min 內(nèi)，旋轉(zhuǎn)機構(gòu)帶著等離子割炬繞著套管內(nèi)壁旋轉(zhuǎn)了一周，成功將一根壁厚度為12 mm的9-5/8″套管割斷。由切口斷面可見，切割面十分平整，幾乎無黏連處，切割質(zhì)量好。

圖11 套管環(huán)切實驗及結(jié)果

5 結(jié)論

本文基于等離子弧切割方法，創(chuàng)新性地研制了一套海底棄井切割裝備。 經(jīng)過動力學(xué)分析、強度仿真和一系列物理實驗，得到以下結(jié)論：

（1）裝備支撐機構(gòu)在直徑方向的可支撐范圍為190～230 mm。 在10000 N 的驅(qū)動力下，每個支撐點能提供6000 N 的支撐力。

（2）在10000 N 的驅(qū)動力下，裝備支撐機構(gòu)在穩(wěn)定支撐時滿足45 鋼的強度要求， 其中最大應(yīng)力出現(xiàn)在連桿與套管接觸處。

（3）在實驗室環(huán)境、切割電流200 A、供氣壓強0.15 MPa 的試驗條件下，對一根直徑9-5/8″套管實現(xiàn)環(huán)形切割僅需要2 min，切割效率極高。