智能井用管線切割工具設計

羅建偉，張 亮，劉景超，馬認琦，李瑞豐

(中海油能源發(fā)展股份有限公司 工程技術分公司，天津 300452)

智能完井技術是國際上最新發(fā)展的完井新技術，對石油資源提供了一種更智能化、更靈活可變的管理方法，正受到越來越多的關注。智能井中應用的井下工具，如封隔器、生產(chǎn)滑套、藥劑注入閥及數(shù)據(jù)監(jiān)測工具等，均通過管線或電纜從地面進行控制。

采用智能完井技術的油井，修井周期較常規(guī)油井的修井周期長。長年生產(chǎn)的智能井中積累較多的油垢、膠質(zhì)等雜物，修井時起出管柱較為困難。如果管柱起出遇卡，采用常規(guī)的切割工具只能對油管進行切割。而無法對管線進行切割。切割油管后進行下部管柱打撈過程中，冗雜的管線會阻礙打撈作業(yè)。

現(xiàn)有的管線切割技術包括地面管線切割技術和井內(nèi)管線切割技術。其中，地面管線切割技術主要包括手工切割、激光切割、鋸割或電動機械切割；井內(nèi)管線切割技術主要有磨料射流切割、機械旋轉切割和液壓驅動切割。地面管線切割方法雖靈活方便，效率高，但切割設備大，且形狀不規(guī)則，無法用于井內(nèi)管線切割?，F(xiàn)有的井下切割技術僅限于對中心管和大尺寸管件切割，無法對中心管外側的細管線或電纜進線切割[1-10]。為此，筆者設計了一種適用于智能井用管線切割工具，可實現(xiàn)液控管線或電纜的精準有效切割[11]。

1 管線切割工具設計

為了解決智能井管柱起出遇卡時，控制管線無法進行切割而影響管柱后期打撈的問題，設計一種智能井用管線切割工具。該工具通常連接在封隔器上部，可盡量使井下工具的控制管線穿過，總數(shù)不超過6根。

1.1 結構原理

管線切割工具結構如圖1所示，主要由接箍、中心管、螺紋連接頭、管線連接頭、防松銷釘、套筒、上剪切套、下剪切套、鎖塊、控制管線和管線密封接頭等組成。其特點為，管線切割工具與生產(chǎn)油管連接，控制管線穿過上剪切套和下剪切套上的通孔。然后，通過中心管與套筒之間的夾壁腔，最后連接在管線連接頭上。當需要進行控制管線剪切時，需要從油管內(nèi)下入常規(guī)的機械切割工具，在設定位置將中心管切割成上下2段，上提油管，上剪切套和下剪切套發(fā)生相對轉動，切斷控制管線，接箍、中心管上段、螺紋連接頭、管線連接頭、套筒隨上部管柱起出，中心管下段留置井下，便于后期管柱打撈。

1-接箍；2-中心管；3-螺紋連接頭；4-管線連接頭；5-第三防松銷釘；6-套筒；7-上剪切套；8-第四防松銷釘；9-下剪切套；10-鎖塊；11-管線密封接頭；12-管線；13-第一防松銷釘；14-第二防松銷釘。圖1 管線切割工具結構示意

1.2 工具特點

1) 能對多種尺寸的控制管線進行切割。

2) 控制管線線直接穿過切割工具。

3) 同心旋轉設計，便于與封隔器旁路對齊。

4) 通過油管切割中心管激活工具。

5) 切割管線被留在切割工具內(nèi)部便于回收。

6) 切割后預留光管，便于管柱打撈。

7) 最多可同時剪切6條控制管線。

8) 抗拉強度不低于生產(chǎn)油管。

1.3 工具技術參數(shù)

管線切割工具技術參數(shù)如表1所示。

表1 管線切割工具技術參數(shù)

2 施工工藝

2.1 安裝過程

1) 從中心管上端套入管線連接頭和螺紋連接頭，管線連接頭的管線密封接口位置與螺紋連接頭外沿軸向深槽對齊。

2) 從中心管下端裝入上剪切套，并至中心管上的限位臺階處。轉動上剪切套使側壁上的管線通道與管線密封接頭上的螺紋孔對齊。安裝第四防松銷釘，將上剪切套固定在中心管上。

3) 將鎖塊安裝在下剪切套內(nèi)部，然后從中心管下端套入，此時將管線從下剪切套側壁上的管線通道穿過，再穿過上剪切套上的管線通道。將管線密封接頭從管線上端套入，管線穿過管線連接頭，再套入管線密封接頭。管線繼續(xù)穿過螺紋連接頭外壁上的深槽，并預留一定長度，便于與管線的連接。

4) 從中心管下端裝入套筒，使套筒內(nèi)部鎖塊槽與鎖塊對齊，此時向上同時推動套筒和下剪切套，通過套筒上的觀察窗口觀察，直至上剪切和下剪切套的螺旋切面緊貼在一起時停止用力，整圈轉動管線連接頭，使外圓面上的圓深孔與套筒上的螺紋孔對齊，安裝第三防松銷釘。

5) 整圈轉動螺紋連接頭，使其左端螺紋孔與中心管上部外螺紋上的長條形槽對齊，安裝第一防松銷釘。

6) 通過微調(diào)套筒，使螺紋連接頭外壁上的圓孔與套筒上的螺紋孔對齊，安裝第二防松銷釘。

7) 然后擰緊管線連接頭兩端的管線密封接頭，在中心管上端連接接箍，即完成管線切割工具的地面安裝。

2.2 工具下入過程

在智能完井管柱下入過程中，待所有控制工具均下入后，連接管線切割工具，管線切割工具下端螺紋與其它入井工具連接，再將入井工具的控制管線與切割工具預留的管線連接，在管線上做標記，便于地面管線管理；切割工具上端通過接箍與油管直接連接，在地面將管線與切割工具預留管線上部連接。

2.3 管線剪切過程

當修井時，如果上提管柱遇卡，此時下入常規(guī)的切割工具從中心管內(nèi)部設定位置將中心管切斷。然后上提管柱，與上段中心管相連的螺紋連接頭、套筒、管線連接頭、鎖塊和下剪切套一起向上運動，由于中心管下端和上剪切套處于靜止狀態(tài)，此時上剪切套和下剪切套之間相接觸的螺旋切面發(fā)生相對轉動，當螺旋切面上的切向力大于管線剪切強度時即可將管線剪斷。管線剪斷后，提出上部管柱，此時，由于套筒和下剪切套的上移，鎖塊落入中心管上臺階上方的凹槽，套筒脫離鎖塊，套筒與下剪切套分離，管線切割工具留在井下的部件是中心管下段、上剪切套、下剪切套和鎖塊，其中的中心管下段是留作打撈時用。

3 關鍵零件受力分析

3.1 中心管結構設計及分析

中心管設計時，重點考慮中心管的外徑、內(nèi)徑、應力和管壁厚度等參數(shù)。

中心管沿徑向和軸向應力為：

(1)

(2)

式中：r為中心管任意處半徑，mm；a為中心管內(nèi)半徑，mm；b為最小外半徑，mm；p1為內(nèi)部壓力，MPa；p2為外部壓力，MPa；σr1為徑向壓應力，MPa；σr2為軸向壓應力，MPa。

中心管最小壁厚δ計算式為：

(3)

式中：D為最小外徑，mm；pi為最大內(nèi)壓，MPa；[σ]為材料許用應力，MPa。

中心管采用42CrMo材料，抗拉強度為1.08×109Pa，屈服強度為9.3×108Pa。通過ANSYS軟件進行應力分析，將中心管一端固定，另一端施加8×105N的作用力，其應力分布如圖2所示，其最大應力為5.75×108Pa，遠小于材料屈服強度。

圖2 中心管應力分布云圖

3.2 鎖塊的受力分析

鎖塊是管線切割工具的關鍵部件。套筒和下剪切套通過鎖塊連接，當中心管被割斷，上提管柱時，中心管通過螺紋連接套和外筒將拉力傳遞到鎖塊上，然后通過鎖塊傳遞到下剪切套上。若需把6根控制管線同時剪斷，則要求鎖塊的剪切載荷要大于6根管線剪斷時的軸向載荷。

管線切割工具設置有3個鎖塊，按圓周均勻分布，分別安裝在下剪切套上的3個鎖塊孔內(nèi)，然后套入到套筒下端內(nèi)部凹槽內(nèi)，鎖塊三維圖如圖3所示。

圖3 鎖塊三維示意圖

鎖塊的材料為35CrMo，其抗拉強度為9.85×108Pa，屈服強度為8.35×108Pa，泊松比為0.3，彈性模量為2.06×1011Pa。采用SolidWorks工程軟件制作鎖塊簡化模型，并導入到有限元分析軟件ANSYS中進行受力分析。為了提高計算效率，截取1個鎖塊進行分析計算，在鎖塊端部與套筒接觸的斜面上施加80 kN作用力，鎖塊的應力云圖如圖4所示，位移云圖如圖5所示。

圖4 鎖塊應力分布云圖

圖5 鎖塊位移分布云圖

如圖4所示，鎖塊所受的最大應力為8.91×108Pa，發(fā)生在鎖塊端部弧面、斜面和側面3個面的交界處，該處為應力集中處，倒角處理即可避免應力過大。端部斜面作為主要受力面應力值遠小于材料的屈服強度，如圖5所示，鎖塊在承受80 kN的作用力下，發(fā)生的最大位移約為0.01 mm，鎖塊不會發(fā)生變形失效。管線切割工具作業(yè)時，3個鎖塊同時承受套筒的上拉力，從計算結果可以看出，鎖塊能承受的拉力不小于240 kN。

4 管線切割性能分析

常用的控制管線分碳鋼和不銹鋼2種材質(zhì)，而不銹鋼使用性能良好，具有很好的防腐性，使用最為廣泛，不銹鋼管線如圖6所示。常用的不銹鋼材質(zhì)型號包括304、316和316L，其中316不銹鋼價格適中，且適用于多種工況，應用最多。油田常用的316不銹鋼控制管線分3種基本尺寸，12種規(guī)格型號，具體數(shù)據(jù)如表2所示。

圖6 不銹鋼管線

表2 常用管線技術參數(shù)

管線切割工具是通過管線穿過上剪切套和下剪切套，上剪切套和下剪切套發(fā)生相對轉動時即可對管線進行剪切，安裝形式如圖7所示，螺旋切面與中心軸線為45°夾角。

圖7 管線安裝示意

為了便于計算，將管線剪切模型進行簡化，并導入到ANSYS中，如圖8所示，上剪切套和下剪切套之間的接觸面為平面，與管線軸向方向呈45°夾角。316不銹鋼抗拉強度為5.2×108Pa，屈服極限為2.05×108Pa，剪切強度為3×108Pa，泊松比為0.3，彈性模量為2.0×1011Pa。上剪切套保持固定，在下剪切套上作用一定的壓應力，位移云圖如圖9所示，上剪切套與下剪切套沿斜面方向發(fā)生了明顯位移。

圖8 管線剪切模型

圖9 管線剪切位移云圖

分別建立6.35、9.53和12.7 mm管線的剪切模型，選用表2中每種尺寸管線的最大壁厚進行分析計算。

1) 6.35 mm管線作用20 000 N壓應力，其應力云圖如圖10所示，最大應力發(fā)生在與45°斜面接觸的部位，應力值大于4.15×108Pa。該應力值遠大于316材料的剪切強度3×108Pa，表明管線會發(fā)生擠壓剪切，并被剪斷。

圖10 6.35 mm管線剪切應力云圖

2) 9.53 mm管線作用20 000 N壓應力，其應力云圖如圖11所示，最大應力發(fā)生在與45°斜面接觸的部位，應力值大于3.27×108Pa。該應力值大于316材料的剪切強度3×108Pa，表明管線會發(fā)生擠壓剪切，并被剪斷。

圖11 9.53 mm管線剪切應力云圖

3) 12.7 mm管線作用40 000 N壓應力，其應力云圖如圖12所示，最大應力發(fā)生在與45°斜面接觸的部位，應力值大于3.53×108Pa。該應力值大于316材料的剪切強度3×108Pa，表明管線會發(fā)生擠壓剪切，并被剪斷。

圖12 12.7 mm管線剪切應力云圖

切割工具能同時切割6根管線，根據(jù)ANSYS計算結果，不同的管線尺寸所需的剪切力不同，具體數(shù)值如表3所示。

表3 不同管線組合剪切力數(shù)值

從表3可知，常用的管線組合所需的剪切力為(12～18)×104N，該數(shù)值小于鎖塊所能承受的拉力24×104N，采用常用的管線組合，管線剪切工具均能完成剪切。

5 結論

1) 針對智能井中無法對控制管線進行切割的問題，設計了一種可對管線實施精確切割的專用工具。利用有限元分析軟件ANSYS對工具的關鍵部件進行分析，工具整體抗拉力不低于8×105N，表明工具結構設計合理，符合現(xiàn)場使用要求。

2) 通過對剪切模型進行有限元分析， 6根不同尺寸多種組合管線切割所需的拉力為(12～18)×104N，小于鎖塊所能承受的拉力24×104N，表明剪切工具對常用的管線組合能有效實施精確切割。留井部件為光筒，便于后期打撈作業(yè)。

3) 管線切割工具作為智能井中管線管理的關鍵工具，可有效降低后期管柱打撈風險。下一步的研究工作是進行工具試制及性能試驗，對工具結構進一步優(yōu)化。