井下電驅(qū)切割油管工具研究與試驗(yàn)

葉文勇 胡東鋒 王思凡

摘要：國(guó)內(nèi)井下管串動(dòng)力切割工具現(xiàn)處于研究初始階段，為此，研發(fā)出了一種新型井下油管電動(dòng)切割工具。對(duì)該型工具的結(jié)構(gòu)組成及其切割作業(yè)原理進(jìn)行了重點(diǎn)介紹，并通過地面試驗(yàn)驗(yàn)證工具的結(jié)構(gòu)合理性與控制系統(tǒng)可靠性。研究結(jié)果表明：研發(fā)的井下電驅(qū)切割油管工具外徑為54 mm，總長(zhǎng)為4 m，適用于外徑73.0和88.9 mm油管，可根據(jù)目標(biāo)油管管徑切割需求更換切割刀具，可按流程準(zhǔn)確實(shí)施對(duì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)動(dòng)作和工具狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和調(diào)整，并完成信息的傳輸與存儲(chǔ)；地面切割試驗(yàn)驗(yàn)證了該工具切割模塊結(jié)構(gòu)的合理性，驗(yàn)證了推進(jìn)機(jī)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)換向機(jī)構(gòu)能精確完成動(dòng)力的傳遞和動(dòng)作的執(zhí)行。所得結(jié)論可為油氣井帶壓修井作業(yè)的高效、安全實(shí)施提供技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：井下工具；電驅(qū)；切割油管工具；控制系統(tǒng)；地面試驗(yàn)

0 引 言

老井在排水采氣過程中常發(fā)生節(jié)流器打撈不出、氣舉閥失效等井筒故障［1-4］，為了盡快恢復(fù)生產(chǎn)，必須帶壓起出管柱進(jìn)行檢修作業(yè)。但在管柱起出過程中，常遭遇下部封隔器段管柱遇卡無法起出的難題。在傳統(tǒng)倒扣作業(yè)方法無法精準(zhǔn)、快速解決該問題的情況下，采用井下切割工具對(duì)遇卡段管柱實(shí)施切割，成為現(xiàn)行解決遇卡管柱起出問題的最佳途徑。當(dāng)完成對(duì)遇卡段上部管柱的切割作業(yè)后，再通過反扣鉆桿下入打撈工具抓住下部管柱，并大力上提或者反轉(zhuǎn)倒扣起出故障管段［5-7］。該種方式作業(yè)可控，成功率高。

近年來，國(guó)內(nèi)外研發(fā)出了多種類型的井下油管切割工具，解決了修井作業(yè)的一些需求［8-13］。國(guó)外產(chǎn)品主要有貝克休斯公司的機(jī)電套管切割工具［14］ （Electro-Mechanical Pipe Cutter，MPC），GE公司的井下電動(dòng)切割工具［15］ （Downhole Electric Cutting Tool，DECT），Welltec公司的新型電動(dòng)套管切割工具（The new electric line pipe cutting tool）［16］。MPC采用外擺高速鋸片銑刀對(duì)油管實(shí)施切割，其切割厚度受鋸片銑刀直徑、外擺機(jī)構(gòu)行程限制，鋸片作業(yè)鉆速可達(dá)4 000 r/min。DECT采用懸臂切刀模式對(duì)油管實(shí)施切割，但該型工具刀片受載較大且懸臂模式限制了刀片的切割厚度，減弱切割頭處的工具剛度，加劇刀片的切割不穩(wěn)定性。Welltec公司采用擴(kuò)展式三刀翼結(jié)構(gòu)，通過鑲嵌在刀翼上的合金齒完成對(duì)油管的切割，但刀翼的切割載荷將隨著刀翼外擺直徑的增大而增大，對(duì)工具電機(jī)功率要求較高。國(guó)內(nèi)中石化勝利石油工程公司鉆井工藝研究院借鑒MPC相關(guān)技術(shù)，研發(fā)了一種井下管柱電控切割工具，并完成了地面試驗(yàn)［17］。該工具的最高切割壁厚為12.7 mm，最大可承受溫度150 ℃，最大承受壓力140 MPa。

國(guó)內(nèi)井下管串動(dòng)力切割工具現(xiàn)處于研究初始階段，為滿足國(guó)內(nèi)某氣田修井作業(yè)需求，特研發(fā)出了一種新型井下電驅(qū)切割工具。下面重點(diǎn)介紹該工具的結(jié)構(gòu)組成及其切割作業(yè)原理，并通過地面功能單元試驗(yàn)，驗(yàn)證工具的可行性。

1 技術(shù)分析

1.1 功能結(jié)構(gòu)

井下電驅(qū)切割油管工具整體功能結(jié)構(gòu)方案如圖1所示，分為地面和井下2個(gè)部分。地面部分為控制終端和電源，井下部分為井下控制及通信模塊、切割系統(tǒng)和錨定系統(tǒng)。該工具最大的特點(diǎn)是摒棄了現(xiàn)有井下管柱切割工具所采用的復(fù)雜“電-液”驅(qū)系統(tǒng)，而直接采用井下特種電機(jī)為動(dòng)力源，配合作動(dòng)電缸，為整個(gè)工具提供動(dòng)力。

切割系統(tǒng)主要用于完成對(duì)油管的切割，包括切割刀頭、推刀電缸和主切割電機(jī)；錨定系統(tǒng)主要用于實(shí)現(xiàn)工具相對(duì)油管的固定，采用電缸驅(qū)動(dòng)錨定執(zhí)行機(jī)構(gòu)的外伸和收回；控制系統(tǒng)主要用于實(shí)施地面與井下信號(hào)互傳、動(dòng)作執(zhí)行和工具狀態(tài)監(jiān)控。工具井下部分結(jié)構(gòu)如圖2所示。工具通信短節(jié)后端為電纜連接頭，采用單芯電纜為井下工具提供電力，并構(gòu)建起地面與井下的通信橋梁。該型工具最大外徑54 mm，總長(zhǎng)4 m，最高耐受溫度80? ℃，最大承受壓力120 MPa，適用于外徑73.0 mm和外徑88.9 mm的油管。

1.2 工作原理

用鎧裝單芯電纜連接工具井下部分和地面控制終端、電源，完成信號(hào)及電源通路測(cè)試和動(dòng)作指令測(cè)試。隨后利用鎧裝電纜將工具下至目標(biāo)井深，接通電源后下發(fā)第一次井下通信測(cè)試與工具狀態(tài)檢測(cè)指令，待檢測(cè)信號(hào)顯示正常，由地面控制終端輸入被切目標(biāo)油管內(nèi)外徑，并向井下發(fā)出作業(yè)指令。工具井下控制器接收到指令后，按內(nèi)置程序執(zhí)行如下相關(guān)動(dòng)作。

首先，啟動(dòng)錨定電缸，將錨定執(zhí)行機(jī)構(gòu)伸出，實(shí)現(xiàn)工具與油管的同心固定；控制器將通過位移傳感器、電機(jī)自轉(zhuǎn)參數(shù)，結(jié)合電機(jī)載荷，綜合判定是否錨定成功，并向地面反饋發(fā)送動(dòng)作節(jié)點(diǎn)信息。

其次，當(dāng)?shù)孛媸盏藉^定完成的信息反饋并確認(rèn)后，控制器順次啟動(dòng)主切割電機(jī)與推刀電缸，主切割電機(jī)以一定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，推刀電缸緩慢推進(jìn)，經(jīng)刀頭推力機(jī)構(gòu)使刀頭逐漸展開，直至鄰近油管內(nèi)壁后，停止展開，此時(shí)刀具刀尖劃過的最大圓外徑與管柱內(nèi)徑保持徑向0.5～1.5 mm間隙。該階段推刀行程可通過輸入目標(biāo)管柱內(nèi)徑，經(jīng)控制系統(tǒng)計(jì)算得到。其后，主切割電機(jī)轉(zhuǎn)速提高至預(yù)設(shè)切割轉(zhuǎn)速，推刀電缸再按照預(yù)設(shè)進(jìn)刀量實(shí)施前推進(jìn)給，展開切割刀片。刀頭的切割半徑隨著推刀電缸的進(jìn)給不斷增大，直至完成切割。切割過程中，控制系統(tǒng)將通過對(duì)主切割電機(jī)電流、推刀電缸動(dòng)作距離、位移傳感器和溫度傳感器的實(shí)時(shí)監(jiān)控，判定工具作業(yè)狀態(tài)，進(jìn)而及時(shí)調(diào)整切割進(jìn)刀量或切割轉(zhuǎn)速等。同時(shí)，通信短節(jié)將按照1次/s的頻率向地面發(fā)送工具狀態(tài)信息。地面對(duì)接受到的信息進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示和存儲(chǔ)。油管切割作業(yè)是否完成由控制系統(tǒng)綜合電機(jī)負(fù)載、位移傳感器等信息聯(lián)合判定。

當(dāng)切割完成后，推刀電缸將率先慢速反推以收回刀片；待刀片完全退出切槽后，再降低刀頭轉(zhuǎn)速至低轉(zhuǎn)速，繼而推刀電缸快速反推，刀片回到初始位置，完成收刀。此時(shí)控制器向地面發(fā)送收刀節(jié)點(diǎn)信號(hào)；接著實(shí)施錨定結(jié)構(gòu)收回作業(yè)，上發(fā)錨定解除節(jié)點(diǎn)信號(hào)；地面收到信號(hào)后，小拉力向上試提電纜，如無明顯載荷增加，則表明工具無卡阻行為，便可起出工具。至此，切割油管作業(yè)完成。

2 關(guān)鍵設(shè)計(jì)

2.1 切割系統(tǒng)

切割系統(tǒng)主要用于實(shí)施對(duì)油管的切割，由刀片、刀具齒輪軸、螺旋花鍵軸、軸套體、推桿、花鍵軸套、內(nèi)花鍵傳動(dòng)件、主切割電機(jī)、推刀電缸等組成，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。切割頭的旋轉(zhuǎn)通過主切割電機(jī)驅(qū)動(dòng)，切割頭進(jìn)刀由推刀電缸完成，切割頭內(nèi)部有專門設(shè)計(jì)的換向機(jī)構(gòu)，將電缸的直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為進(jìn)刀所需的周向轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而完成刀具的擺出和收回。

擺刀與收刀執(zhí)行機(jī)構(gòu)如圖4所示。3個(gè)刀片安裝在周向均布的3個(gè)齒輪軸上，3個(gè)齒輪軸與螺旋花鍵軸一端的輪齒軸段形成嚙合。位于切割傳動(dòng)機(jī)構(gòu)末段的推刀電缸產(chǎn)生的軸向進(jìn)給直線運(yùn)動(dòng)，在已實(shí)施旋轉(zhuǎn)限位的軸套體的作用下，將轉(zhuǎn)換成螺旋花鍵軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，繼而通過齒輪嚙合的形式，驅(qū)動(dòng)刀片的擺出和收回。

螺旋花鍵軸與軸套體形成的螺旋換向機(jī)構(gòu)如圖5所示。軸套體與螺旋花鍵軸通過螺旋花鍵配合，軸套體僅做直線運(yùn)動(dòng)，螺旋花鍵軸僅做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)軸套體在推刀電缸的作用下向前推進(jìn)，螺旋結(jié)構(gòu)將使螺旋花鍵軸帶動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而實(shí)施擺刀和收刀。采用伺服電機(jī)控制的推刀電缸，既保證了小幅值連續(xù)性直線運(yùn)動(dòng)，同時(shí)施加穩(wěn)定持續(xù)的軸向推力。該推力將轉(zhuǎn)化成在切割過程中刀片相對(duì)油管的穩(wěn)定進(jìn)刀正壓力，其動(dòng)力傳遞路徑如圖6所示。

刀頭的旋轉(zhuǎn)是指3個(gè)刀片繞工具中心軸線的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，是實(shí)施管柱切割的主要運(yùn)動(dòng)，其旋轉(zhuǎn)動(dòng)力源來自后端的主切割電機(jī)。主切割電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)速經(jīng)減速器后降至100～600 r/min，并通過外周側(cè)的滑動(dòng)花鍵結(jié)構(gòu)，將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳遞到花鍵軸套并帶動(dòng)刀具齒輪軸架旋轉(zhuǎn)，而裝有刀片的3個(gè)齒輪軸均安裝在刀具齒輪軸架上，繼而實(shí)現(xiàn)刀片的公轉(zhuǎn)。其刀頭旋轉(zhuǎn)的動(dòng)力傳遞路徑如圖7所示。

2.2 錨定系統(tǒng)

錨定系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)示意圖如圖8所示。

錨定系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)工具相對(duì)油管的完全固定，是工具實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定切割的重要組成部分。工具采用雙錨定點(diǎn)的設(shè)計(jì)，增強(qiáng)工具整體結(jié)構(gòu)剛度，避免懸臂梁效應(yīng)，提高錨定的穩(wěn)定性。由于要實(shí)現(xiàn)較大的徑向位移，錨定系統(tǒng)的執(zhí)行借鑒四桿機(jī)構(gòu)原理，利用電缸驅(qū)動(dòng)長(zhǎng)邊桿向外展開和回拖，長(zhǎng)邊桿上加裝“錨定牙板”，以實(shí)現(xiàn)與油管內(nèi)壁的硬接觸，繼而完成工具與油管的相對(duì)錨定。錨定執(zhí)行機(jī)構(gòu)展開狀態(tài)如圖8b所示。切割完成后，錨定電缸反轉(zhuǎn)，回拖長(zhǎng)邊桿，解除錨定。

2.3 控制系統(tǒng)

2.3.1 控制系統(tǒng)架構(gòu)

工具控制系統(tǒng)架構(gòu)方案如圖9所示。其設(shè)計(jì)思路為：工具擁有獨(dú)立的控制模塊，在收到地面發(fā)送的指令后，開始按照既定程序執(zhí)行相關(guān)指令，切割過程中，對(duì)旋轉(zhuǎn)刀頭主電機(jī)、推刀電機(jī)及錨定電缸的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。譬如，根據(jù)伺服電機(jī)特性，電流將隨負(fù)載的增加而增大，因此可通過對(duì)電流大小的實(shí)時(shí)監(jiān)控并結(jié)合作業(yè)程序獲取刀具是否開始切割、切割過程中載荷的穩(wěn)定性（是否存在切割振動(dòng)）、切割是否完成等作業(yè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)及其作業(yè)階段的信息。

結(jié)合工具內(nèi)置傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)工具狀態(tài)的判定。譬如，控制系統(tǒng)通過位移傳感器，對(duì)推刀電缸軸向移動(dòng)位移進(jìn)行采集，進(jìn)而計(jì)算工具的單位進(jìn)刀量和總進(jìn)刀量。通過對(duì)錨定電缸軸向位移的測(cè)定，判定錨定執(zhí)行機(jī)構(gòu)是否按預(yù)定位置展開，并通過程序計(jì)算獲得錨定電缸軸推載荷，結(jié)合電機(jī)負(fù)載電流，綜合判定其是否實(shí)現(xiàn)錨定。采用溫度傳感器對(duì)作業(yè)電機(jī)實(shí)施溫度監(jiān)控，控制模塊對(duì)收集的實(shí)時(shí)溫度進(jìn)行判定；當(dāng)超過警戒溫度后，判定電機(jī)過熱，此時(shí)控制程序?qū)?zhí)行暫停工作的程序，待溫度降至安全溫度以下時(shí)，則重新啟動(dòng)工作程序。

系統(tǒng)各種數(shù)據(jù)的采集及處理都是在工具井下的獨(dú)立控制模塊進(jìn)行，并按照1次/s的頻率將關(guān)鍵狀態(tài)數(shù)據(jù)持續(xù)發(fā)送至地面，使得地面能夠及時(shí)獲取井底工具的工作狀態(tài)。當(dāng)遇到復(fù)雜工況需要實(shí)施手動(dòng)控制時(shí)，該模塊能及時(shí)進(jìn)行控制模式的切換。其具體的通信功能特點(diǎn)為：①采用單芯或多芯電纜將地面100～600 V交流穩(wěn)壓電源輸送到井下，為工具供電；②通過載波方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在地面與井下之間的傳輸，常規(guī)傳輸頻率為1次/s；③基于位移傳感器、電機(jī)負(fù)載電流、溫度傳感器和既定程序，對(duì)工具狀態(tài)進(jìn)行判定；④工具內(nèi)部主控板與切割電機(jī)及推力電缸驅(qū)動(dòng)器間采用總線通信。

2.3.2 控制系統(tǒng)操作

油管切割自動(dòng)控制操作界面與流程如圖10所示。控制系統(tǒng)自動(dòng)控制界面（見圖10a）可人工設(shè)定主旋轉(zhuǎn)電機(jī)轉(zhuǎn)速，監(jiān)測(cè)主旋轉(zhuǎn)電機(jī)的扭矩和刀具進(jìn)給量。圖10b為自動(dòng)控制流程。自動(dòng)控制通過提前設(shè)置好的電機(jī)轉(zhuǎn)速和推刀電缸的進(jìn)給速度進(jìn)行油管切割，并將實(shí)時(shí)曲線反映到上位機(jī)進(jìn)行觀察。

油管切割手動(dòng)控制操作界面與流程如圖11所示。手動(dòng)控制可以由操作者根據(jù)需要調(diào)整主旋轉(zhuǎn)電機(jī)與推刀電缸的進(jìn)給速度，其優(yōu)點(diǎn)是可以通過操作者的觀察隨時(shí)對(duì)切削過程進(jìn)行人為調(diào)整。

3 地面試驗(yàn)

3.1 油管切割試驗(yàn)平臺(tái)

為驗(yàn)證切割系統(tǒng)的可靠性，特搭建地面試驗(yàn)平臺(tái)。因主要驗(yàn)證切割系統(tǒng)功能，故取消了錨定系統(tǒng)。將油管在試驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行雙點(diǎn)固定，地面試驗(yàn)平臺(tái)使用推刀電缸、伺服電機(jī)和井下控制系統(tǒng)。地面試驗(yàn)平臺(tái)如圖12所示。試驗(yàn)所用切割系統(tǒng)如圖13所示。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2021年5月，在西南石油大學(xué)室外井場(chǎng)試驗(yàn)基地的地面試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行了油管切割試驗(yàn)。選用油管外徑73.0 mm，壁厚 5.51 mm，鋼級(jí)N80，電機(jī)轉(zhuǎn)速 200? r/min，刀具進(jìn)給速度為0.1 mm/s。

由于可能存在裝配誤差，3個(gè)刀具各自所在的切割平面可能存在較小的偏差角度。當(dāng)?shù)毒咔懈钣凸芮胁奂由睿毒叩膫?cè)邊會(huì)與切槽發(fā)生摩擦，會(huì)極大地?fù)p壞刀具。因此，在本試驗(yàn)中采用了方形刀與圓形刀的組合，方刀是向外擴(kuò)展切割油管，圓形刀則是在方形刀切出的切槽基礎(chǔ)上進(jìn)行橫向擴(kuò)槽。切割作業(yè)示意圖如圖14所示。

3.2.1 單方刀切削試驗(yàn)

方形刀（見圖15）使用切斷刀的右側(cè)進(jìn)行切削，試驗(yàn)扭矩變化如圖16所示。在切割過程中進(jìn)行了2次進(jìn)刀與退刀，最終切斷油管且刀具磨損小。從圖16可以看出，2次進(jìn)刀時(shí)的電機(jī)扭矩與刀具進(jìn)給量呈正相關(guān)，扭矩浮動(dòng)頻率較大，這是因切割過程中單刀受力不均、振動(dòng)較大。振動(dòng)也會(huì)加劇刀具與油管壁的接觸，引發(fā)刀具磨損，切削效果如圖17所示。

3.2.2 單圓形刀和2個(gè)方刀切削試驗(yàn)

圓形刀在整個(gè)切削過程中并不發(fā)揮切削油管的作用，只為擴(kuò)大方形槽。采用階梯形安裝的單圓形刀和2個(gè)方刀組合，如圖18所示。

切削時(shí)，1號(hào)方刀先接觸油管內(nèi)壁，對(duì)油管進(jìn)行切削，然后圓形切斷刀進(jìn)行擴(kuò)槽，最后2號(hào)方刀進(jìn)行2次切削。組合刀片切割效果如圖19所示。由圖19可知，油管切斷面沒有刀具磨損痕跡，表明圓形切斷刀發(fā)揮了減輕方刀側(cè)邊磨損的作用。組合刀片切割扭矩曲線如圖20所示。從圖20可以看出，扭矩波動(dòng)頻率遠(yuǎn)小于單方刀切削時(shí)的振動(dòng)頻率。在扭矩圖的后半段，扭矩沒有隨進(jìn)給量增加而增加，而是產(chǎn)生了較大的波動(dòng)，此時(shí)油管已切斷只剩余最后一圈鐵皮，波動(dòng)是由于刀具側(cè)面與油管壁摩擦而產(chǎn)生，可作為油管切削完成時(shí)的特征判定。

4 結(jié) 論

（1）所研發(fā)的井下電驅(qū)切割油管工具外徑為54 mm，總長(zhǎng)為4 m，適用于外徑73.0和88.9 mm油管，可根據(jù)目標(biāo)油管管徑切割需求更換切割刀具。該工具各功能結(jié)構(gòu)組件合理、功能完善，在控制系統(tǒng)的指引下，可按流程準(zhǔn)確實(shí)施對(duì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)動(dòng)作和工具狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和調(diào)整，并完成信息的傳輸與存儲(chǔ)。

（2）地面切割試驗(yàn)驗(yàn)證了井下電驅(qū)切割油管工具切割模塊結(jié)構(gòu)的合理性，驗(yàn)證了該工具通過推進(jìn)機(jī)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)換向機(jī)構(gòu)能精確完成動(dòng)力的傳遞和動(dòng)作的執(zhí)行。

（3）組合式切割刀具的運(yùn)用，避免了刀具意外損傷及其作業(yè)事故的發(fā)生。工具機(jī)械構(gòu)件結(jié)合合理的控制程序設(shè)計(jì)，可對(duì)切割作業(yè)實(shí)施高效、精確調(diào)控，工作效率高，具有較高的可靠性與安全性。

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