井下管柱熔融切割工具研制

敬俊 羅希銳 祝效華 譚賓 李志林

(1.西南石油大學(xué)機電工程學(xué)院 2.中國石油集團川慶鉆探工程有限公司)

0 引 言

近年來，隨著鉆井工況日益復(fù)雜，開采難度越來越大，鉆桿、油管或其他金屬套管被卡事故日益突出。當(dāng)采用倒扣方法無法解決該問題時，對其實施切割成為了最佳的解卡方式[1-3]。機械刀片切割目前普遍用于油管切割。然而，針對壁厚較大的鉆桿，工具需重復(fù)上提以更換長時工作而磨損嚴(yán)重的刀具，但現(xiàn)有技術(shù)難以實現(xiàn)二次下入時的準(zhǔn)確定位[4-6]。厚壁管柱切割常用爆炸切割法，但爆炸藥品屬管制物，運輸過程手續(xù)復(fù)雜，且極易破壞井筒，斷口菊花狀，造成后續(xù)打撈困難[7-8]?；瘜W(xué)切割技術(shù)是利用化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生腐蝕氣體腐蝕管柱壁，但這種腐蝕氣體勢必會污染井筒，嚴(yán)重時還將造成其他安全隱患[9]。鋁熱切割技術(shù)早年主要用于戰(zhàn)場搶修，穿甲射孔等領(lǐng)域，近幾年才初步用于井下切割領(lǐng)域[10]。鋁熱切割技術(shù)利用高能鋁熱藥劑反應(yīng)速度快、反應(yīng)溫度高(可達3 000 ℃以上)且放熱量極大的特性使燃燒產(chǎn)物形成等離子火焰，再由專有的切割工具引導(dǎo)火焰徑向高速噴射沖刷燒蝕金屬管壁，進而達到切割的目的[11]。國內(nèi)外學(xué)者發(fā)明了手持鋁熱切割器，這些切割器主要由金屬管、噴嘴、點火裝置等組成。金屬管內(nèi)裝填鋁熱藥劑，金屬管一端裝有由石墨等耐高溫材料制成的噴嘴，另一端則安裝點火裝置[12-14]，但并未建立成套可用于井下作業(yè)的切割工具。張德華等[15]研制了一套鋁熱切割設(shè)備，但無換向組件，僅能實現(xiàn)火焰軸向噴射。高強等[16]引入換向組件研制出一套可實現(xiàn)火焰徑向噴射的切割裝置。隨后，杜鑫芳等[17]基于鋁熱切割技術(shù)研制一套熱熔式內(nèi)切割器，并成功應(yīng)用于現(xiàn)場油管切割。目前國內(nèi)外井下熔融切割工具研制處于初始階段，且未見能對加重鉆桿實施熔切的設(shè)備。為快速解決切割難度系數(shù)大的厚壁管柱遇卡問題，本文研制了一種新型的井下高溫熔融切割工具。下面重點介紹該工具的結(jié)構(gòu)特點，對關(guān)鍵機構(gòu)進行仿真優(yōu)化，并開展液體環(huán)境中熔融切割試驗驗證該工具井下作業(yè)的可行性。

1 技術(shù)分析

1.1 結(jié)構(gòu)組成

工具結(jié)構(gòu)設(shè)計方案如圖1所示。

1—錨定機構(gòu)；2—點火與燃燒機構(gòu)；3—噴射機構(gòu)；4—扶正機構(gòu)。

切割工具主要由控制系統(tǒng)、錨定機構(gòu)、扶正機構(gòu)、點火與燃燒機構(gòu)、噴射機構(gòu)組成?？刂葡到y(tǒng)用于地面與井下信號互傳、動作執(zhí)行和工具狀態(tài)監(jiān)控。錨定執(zhí)行機構(gòu)用于固定工具，防止作業(yè)過程中工具跳動。扶正機構(gòu)引導(dǎo)工具下放，保證工具與管柱時刻同心。點火與燃燒機構(gòu)提供藥劑存儲空間并激發(fā)藥劑。噴射機構(gòu)用于建立火焰流動噴射通道。

1.2 工作原理

工具需執(zhí)行下放、固定、點火這3個階段來實現(xiàn)井下管柱切割作業(yè)。首先經(jīng)扶正機構(gòu)引導(dǎo)，工具由電纜下放至管柱被卡位置的上端，啟動錨定執(zhí)行系統(tǒng)實現(xiàn)工具位置的固定。同時，地面控制端將通過位移傳感器、電機自轉(zhuǎn)參數(shù)，結(jié)合電機載荷，綜合判定錨定是否成功。最后通電激發(fā)鋁熱劑，鋁熱劑急速反應(yīng)釋放極量、超高溫等離子火焰。火焰經(jīng)噴射機構(gòu)引導(dǎo)，徑向噴射作用于目標(biāo)金屬管壁，持續(xù)沖刷燒蝕管柱壁，最終達到切割的目的。工具作業(yè)原理如圖2所示。

圖2 作業(yè)原理

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 控制方案設(shè)計

工具控制系統(tǒng)由井上與井下控制部分組成，井上部分包括上位機、井口控制器；井下部分包括通信電源模塊、錨定模塊、點火模塊。如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)設(shè)計

井上部件的上位機能實現(xiàn)人機交互、數(shù)據(jù)顯示及數(shù)據(jù)記錄功能。井口控制器主要用于高壓直流電源的轉(zhuǎn)換、地面數(shù)據(jù)的顯示、井下部件的物理操作、總線的信號轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)的采集等功能。井下部件的通信模塊用于接收并傳輸數(shù)據(jù)，地面設(shè)備通過總線與錨定模塊的控制器、點火模塊通信器連接，實現(xiàn)錨定模塊的錨定和起錨、點火模塊的點火。通過測定錨定電缸的軸向位移，判定“錨定牙板”是否按預(yù)定位置展開，并通過程序計算獲得錨定電缸的軸推載荷，結(jié)合電機負(fù)載電流，綜合判斷錨定是否成功。

2.2 動力錨定執(zhí)行機構(gòu)

2.2.1 錨定方式

鋁熱反應(yīng)產(chǎn)生高壓火焰將通過工具下端噴口釋放。壓力釋放過程與火箭發(fā)射類似，會使工具向上運動。由于工具移動會改變火焰的噴射部位，導(dǎo)致能量不能集中作用于某切割位置，使切割作業(yè)失敗。為解決此問題，設(shè)計了錨定執(zhí)行機構(gòu)實現(xiàn)切割過程中工具的固定。

圖4為錨定機構(gòu)的執(zhí)行示意圖。利用電缸驅(qū)動推閥軸向向左移動，進而推動“錨定牙板”向外伸張與回縮。

圖4 錨定機構(gòu)執(zhí)行示意圖

2.2.2 錨定力測試

搭建錨定力測試平臺測試錨定力。將錨定機構(gòu)下端連接扶正器，上端連接氣壓泵，下放至加重鉆桿內(nèi)部后執(zhí)行錨定功能，控制電機輸出扭矩為0.145 N·m，并緩慢加壓。當(dāng)氣壓泵拉動錨定機構(gòu)產(chǎn)生位移時，讀取并記錄相應(yīng)的氣壓值。將氣壓值與受力面積相乘即可得到在該輸出扭矩下，錨定機構(gòu)產(chǎn)生的最大錨定力。經(jīng)計算，此時產(chǎn)生的錨定力為10 950 N，與試驗前進行的理論計算結(jié)果的誤差小于10%。

2.3 扶正機構(gòu)設(shè)計

扶正機構(gòu)的主要作用是保證工具與管柱時刻同心，實現(xiàn)火焰環(huán)向等距噴射，提高切割效率。設(shè)計的扶正機構(gòu)由一系列彈性扶正片組成，扶正片周向等距安裝在中心軸上。在工具下放過程中，扶正片在徑向上可彈性伸縮，保證工具與管柱內(nèi)壁時刻同心。扶正機構(gòu)的設(shè)計如圖5所示。

圖5 扶正機構(gòu)設(shè)計

2.4 點火與燃燒機構(gòu)設(shè)計

2.4.1 反應(yīng)容腔及鋁熱劑裝填方式

燃燒機構(gòu)由金屬外殼與石墨隔熱層組成，上端連接點火器。石墨隔熱層內(nèi)嵌于金屬外殼中，內(nèi)部區(qū)域為反應(yīng)容腔，提供了鋁熱劑的存儲與燃燒空間。鋁熱藥粉被壓制成具有一定密度的有中心孔的圓形藥柱，并在中心孔中裝填粉狀引火藥，最后用黏性物密封藥柱的兩端，制成裝藥單元。根據(jù)所切割的管柱壁厚選擇不同數(shù)量的裝藥單元，軸向裝填于反應(yīng)容腔內(nèi)。結(jié)構(gòu)設(shè)計與藥劑裝填方式如圖6所示。

1—點火器；2—石墨隔熱層；3—金屬外殼；4—電源端；5—絕緣體；6—阻燃片。

2.4.2 鋁熱劑激發(fā)方式

點火器內(nèi)部含有電源，與藥柱接觸的一端裝有絕緣體與阻燃片。阻燃片是為了防護高溫火焰熱輻射燒蝕上部組件，絕緣體是為了避免外部金屬體對電路干擾造成短路現(xiàn)象。導(dǎo)線一端與電源相連，另一端連有電阻絲，從電源引出穿過藥柱中心孔后嵌入最底部的藥柱中心孔內(nèi)，確保藥柱從下往上逐層燃燒，產(chǎn)物能及時排出。電源輸入220 V的交流電，產(chǎn)生6 A以上的輸出電流，使電阻絲發(fā)熱。當(dāng)電阻發(fā)熱量高于散裝引火藥的燃點后，引火藥迅速燃燒放熱。熱量徑向傳遞致藥柱，使藥柱燃燒。點火與燃燒機構(gòu)設(shè)計的最大特點在于采用石墨制作內(nèi)部隔熱層，減少火焰熱輻射燒蝕外部金屬殼體，外部金屬殼體承受井下液體高壓作用。將鎢絲作為發(fā)熱電阻，可使在相同的電流條件下發(fā)熱量更高。使用藥柱與藥粉搭配填裝方式易點火。

2.4.3 反應(yīng)容腔抗壓能力設(shè)計

鋁熱藥柱裝填于燃燒室內(nèi)占有一定的徑向空間，除此之外，位于藥柱與金屬外殼之間用于防止金屬外殼遭火焰燒蝕的石墨隔熱層也占有一定的徑向尺寸，故燃燒室外圍的金屬外殼厚度受限。然而，金屬外殼必須具有一定的厚度以承受井下液體高壓作用，這里基于有限元法對金屬外殼的極限最小厚度進行計算。圖7a為當(dāng)井下高壓為120 MPa時，壁厚分別在4、5、6 mm這3種結(jié)構(gòu)下的應(yīng)力云圖，圖7b為在相同工況下的變形。

圖7 金屬外殼厚度設(shè)計計算

由圖7可知：當(dāng)壁厚為4 mm時，殼體受到的最大應(yīng)力為1 180 MPa，發(fā)生的最大變形為2.065 mm；當(dāng)壁厚為5 mm時，最大應(yīng)力為1 180 MPa，最大變形為0.460 mm；當(dāng)壁厚為6 mm時，最大應(yīng)力為757 MPa，最大變形為0.297 mm。通過與材料的許用應(yīng)力比較可知，金屬外殼厚度至少為6 mm，才滿足井下耐壓要求。最終工具外徑設(shè)計為58 mm，經(jīng)過驗證，可滿足穩(wěn)定性要求，并在加重鉆桿內(nèi)部能自由下放。

2.5 噴射機構(gòu)設(shè)計

2.5.1 火焰噴射方案設(shè)計

噴射機構(gòu)引導(dǎo)火焰流動，匯聚火焰能量，使火焰徑向高速噴射作用于金屬管壁，是執(zhí)行切割的重要部件。結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖8所示。

1—碳支撐；2—導(dǎo)向體；3—多孔噴頭；4—引流器；5—密封滑套。

噴射機構(gòu)主要由碳支撐、導(dǎo)向體、多孔噴頭、引流器、密封滑套等部件組成。碳支撐內(nèi)部開設(shè)錐臺，用于支撐上方裝填的鋁熱藥柱。導(dǎo)向體引導(dǎo)火焰平滑流動，避免噴孔堵塞。多孔噴頭內(nèi)部開設(shè)8個噴孔，匯聚火焰能量，提高射流速度。引流器使火焰沿其圓弧曲面流動，改變速度的流向，并使其徑向高速噴射。密封滑套在工具下井前保持密封，點火后，當(dāng)藥劑燃燒壓力大于外部壓力后，密封滑套被向下推開，騰出火焰噴射通道。此外，由于高溫高壓火焰必須通過噴口噴射而出，所以用于制作噴口的材料必須同時具有耐高溫及耐高壓的特性。這里選用高強度、高熔點的鎢材料制作噴口，經(jīng)試驗驗證，其能滿足噴口工作時的耐受性要求。

2.5.2 噴射機構(gòu)優(yōu)化

引流器形狀直接決定著火焰的徑向噴射角，繼而影響管柱的切割厚度及斷口形態(tài)。合理優(yōu)化引流器形狀是管柱高效切割的重要保障。圖9內(nèi)的二維模型顯示了引流器曲面參數(shù)設(shè)計，R為圓弧半徑，D為水平臺長度。分別設(shè)置(R，D)=(15 mm，3 mm)、(16 mm，2 mm)、(17 mm，1 mm)、(18 mm，0 mm)4種不同的形狀參數(shù)進行流場仿真計算，得到圖9所示的引流器形狀參數(shù)對火焰徑向噴射角的影響。

圖9 引流器形狀參數(shù)對火焰徑向噴射角的影響

由圖9可知，增加水平臺長度D有利于火焰徑向集中噴射，3 mm長的水平臺引流噴射效果最佳。圖10為基于引流器優(yōu)選參數(shù)(R，D)=(15 mm，3 mm)進行的流場仿真計算與噴射測試試驗對比。由圖10可知，火焰能從噴射機構(gòu)內(nèi)徑向高速水平噴射且能覆蓋整個切割域。

圖10 火焰噴射測試對比

3 試驗測試

3.1 工具實物

加工并連接上述設(shè)計的各組件，獲得工具整機式樣如圖11所示。

圖11 工具整機式樣

3.2 試驗測試與分析

為驗證工具井下熔融切割作業(yè)的可行性，取內(nèi)徑為76 mm，外徑為127 mm，厚度為25.5 mm的加重鉆桿為目標(biāo)切割對象。2023年5月在西南石油大學(xué)某試驗基地的深水池內(nèi)搭建試驗平臺，進行液體環(huán)境中熔融切割試驗。由于池中深度有限，為節(jié)省時間，本次取消電纜使用，采用人工手動下放。當(dāng)工具下放到管柱切割段后，啟動錨定執(zhí)行機構(gòu)完成工具固定，后放水淹沒噴射機構(gòu)。試驗臺設(shè)計如圖12所示。最后在安全條件下，啟動點火命令，執(zhí)行切割試驗。

圖12 工具井下情況

圖13顯示了裝藥量為10 kg時，加重鉆桿的熔切效果。

圖13 切割效果

加重鉆桿被燒蝕出一段連續(xù)的環(huán)形深槽，經(jīng)測量，最大切深為25.5 mm，平均切深為21 mm，火焰燃燒時長為8 s。此外，圖13清晰可見加重鉆桿有多個區(qū)域已被完全燒穿。因此，基于液態(tài)環(huán)境下熔融切割試驗證明了設(shè)計的熔切工具在井下能快速完成管柱切割解卡作業(yè)。

4 結(jié) 論

(1)所研制的井下管柱熔融切割工具外徑為58 mm，總長視裝藥總量而定，可根據(jù)實際切割厚度裝藥，適用于深井中大厚壁管柱切割。

(2)工具需執(zhí)行下放、固定、點火這3個階段來實現(xiàn)井下切割解卡作業(yè)，將工具下放至目標(biāo)井深后，利用井下錨定執(zhí)行機構(gòu)實現(xiàn)工具與被切割管柱的相對固定，后通電激發(fā)特制的高能鋁熱藥柱。

(3)開展了液體環(huán)境中加重鉆桿熔融切割試驗，驗證了本次設(shè)計的熔切工具在井下各執(zhí)行機構(gòu)運行可靠，噴射機構(gòu)能引導(dǎo)火焰徑向高速噴射。10 kg的鋁熱劑藥量平均能對加重鉆桿切割21 mm深槽。增大藥劑含量，能繼續(xù)增大切割深度。