可調(diào)式節(jié)流噴嘴多規(guī)格內(nèi)割刀水循環(huán)試驗研究

為了提高油管內(nèi)割刀切割效率，避免油管切割時發(fā)生割刀刀具伸出不足、刀片磨損失效快及噴嘴流量不可控等不良現(xiàn)象，研發(fā)了一種基于可調(diào)節(jié)式節(jié)流噴嘴的系列化互換多規(guī)格油管內(nèi)割刀。對該工具設(shè)計了專用試驗平臺驗證其使用可靠性，并對關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計和試驗步驟進行介紹。試驗在水循環(huán)工況下由初試切割、正常切割、循環(huán)啟停切割及磨損切割試驗組成。研究結(jié)果表明：在主體結(jié)構(gòu)及初始外徑不變的情況下，系列化割刀能適應(yīng)不同規(guī)格油管切割，可調(diào)式節(jié)流噴嘴能夠滿足現(xiàn)場泵組壓力，保證割刀合理的轉(zhuǎn)速；割刀能夠在163 s內(nèi)割斷?73.0 mm油管，多次啟停切割?73.0 mm油管時長為179 s，劇烈磨損后能在426 s內(nèi)割斷?89.0 mm油管，刀具使用壽命達到4次；切割時割刀需要緩慢切入，靠近管壁時需停留23 s左右達到穩(wěn)定狀態(tài)，防止出現(xiàn)憋泵現(xiàn)象。試驗驗證了該刀具的伸出范圍可以調(diào)節(jié)以適應(yīng)不同外徑油管，刀片在不同噴嘴流量下能夠多次完成切割作業(yè)。研究結(jié)果表明該工具可為修井作業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

油管內(nèi)割刀；可調(diào)式節(jié)流噴嘴；水循環(huán)試驗；壓力分析；切割時長

TE935

A

011

Water Circulation Test on Adjustable Throttle Nozzle

Based Multi-Specification Inside Cutters

Li Yong¹ Chen Feng¹ Lu Yan¹ Liang Cong¹ Sun Ruitao¹ Shi Jianbo¹ Kang Guirong²

（1.China Oilfield Services Limited；2.Sichuan Maxwell Oil Tools Co.，Ltd.）

In order to improve the efficiency of cutter inside the tubing and avoid adverse phenomena such as insufficient extension of the cutter，rapid wear-out failure of the blade and uncontrollable nozzle flow during tubing cutting，a series of adjustable throttle nozzle based interchangeable multi-specification in tubing cutters were developed.A dedicated testing platform was designed to verify the reliability of the inside cutters，and the key structure design and testing sequence were introduced.The test was composed of initial cutting，normal cutting，cyclic start-stop cutting and wear cutting tests.The results show that when the main structure and initial outer diameter remain unchanged，the series of cutters can adapt to cutting different specifications of tubing，and the adjustable throttle nozzle can meet the pressure of the field pump unit and ensure the cutters to keep a reasonable rotation speed.The cutters can cut off ?73.0 mm tubing within 163 seconds，and the duration for multiple start-stop cutting of ? 73.0 mm tubing is 179 seconds.After severe wear，the cutters can cut off ?89.0 mm tubing within 426 seconds，and the cutters have a service life of up to 4 times.When cutting，the cutters need to slowly cut in；when approaching the tubing wall，the cutters need to stay for about 23 seconds to reach a stable state，so as to prevent pump blocking phenomenon from occurring.The test results show that the extension range of the cutters can be adjusted to adapt to different outer diameters of tubing，and the blades can complete cutting operations for many times under different nozzle flow rates.The proposed cutters provide technical support for field workover operations.

in-tubing cutter；adjustable throttle nozzle；water circulation test；pressure analysis；cutting duration

0 引 言

隨著國內(nèi)油田開發(fā)力度加大，油田分布范圍越來越廣泛，油田施工作業(yè)向超深井、水平井和超長水平井發(fā)展，井下結(jié)構(gòu)越來越復雜，因地質(zhì)層變化、井眼不規(guī)則或套管變形等導致的油管卡阻現(xiàn)象增多。在震擊解卡方法無效后，通常選擇切割油管然后對卡阻處進行打撈或鉆磨作業(yè)^［1-3］。切割油管的主要工具是油管內(nèi)割刀。目前油管切割作業(yè)中存在割刀伸出尺寸與油管不匹配和割刀磨損失效過快等問題，同時割刀噴嘴排量固定也導致割刀壓力和割刀旋轉(zhuǎn)速度不能隨井下工況變化，影響割刀切削效率。

近年來針對井下切割工具的研究較多。韓同方等^［4］從割刀刀具出發(fā)，通過分析受力受扭情況，對刀具結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化。李玉坤等^［5］基于傳統(tǒng)機械式割刀設(shè)計了電驅(qū)井下油管切割裝置，利用錨爪固定在油管壁，電機帶動刀具旋轉(zhuǎn)切割油管，該裝置自動化程度高，切割的切口更平整。甄寶生等^［6］提出了一種利用穿芯連續(xù)管結(jié)合MPC切割技術(shù)進行機械切割的方法，可以將大斜度水平井的切割效率提升20%～30%。桂鵬^［7］對?73.0 mm油管割刀進行了優(yōu)化，增加切削式刀片設(shè)計，增大割刀外徑以匹配油管內(nèi)徑，優(yōu)化后切割效率提升。研究還表明，采用水力作為馬達動力源的井下機械切割方式可適用于水平井和大斜度井^［8-9］，而新提出的分段切割打撈工藝結(jié)合對應(yīng)的割刀結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化和材料改進可顯著提升切割工具的穩(wěn)定性^［10-12］。上述研究主要從割刀結(jié)構(gòu)及材料優(yōu)化、切割工藝改進或新切割裝置的開發(fā)方面進行研究，多是針對具體型號的定制型工具，打撈作業(yè)時只能切割單一規(guī)格油管。因此需要研發(fā)一種新型的高效率油管內(nèi)割刀，該割刀伸出外徑可根據(jù)油管內(nèi)徑進行匹配，割刀排量也可以隨井下工況進行更改。

基于上述問題，本文創(chuàng)新性地提出了可調(diào)式節(jié)流噴嘴結(jié)合系列化互換式割刀的油管內(nèi)割刀結(jié)構(gòu)，并對多規(guī)格油管內(nèi)割刀進行不同工況下地面切割水循環(huán)試驗研究。探究可調(diào)式節(jié)流噴嘴多規(guī)格小油管內(nèi)割刀的切割范圍及其適應(yīng)性與可靠性，以期為油管內(nèi)割刀的現(xiàn)場應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

1 試驗設(shè)計

1.1 試驗平臺

為開展割刀性能測試，設(shè)計并搭建如圖1所示的試驗平臺。該試驗平臺主要設(shè)備為水循環(huán)系統(tǒng)與割刀試驗臺架。其中，割刀試驗臺架由底座、固定支架、活動支架組成，底座上安裝有導軌，通過導軌可以調(diào)整支架之間的間距。

試驗平臺用于油管內(nèi)割刀地面試驗的性能測試，可以人為控制油管內(nèi)液體排量和割刀切割時長，能滿足涉及的初試切割、正常切割、循環(huán)啟停切割和磨損切割試驗4種不同試驗需求。

選用油管內(nèi)割刀外徑為44.5 mm，并配合外徑43.0 mm螺桿馬達、外徑44.5 mm錨定器、轉(zhuǎn)接頭、壓力測試短節(jié)和長1 500 mm油管進行試驗。按照圖2內(nèi)割刀安裝圖，安裝順序為：

水循環(huán)系統(tǒng)—壓力測試短節(jié)—轉(zhuǎn)接頭1—錨定器—轉(zhuǎn)接頭2—螺桿馬達—轉(zhuǎn)接頭3—轉(zhuǎn)接頭4—割刀—油管。試驗所用工具如表1所示。

1.2 試驗步驟

試驗包括初試切割、正常切割、循環(huán)啟停切割和磨損切割試驗。根據(jù)現(xiàn)場要求，割刀每次割斷油管時間必須短于900 s，且同一刀片能夠割斷油管2次以上。具體試驗步驟如下：

（1）將?73.0 mm油管和割刀安裝到試驗平臺，開泵然后按30、50、70和90 L/min給定排量。每次排量提升前先確保割刀旋轉(zhuǎn)已穩(wěn)定，保持90 L/min直至油管被完全割斷后停泵。全程確認刀片張開大小、泵壓、馬達轉(zhuǎn)速和泵排量是否平穩(wěn)。割刀切割油管過程中，全程記錄割刀內(nèi)部壓力變化，油管切斷后，拍照檢查割刀和油管斷面情況。

（2）繼續(xù)使用第（1）步的割刀，移動油管位置后開展正常切割試驗，并重復第（1）步操作流程。

（3） 繼續(xù)使用第（2）步的割刀，移動油管位置后開展循環(huán)啟停切割試驗，共啟停3次，每次停泵后重復第（1）步操作流程，3次啟停試驗后拍照檢查割刀油管情況。

（4）繼續(xù)使用第（3）步的割刀，重新安裝外徑89.0 mm油管開展磨損切割試驗，重復第（1）步操作流程。

2 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 可調(diào)式節(jié)流噴嘴

噴嘴水眼堵塞會導致水循環(huán)失效，因此選擇可單獨拆卸的可調(diào)式節(jié)流噴嘴?？烧{(diào)節(jié)式節(jié)流噴嘴結(jié)構(gòu)如圖3所示。節(jié)流噴嘴通過控制流體速度和流量來控制管道內(nèi)的壓力?？烧{(diào)式節(jié)流噴嘴可以根據(jù)井下不同工況，選擇適合的節(jié)流噴嘴進行更換以適應(yīng)現(xiàn)場泵組壓力，保證割刀平穩(wěn)運轉(zhuǎn)。

內(nèi)割刀外徑為44.5 mm，采用小排量泵，所以割刀內(nèi)部壓降在100 L/min以下變化不明顯。根據(jù)文獻［13］得到如圖4所示壓降曲線，根據(jù)壓降曲線選取合適的節(jié)流噴嘴。節(jié)流噴嘴內(nèi)徑型號為4.76、5.56、6.35、7.14、7.94、8.73、9.52、10.32和11.11 mm。

2.2 油管內(nèi)割刀結(jié)構(gòu)

內(nèi)割刀結(jié)構(gòu)主要由止推塊、銷釘、刀片、扭簧、固定螺栓組成，如圖5所示。活塞上的推塊與活塞固定，活塞移動時帶動推塊移動，推動刀片伸出。刀具材料采用鋼結(jié)硬質(zhì)合金材質(zhì)，具有較高的硬度和韌性以及優(yōu)良的抗沖擊和耐磨性能，能有效避免黏刀和紅刃等不良現(xiàn)象^［14］。油管內(nèi)割刀的刀片屬于易損件，每次切割后會出現(xiàn)不同程度的磨損甚至報廢情況，因此，割刀結(jié)構(gòu)采用分體式防沖擊結(jié)構(gòu)。分體式刀具便于更換，減少耗材成本，同時在主刀尖旁增加刀片的副刀尖和負后角以提高刀片結(jié)構(gòu)的抗沖擊能力^［15-17］。

割刀組件具有系列化互換特點，在主體結(jié)構(gòu)及初始外徑不變的情況下，根據(jù)油管規(guī)格和實際情況，對止推塊和刀具組件進行更換，即可應(yīng)用于多種規(guī)格油管切割，增加了工具的適用性。

止推塊是割刀結(jié)構(gòu)的限位機構(gòu)，如圖6所示。在切割油管過程中，主要通過活塞控制割刀行程，當割刀達到預設(shè)的最大伸出尺寸時，止推塊可以限制其進一步伸出，保證割刀割斷油管后不會割傷套管。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 初試切割試驗

初試切割試驗目的是驗證割刀結(jié)構(gòu)和試驗平臺的可靠性，保證后續(xù)試驗的開展。

圖7為依次從0、30、50、70到90 L/min增加泵排量下壓力隨時間的變化曲線。由圖7可知，當壓力為1.45 MPa時割刀伸出，油管內(nèi)割刀接觸到油管內(nèi)壁。割刀穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)24 s后壓力升至3.55 MPa，割刀開始切削油管。繼續(xù)穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)44 s后壓力升至6.66 MPa，割刀完全進入切削油管?？偳懈顣r間312 s后由于油管產(chǎn)生部分塑性變形，油管實際未割斷，繼續(xù)將壓力升到 4.14 MPa直至油管完全割斷。從割刀接觸油管到割斷油管總時長約163 s，割刀刀尖有輕微磨損。

圖8為初試切割頻域圖。泵排量為30 L/min，頻率為9.4 Hz時，壓力脈動出現(xiàn)明顯波動，達到0.838 MPa。這是因為在初始階段，割刀系統(tǒng)的壓力穩(wěn)定性較差。泵排量在50～70 L/min之間，壓力波動均保持在0.5 MPa以內(nèi)，割刀系統(tǒng)整體壓力變化相對穩(wěn)定，其中頻繁的壓力微量波動是因為割刀開始切割導致壓力變化。當泵排量升到90 L/min時，因為在較高流量下，割刀系統(tǒng)需要一定時間達到穩(wěn)定狀態(tài)，所以初始階段的壓力波動較大。綜上所述，從刀具磨損、切割時長、壓力波動和整體切割工況評估，試驗平臺的可靠性、穩(wěn)定性以及割刀結(jié)構(gòu)設(shè)計完全符合試驗預期。

3.2 正常切割試驗

圖9為正常切割試驗依次增加泵排量下的壓力隨時間變化曲線。由圖9可知，壓力為1.52 MPa時，油管內(nèi)割刀伸出，接觸到油管內(nèi)壁進入待切割狀態(tài)。割刀穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)27 s后，壓力升至3.53 MPa時割刀開始切削油管。割刀再次穩(wěn)定23 s，壓力升至6.14 MPa時割刀完全進入切削油管。293 s后油管割斷，壓力瞬間下降至4.32 MPa。為保證油管被完全割斷，將割刀繼續(xù)運行30 s后停泵。正常切割與初試切割試驗壓力波動基本一致，油管割斷總時長約為163 s。評估正常切割試驗后割刀磨損情況，割刀處于正常磨損范圍但仍可使用。

正常切割時，通過人為控制割刀開始切削油管前的穩(wěn)定時長，比初試切割時長長3 s，以測試穩(wěn)定時長對切割過程穩(wěn)定性的影響。圖10為正常切割頻域圖。由圖10可得，泵排量30～50 L/min時的壓力波動和初試切割一致，排量70～90 L/min沒有出現(xiàn)較大的壓力波動，說明通過適當延長割刀穩(wěn)定時間，可以改善切割過程中的壓力波動，保證割刀的穩(wěn)定運行。

3.3 循環(huán)啟停切割試驗

為進一步測試在復雜工況下多次開啟關(guān)閉割刀切割油管的狀態(tài)，對割刀進行循環(huán)啟停切割試驗。圖11為循環(huán)啟停切割試驗依次增加泵排量下的壓力隨時間變化曲線。由圖11可知，在壓力為1.65 MPa時割刀伸出接觸油管內(nèi)壁。割刀穩(wěn)定32 s后，壓力升至3.45 MPa，割刀開始正常切割油管。繼續(xù)穩(wěn)定26 s后，壓力升至6.12 MPa，因割刀刀片劇烈磨損，管內(nèi)壓力瞬間升至8.74 MPa，高于泵設(shè)定壓力，此時泵停止運轉(zhuǎn)。泵排量重新由0逐步升至90 L/min，當再次升至90 L/min時，管內(nèi)壓力約7.12 MPa，接近設(shè)定泵壓值。再次停泵重啟后，排量由0逐步升至90 L/min此時最高壓力值約6.73 MPa，持續(xù)壓力約5.93 MPa。在457～480 s時，壓力下降到4.27 MPa，油管被割斷。切割油管時間累計為179 s，滿足切割時長短于900 s和2次以上的使用壽命要求。

圖12為循環(huán)啟動頻域圖，在循環(huán)啟停切割試驗壓力波動分為3個階段分析。如圖12a所示，第1階段泵排量從30 L/min增加到50 L/min，排量增加導致系統(tǒng)壓力出現(xiàn)較大的波動，因為流體動力學條件改變導致管內(nèi)流體加速以及管道內(nèi)部阻力變化。如圖12b所示，第2階段泵排量的切換導致了微小的壓力波動，較第1階段下相對穩(wěn)定，因為割刀系統(tǒng)已經(jīng)穩(wěn)定，水循環(huán)系統(tǒng)開始正常吸收和調(diào)節(jié)排量變化。如圖12c所示，在第3階段，開始切割時有較大壓力波動現(xiàn)象，因為切割過程中的大排量沖擊引入了新的動態(tài)載荷，影響割刀系統(tǒng)的壓力平衡。

循環(huán)啟停切割試驗表明割刀可以達到使用要求，但割刀刀刃已出現(xiàn)嚴重磨損。

3.4 磨損切割試驗

為進一步探究割刀的極限使用性能，將?73.0 mm油管換成?89.0 mm油管開展磨損切割試驗。圖13為磨損切割試驗依次增加泵排量下的壓力隨時間變化曲線。由圖13可知：泵排量逐步從30～90 L/min遞增，在壓力為1.65 MPa時割刀伸出接觸油管內(nèi)壁，壓力升至3.73 MPa時割刀開始正常切割油管，壓力為4.83 MPa時割刀完全進入切削油管；在467 s時，壓力下降到3.42 MPa，油管被割斷。切割油管總用時426 s，刀刃出現(xiàn)明顯卷刃現(xiàn)象，但切割時長仍在本試驗測試范圍內(nèi)，表明割刀極限使用壽命達到4次。

圖14磨損切割頻域圖。由圖14可知，泵排量在30 L/min升至80 L/min過程時，泵排量過渡時壓力出現(xiàn)較大波動，其中泵排量為75～80 L/min割刀初期出現(xiàn)頻繁壓力波動。因為割刀已經(jīng)出現(xiàn)嚴重磨損，割刀運行穩(wěn)定性降低，所以在這一排量范圍內(nèi)系統(tǒng)的壓力控制較為敏感。

4 結(jié)果與討論

對4次不同試驗工況下的壓力數(shù)據(jù)對比分析，如圖15所示。割刀從打開到找正過程中，排量70 L/min處于中間過渡排量；第4次切割時的割刀刀尖線速度較高，所以排量相比前3次切割時略低；切割速度（刀尖的線速度）與排量之間存在一定的關(guān)系，即高速切割需要相對較低的排量。

從圖15b可以看出，前3次切割后的油管斷面光滑無毛刺，第4次切割后的油管面出現(xiàn)較多毛刺。說明隨著刀具使用次數(shù)增加，刀具切割穩(wěn)定性下降，但仍能滿足現(xiàn)場切割時間要求。這里油管割斷的最佳壓力值為6.3 MPa。結(jié)合4次油管切斷數(shù)據(jù)，判斷油管切斷后有1.5 MPa及以上壓降現(xiàn)象，表明本割刀結(jié)構(gòu)可同時實現(xiàn)快速、高效切割，并具有顯著的割斷判定指標。

5 結(jié) 論

基于現(xiàn)場應(yīng)用設(shè)計了水循環(huán)系統(tǒng)與割刀聯(lián)合試驗平臺，提出了可調(diào)式節(jié)流噴嘴和系列化互換割刀配合的油管內(nèi)割刀新結(jié)構(gòu)，開展了割刀性能測試試驗，探究了割刀在不同工況下使用壽命、割刀運行穩(wěn)定性和切割效率。得到以下結(jié)論：

（1）?73.0 mm油管正常切割時長在163 s，循環(huán)啟停切割時長在179 s;割刀極限工況下?89.0 mm油管切割時長為426 s，割刀刀片使用壽命達到4次，滿足試驗預期。

（2）隨著泵排量逐級增加，前2次切割時長均為163 s，刀具處于正常磨損；第3次切割時割刀出現(xiàn)劇烈磨損，但刀具整體切割狀態(tài)穩(wěn)定，切割時長僅比初次切割延長了16 s；第4次切割管內(nèi)壓力穩(wěn)定性差，但仍能滿足使用時長要求，并且油管切斷后有1.5 MPa及以上壓降。

（3）割刀切入油管壁后，需要保持在該排量下運行一段時間，防止切入過快導致泵出現(xiàn)憋?，F(xiàn)象。割刀在進入正式切割時，運轉(zhuǎn)停留時長會影響切割穩(wěn)定性。建議割刀進入待切割狀態(tài)時至少停留23 s較合理。

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李勇，高級工程師，生于1986年，2009年畢業(yè)于西安石油大學石油工程專業(yè)，現(xiàn)從事井下工藝新技術(shù)新工藝的研發(fā)與方法研究。地址：（300459）天津市塘沽區(qū)。email：liyong22@cosl.com.cn。

通信作者：康桂蓉，工程師。email：k_guirong@163.com。

2024-03-24

劉 鋒