修井用雙活塞驅(qū)動(dòng)式小油管內(nèi)割刀設(shè)計(jì)及試驗(yàn)

基金項(xiàng)目：中國海洋石油集團(tuán)有限公司“十四五”重大科技項(xiàng)目“海上油田鉆完修井關(guān)鍵工具研發(fā)與應(yīng)用”（E-23238006）。

為解決修井作業(yè)中小油管內(nèi)割刀切割效率低和壓力不穩(wěn)定的問題，提出了雙活塞驅(qū)動(dòng)式小油管內(nèi)割刀結(jié)構(gòu)。對工具結(jié)構(gòu)和工作原理進(jìn)行了介紹，對雙活塞和割刀刀具等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并對割刀本體開展了力學(xué)仿真分析，研究其關(guān)鍵部位受力情況；通過地面試驗(yàn)驗(yàn)證了雙活塞割刀的性能和應(yīng)用效果。研究結(jié)果表明：螺紋根部最大應(yīng)力為225 MPa，割刀安裝位置最大應(yīng)力為212 MPa，螺紋孔應(yīng)力為206 MPa，活塞接觸面最大應(yīng)力為159 MPa，割刀本體整體應(yīng)力分布較均勻；單活塞切割?73.00 mm油管時(shí)長為269 s，雙活塞切割時(shí)長為181 s，切割時(shí)長縮短32%；雙活塞割刀刀具磨損較輕，油管切割斷口光滑平整。試驗(yàn)結(jié)果說明雙活塞驅(qū)動(dòng)式割刀切割效率和切割穩(wěn)定性提升顯著。研究結(jié)果可為修井現(xiàn)場油管切割作業(yè)提供理論和技術(shù)支撐。

小油管切割；內(nèi)割刀；雙活塞；仿真分析；試驗(yàn)驗(yàn)證

Design and Testing of Double-Piston Driven Inside Cutter

of Small-Diameter Tubing for Workover

Li Yong¹ Xiao Han¹ Hua Zejun¹ Wang Weijun¹ Chen Zhizhong¹ Zheng Yunhe¹ Kang Guirong²

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

In order to solve the problems of low cutting efficiency and unstable pressure of inside cutter of small-diameter tubing in workover operation， the structure of double-piston driven inside cutter of small-diameter tubing was proposed. The structure and working principle of the tool were introduced， the key structures such as double pistons and cutters were designed， and mechanical simulation analysis was carried out on the cutter body to study the stress situation of its key parts. Finally， ground tests were conducted to verify the performance and application effect of the double-piston cutter. The results show that the maximum stress at the root of the thread is 225 MPa， the maximum stress at the installation position of the cutter is 212 MPa， the stress at the threaded hole is 206 MPa， and the maximum stress at the piston contact surface is 159 MPa. The overall stress distribution on the cutter body is relatively uniform. The duration for a single piston to cut an ?73.00 mm tubing is 269 s， and 181 s for double pistons， reduced by 32% in cutting time. The double-piston cutter has light wear， and the cutting surface of the tubing is smooth and flat. The test results show that the cutting efficiency and stability of the double-piston driven cutter have been obviously improved. The research results provide theoretical and technical support for cutting operations of tubing on workover sites.

tubing cutting; inside cutter; double-piston; simulation analysis; experimental verification

0 引 言

隨著國內(nèi)油氣勘探開發(fā)力度的持續(xù)擴(kuò)大，井下開采作業(yè)增多，大量油田開發(fā)進(jìn)入中后期，油管和套管的切割大修需求增加，穩(wěn)定高效地開展修井切割作業(yè)至關(guān)重要^［1-2］。相比爆炸切割和化學(xué)切割，機(jī)械式水力切割以其結(jié)構(gòu)簡單、安全可靠和應(yīng)用廣泛等特點(diǎn)更適合小油管切割作業(yè)^［3］?，F(xiàn)場油管切割時(shí)，小油管內(nèi)割刀常常無法提供有效的推力來推動(dòng)割刀張開，割刀切削效率較低；而增大活塞推力就必須減小噴嘴尺寸，但會(huì)對環(huán)空流體產(chǎn)生不利影響^［4］。

目前針對水力式切割工具，謝夢春等^［5］選擇水力式割刀對油管進(jìn)行分段切割打撈，并對比優(yōu)選出合適的水力割刀切割工藝。華澤君等^［6］對割刀的結(jié)構(gòu)和組件進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)與選材，制定了適用于?73.00 mm油管的小尺寸水力內(nèi)割刀。宋國超^［7］提出了水力式割刀的割撈一體技術(shù)工藝，但該工藝對井下細(xì)節(jié)要求太高。張新平等^［8］設(shè)計(jì)了大尺寸水力內(nèi)割刀雙層套管結(jié)構(gòu)，改善割刀切割時(shí)震動(dòng)強(qiáng)烈和刀片損耗大的缺陷。謝濤等^［9-10］針對大直徑管柱切割提出了帶壓分段切割，適用于復(fù)雜管柱的切割。李迎^［11］設(shè)計(jì)了帶壓降指示器的水力式套管單管割刀，切割穩(wěn)定且不破壞其他套管層。熊燃等^［12］對單管水力割刀刀片形狀進(jìn)行了改進(jìn)，將推刀初始角度修改為10.56°，在大井斜切割中成功率達(dá)到94%。楊行等^［13］通過分析水力式割刀的活塞與割刀刀尖切割半徑的關(guān)系，得到工具切割套管所需最大扭矩和井口提供最小扭矩關(guān)系式，并通過數(shù)學(xué)模型得出影響工具切割效率的主要因素是切割扭矩和轉(zhuǎn)速。上述研究多是針對切割工藝方法或割刀刀具結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，鮮有通過研究活塞推力來提高水力式割刀切割效率的研究。

基于此，本文以?44.45 mm小油管內(nèi)割刀工具為研究對象，在傳統(tǒng)油管內(nèi)割刀的基礎(chǔ)上創(chuàng)新性地提出了雙活塞驅(qū)動(dòng)式內(nèi)割刀，對雙活塞和刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析；然后對割刀本體開展力學(xué)仿真模擬，分析關(guān)鍵部位受力情況；最后進(jìn)行地面試驗(yàn)以分析雙活塞和單活塞內(nèi)割刀切割性能。研究結(jié)果可為井下油管切割工具研究提供新思路。

1 技術(shù)分析

1.1 內(nèi)割刀結(jié)構(gòu)及工作原理

雙活塞驅(qū)動(dòng)式小油管內(nèi)割刀工具結(jié)構(gòu)如圖1所示。該工具主要包括上接頭、復(fù)位彈簧、活塞限位軸、增強(qiáng)活塞、本體、活塞、割刀、推塊、連接體和沖洗頭。上接頭和本體連接，增強(qiáng)活塞、活塞和割刀安裝在本體上，本體通過連接體與沖洗頭相連。

雙活塞驅(qū)動(dòng)式小油管內(nèi)割刀的工作原理為：流體從上接頭進(jìn)口進(jìn)入割刀，穿過增強(qiáng)活塞和活塞內(nèi)孔后形成節(jié)流壓差，壓差作用到活塞底面，進(jìn)而推動(dòng)增強(qiáng)活塞，并壓縮復(fù)位彈簧進(jìn)行軸向移動(dòng)，推塊與活塞通過內(nèi)六角螺釘連接，因此活塞將帶動(dòng)推塊移動(dòng)，推塊則推動(dòng)割刀向外伸出；為保證推塊推出割刀時(shí)受力均勻，將3個(gè)推塊均勻分布在活塞四周；割刀切割完成后，地面停泵泄壓，割刀內(nèi)部的節(jié)流壓差作用消失，彈簧回彈推動(dòng)增強(qiáng)活塞和活塞向下移動(dòng)，割刀收回。

1.2 雙活塞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于單活塞式割刀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了雙活塞結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

雙活塞結(jié)構(gòu)主要包括活塞、增強(qiáng)活塞和復(fù)位彈簧。活塞式割刀結(jié)構(gòu)采用流體進(jìn)行驅(qū)動(dòng)并推動(dòng)內(nèi)割刀伸出，在小油管切割作業(yè)時(shí)，水眼孔較小，與活塞之間無法形成足夠的推力推動(dòng)割刀，同時(shí)在驅(qū)動(dòng)割刀長期運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，活塞與割刀本體會(huì)產(chǎn)生磨損，活塞密封性能減弱，導(dǎo)致割刀內(nèi)部壓力不穩(wěn)定。在此基礎(chǔ)上，增強(qiáng)活塞的設(shè)計(jì)可以增大活塞推力，能夠阻斷活塞泄漏出的流體并進(jìn)行二次密封；同時(shí)，雙活塞設(shè)計(jì)也能使割刀結(jié)構(gòu)運(yùn)行時(shí)保持較高的同心度，提高活塞工作效率。

油管割斷后需要泄壓以收回割刀，通過復(fù)位彈簧回彈作用于增強(qiáng)活塞和活塞，進(jìn)而推動(dòng)割刀復(fù)位，因此需要考慮復(fù)位彈簧的回彈力和材料性能，保證割刀回到收回狀態(tài)。復(fù)位彈簧參數(shù)如表1所示。

1.3 刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

內(nèi)割刀刀具結(jié)構(gòu)如圖3所示。刀具組件主要由止推塊、刀片和扭簧構(gòu)成。刀具組件通過內(nèi)六角螺

釘固定在本體上，同時(shí)為保證活塞推動(dòng)割刀受力均勻，在本體上沿周向均勻分布3組割刀。未切割時(shí)，割刀在扭簧作用下收縮到本體內(nèi)；工作時(shí)，活塞帶動(dòng)推塊一起移動(dòng)，在割刀背面形成切向力，推動(dòng)刀具向外伸出。刀具組件上的止推塊對割刀形成支撐力的同時(shí)也能限制割刀伸出范圍。在割刀行程范圍內(nèi)，活塞移動(dòng)距離與割刀伸出長度呈正比。割刀伸出、收回狀態(tài)如圖4所示。

割刀主要零部件材料選用4145H合金結(jié)構(gòu)鋼，并對材料進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，以增強(qiáng)工具的強(qiáng)度并延長使用壽命。刀具組件中的割刀刀片采用WC復(fù)合焊棒材料^［14］，該材料具備強(qiáng)度高、韌性好的特點(diǎn)，能夠適應(yīng)井下復(fù)雜的流體環(huán)境。割刀材料中的WC質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到75%，能夠抵御流體中各種混合物產(chǎn)生的磨損和沖擊。割刀設(shè)計(jì)參數(shù)如下：外徑44.45 mm，內(nèi)徑7.14 mm，最小拉伸屈服強(qiáng)度758 MPa，最小剪切屈服強(qiáng)度379 MPa，刀具最大拉力234 kN，刀具最大扭矩1.25 kN·m，硬度285～341 HB，伸長率不小于13%。

2 割刀本體力學(xué)仿真分析

為研究雙活塞驅(qū)動(dòng)式小油管內(nèi)割刀關(guān)鍵部件的受力情況，為后續(xù)試驗(yàn)及現(xiàn)場應(yīng)用提供參考，對割刀本體進(jìn)行了力學(xué)仿真模擬研究。

2.1 模型建立

利用SolidWorks軟件構(gòu)建雙活塞驅(qū)動(dòng)式小油管內(nèi)割刀本體的三維實(shí)體模型，導(dǎo)入ABAQUS有限元軟件中進(jìn)行力學(xué)仿真模擬。模型材料參數(shù)如下：密度 7 820 kg/m³，彈性模量206 GPa，泊松比0.29，熱導(dǎo)率44 W/（m·K），熱膨脹系數(shù)1.3×10^-5 m/K，屈服強(qiáng)度758 MPa。

本體割刀安裝位置以下設(shè)置為完全固定約束，在本體內(nèi)螺紋處施加工具設(shè)計(jì)時(shí)的最大拉力234 kN，通過應(yīng)力分布進(jìn)行評(píng)估，評(píng)估結(jié)果取決于結(jié)構(gòu)類型、網(wǎng)格離散化和本構(gòu)模型^［15］。

目前，非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的生成和使用在有限元力學(xué)分析中非常普遍，其對不規(guī)則結(jié)構(gòu)或復(fù)雜空間形態(tài)的模型求解具有更好的適應(yīng)性和靈活性^［16］，因此對割刀本體采用了非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格與結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格結(jié)合方式，并對割刀安裝位置進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，如圖5所示。

2.2 仿真結(jié)果分析

圖6為割刀本體的整體及剖視全局應(yīng)力云圖。由圖6可以看出，端面的應(yīng)力最小，活塞接觸面應(yīng)力較大，左側(cè)螺紋連接根部、中間螺紋孔和右側(cè)割刀安裝位置應(yīng)力集中較明顯，其中左側(cè)螺紋連接處應(yīng)力最大，應(yīng)力值為225 MPa?；钊透畹堆b配在本體上，雙活塞的往復(fù)移動(dòng)和割刀的旋轉(zhuǎn)會(huì)讓本體受到額外的應(yīng)力和應(yīng)變^［17］，因此下面將對本體不同截面受力進(jìn)行分析。

圖7為割刀本體不同截面的應(yīng)力云圖。

圖7中A截面為割刀本體頭部，B截面為本體尾部，C截面為割刀安裝位置，D截面為活塞與增強(qiáng)活塞連接位置。由圖7可知：A截面處應(yīng)力在100 MPa以下，因?yàn)槠涫艿降耐獠枯d荷較小，所以應(yīng)力集中較輕；B截面應(yīng)力為20～150 MPa，因?yàn)殡p活塞割刀結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在外部載荷作用下導(dǎo)致應(yīng)力分布不均勻；C截面應(yīng)力在110～212 MPa，因?yàn)樵搮^(qū)域結(jié)構(gòu)形狀設(shè)計(jì)多變，在結(jié)構(gòu)過渡部分應(yīng)力集中效應(yīng)顯著^［18］ ；D截面整體受力均勻，應(yīng)力小于100 MPa，同時(shí)與活塞接觸的3個(gè)推塊在本體周向均勻布置，可以優(yōu)化割刀運(yùn)行中力的傳遞和分布，避免應(yīng)力集中過大。

圖8為割刀本體不同角度的應(yīng)力云圖。其中局部E到局部I為不同角度的割刀安裝位置。由圖8可以看出，割刀安裝區(qū)域整體應(yīng)力沿周向分布一致，最高應(yīng)力值為212 MPa，活塞接觸面應(yīng)力為159 MPa，螺紋孔應(yīng)力約206 MPa。割刀安裝區(qū)域在割刀運(yùn)行時(shí)會(huì)承受較高的載荷，因?yàn)楦畹缎D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和扭簧工作產(chǎn)生了共同作用，同時(shí)活塞面的高壓力與割刀動(dòng)力輸出也相互影響，所以局部產(chǎn)生的應(yīng)力變化都較大^［19-20］。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)裝置

為測試雙活塞驅(qū)動(dòng)式小油管內(nèi)割刀結(jié)構(gòu)的可行性和性能的可靠性，于2023年11月在四川麥斯威石油鉆采工具有限公司搭建了地面測試試驗(yàn)臺(tái)架，并開展性能測試試驗(yàn)。圖9為試驗(yàn)臺(tái)架圖。

該試驗(yàn)臺(tái)架主要由水循環(huán)系統(tǒng)、壓力監(jiān)測系統(tǒng)、?73.00 mm N80材質(zhì)油管和初始外徑為44.45 mm的割刀組成，可以模擬井下割刀切割油管環(huán)境，并實(shí)時(shí)監(jiān)測割刀內(nèi)部壓力變化情況。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

將水循環(huán)系統(tǒng)排量從0～90 L/min逐漸遞增，并維持90 L/min的排量直至油管割斷。為保證割刀切割的穩(wěn)定性，分別在割刀接觸油管內(nèi)壁、割刀開始切割和割刀正式切割時(shí)將排量穩(wěn)定15～20 s，得到雙活塞割刀和單活塞割刀切割油管壓力曲線，如圖10所示。

由圖10可知，雙活塞切割?73.00 mm油管總時(shí)間為181 s，單活塞切割?73.00 mm油管總時(shí)間為269 s，切割時(shí)間縮短32%。

雙活塞割刀在壓力1.61 MPa時(shí)割刀少量接觸油管內(nèi)壁，壓力3.69 MPa時(shí)割刀位置固定并開始切割，壓力峰值瞬時(shí)達(dá)到6.11 MPa時(shí)，割刀進(jìn)入正式切割，隨后壓力穩(wěn)定在5.34 MPa，直至油管割斷，壓力下降到4.12 MPa；單活塞割刀在壓力1.42 MPa時(shí)割刀少量接觸油管內(nèi)壁，壓力2.70 MPa時(shí)割刀位置固定并開始切割，壓力瞬時(shí)峰值達(dá)到4.80 MPa時(shí)，割刀進(jìn)入正式切割，隨后壓力值在4.41～4.80 MPa之間波動(dòng)，直至油管割斷，壓力

下降到3.00 MPa。壓力曲線變化表明：雙活塞割刀在78 s時(shí)完全張開，而單活塞割刀在93 s時(shí)才完全張開；在正式切割中，單活塞波動(dòng)較大，切割整體穩(wěn)定性較差。

圖11為油管割斷后雙活塞和單活塞割刀磨損圖。由圖11可以看出：雙活塞割刀正面刀尖無崩壞，側(cè)面刀尖有輕微磨損，但刀尖部分仍較明顯；單活塞割刀正面刀尖出現(xiàn)崩碎，刀刃處有明顯凹坑，側(cè)面刀尖處磨損嚴(yán)重，刀尖部分基本磨平。圖12為切割?73.00 mm油管的斷口圖。

由圖12可以看出：雙活塞割刀切割后油管斷口光滑，邊緣僅有少量毛刺；單活塞割刀切割后的油管斷口粗糙，斷口邊緣有“帽沿”出現(xiàn)，部分邊緣甚至出現(xiàn)翻邊。割刀磨損和油管斷口與壓力變化曲線趨勢一致，單活塞割刀切割時(shí)壓力波動(dòng)大，割刀磨損嚴(yán)重，油管斷口較為粗糙。這是因?yàn)閱位钊屏^小、不穩(wěn)定，導(dǎo)致割刀旋轉(zhuǎn)切割油管過程中刀刃受到持續(xù)性的突變沖擊力作用，進(jìn)而引起應(yīng)力集中和局部破壞，最終發(fā)生刀刃崩碎，同時(shí)也導(dǎo)致油管切割邊緣粗糙^［21］。

4 結(jié) 論

（1）通過對割刀本體仿真分析，得到主要受力點(diǎn)在活塞接觸面、螺紋根部、螺紋孔和割刀安裝位置，其中螺紋根部和割刀安裝處應(yīng)力最大。

（2）螺紋根部最大應(yīng)力225 MPa，割刀安裝位置最大應(yīng)力212" MPa，螺紋孔最大應(yīng)力206 MPa，活塞接觸面最大應(yīng)力159 MPa，本體頭部和尾部應(yīng)力分布均勻，應(yīng)力值小于150 MPa?？紤]在割刀運(yùn)行中上述應(yīng)力會(huì)進(jìn)一步增大，所以實(shí)際加工仍需考慮對材料進(jìn)行強(qiáng)化處理以保障零件使用壽命。

（3）單活塞割刀切割?73.00 mm油管時(shí)長為269 s，雙活塞割刀切割時(shí)長為181 s，切割時(shí)長縮短了32%，切割過程中雙活塞波動(dòng)更小，切割整體穩(wěn)定性更好。

（4）相比單活塞割刀，雙活塞割刀使用后刀刃無崩碎和嚴(yán)重磨損，切割后油管邊緣無“帽沿”和翻邊，證明了雙活塞割刀結(jié)構(gòu)可以顯著提升割刀工作效率，保證運(yùn)行過程中受力均勻穩(wěn)定。

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第一作者簡介：李勇，高級(jí)工程師，生于1986年， 2009年畢業(yè)于西安石油大學(xué)石油工程專業(yè)，現(xiàn)從事井下新技術(shù)、新工藝的研發(fā)與應(yīng)用工作，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。