李玉坤 龐玉川 李汝強 劉玉國 陳帥 吳濤 楊進川 王鄯堯 彭啟鳳

技術(shù)應(yīng)用

井下油管內(nèi)切割裝置開發(fā)與應(yīng)用*

李玉坤1龐玉川2李汝強3劉玉國4陳帥1吳濤1楊進川1王鄯堯1彭啟鳳1

（1.中國石油大學(xué)（華東）儲運與建筑工程學(xué)院，山東 青島 266580 2.中國石油大學(xué)（華東）機電工程學(xué)院，山東 青島 266580 3.勝利油田分公司工程技術(shù)管理中心，山東 東營 257000 4.勝利油田分公司石油工程技術(shù)研究院，山東 東營 257000）

油氣田開發(fā)中后期生產(chǎn)過程中，油管砂埋、砂卡現(xiàn)象多發(fā)。為準確高效解卡，并最大限度地減少油管遇卡造成的損失，研制井下油管內(nèi)切割裝置。該裝置通過電動系統(tǒng)驅(qū)動；利用錨爪和扶正器固定在油管內(nèi)壁；步進電機帶動滾珠絲杠轉(zhuǎn)動，圓錐體逐步向外推出刀具至與被割油管內(nèi)壁接觸；電動馬達帶動刀具高速旋轉(zhuǎn)，從內(nèi)部切割油管。室內(nèi)測試結(jié)果表明：該裝置可準確高效地完成油管切割，切割后刀齒完整性好，油管切口平整、光滑，作業(yè)效果良好；操作簡單、自動化程度高，為處理遇卡油管提供新思路，具有較好的應(yīng)用前景。

切割裝置；油管內(nèi)切割；解卡；井下作業(yè)

0　引言

隨著油田勘探、開采的不斷深入，油井事故也愈發(fā)頻繁[1]，尤其在油田開發(fā)的中后期，經(jīng)常遇到油管砂埋、砂卡現(xiàn)象。若處理措施不當(dāng)，可能使作業(yè)復(fù)雜化，造成作業(yè)事故，甚至油氣井報廢[2]。目前，處理油管遇卡的常用方法有倒扣法、切割法[3]。其中，倒扣法勞動強度大、效率低、修井費用高；切割法大都采用爆炸切割，斷口極不規(guī)則[4]，附近留有殘渣，且切割后的油管口徑比原口徑大，影響下一步作業(yè)[5]。受套管與油管環(huán)空間間隙的限制，管外套銑作業(yè)無法實現(xiàn)，油管內(nèi)切割成為目前主要的解卡方式[6]。

1　裝置組成及工作原理

1.1　裝置組成

井下油管內(nèi)切割裝置主要由電動馬達、錨定機構(gòu)、刀具總成、旋轉(zhuǎn)扶正機構(gòu)等部分組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1中，電路板盒子內(nèi)裝有印制電路板，是整個裝置的控制系統(tǒng)；錨爪經(jīng)圓錐體推出，將整個裝置固定在油管內(nèi)壁；導(dǎo)電滑環(huán)將導(dǎo)線連接到旋轉(zhuǎn)切割部件，解決導(dǎo)線纏繞問題；刀具總成利用滾珠絲杠傳動將電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變成刀具的徑向進給；旋轉(zhuǎn)扶正機構(gòu)安裝在刀具下端，減小因馬達工作而產(chǎn)生的擺動。

1—電路板盒子；2—錨固步進電機；3—錨爪；4—電動馬達；5—導(dǎo)電滑環(huán)；6—刀具總成；7—旋轉(zhuǎn)扶正機構(gòu)；8—推刀步進電機。

1.2　裝置工作原理

首先，利用電纜將井下油管內(nèi)切割裝置下放到油管的切割位置；然后，通過地面的直流穩(wěn)壓電源給裝置供電，錨定機構(gòu)將裝置固定在油管內(nèi)壁，使裝置在切割時不產(chǎn)生軸向位移和環(huán)向偏移[9]；最后，推刀步進電機與電動馬達啟動，同時帶動旋轉(zhuǎn)扶正機構(gòu)和刀具推出并旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)油管內(nèi)切割作業(yè)。

2　裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1　錨定機構(gòu)

錨定機構(gòu)由錨固步進電機、聯(lián)軸器、滾珠絲杠、錨爪、圓錐體、限位傳感器和壓縮彈簧等組成，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　錨定機構(gòu)示意圖

錨定機構(gòu)工作時，錨固步進電機帶動滾珠絲杠轉(zhuǎn)動，圓錐體軸向移動推出錨爪。當(dāng)限位傳感器感應(yīng)到滾珠絲杠螺母時，錨爪剛好錨定在油管內(nèi)壁[10]，為整個裝置提供支撐。切割完成后，壓縮彈簧使錨爪回縮。

2.2　旋轉(zhuǎn)扶正機構(gòu)

受井斜及自身重力的影響，井下油管內(nèi)切割裝置在切割過程中會有輕微偏心，降低了油管內(nèi)切割作業(yè)的成功率[11]。在刀具下端安裝旋轉(zhuǎn)扶正機構(gòu)，有助于在油管切割過程中進一步穩(wěn)定并扶正刀具，防止裝置離心晃動而割壞外層套管[12]。旋轉(zhuǎn)扶正機構(gòu)由壓緊刀具套、玻珠圓珠等組成，如圖3所示。

圖3　旋轉(zhuǎn)扶正機構(gòu)示意圖

旋轉(zhuǎn)扶正機構(gòu)可使刀具的受力盡量保持相同[10]，減少刀具磨損和電動馬達堵轉(zhuǎn)，改善切割質(zhì)量。圖3中，玻珠圓珠是可以滾動的彈性球體，圓錐體移動使玻珠圓珠伸出并接觸管壁，令裝置在工作過程中始終保持居中狀態(tài)，提高切割穩(wěn)定性[13]。切割完成后，壓縮彈簧使玻珠圓珠回縮。

3 裝置主要技術(shù)參數(shù)及工藝流程

3.1　主要技術(shù)參數(shù)

井下油管內(nèi)切割裝置的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1　井下油管內(nèi)切割裝置的主要技術(shù)參數(shù)

3.2　工藝流程

井下油管內(nèi)切割裝置通過印制電路板控制整個切割流程，切割工藝流程如圖4所示。

圖4　井下油管內(nèi)切割裝置工藝流程圖

1） 利用電纜將裝置下放到油管內(nèi)卡點位置，通電，裝置復(fù)位。

2） 錨固步進電機的輸出力矩經(jīng)過滾珠絲杠傳動使圓錐體向下移動，直至限位傳感器感應(yīng)到滾珠絲杠螺母，此時錨爪完全撐開并緊貼油管內(nèi)壁，完成錨定。

3） 電動馬達和推刀步進電機同時開始工作，裝置下部高速旋轉(zhuǎn)，刀具總成與旋轉(zhuǎn)扶正機構(gòu)逐漸向外推出，切割深度不斷增加直至限位傳感器感應(yīng)到滾珠絲杠螺母，此時油管被完全割開。

4） 上、下部減速步進電機反轉(zhuǎn)，使圓錐體復(fù)位，刀具總成和錨爪在壓縮彈簧的作用下回縮；直至達到初始狀態(tài)即可上提裝置，切割過程結(jié)束。

4　驅(qū)動電機的選型計算與分析

井下油管內(nèi)切割裝置用到的電機分別為錨定機構(gòu)驅(qū)動電機、刀具推出驅(qū)動電機、旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電機，分別用于錨爪推出、刀具總成推出和裝置下部旋轉(zhuǎn)。

4.1 錨定機構(gòu)驅(qū)動電機

錨定機構(gòu)是由錨固步進電機帶動滾珠絲杠轉(zhuǎn)動，使圓錐體移動，進而推出錨爪。錨定機構(gòu)驅(qū)動電機的總負載包括2個密封圈的摩擦力、錨爪與圓錐體的摩擦力和圓錐體重力。

根據(jù)經(jīng)驗公式可得密封圈的摩擦力為

式中：

根據(jù)受力分析可得1個錨爪與圓錐體之間的摩擦力為

式中：

圓錐體重力為

綜上所述，求得錨定機構(gòu)驅(qū)動電機的總負載為

若將錨爪完全推出，圓錐體需向下移動23.5 mm，滾珠絲杠導(dǎo)程為2 mm，故滾珠絲杠轉(zhuǎn)速（即電機輸出軸轉(zhuǎn)速）需達到11.75 r/min。又由于錨定機構(gòu)驅(qū)動電機安裝在裝置內(nèi)部，結(jié)構(gòu)緊湊，故應(yīng)使用尺寸小、重量輕、制造精度高的電機。本文選取高精度28微型行星減速步進電機（28HS5006A4X-G），其力矩最大可達2 N?m。在帶動負載的情況下，最佳工作轉(zhuǎn)速是200～400 r/min，減速比為27，輸出軸轉(zhuǎn)速在7.4～14.8 r/min。

4.2 刀具推出驅(qū)動電機

刀具推出驅(qū)動電機負載與錨定機構(gòu)相差不大，同理也可選用28HS5006A4X-G減速步進電機。若將刀具總成完全推出，圓錐體需移動36.8 mm，即滾珠絲杠需要轉(zhuǎn)動18.4 r。因此，刀具推出驅(qū)動電機輸出軸轉(zhuǎn)速在7.4～14.8 r/min，可在2 min內(nèi)完全推出刀具，滿足電機工作條件。

4.3 旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電機

5 室內(nèi)切割效果分析及注意事項

5.1 室內(nèi)模擬切割及效果分析

對井下油管內(nèi)切割裝置進行室內(nèi)模擬應(yīng)用實驗。利用三腳試驗架使試驗管柱垂直固定于地面；將井下油管內(nèi)切割裝置放入試驗管柱內(nèi)，直流穩(wěn)壓電源提供24 V穩(wěn)定電壓，裝置開始自動切割油管，如圖5、圖6所示。利用印制電路板中的LED燈監(jiān)控切割過程，20 min后顯示切割完畢，油管被完全切斷，切割過程快速穩(wěn)定，滿足遇卡油管的切割作業(yè)要求。

圖5　室內(nèi)模擬切割（作業(yè)前）

圖6　室內(nèi)模擬切割（作業(yè)后）

切割完成后上提裝置，發(fā)現(xiàn)刀具無明顯磨損，如圖7、圖8所示。試驗管柱斷面光滑平整，如圖9所示，整體效果良好。

圖7　刀具狀況（切割作業(yè)前）

圖8　刀具狀況（切割作業(yè)后）

圖9　切割斷面

5.2　注意事項

為確保切割的穩(wěn)定性，提高一次切割成功率，需注意如下事項：

1） 該裝置目前適用于內(nèi)徑為62 mm、外徑為73 mm的油管，可移植到井下更大尺寸油管切割；

2） 裝置下井前應(yīng)先通井，采用比內(nèi)割刀外徑大3 mm左右的通井規(guī)通至切割深度以下5 m，以保證裝置下井時暢通無阻[14]；

3） 裝置下井前，需先復(fù)位，確保刀頭處于縮回狀態(tài)，避免下放過程中刀片磨損；刀片若磨損不僅減弱切削能力，還會加劇刀具振動，影響切割成功率[15]；

4） 檢查裝置各螺栓是否擰緊，防止漏水；裝置各管筒之間的接口螺紋需保持清潔，并涂螺紋密封 脂[16]；

5）裝置下放過程要平穩(wěn)，速度均勻，如下放遇阻，應(yīng)立刻上提裝置檢查原因；

6） 使用后清除刀具總成、錨爪部位的油污、泥渣，檢查各構(gòu)件的安全性，涂防銹油并存放于干燥通風(fēng)處。

6 結(jié)語

井下油管內(nèi)切割裝置是一種快速處理油管遇卡的有效修井裝置，具有較強的實用性。本文主要解決的問題如下：

1） 滾珠絲杠傳動精確控制刀具進給，并配備限位傳感器，可準確控制進給量，不僅滿足了裝置結(jié)構(gòu)簡單、操作方便的需求，還改善了刀具的工作環(huán)境，確保切割準確、高效；

2） 錨定機構(gòu)中的3個錨爪由圓錐體同步推出，確保裝置與油管內(nèi)壁同軸心；弧形曲面的錨爪使裝置更加緊固地固定在油管內(nèi)壁，起到支撐作用；

3） 旋轉(zhuǎn)扶正機構(gòu)可穩(wěn)定并扶正割刀，解決了切割過程擺動大，易偏心的問題，提高切割成功率；

4） 該裝置刀具材質(zhì)可根據(jù)不同油管材質(zhì)進行調(diào)整，常用強度高、耐磨的高速鋼，可提高切割速度和使用壽命，且切割后斷面規(guī)則；

5） 通過電動馬達帶動裝置下部高速旋轉(zhuǎn)，運行平穩(wěn)準確；與聚能切割相比，切割后的管徑大小基本不變且更加平整，有利于后續(xù)操作；與化學(xué)切割相比，切割過程更加環(huán)保；與大力拉拔和活動解卡相比，可避免出現(xiàn)管塑性變形和屈曲變形等不可逆損傷。

實驗測試表明，井下油管內(nèi)切割裝置安全可靠，作業(yè)性能穩(wěn)定，切割后刀具完整，油管切口平滑，驗證了該裝置的可靠性。在處理油管遇卡方面有技術(shù)優(yōu)勢，值得繼續(xù)研究和推廣。

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Development and Application of Downhole Tubing Internal Cutting Device

LI Yukun1PANG Yuchuan2LI Ruqiang3LIU Yuguo4CHEN Shuai1WU Tao1YANG Jinchuan1WANG Shanyao1PENG Qifeng1

(1.College of Pipeline and Civil Engineering, China University of Petroleum Huadong, Qingdao 266580, China 2.College of Mechanical and Electrical Engineering, China University of Petroleum Huadong,Qingdao 266580, China 3.Engineering Technology Management Center, Shengli Oilfield Company, Dongying 257000, China 4.Petroleum Engineering Technology Research Institute, Shengli Oilfield Company, Dongying 257000, China)

In the middle and later stage of oil and gas field development, the phenomenon of tubing sand burial and sand sticking occurs frequently. In order to realize accurate and efficient unblocking and minimize the loss caused by tubing jamming, a downhole tubing inner cutting device is developed. The device is driven by an electric system; The anchor claw and centralizer are used to fix it on the inner wall of the oil pipe; The stepping motor drives the ball screw to rotate, and the cone gradually pushes out the tool to contact the inner wall of the cut pipe; The electric motor drives the cutter to rotate at high speed to cut the oil pipe from the inside. The indoor test results show that the device can complete the cutting accurately and efficiently, the integrity of the cutter teeth after cutting is good, the oil pipe incision is flat and smooth, and the operation effect is good; The operation is simple and the degree of automation is high, which provides a new idea for dealing with stuck tubing and has a good application prospect.

mechanical cutting; inside tube cutting; remove sticking; underground operation; tubing

李玉坤,龐玉川,李汝強,等.井下油管內(nèi)切割裝置開發(fā)與應(yīng)用[J].自動化與信息工程,2022,43(3):37-43.

LI Yukun, PANG Yuchuan, LI Ruqiang, et al. Development and application of downhole tubing internal cutting device[J]. Automation & Information Engineering, 2022,43(3):37-43.

TE935

A

1674-2605(2022)03-0007-07

10.3969/j.issn.1674-2605.2022.03.007

勝利油田分公司石油工程技術(shù)研究院技術(shù)研究項目（30200019-18-ZC0609-0004）

李玉坤，男，1973年生，博士，副教授，主要研究方向：機械工程、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、力學(xué)性能測試及仿真。E-mail: mliyk@qq.com

龐玉川，男，1997年生，在讀碩士研究生，主要研究方向：海洋石油裝備技術(shù)。E-mail: 15553579981@163.com

李汝強，男，1974年生，工程師，主要研究方向：井下作業(yè)技術(shù)管理。E-mail: liruqiang.slyt@sinopec.com

劉玉國，男，1976年生，高級工程師，主要研究方向：采油工藝研究與石油機械設(shè)計。E-mail: liuyuguo.slyt@sinopec.com

陳帥，男，1997年生，在讀碩士研究生，主要研究方向：結(jié)構(gòu)安全。E-mail:154228476@qq.com

吳濤，男，1997年生，在讀碩士研究生，主要研究方向：結(jié)構(gòu)安全。E-mail:1084293337@qq.com

楊進川，男，1996年生，在讀碩士研究生，主要研究方向：結(jié)構(gòu)強度及可靠性。E-mail:2990367636@qq.com

王鄯堯，男，1997年生，在讀碩士研究生，主要研究方向：結(jié)構(gòu)強度及可靠性。E-mail:wangshanyaoupc@163.com

彭啟鳳（通信作者），女，1987年生，博士，工程師，主要研究方向：磁測應(yīng)力、管道及電梯振動、特種設(shè)備結(jié)構(gòu)可靠性分析。E-mail: pqf@upc.edu.cn