劉 鵬，劉永紅，孫 強(qiáng)，武鑫磊，韓延聰

（中國(guó)石油大學(xué)（華東）機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266580）

隨著科技的發(fā)展，人類社會(huì)對(duì)能源的需求量與日俱增。 為搶占寶貴的海洋油氣資源，世界上許多國(guó)家紛紛大力發(fā)展海上采油業(yè)，積極興建海上鉆井采油平臺(tái)。 僅至21 世紀(jì)初期，世界范圍內(nèi)就已興建了超過(guò)7000 座海上油氣生產(chǎn)設(shè)施[1-3]。 我國(guó)的海洋采油業(yè)從1966年建造第一座固定式鉆井平臺(tái)開(kāi)始起步發(fā)展[4]，到目前為止，我國(guó)建造的海上采油平臺(tái)已達(dá)200 多座[5-6]。 這些平臺(tái)為人類社會(huì)生活的正常運(yùn)轉(zhuǎn)提供了重要的油氣資源。 海洋油氣生產(chǎn)平臺(tái)也像其他工程機(jī)械一樣具有服役年限，會(huì)面臨退役問(wèn)題[7-8]，其設(shè)計(jì)壽命一般為20～30年，當(dāng)?shù)竭_(dá)指定年限后，若不進(jìn)行棄置處理，廢棄的油井可能會(huì)對(duì)海洋環(huán)境造成污染，同時(shí)也會(huì)影響船舶通航安全[5]，因此，各國(guó)出臺(tái)的規(guī)定要求對(duì)不能生產(chǎn)的海洋油氣設(shè)施必須及時(shí)采取棄置處理，從而還原海洋環(huán)境的原貌，以保證海洋環(huán)境的生態(tài)平衡[9-11]。

海底廢棄井口的切割回收工作是海洋平臺(tái)棄置作業(yè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。 現(xiàn)階段海底廢棄井口棄置作業(yè)的主流方式是機(jī)械切割和水射流切割，其中機(jī)械切割存在切削力大、裝置振動(dòng)明顯、刀具易磨損和斷刀以及在偏心井口套管工況中割刀受力不均衡等缺點(diǎn)[12-13]；水射流切割對(duì)裝備的密封性要求極高，同時(shí)混砂水射流噴嘴易堵死且磨損較快，裝備制造和維護(hù)費(fèi)用昂貴[14-17]。 綜合來(lái)看，這兩種方式的可靠性低、穩(wěn)定性差，作業(yè)效率也較為低下。 而我國(guó)的海洋平臺(tái)和海底井口拆除作業(yè)，長(zhǎng)期以來(lái)更是依賴進(jìn)口設(shè)備，這些設(shè)備的租賃費(fèi)用昂貴，使我國(guó)海洋油氣設(shè)施棄置作業(yè)的開(kāi)展受到極大限制[18]。

針對(duì)目前主流井口棄置方式存在的不足，同時(shí)為提高海底井口拆除作業(yè)的工作效率、降低作業(yè)成本以及擺脫國(guó)外對(duì)我國(guó)海上井口棄置作業(yè)的技術(shù)牽制， 本文以等離子切割技術(shù)為核心加工方法，自主研發(fā)了一套專用于海底棄井套管切割的裝備，這對(duì)于我國(guó)海上油氣設(shè)施棄置作業(yè)的發(fā)展來(lái)說(shuō)具有重要意義。

1 基于等離子弧的棄井切割裝備

海底棄井等離子切割裝備的總體設(shè)計(jì)方案見(jiàn)圖1。該裝備通體呈圓柱狀，最大外徑190 mm、總長(zhǎng)1600 mm，主要由法蘭、套筒和接箍三種結(jié)構(gòu)件通過(guò)螺紋連接固定， 可保證裝備整體具有良好的同軸度，同時(shí)能為其裝配工作提供便利，也可有效地避免裝備內(nèi)部管線發(fā)生纏繞。 為提高裝備在海水環(huán)境中工作的可靠性， 采用了液壓驅(qū)動(dòng)作為其驅(qū)動(dòng)方式。 相較于電驅(qū)動(dòng)方式，液壓驅(qū)動(dòng)降低了裝備對(duì)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的密封性要求。 即使在水下工作時(shí)發(fā)生液壓泄漏，裝備的動(dòng)作機(jī)能也不會(huì)失效，從而大幅提高了裝備工作的可靠性。

圖1 海底棄井等離子切割裝備工作示意

從整體結(jié)構(gòu)來(lái)看， 該裝備主要由支撐機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和切割機(jī)構(gòu)三大部分組成。 支撐機(jī)構(gòu)的主要功能是將整個(gè)裝備牢固地鎖緊在井筒內(nèi)壁面上，并能使裝備沿著井筒軸線方向?qū)崿F(xiàn)自定心，從而為下方的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和切割機(jī)構(gòu)提供穩(wěn)定的支撐，以保證切割工作能平穩(wěn)進(jìn)行；旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的主要功能是帶動(dòng)裝備最下方的切割機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)大于360°的穩(wěn)定正反轉(zhuǎn)， 從而保證井下套管的割縫呈現(xiàn)完整的圓環(huán)形；切割機(jī)構(gòu)的核心部件是一個(gè)特制的水下等離子割炬，可在海水環(huán)境中將高溫、高能的等離子弧快速持續(xù)地噴射到井筒套管內(nèi)壁面，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)棄井套管的切割作業(yè)。 海底棄井等離子切割裝備的樣機(jī)實(shí)物見(jiàn)圖2。

圖2 海底棄井等離子切割裝備樣機(jī)整裝

2 裝備關(guān)鍵機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性和力傳遞分析

為分析所設(shè)計(jì)裝備的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性及其在工作時(shí)的力傳遞情況， 借助ADAMS 多體動(dòng)力學(xué)仿真平臺(tái)建立了裝備關(guān)鍵動(dòng)作機(jī)構(gòu)的數(shù)值仿真模型。 支撐機(jī)構(gòu)在井下支撐作業(yè)時(shí)的仿真模型如圖3 所示，模型中的所有零部件均設(shè)定為剛性體，材料參數(shù)選擇為仿真平臺(tái)參數(shù)庫(kù)中的鋼材。

圖3 支撐機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真模型

首先對(duì)支撐機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行仿真，在動(dòng)力元件油缸的活塞和缸體之間添加直線副進(jìn)行約束，并在直線副上添加直線電機(jī)，同時(shí)由于裝備所選油缸行程為30 mm，設(shè)定電機(jī)速度為30 mm/s、仿真時(shí)間為1 s，再在模型的特定位置添加相應(yīng)的測(cè)量點(diǎn)，經(jīng)仿真可得到支撐機(jī)構(gòu)連桿的運(yùn)動(dòng)特性。

圖4 是裝備支撐機(jī)構(gòu)連桿的運(yùn)動(dòng)特性曲線。 由此可知，裝備在井筒直徑方向的可支撐范圍為190-230 mm。 對(duì)于9-5/8″套管來(lái)說(shuō)，裝備處于支撐工作狀態(tài)時(shí)，連桿長(zhǎng)度方向與裝備軸心的夾角為41.05°，上、下支撐的垂直間距為439.5 mm。

圖4 裝備支撐機(jī)構(gòu)連桿運(yùn)動(dòng)特性曲線

接著，對(duì)支撐機(jī)構(gòu)在工作時(shí)的力傳遞情況進(jìn)行仿真分析，在套管和與之接觸的連桿之間設(shè)定“碰撞接觸”，并將接觸的摩擦系數(shù)設(shè)定為0.1，這些接觸可以方便獲取機(jī)構(gòu)工作時(shí)在每個(gè)支撐點(diǎn)處的支撐力。 由于裝備所選油缸缸徑為50 mm， 在5 MPa的油液壓力下能提供10000 N 的驅(qū)動(dòng)力，就在模型的活塞上設(shè)定2000 N/s 勻值增長(zhǎng)的主動(dòng)力，將仿真時(shí)間取為5 s， 經(jīng)計(jì)算可得支撐機(jī)構(gòu)在工作時(shí)支撐點(diǎn)的接觸力以及鉸接點(diǎn)的力傳遞情況。

圖5 是裝備支撐機(jī)構(gòu)在9-5/8″套管內(nèi)壁穩(wěn)定支撐時(shí)的力傳遞情況。 可知，隨著油缸驅(qū)動(dòng)力的不斷上升，裝備支撐點(diǎn)和鉸接點(diǎn)處的受力呈線性上升趨勢(shì)，在10000 N（液壓供給5 MPa）的油缸驅(qū)動(dòng)力條件下， 裝備6 個(gè)支撐點(diǎn)處均能提供6000 N 的支撐力。 由于裝備采用等離子切割，工作時(shí)幾乎不會(huì)產(chǎn)生切削力、裝備不會(huì)振動(dòng)，同時(shí)裝備的總重量約為140 kg，在6 個(gè)6000 N 的支撐力作用下可穩(wěn)定地將其鎖緊在套管內(nèi)壁面。

圖5 支撐機(jī)構(gòu)連桿受力情況

3 裝備關(guān)鍵機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度分析

為分析所設(shè)計(jì)裝備關(guān)鍵機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度，本文借助接觸碰撞分析領(lǐng)域口碑良好的LS-dyna 有限元仿真平臺(tái)，建立了裝備支撐機(jī)構(gòu)的數(shù)值模擬模型。

圖6 是支撐機(jī)構(gòu)在支撐工作時(shí)的有限元仿真模型。 模型中最外側(cè)為水泥環(huán)，對(duì)其賦予混凝土材料參數(shù)， 同時(shí)對(duì)模型中套管賦予N80 材料參數(shù)、對(duì)支撐機(jī)構(gòu)選用45 鋼材料參數(shù)。 在機(jī)構(gòu)的各處鉸接點(diǎn)建立剛性連接區(qū)域并添加轉(zhuǎn)動(dòng)副，以約束水泥環(huán)最外圈一層節(jié)點(diǎn)的所有自由度，并給機(jī)構(gòu)的下法蘭提供一個(gè)10000 N 的推力，經(jīng)仿真計(jì)算可得支撐機(jī)構(gòu)在工作狀態(tài)下的應(yīng)力分布情況。

圖6 支撐機(jī)構(gòu)強(qiáng)度模擬模型

在10000 N 的液壓驅(qū)動(dòng)力下，支撐機(jī)構(gòu)及其連桿的應(yīng)力分布情況見(jiàn)圖7?？芍谶B桿與套管接觸處的應(yīng)力最大并出現(xiàn)了應(yīng)力集中，連桿的鉸接點(diǎn)處比連桿的桿身產(chǎn)生的應(yīng)力要大。 觀察該機(jī)構(gòu)的整體所受應(yīng)力，發(fā)現(xiàn)均沒(méi)有超過(guò)45 鋼的屈服極限，可知該機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度滿足工作要求。

圖7 支撐機(jī)構(gòu)及其連桿應(yīng)力分布

4 水下套管切割物理實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證所研制裝備在水下的切割能力，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境內(nèi)搭建了如圖8 所示的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

圖8 套管水下等離子切割實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

首先對(duì)所研制的水下等離子割炬開(kāi)展了起弧實(shí)驗(yàn)測(cè)試。 起弧實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象見(jiàn)圖9。 圖9a 為未起弧階段；圖9b 為起弧的第一階段，此時(shí)屬于內(nèi)部起弧，陽(yáng)極弧根落在噴嘴上；圖9c 為起弧的第二階段，此時(shí)屬于外部起弧，陽(yáng)極弧根從噴嘴轉(zhuǎn)移到套管內(nèi)壁上，弧光強(qiáng)增加，切割能力得到提高。 這種先內(nèi)部起弧再將弧根轉(zhuǎn)移到外部套管的起弧方式可大幅提高起弧的成功率。

圖9 起弧實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境、水深為1 m 以內(nèi)、切割電流為100 A 的條件下， 分別在等離子供氣壓強(qiáng)為0～0.1、0.1～0.2、0.2～0.3 MPa 時(shí)進(jìn)行20 次起弧實(shí)驗(yàn)， 所得實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1?？芍鈮簭?qiáng)為0.1～0.2 MPa 時(shí)，起弧成功率最高。

表1 100 A 電流時(shí)的不同供氣壓強(qiáng)起弧成功率

接著根據(jù)廢棄油井的套管水泥環(huán)多層嵌套結(jié)構(gòu)，制作了不同厚度的“鋼板-水泥夾層-鋼板”結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)試件。 在切割電流為100 A、 供氣壓強(qiáng)為0.15 MPa 的實(shí)驗(yàn)條件下對(duì)試件開(kāi)展水下等離子穿洞實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)果見(jiàn)圖10。 圖10a 中試件總厚度51 mm、水泥厚度23 mm，耗時(shí)2 min 43 s 被打穿；圖10b 中試件總厚度66 mm、 水泥厚度38 mm，耗時(shí)3 min 46 s 被打穿；圖10c 中試件總厚度80 mm、水泥厚度52 mm，耗時(shí)7 min 30 s，切割深度僅觸及其第二層鋼板，沒(méi)有完全將第二層鋼板打穿。 考慮實(shí)際工況，針對(duì)9-5/8″和13-3/8″套管夾水泥層的情況，需要徑向的切割總厚度約為60 mm，如果時(shí)間允許，基于等離子弧切割的井口切割方法可一次完成兩層套管的切割工作。

圖10 不同厚度試件的穿洞實(shí)驗(yàn)

最后借助所搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)， 在切割電流為200 A、 等離子供氣壓強(qiáng)為0.15 MPa 的實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行套管環(huán)切實(shí)驗(yàn)。 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)果如圖11 所示，可見(jiàn)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生的弧光十分強(qiáng)烈，水也近乎沸騰狀態(tài)；在2 min 內(nèi)，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)帶著等離子割炬繞著套管內(nèi)壁旋轉(zhuǎn)了一周，成功將一根壁厚度為12 mm的9-5/8″套管割斷。由切口斷面可見(jiàn)，切割面十分平整，幾乎無(wú)黏連處，切割質(zhì)量好。

圖11 套管環(huán)切實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

5 結(jié)論

本文基于等離子弧切割方法，創(chuàng)新性地研制了一套海底棄井切割裝備。 經(jīng)過(guò)動(dòng)力學(xué)分析、強(qiáng)度仿真和一系列物理實(shí)驗(yàn)，得到以下結(jié)論：

（1）裝備支撐機(jī)構(gòu)在直徑方向的可支撐范圍為190～230 mm。 在10000 N 的驅(qū)動(dòng)力下，每個(gè)支撐點(diǎn)能提供6000 N 的支撐力。

（2）在10000 N 的驅(qū)動(dòng)力下，裝備支撐機(jī)構(gòu)在穩(wěn)定支撐時(shí)滿足45 鋼的強(qiáng)度要求， 其中最大應(yīng)力出現(xiàn)在連桿與套管接觸處。

（3）在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境、切割電流200 A、供氣壓強(qiáng)0.15 MPa 的試驗(yàn)條件下，對(duì)一根直徑9-5/8″套管實(shí)現(xiàn)環(huán)形切割僅需要2 min，切割效率極高。