井下電驅切割油管工具研究與試驗

葉文勇 胡東鋒 王思凡

摘要：國內井下管串動力切割工具現處于研究初始階段，為此，研發出了一種新型井下油管電動切割工具。對該型工具的結構組成及其切割作業原理進行了重點介紹，并通過地面試驗驗證工具的結構合理性與控制系統可靠性。研究結果表明：研發的井下電驅切割油管工具外徑為54 mm，總長為4 m，適用于外徑73.0和88.9 mm油管，可根據目標油管管徑切割需求更換切割刀具，可按流程準確實施對各個節點動作和工具狀態的實時監控和調整，并完成信息的傳輸與存儲；地面切割試驗驗證了該工具切割模塊結構的合理性，驗證了推進機構和旋轉換向機構能精確完成動力的傳遞和動作的執行。所得結論可為油氣井帶壓修井作業的高效、安全實施提供技術支撐。

關鍵詞：井下工具；電驅；切割油管工具；控制系統；地面試驗

0 引 言

老井在排水采氣過程中常發生節流器打撈不出、氣舉閥失效等井筒故障［1-4］，為了盡快恢復生產，必須帶壓起出管柱進行檢修作業。但在管柱起出過程中，常遭遇下部封隔器段管柱遇卡無法起出的難題。在傳統倒扣作業方法無法精準、快速解決該問題的情況下，采用井下切割工具對遇卡段管柱實施切割，成為現行解決遇卡管柱起出問題的最佳途徑。當完成對遇卡段上部管柱的切割作業后，再通過反扣鉆桿下入打撈工具抓住下部管柱，并大力上提或者反轉倒扣起出故障管段［5-7］。該種方式作業可控，成功率高。

近年來，國內外研發出了多種類型的井下油管切割工具，解決了修井作業的一些需求［8-13］。國外產品主要有貝克休斯公司的機電套管切割工具［14］ （Electro-Mechanical Pipe Cutter，MPC），GE公司的井下電動切割工具［15］ （Downhole Electric Cutting Tool，DECT），Welltec公司的新型電動套管切割工具（The new electric line pipe cutting tool）［16］。MPC采用外擺高速鋸片銑刀對油管實施切割，其切割厚度受鋸片銑刀直徑、外擺機構行程限制，鋸片作業鉆速可達4 000 r/min。DECT采用懸臂切刀模式對油管實施切割，但該型工具刀片受載較大且懸臂模式限制了刀片的切割厚度，減弱切割頭處的工具剛度，加劇刀片的切割不穩定性。Welltec公司采用擴展式三刀翼結構，通過鑲嵌在刀翼上的合金齒完成對油管的切割，但刀翼的切割載荷將隨著刀翼外擺直徑的增大而增大，對工具電機功率要求較高。國內中石化勝利石油工程公司鉆井工藝研究院借鑒MPC相關技術，研發了一種井下管柱電控切割工具，并完成了地面試驗［17］。該工具的最高切割壁厚為12.7 mm，最大可承受溫度150 ℃，最大承受壓力140 MPa。

國內井下管串動力切割工具現處于研究初始階段，為滿足國內某氣田修井作業需求，特研發出了一種新型井下電驅切割工具。下面重點介紹該工具的結構組成及其切割作業原理，并通過地面功能單元試驗，驗證工具的可行性。

1 技術分析

1.1 功能結構

井下電驅切割油管工具整體功能結構方案如圖1所示，分為地面和井下2個部分。地面部分為控制終端和電源，井下部分為井下控制及通信模塊、切割系統和錨定系統。該工具最大的特點是摒棄了現有井下管柱切割工具所采用的復雜“電-液”驅系統，而直接采用井下特種電機為動力源，配合作動電缸，為整個工具提供動力。

切割系統主要用于完成對油管的切割，包括切割刀頭、推刀電缸和主切割電機；錨定系統主要用于實現工具相對油管的固定，采用電缸驅動錨定執行機構的外伸和收回；控制系統主要用于實施地面與井下信號互傳、動作執行和工具狀態監控。工具井下部分結構如圖2所示。工具通信短節后端為電纜連接頭，采用單芯電纜為井下工具提供電力，并構建起地面與井下的通信橋梁。該型工具最大外徑54 mm，總長4 m，最高耐受溫度80? ℃，最大承受壓力120 MPa，適用于外徑73.0 mm和外徑88.9 mm的油管。

1.2 工作原理

用鎧裝單芯電纜連接工具井下部分和地面控制終端、電源，完成信號及電源通路測試和動作指令測試。隨后利用鎧裝電纜將工具下至目標井深，接通電源后下發第一次井下通信測試與工具狀態檢測指令，待檢測信號顯示正常，由地面控制終端輸入被切目標油管內外徑，并向井下發出作業指令。工具井下控制器接收到指令后，按內置程序執行如下相關動作。

首先，啟動錨定電缸，將錨定執行機構伸出，實現工具與油管的同心固定；控制器將通過位移傳感器、電機自轉參數，結合電機載荷，綜合判定是否錨定成功，并向地面反饋發送動作節點信息。

其次，當地面收到錨定完成的信息反饋并確認后，控制器順次啟動主切割電機與推刀電缸，主切割電機以一定的轉速旋轉，推刀電缸緩慢推進，經刀頭推力機構使刀頭逐漸展開，直至鄰近油管內壁后，停止展開，此時刀具刀尖劃過的最大圓外徑與管柱內徑保持徑向0.5～1.5 mm間隙。該階段推刀行程可通過輸入目標管柱內徑，經控制系統計算得到。其后，主切割電機轉速提高至預設切割轉速，推刀電缸再按照預設進刀量實施前推進給，展開切割刀片。刀頭的切割半徑隨著推刀電缸的進給不斷增大，直至完成切割。切割過程中，控制系統將通過對主切割電機電流、推刀電缸動作距離、位移傳感器和溫度傳感器的實時監控，判定工具作業狀態，進而及時調整切割進刀量或切割轉速等。同時，通信短節將按照1次/s的頻率向地面發送工具狀態信息。地面對接受到的信息進行實時顯示和存儲。油管切割作業是否完成由控制系統綜合電機負載、位移傳感器等信息聯合判定。

當切割完成后，推刀電缸將率先慢速反推以收回刀片；待刀片完全退出切槽后，再降低刀頭轉速至低轉速，繼而推刀電缸快速反推，刀片回到初始位置，完成收刀。此時控制器向地面發送收刀節點信號；接著實施錨定結構收回作業，上發錨定解除節點信號；地面收到信號后，小拉力向上試提電纜，如無明顯載荷增加，則表明工具無卡阻行為，便可起出工具。至此，切割油管作業完成。

2 關鍵設計

2.1 切割系統

切割系統主要用于實施對油管的切割，由刀片、刀具齒輪軸、螺旋花鍵軸、軸套體、推桿、花鍵軸套、內花鍵傳動件、主切割電機、推刀電缸等組成，其結構如圖3所示。切割頭的旋轉通過主切割電機驅動，切割頭進刀由推刀電缸完成，切割頭內部有專門設計的換向機構，將電缸的直線運動轉換為進刀所需的周向轉動，進而完成刀具的擺出和收回。

擺刀與收刀執行機構如圖4所示。3個刀片安裝在周向均布的3個齒輪軸上，3個齒輪軸與螺旋花鍵軸一端的輪齒軸段形成嚙合。位于切割傳動機構末段的推刀電缸產生的軸向進給直線運動，在已實施旋轉限位的軸套體的作用下，將轉換成螺旋花鍵軸的旋轉運動，繼而通過齒輪嚙合的形式，驅動刀片的擺出和收回。

螺旋花鍵軸與軸套體形成的螺旋換向機構如圖5所示。軸套體與螺旋花鍵軸通過螺旋花鍵配合，軸套體僅做直線運動，螺旋花鍵軸僅做旋轉運動，當軸套體在推刀電缸的作用下向前推進，螺旋結構將使螺旋花鍵軸帶動齒輪旋轉，進而實施擺刀和收刀。采用伺服電機控制的推刀電缸，既保證了小幅值連續性直線運動，同時施加穩定持續的軸向推力。該推力將轉化成在切割過程中刀片相對油管的穩定進刀正壓力，其動力傳遞路徑如圖6所示。

刀頭的旋轉是指3個刀片繞工具中心軸線的旋轉運動，是實施管柱切割的主要運動，其旋轉動力源來自后端的主切割電機。主切割電機輸出的轉速經減速器后降至100～600 r/min，并通過外周側的滑動花鍵結構，將旋轉運動傳遞到花鍵軸套并帶動刀具齒輪軸架旋轉，而裝有刀片的3個齒輪軸均安裝在刀具齒輪軸架上，繼而實現刀片的公轉。其刀頭旋轉的動力傳遞路徑如圖7所示。

2.2 錨定系統

錨定系統執行機構示意圖如圖8所示。

錨定系統用于實現工具相對油管的完全固定，是工具實現穩定切割的重要組成部分。工具采用雙錨定點的設計，增強工具整體結構剛度，避免懸臂梁效應，提高錨定的穩定性。由于要實現較大的徑向位移，錨定系統的執行借鑒四桿機構原理，利用電缸驅動長邊桿向外展開和回拖，長邊桿上加裝“錨定牙板”，以實現與油管內壁的硬接觸，繼而完成工具與油管的相對錨定。錨定執行機構展開狀態如圖8b所示。切割完成后，錨定電缸反轉，回拖長邊桿，解除錨定。

2.3 控制系統

2.3.1 控制系統架構

工具控制系統架構方案如圖9所示。其設計思路為：工具擁有獨立的控制模塊，在收到地面發送的指令后，開始按照既定程序執行相關指令，切割過程中，對旋轉刀頭主電機、推刀電機及錨定電缸的狀態進行監測。譬如，根據伺服電機特性，電流將隨負載的增加而增大，因此可通過對電流大小的實時監控并結合作業程序獲取刀具是否開始切割、切割過程中載荷的穩定性（是否存在切割振動）、切割是否完成等作業關鍵節點及其作業階段的信息。

結合工具內置傳感器實現對工具狀態的判定。譬如，控制系統通過位移傳感器，對推刀電缸軸向移動位移進行采集，進而計算工具的單位進刀量和總進刀量。通過對錨定電缸軸向位移的測定，判定錨定執行機構是否按預定位置展開，并通過程序計算獲得錨定電缸軸推載荷，結合電機負載電流，綜合判定其是否實現錨定。采用溫度傳感器對作業電機實施溫度監控，控制模塊對收集的實時溫度進行判定；當超過警戒溫度后，判定電機過熱，此時控制程序將執行暫停工作的程序，待溫度降至安全溫度以下時，則重新啟動工作程序。

系統各種數據的采集及處理都是在工具井下的獨立控制模塊進行，并按照1次/s的頻率將關鍵狀態數據持續發送至地面，使得地面能夠及時獲取井底工具的工作狀態。當遇到復雜工況需要實施手動控制時，該模塊能及時進行控制模式的切換。其具體的通信功能特點為：①采用單芯或多芯電纜將地面100～600 V交流穩壓電源輸送到井下，為工具供電；②通過載波方式實現數據在地面與井下之間的傳輸，常規傳輸頻率為1次/s；③基于位移傳感器、電機負載電流、溫度傳感器和既定程序，對工具狀態進行判定；④工具內部主控板與切割電機及推力電缸驅動器間采用總線通信。

2.3.2 控制系統操作

油管切割自動控制操作界面與流程如圖10所示。控制系統自動控制界面（見圖10a）可人工設定主旋轉電機轉速，監測主旋轉電機的扭矩和刀具進給量。圖10b為自動控制流程。自動控制通過提前設置好的電機轉速和推刀電缸的進給速度進行油管切割，并將實時曲線反映到上位機進行觀察。

油管切割手動控制操作界面與流程如圖11所示。手動控制可以由操作者根據需要調整主旋轉電機與推刀電缸的進給速度，其優點是可以通過操作者的觀察隨時對切削過程進行人為調整。

3 地面試驗

3.1 油管切割試驗平臺

為驗證切割系統的可靠性，特搭建地面試驗平臺。因主要驗證切割系統功能，故取消了錨定系統。將油管在試驗平臺上進行雙點固定，地面試驗平臺使用推刀電缸、伺服電機和井下控制系統。地面試驗平臺如圖12所示。試驗所用切割系統如圖13所示。

3.2 試驗結果與分析

2021年5月，在西南石油大學室外井場試驗基地的地面試驗平臺進行了油管切割試驗。選用油管外徑73.0 mm，壁厚 5.51 mm，鋼級N80，電機轉速 200? r/min，刀具進給速度為0.1 mm/s。

由于可能存在裝配誤差，3個刀具各自所在的切割平面可能存在較小的偏差角度。當刀具切割油管切槽加深，刀具的側邊會與切槽發生摩擦，會極大地損壞刀具。因此，在本試驗中采用了方形刀與圓形刀的組合，方刀是向外擴展切割油管，圓形刀則是在方形刀切出的切槽基礎上進行橫向擴槽。切割作業示意圖如圖14所示。

3.2.1 單方刀切削試驗

方形刀（見圖15）使用切斷刀的右側進行切削，試驗扭矩變化如圖16所示。在切割過程中進行了2次進刀與退刀，最終切斷油管且刀具磨損小。從圖16可以看出，2次進刀時的電機扭矩與刀具進給量呈正相關，扭矩浮動頻率較大，這是因切割過程中單刀受力不均、振動較大。振動也會加劇刀具與油管壁的接觸，引發刀具磨損，切削效果如圖17所示。

3.2.2 單圓形刀和2個方刀切削試驗

圓形刀在整個切削過程中并不發揮切削油管的作用，只為擴大方形槽。采用階梯形安裝的單圓形刀和2個方刀組合，如圖18所示。

切削時，1號方刀先接觸油管內壁，對油管進行切削，然后圓形切斷刀進行擴槽，最后2號方刀進行2次切削。組合刀片切割效果如圖19所示。由圖19可知，油管切斷面沒有刀具磨損痕跡，表明圓形切斷刀發揮了減輕方刀側邊磨損的作用。組合刀片切割扭矩曲線如圖20所示。從圖20可以看出，扭矩波動頻率遠小于單方刀切削時的振動頻率。在扭矩圖的后半段，扭矩沒有隨進給量增加而增加，而是產生了較大的波動，此時油管已切斷只剩余最后一圈鐵皮，波動是由于刀具側面與油管壁摩擦而產生，可作為油管切削完成時的特征判定。

4 結 論

（1）所研發的井下電驅切割油管工具外徑為54 mm，總長為4 m，適用于外徑73.0和88.9 mm油管，可根據目標油管管徑切割需求更換切割刀具。該工具各功能結構組件合理、功能完善，在控制系統的指引下，可按流程準確實施對各個節點動作和工具狀態的實時監控和調整，并完成信息的傳輸與存儲。

（2）地面切割試驗驗證了井下電驅切割油管工具切割模塊結構的合理性，驗證了該工具通過推進機構和旋轉換向機構能精確完成動力的傳遞和動作的執行。

（3）組合式切割刀具的運用，避免了刀具意外損傷及其作業事故的發生。工具機械構件結合合理的控制程序設計，可對切割作業實施高效、精確調控，工作效率高，具有較高的可靠性與安全性。

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