淺層取換套修井作業(yè)的井口切割裝置設(shè)計(jì)與分析

摘要：在油井下井過(guò)程中，套管鉗會(huì)對(duì)套管的連接螺紋產(chǎn)生損傷，套管在井中也容易受到腐蝕，導(dǎo)致取換過(guò)程中套管卸扣困難，需要對(duì)套管進(jìn)行迅速的切割處理。然而，由于井口作業(yè)的空間有限，現(xiàn)有的套管取換方法費(fèi)用高、周期長(zhǎng)、動(dòng)力緊張且油田生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)不能出現(xiàn)明火。基于此，設(shè)計(jì)一種包括扶正機(jī)構(gòu)、切割機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、切割刀具四部分的淺層取換套修井作業(yè)的井口切割裝置。通過(guò)ANSYS等軟件對(duì)主要零部件進(jìn)行分析，結(jié)果表明：該裝置具有體積小、安裝方便、切割工作安全可靠、切割效率高等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)快速切割套管的功能，從而提高作業(yè)效率，降低成本。

關(guān)鍵詞：切割裝置；切割速度；套管；應(yīng)力分布

中圖分類(lèi)號(hào)：TE921. 4 " " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A " " " doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2024.03.004

Research on Key Technologies of a New Type of Surface Cutting Device for Shallow Layer Well Servicing Operations

TIAN Haoran1，LIU Yuguo1，LU Wei1，YU Jie1，ZHANG Yongjian2，QIU Yuwei2，JI Renjie2

（1. Research Institute of Petroleum Engineering Technology，Shengli Oilfield Branch，China Petroleum amp; Chemical Corporation，Dongying 257000，China； 2. China University of Petroleum （East China），Qingdao 266580，China）

Abstract： During the downhole process of an oil well， the casing tongs can damage the connecting thread of the casing. After a long time in the well， the casing is easily corroded， which makes it difficult to untie the casing during the replacement process， and the casing needs to be cut quickly. However， the limited space for wellhead operations restricts existing casing replacement methods due to their high cost， long cycle， tight power， and prohibition of open flames at the oilfield production site. To address this issue， this paper has proposed a wellhead cutting device for shallow casing replacement， which consists of four parts： centralizing mechanism， cutting mechanism， transmission mechanism， and cutting tool. The main parts were analyzed by software such as ANSYS， and the results show that the device has the advantages of small size， fast installation， safe and reliable cutting work， and high cutting efficiency. It enables quick cutting of casings， improves operational efficienc， and reduces costs.

Key words： cutting device；cutting speed；oil casing；stress distribution.

鉆井達(dá)到設(shè)計(jì)深度后，下入套管后環(huán)空注入水泥，封固套管與井壁之間的環(huán)形空間，起到支撐井壁、防止坍塌、避免層間干擾等作用。隨著套管服役年限延長(zhǎng)，受地層水、溶解氧、硫酸鹽等腐蝕作用影響，油水井淺層套管（水泥返高以上）出現(xiàn)套管破裂、連片腐蝕穿孔等現(xiàn)象，目前較為徹底的治理手段為更換破損套管，即取換套技術(shù)［1］。在取換套作業(yè)中，井內(nèi)取出的舊套管存在無(wú)法卸扣的情況，需要對(duì)套管進(jìn)行迅速的切割處理，以完成更換套管的操作。但由于井口作業(yè)空間有限且油田生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)不能出現(xiàn)明火，迫切需要一種安全高效的井口套管切割裝置。

目前，套管切割技術(shù)包括化學(xué)切割、聚能爆炸切割、磨料水射流切割以及金剛石繩鋸切割等多種類(lèi)型。化學(xué)切割是一種利用化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的高溫高壓化學(xué)腐蝕劑將套管切斷的切割技術(shù)，該技術(shù)需要使用對(duì)人體和環(huán)境產(chǎn)生強(qiáng)烈破壞性和傷害性的化學(xué)藥劑，因此該技術(shù)的應(yīng)用受到限制［2］。聚能爆炸切割是一種利用炸藥爆破產(chǎn)生的能量將套管切斷的方法［3］。目前最常用的爆破方法是在爆破切割器內(nèi)熔鑄黑梯炸藥原物質(zhì)，然后將爆破切割器安裝固定在套管待切割位置，引爆原物質(zhì)，利用爆炸產(chǎn)生的高壓高溫射流來(lái)完成套管的切割，聚能爆炸切割后的套管斷面極其不規(guī)則，炸藥用量也難以控制［4］。磨料水射流切割技術(shù)誕生于上個(gè)世紀(jì)八十年代，該技術(shù)將磨料顆粒引入高壓高速水射流中，高壓水用于給磨料顆粒加速，但是磨料水射流切割過(guò)程中常需要幾百兆帕的壓力，在使用過(guò)程中存在安全隱患［5］。金剛石繩鋸切割是將金剛石繩鋸切割工具固定在套管外壁，通過(guò)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)鋼絲繩在套管外壁循環(huán)往復(fù)切割并沿徑向進(jìn)給，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)套管的完整切割，由于切割前需要將金剛石切割繩進(jìn)行固定和張緊，因此只能從套管外部進(jìn)行切割，裝置體積較大，切割效率較低［6，7］。

為克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，本文設(shè)計(jì)了一種淺層取換套修井作業(yè)的井口套管切割裝置，主要包括扶正機(jī)構(gòu)、切割機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、切割刀具四部分，用于修井取換套作業(yè)中，使其能夠適用于井口的作業(yè)空間，具有適用范圍廣、切割效果好、操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，可以為油田生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的套管切割作業(yè)提供一種新的解決方案，能夠較好地滿(mǎn)足油田現(xiàn)場(chǎng)的使用需求。

1 套管切割裝置總體方案設(shè)計(jì)

淺層取換套修井作業(yè)的井口套管切割裝置的具體結(jié)構(gòu)如圖1示，本裝置包括扶正機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、切割機(jī)構(gòu)、切割刀具四部分。扶正機(jī)構(gòu)包括上、下兩套扶正夾緊機(jī)構(gòu)，兩套扶正夾緊機(jī)構(gòu)分別固定在扶正機(jī)構(gòu)連接框架的兩端且位于周向送刀機(jī)構(gòu)和徑向送刀機(jī)構(gòu)的上下兩側(cè)，均包括夾緊液壓缸和兩個(gè)夾緊瓣，兩個(gè)夾緊瓣分別與夾緊液壓缸的活塞桿和液壓缸底座連接，兩個(gè)夾緊瓣能夠跟隨夾緊液壓缸的伸縮來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)待切割套管的夾緊和松開(kāi)；切割機(jī)構(gòu)中包含有切割刀，切割機(jī)構(gòu)包括周向送刀機(jī)構(gòu)和徑向送刀機(jī)構(gòu)，徑向送刀機(jī)構(gòu)固定在周向送刀機(jī)構(gòu)的下方；切割刀固定在徑向送刀機(jī)構(gòu)中切割驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)的輸出軸外面，切割刀能夠跟隨徑向送刀液壓缸的活塞桿進(jìn)刀和退刀；傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括兩套液壓馬達(dá)、齒輪軸、主動(dòng)變速齒輪、從動(dòng)變速齒輪、開(kāi)口齒圈，液壓馬達(dá)提供動(dòng)力，帶動(dòng)主動(dòng)變速齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，主動(dòng)變速齒輪和從動(dòng)變速齒輪嚙合，跟隨液壓馬達(dá)做正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，完成開(kāi)口齒圈的旋轉(zhuǎn)。

由于本裝置采用了新型的液壓同步傳動(dòng)方式，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中的液壓馬達(dá)在間接驅(qū)動(dòng)開(kāi)口齒圈的過(guò)程中無(wú)需改變轉(zhuǎn)動(dòng)方向即可使開(kāi)口齒圈旋轉(zhuǎn)一周。如圖2，采用了液壓同步控制的三套切割刀具，本裝置具有切割效率高、切割作業(yè)穩(wěn)定、施工安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。操作方便，易于實(shí)現(xiàn)過(guò)載保護(hù)，噪音低，加工精度高，切口表面質(zhì)量好。

本裝置裝配三套裝有切割刀的徑向送刀機(jī)構(gòu)、上下兩套套管夾緊機(jī)構(gòu)和一套周向送刀機(jī)構(gòu)，套管切割作業(yè)流程如圖3所示。

2 主要部件設(shè)計(jì)

傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要作用是將液壓馬達(dá)提供的動(dòng)力傳遞到切割刀具，以驅(qū)動(dòng)切割刀具進(jìn)行切割，直接影響著套管切割裝置的工作效率和切割質(zhì)量，需要具備較高的精度和可靠性，同時(shí)在切割機(jī)構(gòu)工作過(guò)程中，齒輪的磨損情況比較嚴(yán)重；切割機(jī)構(gòu)主要實(shí)現(xiàn)刀具的旋轉(zhuǎn)和進(jìn)給，以及切割部分圍繞待切割套管旋轉(zhuǎn)的功能，直接影響套管切割裝置的切割質(zhì)量和效率。因此，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和切割機(jī)構(gòu)是整個(gè)切割裝置的關(guān)鍵核心部件，需要對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。

2.1 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

2.1.1 周向送刀機(jī)構(gòu)傳動(dòng)設(shè)計(jì)

針對(duì)不同尺寸套管的夾緊、切割等動(dòng)作，對(duì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，本裝置能夠適用于139.7 mm、177.8 mm的套管切割。常用的P110套管的許用擠壓應(yīng)力為580 N/mm2，切割刀具厚度為1.6 mm，刀具與套管的接觸面積為1 mm2，齒圈的扭矩為96 N·m，取齒圈轉(zhuǎn)速0.15 r/min［8］。依據(jù)負(fù)載轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速選擇液壓馬達(dá)，選擇柱塞馬達(dá)JM，其轉(zhuǎn)速范圍為3～1 250 r/min，扭矩范圍為26～23 521 N·m 。

2.2 切割機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

切割機(jī)構(gòu)如圖4所示，包括液壓馬達(dá)、液壓缸、切割刀具、刀具夾持機(jī)構(gòu)、馬達(dá)承重架、液壓缸架等組成。此機(jī)械結(jié)構(gòu)可適用于139.7 mm、177.8 mm套管的切割，具有高效、穩(wěn)定、精確的切割性能。

設(shè)計(jì)切割機(jī)構(gòu)時(shí)，需將切割機(jī)構(gòu)的質(zhì)量、阻尼、剛度等折算到液壓缸的輸出端。液壓缸驅(qū)動(dòng)切割機(jī)構(gòu)作直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，可將切割機(jī)構(gòu)的實(shí)際質(zhì)量、阻尼和剛度直接代入計(jì)算。液壓缸驅(qū)動(dòng)平面轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)時(shí)，由于切割刀具沒(méi)有與液壓缸直接連接，需要對(duì)負(fù)載進(jìn)行等效折算［12］。

求得液壓缸的固有頻率？棕h=25 Hz。結(jié)合刀具的類(lèi)型和材料、刀具的幾何參數(shù)、套管的材料和尺寸、切割速度和進(jìn)給速度理論分析和相關(guān)計(jì)算公式，給定液壓缸系統(tǒng)模型的主要參數(shù)如表2所示［13］。

由于采用雙液壓馬達(dá)同步控制，根據(jù)開(kāi)口齒圈的轉(zhuǎn)速v0=0.15 r/min來(lái)計(jì)算開(kāi)口齒圈旋轉(zhuǎn)一周所需要的時(shí)間由公式（13）確定：

t0=（13）

由式（13）可得：開(kāi)口齒圈旋轉(zhuǎn)一周的時(shí)間t0=6.667 min，此時(shí)液壓缸的液壓桿進(jìn)給距離由公式（14）確定：

dr=vt0（14）

求得：dr=0.08 m＜0.09 m，液壓缸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)符合要求。

3 套管切割裝置關(guān)鍵零件強(qiáng)度校核

切割裝置在工作的過(guò)程中，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中的齒輪軸在高速旋轉(zhuǎn)，受力情況復(fù)雜，齒輪的工作時(shí)間長(zhǎng)，磨損嚴(yán)重；背板通過(guò)焊接的方式下掛于大齒圈，切割裝置由大齒圈承重，所以背板是切割部分裝置的主要承重結(jié)構(gòu)，受到來(lái)自大齒圈的反作用力和反作用力矩。因此套管切割裝置中的齒輪軸、背板的強(qiáng)度較為重要，需要對(duì)齒輪軸、背板進(jìn)行受力分析與校核。

3.1 齒輪軸的強(qiáng)度校核

齒輪軸作為傳動(dòng)部分的關(guān)鍵零件，材料采用40Cr，調(diào)質(zhì)處理至HRC50～55，材料的性能參數(shù)如表3所示［14］，由于齒輪傳動(dòng)的失效形式主要存在輪齒折斷和齒面損傷兩種類(lèi)型，因此在對(duì)齒輪進(jìn)行有限元分析時(shí)，輪齒處不能簡(jiǎn)化且網(wǎng)格劃分應(yīng)比較精細(xì)。齒輪的心部由于應(yīng)力較小，可以對(duì)其進(jìn)行一定的簡(jiǎn)化處理。

在工作中馬達(dá)提供的扭矩傳遞齒輪軸給再帶動(dòng)切割刀，完成切割套管一周的任務(wù)。其物理模型如圖5所示，將模型導(dǎo)入至有限元分析軟件ANSYS Workbench中，采用Static Structural對(duì)模型進(jìn)行瞬態(tài)分析，確定齒輪軸與開(kāi)口齒圈的接觸面，并按照“四面體”的網(wǎng)格劃分方法對(duì)主動(dòng)軸兩處鍵的側(cè)面和鍵退刀槽處的網(wǎng)格細(xì)化處理后再進(jìn)行網(wǎng)格劃分，摩擦因數(shù)設(shè)為0.15，法向剛度系數(shù)設(shè)為1［15］。

在切割過(guò)程中，液壓馬達(dá)通過(guò)鍵將動(dòng)力傳輸?shù)烬X輪軸并作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)帶動(dòng)開(kāi)口齒圈轉(zhuǎn)動(dòng)，齒輪軸在這個(gè)過(guò)程中受到來(lái)自液壓馬達(dá)傳遞到鍵的作用力和作用力矩以及開(kāi)口齒圈的反作用力和反作用力矩。因此，在鍵的側(cè)面添加1 800 N·m的主動(dòng)力矩，在軸上齒輪處添加與主動(dòng)力矩大小相等、方向相反的阻力矩，在主動(dòng)軸與軸承配合的表面添加圓柱約束，最后進(jìn)行求解。

應(yīng)力分布仿真結(jié)果如圖6所示，應(yīng)變分布仿真結(jié)果如圖7。

由圖6可知，齒輪軸的應(yīng)力分布較為復(fù)雜，最大應(yīng)力集中在鍵槽與齒輪退刀槽處，其余位置應(yīng)力較小，最大應(yīng)力為0.63 MPa ，遠(yuǎn)低于材料的許用應(yīng)力211.1 MPa ，因此在切割過(guò)程中不會(huì)導(dǎo)致材料的破壞或失效。從圖7中可以看出應(yīng)變分布情況與應(yīng)力分布情況類(lèi)似，進(jìn)一步確認(rèn)了齒輪軸退刀槽位置的應(yīng)力和應(yīng)變集中現(xiàn)象，最大值為3.60×10-6，其他區(qū)域的應(yīng)變值相對(duì)較小，表明主動(dòng)軸在切割過(guò)程中的整體變形較為有限。

在切割裝置工作過(guò)程中，齒輪軸的應(yīng)力和應(yīng)變都處于安全范圍內(nèi)，未超過(guò)材料的許用應(yīng)力和變形限制。因此，切割裝置的主動(dòng)軸結(jié)構(gòu)在工作時(shí)是安全可靠的，滿(mǎn)足使用要求。

3.2 背板的有限元仿真分析

背板作為主要的承重結(jié)構(gòu)，采用45#鋼，材料的性能參數(shù)如表4所示，其物理模型如圖8所示。

將模型導(dǎo)入至有限元分析軟件ANSYS Workbench 中，將網(wǎng)格劃分方法改為“四面體”并對(duì)背板與上支撐板和與大齒圈配合的表面的網(wǎng)格細(xì)化處理后再進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在背板與上支撐板的端面添加1 000 N的軸向力，在與大齒圈配合的面添加1 500 N的切向力，在與上支撐板焊接處添加固定約束，在與螺釘配合的表面添加固定約束，最后進(jìn)行求解，即可得到背板在切割過(guò)程應(yīng)力和應(yīng)變分布圖，應(yīng)力仿真結(jié)果如圖9所示，應(yīng)變仿真結(jié)果如圖10所示。

由圖9可以看出，背板板面應(yīng)力分布較均勻，且應(yīng)力較小，最大應(yīng)力集中在筋板處，為0.62 MPa，遠(yuǎn)低于材料的許用應(yīng)力200 MPa，因此在切割過(guò)程中不會(huì)導(dǎo)致材料的破壞或失效。從圖10中可以看出應(yīng)變分布情況與應(yīng)力分布情況類(lèi)似，進(jìn)一步確認(rèn)了背板筋板處的應(yīng)力和應(yīng)變集中現(xiàn)象，最大值為4.21×10-6，其他區(qū)域的應(yīng)變值相對(duì)較小，表明背板在切割過(guò)程中的整體變形較為有限。

在切割裝置工作過(guò)程中，背板的應(yīng)力和應(yīng)變都處于安全范圍內(nèi)，未超過(guò)材料的許用應(yīng)力和變形限制。因此，背板在工作時(shí)是安全可靠的，滿(mǎn)足使用要求。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)石油井中套管下井過(guò)程中卸扣難的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一套淺層取換套修井作業(yè)的井口切割裝置，該裝置包括扶正機(jī)構(gòu)、切割機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、切割刀具四部分。對(duì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、切割機(jī)構(gòu)等進(jìn)行了設(shè)計(jì)，對(duì)齒輪軸、背板等進(jìn)行了校核，結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的裝置工作可靠、適應(yīng)性強(qiáng)，能夠快速切割套管。

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