修井用雙活塞驅動式小油管內割刀設計及試驗

基金項目：中國海洋石油集團有限公司“十四五”重大科技項目“海上油田鉆完修井關鍵工具研發與應用”（E-23238006）。

為解決修井作業中小油管內割刀切割效率低和壓力不穩定的問題，提出了雙活塞驅動式小油管內割刀結構。對工具結構和工作原理進行了介紹，對雙活塞和割刀刀具等關鍵結構進行了設計，并對割刀本體開展了力學仿真分析，研究其關鍵部位受力情況；通過地面試驗驗證了雙活塞割刀的性能和應用效果。研究結果表明：螺紋根部最大應力為225 MPa，割刀安裝位置最大應力為212 MPa，螺紋孔應力為206 MPa，活塞接觸面最大應力為159 MPa，割刀本體整體應力分布較均勻；單活塞切割?73.00 mm油管時長為269 s，雙活塞切割時長為181 s，切割時長縮短32%；雙活塞割刀刀具磨損較輕，油管切割斷口光滑平整。試驗結果說明雙活塞驅動式割刀切割效率和切割穩定性提升顯著。研究結果可為修井現場油管切割作業提供理論和技術支撐。

小油管切割；內割刀；雙活塞；仿真分析；試驗驗證

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

隨著國內油氣勘探開發力度的持續擴大，井下開采作業增多，大量油田開發進入中后期，油管和套管的切割大修需求增加，穩定高效地開展修井切割作業至關重要^［1-2］。相比爆炸切割和化學切割，機械式水力切割以其結構簡單、安全可靠和應用廣泛等特點更適合小油管切割作業^［3］。現場油管切割時，小油管內割刀常常無法提供有效的推力來推動割刀張開，割刀切削效率較低；而增大活塞推力就必須減小噴嘴尺寸，但會對環空流體產生不利影響^［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行分段切割打撈，并對比優選出合適的水力割刀切割工藝。華澤君等^［6］對割刀的結構和組件進行了優化設計與選材，制定了適用于?73.00 mm油管的小尺寸水力內割刀。宋國超^［7］提出了水力式割刀的割撈一體技術工藝，但該工藝對井下細節要求太高。張新平等^［8］設計了大尺寸水力內割刀雙層套管結構，改善割刀切割時震動強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，適用于復雜管柱的切割。李迎^［11］設計了帶壓降指示器的水力式套管單管割刀，切割穩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行了改進，將推刀初始角度修改為10.56°，在大井斜切割中成功率達到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系式，并通過數學模型得出影響工具切割效率的主要因素是切割扭矩和轉速。上述研究多是針對切割工藝方法或割刀刀具結構進行優化設計，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小油管內割刀工具為研究對象，在傳統油管內割刀的基礎上創新性地提出了雙活塞驅動式內割刀，對雙活塞和刀具結構設計進行分析；然后對割刀本體開展力學仿真模擬，分析關鍵部位受力情況；最后進行地面試驗以分析雙活塞和單活塞內割刀切割性能。研究結果可為井下油管切割工具研究提供新思路。

1 技術分析

1.1 內割刀結構及工作原理

雙活塞驅動式小油管內割刀工具結構如圖1所示。該工具主要包括上接頭、復位彈簧、活塞限位軸、增強活塞、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。

雙活塞驅動式小油管內割刀的工作原理為：流體從上接頭進口進入割刀，穿過增強活塞和活塞內孔后形成節流壓差，壓差作用到活塞底面，進而推動增強活塞，并壓縮復位彈簧進行軸向移動，推塊與活塞通過內六角螺釘連接，因此活塞將帶動推塊移動，推塊則推動割刀向外伸出；為保證推塊推出割刀時受力均勻，將3個推塊均勻分布在活塞四周；割刀切割完成后，地面停泵泄壓，割刀內部的節流壓差作用消失，彈簧回彈推動增強活塞和活塞向下移動，割刀收回。

1.2 雙活塞結構設計

基于單活塞式割刀結構設計了雙活塞結構，如圖2所示。

雙活塞結構主要包括活塞、增強活塞和復位彈簧。活塞式割刀結構采用流體進行驅動并推動內割刀伸出，在小油管切割作業時，水眼孔較小，與活塞之間無法形成足夠的推力推動割刀，同時在驅動割刀長期運轉過程中，活塞與割刀本體會產生磨損，活塞密封性能減弱，導致割刀內部壓力不穩定。在此基礎上，增強活塞的設計可以增大活塞推力，能夠阻斷活塞泄漏出的流體并進行二次密封；同時，雙活塞設計也能使割刀結構運行時保持較高的同心度，提高活塞工作效率。

油管割斷后需要泄壓以收回割刀，通過復位彈簧回彈作用于增強活塞和活塞，進而推動割刀復位，因此需要考慮復位彈簧的回彈力和材料性能，保證割刀回到收回狀態。復位彈簧參數如表1所示。

1.3 刀具結構設計

內割刀刀具結構如圖3所示。刀具組件主要由止推塊、刀片和扭簧構成。刀具組件通過內六角螺

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

割刀主要零部件材料選用4145H合金結構鋼，并對材料進行調質處理，以增強工具的強度并延長使用壽命。刀具組件中的割刀刀片采用WC復合焊棒材料^［14］，該材料具備強度高、韌性好的特點，能夠適應井下復雜的流體環境。割刀材料中的WC質量分數達到75%，能夠抵御流體中各種混合物產生的磨損和沖擊。割刀設計參數如下：外徑44.45 mm，內徑7.14 mm，最小拉伸屈服強度758 MPa，最小剪切屈服強度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 割刀本體力學仿真分析

為研究雙活塞驅動式小油管內割刀關鍵部件的受力情況，為后續試驗及現場應用提供參考，對割刀本體進行了力學仿真模擬研究。

2.1 模型建立

利用SolidWorks軟件構建雙活塞驅動式小油管內割刀本體的三維實體模型，導入ABAQUS有限元軟件中進行力學仿真模擬。模型材料參數如下：密度 7 820 kg/m³，彈性模量206 GPa，泊松比0.29，熱導率44 W/（m·K），熱膨脹系數1.3×10^-5 m/K，屈服強度758 MPa。

本體割刀安裝位置以下設置為完全固定約束，在本體內螺紋處施加工具設計時的最大拉力234 kN，通過應力分布進行評估，評估結果取決于結構類型、網格離散化和本構模型^［15］。

目前，非結構化網格的生成和使用在有限元力學分析中非常普遍，其對不規則結構或復雜空間形態的模型求解具有更好的適應性和靈活性^［16］，因此對割刀本體采用了非結構化網格與結構化網格結合方式，并對割刀安裝位置進行網格細化，如圖5所示。

2.2 仿真結果分析

圖6為割刀本體的整體及剖視全局應力云圖。由圖6可以看出，端面的應力最小，活塞接觸面應力較大，左側螺紋連接根部、中間螺紋孔和右側割刀安裝位置應力集中較明顯，其中左側螺紋連接處應力最大，應力值為225 MPa。活塞和割刀裝配在本體上，雙活塞的往復移動和割刀的旋轉會讓本體受到額外的應力和應變^［17］，因此下面將對本體不同截面受力進行分析。

圖7為割刀本體不同截面的應力云圖。

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截面為活塞與增強活塞連接位置。由圖7可知：A截面處應力在100 MPa以下，因為其受到的外部載荷較小，所以應力集中較輕；B截面應力為20～150 MPa，因為雙活塞割刀結構復雜，在外部載荷作用下導致應力分布不均勻；C截面應力在110～212 MPa，因為該區域結構形狀設計多變，在結構過渡部分應力集中效應顯著^［18］ ；D截面整體受力均勻，應力小于100 MPa，同時與活塞接觸的3個推塊在本體周向均勻布置，可以優化割刀運行中力的傳遞和分布，避免應力集中過大。

圖8為割刀本體不同角度的應力云圖。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，割刀安裝區域整體應力沿周向分布一致，最高應力值為212 MPa，活塞接觸面應力為159 MPa，螺紋孔應力約206 MPa。割刀安裝區域在割刀運行時會承受較高的載荷，因為割刀旋轉運動和扭簧工作產生了共同作用，同時活塞面的高壓力與割刀動力輸出也相互影響，所以局部產生的應力變化都較大^［19-20］。

3 試驗驗證

3.1 試驗裝置

為測試雙活塞驅動式小油管內割刀結構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臺架，并開展性能測試試驗。圖9為試驗臺架圖。

該試驗臺架主要由水循環系統、壓力監測系統、?73.00 mm N80材質油管和初始外徑為44.45 mm的割刀組成，可以模擬井下割刀切割油管環境，并實時監測割刀內部壓力變化情況。

3.2 試驗結果分析

將水循環系統排量從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定性，分別在割刀接觸油管內壁、割刀開始切割和割刀正式切割時將排量穩定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油管總時間為181 s，單活塞切割?73.00 mm油管總時間為269 s，切割時間縮短32%。

雙活塞割刀在壓力1.61 MPa時割刀少量接觸油管內壁，壓力3.69 MPa時割刀位置固定并開始切割，壓力峰值瞬時達到6.11 MPa時，割刀進入正式切割，隨后壓力穩定在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時割刀少量接觸油管內壁，壓力2.70 MPa時割刀位置固定并開始切割，壓力瞬時峰值達到4.80 MPa時，割刀進入正式切割，隨后壓力值在4.41～4.80 MPa之間波動，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時完全張開，而單活塞割刀在93 s時才完全張開；在正式切割中，單活塞波動較大，切割整體穩定性較差。

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崩碎，刀刃處有明顯凹坑，側面刀尖處磨損嚴重，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，部分邊緣甚至出現翻邊。割刀磨損和油管斷口與壓力變化曲線趨勢一致，單活塞割刀切割時壓力波動大，割刀磨損嚴重，油管斷口較為粗糙。這是因為單活塞推力較小、不穩定，導致割刀旋轉切割油管過程中刀刃受到持續性的突變沖擊力作用，進而引起應力集中和局部破壞，最終發生刀刃崩碎，同時也導致油管切割邊緣粗糙^［21］。

4 結 論

（1）通過對割刀本體仿真分析，得到主要受力點在活塞接觸面、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力最大。

（2）螺紋根部最大應力225 MPa，割刀安裝位置最大應力212" MPa，螺紋孔最大應力206 MPa，活塞接觸面最大應力159 MPa，本體頭部和尾部應力分布均勻，應力值小于150 MPa。考慮在割刀運行中上述應力會進一步增大，所以實際加工仍需考慮對材料進行強化處理以保障零件使用壽命。

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

（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構可以顯著提升割刀工作效率，保證運行過程中受力均勻穩定。

參考文獻

［1］ 韓同方，馮一璟．套管切割工具割刀的結構優化及試驗研究［J］．石油機械，2022，50（6）：44-49．

HAN T F， FENG Y J.Structural optimization and experimental study on a cutter for casing cutting［J］.China Petroleum Machinery， 2022， 50（6）： 44-49．

［2］ 謝文獻，滕騰，柴德民，等．基于ADAMS的水力式油管切割工具多體動力學研究［J］．石油機械，2019，47（2）：86-90．

XIE W X， TENG T， CHAI D M， et al.Research on multibody dynamics of hydraulic tubing cutting tool［J］.China Petroleum Machinery， 2019， 47（2）： 86-90．

［3］ 蔡燦，曾浪，劉家煒，等．油氣井井下切割技術發展現狀及趨勢［J］．西安石油大學學報（自然科學版），2024，39（1）：89-96， 113．

CAI C， ZENG L， LIU J W， et al.Development status and trend of downhole cutting technology for oil and gas wells［J］.Journal of Xi’an Shiyou University（Natural Science）， 2024， 39（1）： 89-96， 113．

［4］ 劉景超，黃毓祥，魏臣興，等．鍛銑工具活塞力在套管鍛銑中的作用分析［J］．機械工程師，2023（6）：85-87．

LIU J C， HUANG Y X， WEI C X， et al.Function analysis of piston force in casing forging and milling［J］.Mechanical Engineer， 2023（6）： 85-87．

［5］ 謝夢春，劉若愚，劉云，等．小尺寸水力內割刀在防砂管柱分段切割打撈中的應用：以WC19-1-A13井為例［J］．石油工業技術監督，2021，37（12）：67-71．

XIE M C， LIU R Y， LIU Y， et al.Application of small-size hydraulic internal cutter in segmented cutting and fishing of sand control pipe string：taking well WC19-1-A13 as an example［J］.Technology Supervision in Petroleum Industry， 2021， 37（12）： 67-71．

［6］ 華澤君，陳峰，王偉軍．小尺寸油管水力內割刀設計及應用［J］．中國石油和化工標準與質量，2021，41（1）：111-113．

HUA Z J， CHEN F， WANG W J.Design and application of hydraulic internal cutter for small size tubing［J］.China Petroleum and Chemical Standard and Quality， 2021， 41（1）： 111-113．

［7］ 宋國超．割撈一體技術在渤海油田的應用［J］．中國石油石化，2017（10）：73-75．

SONG G C.Application of integrated cutting and fishing technology in Bohai Oilfield［J］.China Petrochem， 2017（10）： 73-75．

［8］ 張新平，李勇，方濤，等．海上油田棄井作業中水力內割刀結構優化與應用［J］．化工管理，2024（6）：131-133．

ZHANG X P， LI Y， FANG T， et al.Structure optimization and application of hydraulic internal cutter for well abandonment operation in offshore oilfield［J］.Chemical Enterprise Management， 2024（6）： 131-133．

［9］ 謝濤，楊紅斌，徐迎新．帶壓切割氣井雙封分壓管柱工藝技術［J］．石油機械，2015，43（8）：107-109．

XIE T， YANG H B， XU Y X.Cutting under pressure technology for the tubing string with dual packer in gas well［J］.China Petroleum Machinery， 2015，43（8）： 107-109．

［10］ 傅景杰，馬認琦，暢元江，等．鏈條式高壓磨料射流外切割執行機構研究［J］．石油機械，2017，45（4）：16-21．

FU J J， MA R Q， CHANG Y J， et al.Study on the chain-type Tool for external cutting based on high pressure abrasive water jet technology［J］.China Petroleum Machinery， 2017， 45（4）： 16-21．

［11］ 李迎．9.625 in套管單管割刀切割應用及優化［J］．中國石油和化工標準與質量，2022，42（8）：135-136，139．

LI Y.Application and optimization of 9.625-inch casing single pipe cutter［J］.China Petroleum and Chemical Standard and Quality， 2022， 42（8）： 135-136， 139．

［12］ 熊燃，張中興，桂鵬，等．提高水平井及大斜度井水力切割作業成功率的現場摸索［J］．中國石油和化工標準與質量，2022，42（23）：151-153．

XIONG R， ZHANG Z X， GUI P， et al.On-site exploration of improving the success rate of hydraulic cutting operations in horizontal and high inclination wells［J］.China Petroleum and Chemical Standard and Quality， 2022， 42（23）： 151-153．

［13］ 楊行，孫巧雷，馮定，等．用于深水套管切割的水力式內切割裝置設計［J］．科學技術與工程，2018，18（25）：45-50．

YANG H， SUN Q L， FENG D， et al.Design of hydraulic internal cutting device for deep water casing cutting［J］.Science Technology and Engineering， 2018， 18（25）： 45-50．

［14］ 段文軍，李貞，王好平，等．盾構滾刀材料表面鎳基碳化鎢涂層摩擦學性能研究［J］．表面技術，2021，50（1）：313-321， 365．

DUAN W J， LI Z， WANG H P， et al.Tribological properties of Ni-based WC coating prepared on shield disc cutter material surface［J］.Surface Technology， 2021， 50（1）： 313-321， 365．

［15］ 符春秀．雙層正交各向異性熱彈性梁的精化分析［D］．鞍山：遼寧科技大學，2023．

FU C X.Refined analysis of double-layer orthotropic thermoelastic beams［D］.Anshan： University of Science and Technology Liaoning， 2023．

［16］ 劉莉，陶亮，孫小明，等．基于ABAQUS的測力車輪有限元建模與試驗［J］．農業機械學報，2020，51（5）：387-394．

LIU L， TAO L， SUN X M， et al.Finite element modeling and testing for force-measuring wheel based on ABAQUS［J］.Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery， 2020， 51（5）： 387-394．

［17］ 李靜，丁明慧，李立剛，等．基于活塞形狀的空氣彈簧動特性分析與參數優化［J］．吉林大學學報（工學版），2018，48（2）：355-363．

LI J， DING M H， LI L G， et al.Dynamic characteristics analysis and optimization of air spring based on the piston shape［J］.Journal of Jilin University（Engineering and Technology Edition）， 2018， 48（2）： 355-363．

［18］ 練章華，梁紅軍，施太和，等．超深井小鉆工具接頭螺紋結構研制與應用［J］．石油鉆采工藝，2016，38（2）：160-165．

LIAN Z H， LIANG H J， SHI T H， et al.Development and application of screw structure of miniature drilling tool for super-deep wells［J］.Oil Drilling amp; Production Technology， 2016， 38（2）： 160-165．

［19］ 伊西鋒，張峰，劉玉國，等．井下油管切割工具的設計與力學分析［J］．油氣井測試，2023，32（6）：20-28．

YI X F， ZHANG F， LIU Y G， et al.Design and mechanical analysis of downhole tubing cutting tool［J］.Well Testing， 2023， 32（6）： 20-28．

［20］ 馮定，孫巧雷，夏成宇，等．氣體鉆井連續循環短節的設計與本體的力學分析［J］．天然氣工業，2016，36（1）：94-98．

FENG D， SUN Q L， XIA C Y， et al.Design of continuous circulating sub for gas drilling and the mechanical analysis on the sub body［J］.Natural Gas Industry， 2016， 36（1）： 94-98．

［21］ 耿少寅，王浩宇，何斌，等．不同NiCr含量的NiCr-Cr₃C₂涂層高溫沖擊磨損行為研究［J］．摩擦學學報，2024，44（9）：1-12．

GENG S Y， WANG H Y， HE B， et al.Impact wear behavior of NiCr-Cr₃C₂ coatings with different NiCr contents at high temperature［J］.Tribology， 2024， 44（9）： 1-12.

第一作者簡介：李勇，高級工程師，生于1986年， 2009年畢業于西安石油大學石油工程專業，現從事井下新技術、新工藝的研發與應用工作，地址：（300459）天津市塘沽區。email：liyong22@cosl.com.cn。

通信作者：康桂蓉，工程師。email：k_guirong@163.com。