水力自旋式可控磨料射流切割装置及其操作方法

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技术领域\n本发明属于水射流技术领域，特别是涉及一种用于处理海洋石油废弃井口的水力自旋 式可控磨料射流切割装置及其操作方法。\n背景技术\n对于海上采油平台水下结构的处理，目前已有很多技术开发出来，但是由于水下的各 种复杂条件，切割施工仍然比较困难，尤其是要按照海洋环境保护法的要求，必须在洋底 泥面以下一定深度处将平台桩腿以及废弃井口完全切除、移走，因此仍然有必要进一步发 展和改进水下切割技术，特别是发展泥下切割技术，这方面的研究目前还属空白。现在已 有的切割技术主要有：热喷枪切割，由于在切割过程中会产生大量的浓烟，它的燃烧速度 使得操作人员要在2～3m距离处来控制，因此热喷枪切割很难控制；钻粒缆切割，多年来 在石油天然气工业中也有所应用，当发生井喷和油井着火时，便需采用该技术进行井口远 程切割但其费用昂贵，且水下操作非常复杂；聚能爆破切割是用来对泥浆管线以下的隔水 套管和小型导管架管道的切除等，但这种爆破方法不能应用于重型钢筋混凝土平台桩腿， 因为炸药喷射的切割效果远不如切割钢板，而使用的炸药数量级却非常大。此外多次水下 爆破对海洋中的动物影响很大，鱼类的鳔对爆破的冲击波非常敏感，因此容易对经济鱼类 的繁殖和生长造成不利影响，同时还造成环境污染；机械割刀水下切割适用于单层管柱的 切割，它可沿管周向对管件进行切割，当遇到多层管柱环形空间内充有水泥环的情况时， 切割效率非常低，而且极容易产生机械故障；磨料射流切割技术的原理是混合有象金刚砂 或石榴石这种非常硬的磨料粒子的高压水射流，利用磨料粒子的硬度及对切割材料的磨蚀 作用，增加纯高压水水射流的切割能力。\n国际上，淹没磨料射流的研究已有过一些成功的例子，1984年，Fluidyne公司发明并 试验了一种新的多股水射流喷嘴，能喷射高能量的磨料水射流。实验表明能在压力为 100MPa(或者更低)时切割许多坚硬物料，喷嘴横移速度大于15cm/min，磨料消耗量小 于1.0Kg/min。用这种喷嘴成功的切割了硬岩、陶瓷、复合材料以及金属物料。1986年， 国内焦作矿业学院对磨料射流切割进行了深入的研究，设法使磨料射流即能有效地与被切 割物体接触而又不降低其速度，据此研究了不同喷射角度下磨料射流的切割能力。80年 代末，德国汉诺威大学利用淹没磨料射流对钢材进行了切割试验，以寻找淹没射流的有效 参数发展。1991年，M.哈希斯实现了345MPa下的磨料浆体射流试验，试验表明高压下 磨料射流的切割效果更好；R.H.Hollinger等针对浆体流变性对切割效果的影响，利用高 速摄影分析射流结构，以及分析切口变化等，发现粘弹性浆体性能优于其他非粘弹性浆体。 目前国内外的这些研究，充分展现了磨料射流在水下的冲蚀性能，极大地丰富了磨料射流 的发展，同时也为新型的加工工艺和增加环境效应提供了新的思路，随着人类开发海洋的 日益兴起，水下切割技术在水下工程中有着广泛的应用前景，是21世纪的关键核心技术 之一。由于水下高压影响以及水下复杂的工作环境，使得传统的加工方法在水下工况应用 时变得越来越困难以至于不能适应了，因此水下磨料射流切割工具及其操作方法已经成为 了各国工程研究人员的热点。本发明也就是在这样的背景之下开展研究的。\n发明内容\n本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种可在井下一定深度将井内套管 沿周向割断、且切口精确干净、不会对海洋环境造成污染的水力自旋式可控磨料射流切割 装置及其操作方法。\n本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：\n一种水力自旋式可控磨料射流切割装置，其特征在于：包括外筒、中心轴、轴承、速 度控制机构、高压防砂机构、切割头以及磨料射流喷嘴，在外筒内安装有中心轴和速度控 制机构，在中心轴上端和中下部分别固装有高压防砂机构，外筒上端与油管连接，下端螺 纹固装有压盖，切割头通过锥管螺纹与延伸出外筒下端的中心轴连接，在切割头的同一水 平面上至少设有四个磨料射流喷嘴，其中两个磨料射流喷嘴轴线与切割头轴心线相交，为 直磨料射流喷嘴，另两个磨料射流喷嘴轴线与切割头轴心线偏移一定的距离，为偏置磨料 射流喷嘴，即为射流反作用力的力偶臂，该力偶臂的范围在100-150mm。\n本发明还可以采用如下技术措施：\n所述速度控制机构是由外筒内腔、均匀分布在中心轴中间突出部分外圆周上的小圆孔 以及外圆的矩形螺纹一起构成。\n所述高压防砂机构包括防尘圈、过滤器、与过滤器螺纹连接的过滤器压盖以及安装在 过滤器和过滤器压盖之间的防砂滤网。\n所述的水力自旋式可控磨料射流切割装置的操作方法，其特征在于：包括如下步骤：\n废弃油井的切割还包括如下常规辅助设备：砂罐车、绞龙、混砂车、压裂车、仪 表车、高压耐磨胶管、井口悬挂装置、井口扶正器、高压油管以及井下扶正器。\n其特征在于：包括如下操作步骤：\nA.在运输船上顺次将水力自旋式可控磨料射流切割装置、井下扶正器、高压油管、 井口扶正器、井口悬挂装置以及高压耐磨胶管连接好，在接头丝扣加密封材料，以防止高 压渗漏；\nB.将上述水力自旋式可控磨料射流切割装置、井下扶正器、高压油管、井口扶正器、 井口悬挂装置以及高压耐磨胶管等下入需切割的废弃井内，并将高压耐磨胶管的上接头与 压裂车连接；\nC.采用高压耐磨胶管将压裂车、混砂车通过油壬连接好，并通过电缆将仪表车和压 裂车连接好；\nD.启动压裂车，先向高压耐磨胶管、高压油管以及水力自旋式可控磨料射流切割装 置内泵入清水，加压至被切割的废弃油井套管所需工作压力，该压力保持在30～50Mpa范 围内，稳压约5分钟；\nE.保持上述压力值稳定，再通过砂罐车、绞龙向混砂车中加入切割砂，经混合后的 高压磨料浆体通过高压耐磨胶管输送到井口悬挂装置、井口扶正器以及高压油管内；\nF.高压磨料浆体通过高压油管进入水力自旋式可控磨料射流切割装置的外筒，其中 一部分高压磨料浆体中的液体经过高压防砂机构过滤后进入中心轴与外筒之间的环形空 间，以保持高压防砂机构中防尘圈上、下的压力平衡，该部分液体由于外筒内部的高压密 封圈作用而不能继续向下流动进入速度控制机构内腔，从而保证防尘圈的摩擦阻力足够 小，而且又能保证速度控制机构能够长时间稳定的工作。其余高压磨料浆体通过中心轴的 内孔流入切割头，进入切割头的高压磨料浆体经磨料射流喷嘴形成高速磨料射流，此时进 入两个偏置磨料射流喷嘴的磨料射流形成的反作用力的作用对切割头产生一个旋转扭矩， 推动切割头及中心轴旋转，通过切割头上的四个磨料射流喷嘴射出的磨料射流对油井套管 沿其周向割断，所述旋转速度由充填在中心轴以及外筒之间增粘剂的粘滞力的大小来控 制。\nG.当压力为30Mpa时，控制切割时间约为10分钟；当压力为50Mpa时，控制切割 时间约为8分钟，当到达预定时间时，停止向混砂车内加砂，并根据井深继续向水力自旋 式可控磨料射流切割装置内泵入清水约15分钟，将井内磨料浆体清洗、替换出来，关闭 压裂车，完成废弃井口的切割。\n切割头的两个偏置磨料射流喷嘴的直径为：2.4mm，另两个直磨料射流喷嘴的直径为 3mm。\n所述的磨料射流喷嘴的旋转速度为：3rpm～30rpm。\n所述的磨料浆体重量百分比浓度为17％～25％。\n所述构成磨料浆体的磨料颗粒粒径为：0.1～0.8mm。\n所述增粘剂选用汽轮机油，其粘度在2～100mm2/s之间。\n本发明具有的优点和积极效果是：由于本发明的切割装置是利用磨料粒子的硬度及对 切割材料的磨蚀作用，增加纯高压水射流的切割能力，可将本装置置入水深为360m～500m 的废弃井内将井内套管沿周向割断，因此可以不受水下复杂切割环境的限制；不仅可避免 聚能爆破切割造成的海洋环境污染，而且不会对海洋中的动物，尤其是经济鱼类的繁殖和 生长产生影响；本装置速度控制机构通过外筒内腔以及中心轴之间充填的特殊增粘剂增加 粘滞阻力来实现旋转速度的控制，它不仅可切割钢管，而且还可切割水泥填充物和钢筋混 凝土结构，保证切口精确、干净；此外本切割装置还具有切割效率高、成本低、结构简单、 使用可靠以及寿命长等特点。\n附图说明\n图1是本发明的结构示意图；\n图2是本发明中心轴及速度控制机构结构示意图；\n图3是本发明的防砂机构示意图；\n图4是本发明切割头结构示意图；\n图5是图4的A-A剖视图；\n图6是本发明磨料射流喷嘴结构示意图。\n图7是本发明切割操作现场示意图。\n图中：1外筒、2高压防砂机构、2-1防尘圈、2-2过滤器、2-3防砂滤网、2-4 过滤器压盖、3轴承、4中心轴、4-1进液孔、5速度控制机构、5-1小圆孔、5-2矩 形螺纹、6外筒压盖、7高压密封圈、8切割头、9直磨料喷嘴、10偏置磨料喷嘴、 11砂罐车、12绞龙、13混砂车、14压裂车、15仪表车、16高压耐磨胶管、17井 口悬挂装置、18井口扶正器、19高压油管、20井下扶正器、21水力自旋式可控磨料 射流切割装置。\n具体实施方式\n为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详 细说明如下：\n请参阅图1-图6，水力自旋式可控磨料射流切割装置，该装置包括外筒1、中心轴4、 轴承3、速度控制机构5、高压防砂机构2、切割头8以及磨料射流喷嘴9、10，在外筒 内安装有中心轴4和速度控制机构5，该轴中心呈中空，中间部分外径凸出，该凸出部分 外圆上设有矩形螺纹，中心轴上端开有4个侧向的长圆进液孔4-1，便于磨料和高压水的 混合物从其中通过，中心轴外表面必须有较高的光洁度和耐磨性，这样可减小摩擦阻力和 防止其外表面被磨料颗粒磨损，所述速度控制机构是由外筒内腔、均匀分布在中心轴中间 凸出部分外圆周上的小圆孔5-1以及外圆的矩形螺纹5-2一起构成，其内装有特殊增粘剂， 通过增粘剂的粘滞阻力来进一步控制中心轴的旋转速度。在中心轴上端和中下部分别固装 有高压防砂机构2，所述高压防砂机构包括防尘圈2-1、过滤器2-2、与过滤器粘接的过滤 器压盖2-4以及安装在过滤器和过滤器压盖之间的防砂滤网2-3，采用不锈钢制作的防砂 滤网通过过滤器压盖压紧在过滤器中。外筒上端与高压油管连接，下端通过螺纹固装有外 筒压盖6，在高压防尘机构与轴承3之间安装有高压密封圈7。切割头8通过锥管螺纹与 延伸出外筒下端的中心轴连接，在切割头的同一水平面上设有四个磨料射流喷嘴并通过螺 纹固装在切割头内，其中两个磨料射流喷嘴轴线与切割头轴心线相交，另两个磨料射流喷 嘴轴线与切割头轴心线偏移一定的距离，该距离即为射流反作用力的力偶臂，该力偶臂的 范围在100-150mm之间。所述磨料射流喷嘴其中两个为偏置磨料射流喷嘴10，另两个 为直磨料射流喷嘴9。\n请参阅图7，水力自旋式可控磨料射流切割装置的操作方法：\n根据所使用的磨料射流发生设备的不同，海洋现场切割可以分成两种方式：一种是采 用油田常用的压裂设备来产生磨料射流；二是采用特制的磨料射流发生装置来产生磨料射 流。本发明现场切割使用的是压裂车方式，因为采用压裂车作为磨料射流的发生装置最大 的好处就是不需要一次投入较多资金，鉴于目前各油田基本都有压裂设备。废弃油井现场 切割包括如下常规辅助设备：砂罐车11、绞龙12、混砂车13、压裂车14、仪表车15、 高压耐磨胶管16、井口悬挂装置17、井口扶正器18、高压油管19以及井下扶正器20。\nA.在运输船上依次将水力自旋式可控磨料射流切割装置21、井下扶正器20、高压 油管19、井口扶正器18、井口悬挂装置17以及高压耐磨胶管16连接好，在接头丝扣加 密封材料，该密封材料可以采用密封脂，也可采用聚四氟乙烯生料带，以防止高压渗漏；\nB.将上述水力自旋式可控磨料射流切割装置21、井下扶正器20、高压油管19、井 口扶正器18、井口悬挂装置17以及高压耐磨胶管16等下入需切割的井内，并将高压耐 磨胶管16的上接头与压裂车14连接；\nC.采用胶管将压裂车14、混砂车13通过油壬连接好，并通过电缆将仪表车15和压 裂车连接好；\nD.启动压裂车，先向高压耐磨胶管16、高压油管19以及水力自旋式可控磨料射流 切割装置21内泵入清水，加压至被切割的油井套管所需工作压力，该压力保持在 30～50Mpa范围内，稳压约5分钟；\nE.保持上述压力值稳定，再通过砂罐车、绞龙向混砂车中加入切割砂，切割砂优选 石榴石，这是因为使用石榴石作磨料时的切割深度明显大于石英砂，而且石榴石的密度和 硬度都较高，对套管的冲蚀能力强，石榴石磨料颗粒粒径为：0.2～0.35mm。经混合后的 浓度为17％～25％磨料浆体通过高压耐磨胶管输送到井口悬挂装置、井口扶正器以及高压 油管内；\nF.将水力自旋式可控磨料射流切割装置21的外筒1上端连接高压油管，混合后的高 压磨料浆体通过高压油管进入水力自旋式可控磨料射流切割装置的外筒，其中一部分高压 磨料浆体中的液体经过高压防砂机构2过滤后进入中心轴4与外筒之间的环形空间，以保 持高压防砂机构中的防尘圈2-1上下压力平衡，该部分液体由于外筒内部的高压密封圈7 作用而不能继续向下流动进入速度控制机构5内腔，其余高压磨料浆体通过中心轴的进液 孔4-1流入切割头8，进入切割头的高压磨料浆体经磨料射流喷嘴形成高速磨料射流，两 个偏置磨料射流喷嘴10的直径为：2.4mm，另两个直磨料射流喷嘴9的直径为3mm。此 时进入两个偏置磨料射流喷嘴10的磨料射流形成的反作用力的作用对切割头产生一个旋 转扭矩，推动切割头及中心轴旋转，通过切割头上的四个磨料射流喷嘴9和10射出的磨 料射流对油井套管沿其周向割断，所述的磨料射流喷嘴的旋转速度为：3rpm～30rpm，这里 优选旋转速度为6rpm，所述旋转速度由充填在中心轴以及外筒之间增粘剂的粘滞力的大 小来控制。所述增粘剂选用汽轮机油，其粘度在2～100mm2/s之间。\nG.当压力为30Mpa时，控制切割时间约为10分钟；当压力为50Mpa时，控制切割 时间约为8分钟，当到达预定时间时，停止向混砂车内加砂，并根据井深继续向水力自旋 式可控磨料射流切割装置内泵入清水约15分钟，将井内磨料浆体清洗、替换出来，关闭 压裂车，完成废弃井口的切割。\n本领域的普通技术人员都会理解，在本发明的保护范围内，对上述实施例进行修改， 添加和替换都是可能的，其都没有超出本发明的保护范围。