淺層取換套修井作業的井口切割裝置設計與分析

摘要：在油井下井過程中，套管鉗會對套管的連接螺紋產生損傷，套管在井中也容易受到腐蝕，導致取換過程中套管卸扣困難，需要對套管進行迅速的切割處理。然而，由于井口作業的空間有限，現有的套管取換方法費用高、周期長、動力緊張且油田生產現場不能出現明火。基于此，設計一種包括扶正機構、切割機構、傳動機構、切割刀具四部分的淺層取換套修井作業的井口切割裝置。通過ANSYS等軟件對主要零部件進行分析，結果表明：該裝置具有體積小、安裝方便、切割工作安全可靠、切割效率高等優點，可實現快速切割套管的功能，從而提高作業效率，降低成本。

關鍵詞：切割裝置；切割速度；套管；應力分布

中圖分類號：TE921. 4 " " " "文獻標志碼：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.

鉆井達到設計深度后，下入套管后環空注入水泥，封固套管與井壁之間的環形空間，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，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）出現套管破裂、連片腐蝕穿孔等現象，目前較為徹底的治理手段為更換破損套管，即取換套技術［1］。在取換套作業中，井內取出的舊套管存在無法卸扣的情況，需要對套管進行迅速的切割處理，以完成更換套管的操作。但由于井口作業空間有限且油田生產現場不能出現明火，迫切需要一種安全高效的井口套管切割裝置。

目前，套管切割技術包括化學切割、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型。化學切割是一種利用化學反應產生的高溫高壓化學腐蝕劑將套管切斷的切割技術，該技術需要使用對人體和環境產生強烈破壞性和傷害性的化學藥劑，因此該技術的應用受到限制［2］。聚能爆炸切割是一種利用炸藥爆破產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熔鑄黑梯炸藥原物質，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，利用爆炸產生的高壓高溫射流來完成套管的切割，聚能爆炸切割后的套管斷面極其不規則，炸藥用量也難以控制［4］。磨料水射流切割技術誕生于上個世紀八十年代，該技術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程中常需要幾百兆帕的壓力，在使用過程中存在安全隱患［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，通過馬達驅動鋼絲繩在套管外壁循環往復切割并沿徑向進給，最終實現對套管的完整切割，由于切割前需要將金剛石切割繩進行固定和張緊，因此只能從套管外部進行切割，裝置體積較大，切割效率較低［6，7］。

為克服現有技術存在的缺陷，本文設計了一種淺層取換套修井作業的井口套管切割裝置，主要包括扶正機構、切割機構、傳動機構、切割刀具四部分，用于修井取換套作業中，使其能夠適用于井口的作業空間，具有適用范圍廣、切割效果好、操作簡便等優點，可以為油田生產現場的套管切割作業提供一種新的解決方案，能夠較好地滿足油田現場的使用需求。

1 套管切割裝置總體方案設計

淺層取換套修井作業的井口套管切割裝置的具體結構如圖1示，本裝置包括扶正機構、傳動機構、切割機構、切割刀具四部分。扶正機構包括上、下兩套扶正夾緊機構，兩套扶正夾緊機構分別固定在扶正機構連接框架的兩端且位于周向送刀機構和徑向送刀機構的上下兩側，均包括夾緊液壓缸和兩個夾緊瓣，兩個夾緊瓣分別與夾緊液壓缸的活塞桿和液壓缸底座連接，兩個夾緊瓣能夠跟隨夾緊液壓缸的伸縮來實現對待切割套管的夾緊和松開；切割機構中包含有切割刀，切割機構包括周向送刀機構和徑向送刀機構，徑向送刀機構固定在周向送刀機構的下方；切割刀固定在徑向送刀機構中切割驅動液壓馬達的輸出軸外面，切割刀能夠跟隨徑向送刀液壓缸的活塞桿進刀和退刀；傳動機構包括兩套液壓馬達、齒輪軸、主動變速齒輪、從動變速齒輪、開口齒圈，液壓馬達提供動力，帶動主動變速齒輪轉動，主動變速齒輪和從動變速齒輪嚙合，跟隨液壓馬達做正轉和反轉運動，完成開口齒圈的旋轉。

由于本裝置采用了新型的液壓同步傳動方式，傳動機構中的液壓馬達在間接驅動開口齒圈的過程中無需改變轉動方向即可使開口齒圈旋轉一周。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、切割作業穩定、施工安全可靠等優點。操作方便，易于實現過載保護，噪音低，加工精度高，切口表面質量好。

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

2 主要部件設計

傳動機構主要作用是將液壓馬達提供的動力傳遞到切割刀具，以驅動切割刀具進行切割，直接影響著套管切割裝置的工作效率和切割質量，需要具備較高的精度和可靠性，同時在切割機構工作過程中，齒輪的磨損情況比較嚴重；切割機構主要實現刀具的旋轉和進給，以及切割部分圍繞待切割套管旋轉的功能，直接影響套管切割裝置的切割質量和效率。因此，傳動機構和切割機構是整個切割裝置的關鍵核心部件，需要對其進行詳細設計。

2.1 傳動機構的設計

2.1.1 周向送刀機構傳動設計

針對不同尺寸套管的夾緊、切割等動作，對傳動機構進行了優化設計，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，取齒圈轉速0.15 r/min［8］。依據負載轉矩轉速選擇液壓馬達，選擇柱塞馬達JM，其轉速范圍為3～1 250 r/min，扭矩范圍為26～23 521 N·m 。

2.2 切割機構的設計

切割機構如圖4所示，包括液壓馬達、液壓缸、切割刀具、刀具夾持機構、馬達承重架、液壓缸架等組成。此機械結構可適用于139.7 mm、177.8 mm套管的切割，具有高效、穩定、精確的切割性能。

設計切割機構時，需將切割機構的質量、阻尼、剛度等折算到液壓缸的輸出端。液壓缸驅動切割機構作直線運動，可將切割機構的實際質量、阻尼和剛度直接代入計算。液壓缸驅動平面轉動機構時，由于切割刀具沒有與液壓缸直接連接，需要對負載進行等效折算［12］。

求得液壓缸的固有頻率？棕h=25 Hz。結合刀具的類型和材料、刀具的幾何參數、套管的材料和尺寸、切割速度和進給速度理論分析和相關計算公式，給定液壓缸系統模型的主要參數如表2所示［13］。

由于采用雙液壓馬達同步控制，根據開口齒圈的轉速v0=0.15 r/min來計算開口齒圈旋轉一周所需要的時間由公式（13）確定：

t0=（13）

由式（13）可得：開口齒圈旋轉一周的時間t0=6.667 min，此時液壓缸的液壓桿進給距離由公式（14）確定：

dr=vt0（14）

求得：dr=0.08 m＜0.09 m，液壓缸結構設計符合要求。

3 套管切割裝置關鍵零件強度校核

切割裝置在工作的過程中，傳動機構中的齒輪軸在高速旋轉，受力情況復雜，齒輪的工作時間長，磨損嚴重；背板通過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構，受到來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、背板的強度較為重要，需要對齒輪軸、背板進行受力分析與校核。

3.1 齒輪軸的強度校核

齒輪軸作為傳動部分的關鍵零件，材料采用40Cr，調質處理至HRC50～55，材料的性能參數如表3所示［14］，由于齒輪傳動的失效形式主要存在輪齒折斷和齒面損傷兩種類型，因此在對齒輪進行有限元分析時，輪齒處不能簡化且網格劃分應比較精細。齒輪的心部由于應力較小，可以對其進行一定的簡化處理。

在工作中馬達提供的扭矩傳遞齒輪軸給再帶動切割刀，完成切割套管一周的任務。其物理模型如圖5所示，將模型導入至有限元分析軟件ANSYS Workbench中，采用Static Structural對模型進行瞬態分析，確定齒輪軸與開口齒圈的接觸面，并按照“四面體”的網格劃分方法對主動軸兩處鍵的側面和鍵退刀槽處的網格細化處理后再進行網格劃分，摩擦因數設為0.15，法向剛度系數設為1［15］。

在切割過程中，液壓馬達通過鍵將動力傳輸到齒輪軸并作旋轉運動，同時帶動開口齒圈轉動，齒輪軸在這個過程中受到來自液壓馬達傳遞到鍵的作用力和作用力矩以及開口齒圈的反作用力和反作用力矩。因此，在鍵的側面添加1 800 N·m的主動力矩，在軸上齒輪處添加與主動力矩大小相等、方向相反的阻力矩，在主動軸與軸承配合的表面添加圓柱約束，最后進行求解。

應力分布仿真結果如圖6所示，應變分布仿真結果如圖7。

由圖6可知，齒輪軸的應力分布較為復雜，最大應力集中在鍵槽與齒輪退刀槽處，其余位置應力較小，最大應力為0.63 MPa ，遠低于材料的許用應力211.1 MPa ，因此在切割過程中不會導致材料的破壞或失效。從圖7中可以看出應變分布情況與應力分布情況類似，進一步確認了齒輪軸退刀槽位置的應力和應變集中現象，最大值為3.60×10-6，其他區域的應變值相對較小，表明主動軸在切割過程中的整體變形較為有限。

在切割裝置工作過程中，齒輪軸的應力和應變都處于安全范圍內，未超過材料的許用應力和變形限制。因此，切割裝置的主動軸結構在工作時是安全可靠的，滿足使用要求。

3.2 背板的有限元仿真分析

背板作為主要的承重結構，采用45#鋼，材料的性能參數如表4所示，其物理模型如圖8所示。

將模型導入至有限元分析軟件ANSYS Workbench 中，將網格劃分方法改為“四面體”并對背板與上支撐板和與大齒圈配合的表面的網格細化處理后再進行網格劃分，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，最后進行求解，即可得到背板在切割過程應力和應變分布圖，應力仿真結果如圖9所示，應變仿真結果如圖10所示。

由圖9可以看出，背板板面應力分布較均勻，且應力較小，最大應力集中在筋板處，為0.62 MPa，遠低于材料的許用應力200 MPa，因此在切割過程中不會導致材料的破壞或失效。從圖10中可以看出應變分布情況與應力分布情況類似，進一步確認了背板筋板處的應力和應變集中現象，最大值為4.21×10-6，其他區域的應變值相對較小，表明背板在切割過程中的整體變形較為有限。

在切割裝置工作過程中，背板的應力和應變都處于安全范圍內，未超過材料的許用應力和變形限制。因此，背板在工作時是安全可靠的，滿足使用要求。

4 結語

針對石油井中套管下井過程中卸扣難的問題，設計了一套淺層取換套修井作業的井口切割裝置，該裝置包括扶正機構、切割機構、傳動機構、切割刀具四部分。對傳動機構、切割機構等進行了設計，對齒輪軸、背板等進行了校核，結果表明所設計的裝置工作可靠、適應性強，能夠快速切割套管。

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