连续管磨料射流限速旋转切割工具

摘要

本发明提供了一种连续管磨料射流限速旋转切割工具，连续管磨料射流限速旋转切割工具包括：壳体，具有轴向通孔；芯轴，芯轴套设在该轴向通孔内；限速环，设置在芯轴外表面与该轴向通孔的内壁之间形成的环形密封空腔内，限速环与芯轴固定连接；喷头组件，设置在该壳体外且与芯轴的一端连接，该喷头组件能够驱动该芯轴相对于该壳体转动。本发明的有益效果是，设置限速环，当限速环相对于壳体转动时，由于限速环会切割芯轴与壳体之间的阻尼脂，从而起到对芯轴减速的作用，进而能够达到将喷头组件的转速控制到合适的数值范围内，从而达到提高切割效率和使用寿命的目的。

说明书

技术领域

本发明涉及油、气、水井卡钻作业管柱的切割领域，具体是一种连续管磨料射流 限速旋转切割工具。

背景技术

国内大部分油气水井进入中后期，由于地质或完井施工等存在漏洞，导致生产或 作业过程中管柱时常发生卡钻现象。而且随着开发的深入，水平、大斜度井数量逐年 增加，在开发与生产过程中也时常发生卡钻事故。采用常规处理方式，例如提拉活动、 悬吊、强力扭转、倒扣等方法，解卡成功率较低，而且管柱在反复提拉、扭转下易造 成脱口、扭断等事故，致使总修井周期较长。采用机械式水力割刀切割方法，需动力 驱动管柱，既受到地面设备的限制，也受到管柱本身结构限制，对于解卡成功率并不 理想。采用爆炸切割方法，在大斜度井与水平井作业中，爆炸切割方法易受到深度限 制，并且存在安全因素。

磨料水射流切割是80年代中前期进入实用阶段的新兴技术，具有其它切割方式 无法比拟的优点。磨料水射流切割具有冷切割、切割效率高、对环境不产生污染、切 口比较光滑等特点。

中国专利CN201544128U，公开日期2010年8月11日，公开了《水力喷砂切割 器》，该专利提出了一种用于油田油、水井井下作业，进行切割井下落物的水力喷砂 切割器。该水力喷砂切割器的主要问题：该切割器安装固定的喷嘴，不能进行旋转完 整切割，需要用额外的动力装置驱动切割器旋转来实现井下管柱完整切割，且带来高 压密封的一系列问题；

中国专利CN103921216A，公开日期2014年7月16日，公开了《一种三相空化 磨料水射流切割装置》，该一种三相空化磨料水射流切割装置属于水下切割技术领域， 该三相空化磨料水射流切割装置指出了磨料水射流切割装置及实现方式，但是没有提 出一种可以应用到井下的切割工具，该三相空化磨料水射流切割装置无法实现管柱的 完整切割。

中国专利CN1730241，公开日期2006年2月8日，公开了《水力自旋式可控磨 料射流切割装置及其操作方法》，该水力自旋式可控磨料射流切割装置及其操作方法 主要解决水下井内大直径的套管切割，适应的深度360m～500m，喷头的驱动力臂在 100mm～150mm，但并不能适应小直径的管柱及深井作业。

发明内容

为了克服现有的切割装置切割效率和使用寿命低的不足，本发明提供了一种连续 管磨料射流限速旋转切割工具，以达到提高切割效率和使用寿命的目的。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种连续管磨料射流限速旋转切割 工具，连续管磨料射流限速旋转切割工具包括：壳体，具有轴向通孔；芯轴，芯轴套 设在该轴向通孔内；限速环，设置在芯轴外表面与该轴向通孔的内壁之间形成的环形 密封空腔内，限速环与芯轴固定连接；喷头组件，设置在该壳体外且与芯轴的一端连 接，该喷头组件能够驱动该芯轴相对于该壳体转动。

进一步地，限速环为筒形，沿限速环的轴线方向，限速环的外表面含有间隔设置 的第一螺纹槽和第二螺纹槽，第一螺纹槽和第二螺纹槽的螺纹旋向相反。

进一步地，第一螺纹槽和第二螺纹槽均为梯形螺纹槽，限速环的内径等于芯轴的 外径，第一螺纹槽和第二螺纹槽之间设有环形凹槽；当该喷头组件能够驱动该芯轴相 对于该壳体转动时，第一螺纹槽能够将第一螺纹槽和该壳体之间的阻尼脂推向环形凹 槽，第二螺纹槽能够将第二螺纹槽和该壳体之间的阻尼脂推向环形凹槽。

进一步地，该壳体的外表面设置有多个扶正翼，该多个扶正翼沿壳体的外表面周 向间隔均布。

进一步地，该壳体的轴线沿竖直方向设置，该壳体包括从上向下依次连接的上接 头、本体和下接头，芯轴的另一端设置于本体内并与上接头密封连接，下接头密封套 设在芯轴外，芯轴的一端置于下接头的下方，限速环位于上接头和下接头之间，多个 扶正翼设置在本体的外表面上。

进一步地，芯轴具有环形的卡接段，卡接段设置于限速环的一端与下接头之间， 该卡接段与下接头之间设置有止推轴承，该卡接段与限速环的一端之间设置有深沟球 轴承，限速环与上接头之间设置有深沟球轴承。

进一步地，芯轴内含有用于向该喷头组件内供应切割液的轴向流道，芯轴的轴线 与该壳体的轴线重合，该喷头组件能够驱动该芯轴以该壳体的轴线为轴转动.

进一步地，该喷头组件包括转换接头、喷头和喷嘴，芯轴的一端通过转换接头与 喷头固定连接，喷嘴固定于喷头内，并且喷嘴与芯轴内的轴向流道连通。

进一步地，喷嘴包括驱动喷嘴，该驱动喷嘴的喷射方向偏离芯轴的轴线。

进一步地，喷嘴还包括切割喷嘴，该切割喷嘴的喷射方向与芯轴的轴线相交。

本发明的有益效果是，设置限速环，当限速环相对于壳体转动时，由于限速环会 切割芯轴与壳体之间的阻尼脂，从而起到对芯轴减速的作用，进而能够达到将喷头组 件的转速控制到合适的数值范围内，从而达到提高切割效率和使用寿命的目的。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示 意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明连续管磨料射流限速旋转切割工具实施例的结构示意图；

图2为图1的A-A向剖视图；

图3为本发明连续管磨料射流限速旋转切割工具实施例中喷头组件的结构示意 图；

图4为本发明连续管磨料射流限速旋转切割工具实施例的驱动喷嘴的安装示意 图。

图中附图标记：1、上接头；2、螺钉；3、密封圈；4、密封圈；5、深沟球轴承； 6、限速环；61、第一螺纹槽；62、第二螺纹槽；63、环形凹槽；7、本体；71、扶正 翼；8、芯轴；9、止推轴承；10、密封圈；11、下接头；12、螺钉；13、密封圈；14、 换接头；15、喷头；16、喷嘴；17、环形密封空腔；18、卡接段；19、深沟球轴承。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相 互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图1至图4所示，本发明实施例提供了一种连续管磨料射流限速旋转切割工具， 连续管磨料射流限速旋转切割工具包括壳体、芯轴8、限速环6和喷头组件。壳体具 有轴向通孔。芯轴8套设在该轴向通孔内。限速环6设置在芯轴8外表面与该轴向通 孔的内壁之间形成的环形密封空腔17内，限速环6与芯轴8固定连接。喷头组件设 置在该壳体外且与芯轴8的一端连接，该喷头组件能够驱动该芯轴8相对于该壳体转 动。

由于喷头组件、芯轴8和限速环6固定连接在一起，所以限速环6与喷头组件的 转速一致。喷头组件的转速会决定本发明连续管磨料射流限速旋转切割工具在切割管 柱时的效果，而设置限速环6，当限速环6相对于壳体转动时，由于限速环6会切割 芯轴8与壳体之间的阻尼脂，从而起到对芯轴8减速的作用，进而能够达到将喷头组 件的转速控制到合适的数值范围内，从而达到提高切割效率和使用寿命的目的。其中， 上述合适的数值范围根据不同的切割环境以及切割条件可以适当改变，此处并不做出 限定。

需要说明的是，本发明实施例中该壳体的轴线沿竖直方向设置，该壳体包括从上 向下依次连接的上接头1、本体7和下接头11。芯轴8的另一端设置于本体7内并与 上接头1密封连接。下接头11密封套设在芯轴8外，芯轴8的一端置于下接头11的 下方。限速环6位于上接头1和下接头11之间。

优选地，本发明实施例中的限速环6为筒形，沿限速环6的轴线方向，限速环6 的外表面含有间隔设置的第一螺纹槽61和第二螺纹槽62，在第一螺纹槽61和第二 螺纹槽62之间设置有环形凹槽63。其中，上述第一螺纹槽61和第二螺纹槽62均为 梯形螺纹槽，限速环6的内径等于芯轴8的外径，限速环6的外径比该壳体的内径小 0.08mm～0.167mm。

限速环6与本体7之间的环形密封空腔17内注满阻尼脂，当限速环6相对于本 体7旋转时，限速环6会剪切阻尼脂，产生阻尼力，由牛顿内摩擦定律可知，该阻尼 力会对限速环6起到减速作用，直到限速环6的转速达到一个合适的数值。但限速环 6相对于本体7旋转时，二者之间环形密封空腔17内的阻尼脂也会跟着旋转，产生 离心力，该离心力会对阻尼脂产生挤压作用，将阻尼脂挤压出限速环6与本体7之间 的环形密封空腔17外，直至环形密封空腔17的阻尼脂填不满，由牛顿内摩擦定律可 知，这会造成阻尼脂对限速环6不起减速限速作用，从而失去限速功能。为了避免上 述情况，本发明实施例中的第一螺纹槽61和第二螺纹槽62的螺纹旋向相反。目的是 当该喷头组件能够驱动该芯轴8相对于该本体7转动时，第一螺纹槽61能够将第一 螺纹槽61和该本体7之间的阻尼脂推向环形凹槽63，第二螺纹槽62能够将第二螺 纹槽62和该本体7之间的阻尼脂推向环形凹槽63。从而避免阻尼脂受旋转离心力的 挤压作用被挤出限速环6与本体7之间的环形密封空腔17外。

如图1所示，在由下向上的方向上，当喷头组件顺时针转动时，本发明实施例中 的第一螺纹槽61为右旋螺纹，第二螺纹槽62为左旋螺纹。

需要说明的是，本发明实施例中的喷头组件的转速会决定本发明实施例切割管柱 的效果，具体实施时，可以通过调整阻尼脂的阻尼系数，或调整限速环6上第一螺纹 槽61和第二螺纹槽62的结构尺寸，来最终决定喷头组件的转速。而且，限速环6 的位置可以根据需要进行调整，限速环6可以放在芯轴8的上端，中间或下端。另外， 为了增强第一螺纹槽61和第二螺纹槽62与阻尼脂之间的作用效果，第一螺纹槽61 和第二螺纹槽62的表面含有喷砂处理层，即第一螺纹槽61和第二螺纹槽62的表面 含有经过喷砂处理而形成的粗糙表面(即喷砂处理层)。

上述上接头1上端具有母螺纹，可与工具上方的作业管柱相连，上接头1下端具 有公螺纹，与本体7相连。上接头1下端公螺纹前端安装有密封圈4，与本体7进行 密封。上接头1下端内孔安装密封圈3与芯轴8进行密封。上接头1下端公螺纹根部 与本体7上端母螺纹之间利用螺钉2锁定。

本体7与下接头11之间安装有密封圈10进行密封，本体7下端母螺纹与下接头 11连接，连接螺纹之间由螺钉12锁定。

本体7的外表面上设置有多个扶正翼71，用于本发明实施例自身在被切割管柱 内的扶正，使切缝更均匀，切割效果更理想。如图2所示。本发明实施例中的扶正翼 71为齿槽形扶正翼，该扶正翼71能够使本发明实施例中的连续管磨料射流限速旋转 切割工具在井下作业过程中具有自我扶正功能，无需依赖额外的扶正器，并且由于扶 正翼71具有扶正作用，本发明实施例切割井下管柱时，割缝更均匀，提升了切割效 果。其中，本体7的外径比喷头组件的外径大，从而能够起到扶正的效果。

下接头11内孔安装密封圈13，用来密封下接头11与芯轴8，两者之间可以产生 相对转动。芯轴8具有环形的卡接段18，卡接段18设置于限速环6的一端与下接头 11之间。芯轴8上安装有两组深沟球轴承，该卡接段18与限速环6的一端之间设置 有第一组深沟球轴承19，限速环6与上接头1之间设置有第二组深沟球轴承5。两组 深沟球轴承之间安装限速环6，芯轴8通过紧定螺钉将扭矩传达给限速环6，安装完 毕后一端靠上接头1对第一组深沟球轴承5外圈进行轴向限位，另外一端靠芯轴8 的卡接段18限位。

芯轴8卡接段18的下方安装止推轴承9，下接头11端面对止推轴承9进行限位， 整个芯轴8一端的轴向限位靠下接头11与止推轴承9，整个芯轴8另外一端的轴向 限位靠上接头1与第一组深沟球轴承5。需要说明的是，可以用角接触轴承代替本发 明实施例中的两组深沟球轴承和止推轴承9，以达到简化结构的目的，但该变形方案 依旧属于本申请的保护范围之内。

芯轴8内含有用于向该喷头组件内供应切割液的轴向流道，芯轴8的轴线与该壳 体的轴线重合，该喷头组件能够驱动该芯轴8以该壳体的轴线为轴转动，该喷头组件 包括转换接头14、喷头15和喷嘴16，芯轴8的一端采用密封螺纹与转换接头14连 接，转换接头14采用密封螺纹与喷头15连接。喷嘴16固定于喷头15内，并且喷嘴 16与芯轴8内的轴向流道连通。

如图4所示，两组被对称安装的喷嘴16径向方向不在同一轴线上，而是具有一 定的偏心距。当工作介质从喷嘴16中喷射出时，喷嘴16产生的驱动力矩沿逆时针方 向，对芯轴8与下接头11产生上扣扭矩。

应用本发明实施例中工作时，携砂的液体在磨料混合设备中与磨料充分的混合 后，形成均匀的悬浮液，通过高压泵注设备将携砂液泵注到高压管线中。携砂液通过 高压管线从工具的入口端进入，最终经过高寿命喷嘴16加速后形成高速磨料射流。 高速射流形成反作用力，由于喷嘴16在喷头15上安装存在偏心距，在喷头15圆周 方向形成上扣方向的扭矩，并驱动喷头15旋转。

喷头15带动芯轴8与上接头1之间产生相对转动，密封圈3承受管内高压携砂 液的压力，芯轴8依靠两组深沟球轴承径向扶正，依靠一组止推轴承9承受轴向方向 的推力，喷嘴16喷射而出的磨料射流与物体碰撞，高速磨料粒子磨削与冲蚀待切割 物体，速度高、频率高，形成很高的切割效率。

喷头15的旋转速度由三个方面决定：1、喷嘴16安装时偏心距越大，形成的旋 转扭矩越大，喷头15转速越快；2、磨料水射流的射流速度越高，反作用力越大，喷 头15扭矩增大速度提高；3、限速环6将用于抵消一部分喷头15驱动扭矩，通过调 整限速环6的反作用扭矩可以控制喷头15的转速，进而防止喷头15转速过快失速影 响工具寿命。

本发明实施例中可以根据待切割管柱壁厚，调整磨料的用量与射流参数，进而控 制切割的深度。如考虑防止伤害待切割管柱外其它管柱，需要调整喷嘴16的安装角 度。如图3所示，喷嘴16与喷头15轴线夹角成角度90度时射流与物体表面正面碰 撞，切割效率高。喷嘴16与喷头15轴线夹角小于90度时，射流与物体表面成一定 角度撞击，切割效率下降，喷距增大，故降低了射流切割完待切割管柱后伤害外围管 柱的现象发生。

需要说明的是，本发明实施例中的喷头安装喷嘴16的数量可以由图4所示的二 个，增加为多个，其中，上述喷嘴16包括驱动喷嘴(图4所示)和切割喷嘴(未图 示)。该驱动喷嘴的喷射方向偏离芯轴8的轴线。该切割喷嘴的喷射方向与芯轴8的 轴线相交。这两种喷嘴16都可实现切割的功能。

应用本发明实施例进行现场施工时，需进行管柱预加载荷，根据待切割的管柱的 长度，在切割点位置保证预拉力3-5t左右油管切断以后自动上窜一段距离。然后摆放 连续管设备及地面其它配套设施，连续管设备的安装与试运行，对高压管线进行耐压 测试，根据工具串的长度配套相应的防喷管。

连接器安装与试压：连续管连接器安装需按照工具使用说明，在连接完毕后进行 拉盘测试拉力和耐压测试。拉盘测试的力控制在5t左右，耐压测试为50Mpa。

连续管磨料射流限速旋转切割工具安装：按正常程序安装连续管作业设备及其井 口装置，将连续管穿过注入头、防喷盒后，先校直，连续管磨料射流限速旋转切割工 具串按照组合配置进行安装。连续管磨料射流限速旋转切割工具串在入井之前需要按 照施工设计的参数进行测试，以便确认整套设备的作业参数。

连续管磨料射流限速旋转切割工具入井：连续管磨料射流限速旋转切割工具过井 口时，慢速下放速度控制5m/min，通过井口后将入井速度提高，下入过程出现异常 时，应放慢下入速度，必要时应上提一段后再下放。

下至目标点后，确认深度与管柱载荷，确认设备与工具状态正常后，开始泵注切 割。切割点避开油管接箍位置，将切割点设计在一根油管的中间。

切割工序结束后，拆除注入头和井口装置，试提油管柱，观察上提载荷，确认是 否割断。若管柱未割断，则按前述步骤继续实施切割工序，直至管柱割断；若割断， 则利用地面连续管设备将本发明连续管磨料射流限速旋转切割工具起出井口，收回进 行检修，以待下一次作业，从而完成一个作业周期。

本发明实施例主要用于油、气、水井井下卡钻管柱的切割，相对于其它方式的切 割方式，本发明连续管磨料射流限速旋转切割工具实施例吸收了磨料射流的特点并结 合机械结构实现了自主限速旋转切割，简化了施工作业程序，使施工工艺更加单一。

其次，本发明实施例中的连续管磨料射流限速旋转切割工具可系列化，以适应不 同内径的管柱切割，配套相关工具可实现大管径、变径与小管径等特殊管柱的切割。 本发明连续管磨料射流限速旋转切割工具实施例可以适应最小内径为45mm。系列化 的连续管磨料射流限速旋转切割工具可连接常规管柱进行作业，也可与连续管配套使 用，实现快速起下，带压作业等，解决一些常规管柱无法处理的施工作业。

而且，由于本发明实施例中连续管磨料射流限速旋转切割工具的切割效率高，切 割半径大，该连续管磨料射流限速旋转切割工具可以实现井下油管、套管、厚壁钻杆、 组合管柱双层管柱以及其他复杂管柱的切割，解决了一些常规修井作业处理困难的 油、气、水井施工作业。

相对于常规处理方式，如大力上提、悬吊、倒扣等处理方法，利用本发明实施例 中的连续管磨料射流限速旋转切割工具，处理时间快，不会造成二次事故，节约了施 工作业时间，提高了作业效率。

目前使用的爆炸切割方式，在大斜度井或水平井中由于钢丝作业下入深度的限 制，一些事故井无法处理，而且爆炸切割产生火花，存在风险，切割弹的大小限制了 一些小管径管柱的切割。本发明实施例中的连续管磨料射流限速旋转切割工具采用冷 切割方式，切割过程不产生火花，可以应用到一些易燃易爆的场合。而且配套连续管 设备可以实现大斜度、水平井的作业。

常规水力割刀切割，地面设备泵送一定排量的液体使割刀张开，地面驱动管柱或 连接马达驱动水力割刀旋转，实现管柱切割。而本发明实施例不需要连接驱动管柱或 马达，连续管磨料射流限速旋转切割工具本身可自旋转，实现管柱的切割。

从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：设置限 速环，当限速环相对于壳体转动时，由于限速环会切割芯轴与壳体之间的阻尼脂，从 而起到对芯轴减速的作用，进而能够达到将喷头组件的转速控制到合适的数值范围 内，从而达到提高切割效率和使用寿命的目的。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技 术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的 任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。