超高压磨料射流切割工具的设计

王俊姬，鞠少栋，王新涛，王世强

（中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300452）

1 高压磨料射流切割工具技术原理

磨料水射流技术是近年来发展很迅速的一种新型技术，其原理是将一定粒度的磨料粒子(石英砂、石榴石和碳化硅等)混合到高压水射流当中，利用高速磨料颗粒的硬度和动能冲蚀材料表面，实现对物料的切割，目前普遍采用的磨料混合方式为前混式[1]。

切割工具的海上工程施工现场工况如图1所示，工程船上的作业员将切割工具通过船舷外侧或月池下放至欲切除的套管中，通过井身结构参数来制定切割深度，通过脐带缆下放长度来控制切割深度。

图1 切割工具的现场工况示意图

2 超高压磨料射流切割工具的设计

2.1 超高压磨料射流切割工具的设计

超高压磨料射流切割工具主要包括由上至下依次连接的动力室、扶正室、传动室、压力空气旋转动密封室和切割工作室。该工具可以使用工程船舶连接挠性高压管线进行切割作业。

图2 高压磨料射流切割工具结构图

①切割工具动力室，用于布置马达，可以控制工具的旋转速度。由于工具用在9-5/8"套管内部，工作空间受限；需要实现切割工具360°旋转且转速可调节范围为3-10小时/圈，故采用新型低速大扭矩摆线式马达。其优点有体积小，外形尺寸比同样扭矩马达小得多；转速范围广，可无级调速，最低稳定转速可达15转/分；在液压系统中可串联使用，也可并联使用；转动惯性小，在负载下容易起动，正反转都可使用，换向时不用停机。

②扶正室，用于完成推靠动作。推力油缸伸出活塞，将滑动油缸座向下推，滑动滚轮则在扶正本体的坡面凹槽内滚动，进而将扶正本体和耐磨扶正巴掌沿滑轨和滑鞋确定的轨道推出，使工具能够居中固定在套管内壁指定位置处。

③传动室和旋转动密封室，可以将马达输出的扭矩传动至切割工作室，驱动该机构旋转。切割工具需要考虑设计压缩空气通道，压缩空气的作用是在磨料射流的外围形成环状的空气流，即在喷嘴出口处形成密封的空气区域，提高磨料射流切割效率。设计压缩空气的旋转密封时，要求旋转密封耐压不小于2MPa。压缩空气的旋转密封如图3所示，主要通过3组合式旋转密封圈实现，其他位置为常规静密封圈。

图3 压缩空气旋转密封

④切割工作室，内含高压耐磨喷嘴，弯头，可以旋转。

⑤中心高压管，位于切割工具本体轴心上，通过高压磨料浆液及传递扭矩用。

2.2 高压磨料射流切割工具创新点

①切割工具依靠高压软管自身柔性实现结构整体旋转。

②切割工具内部承压介于200-240MPa之间。

③切割工具无需高压旋转动密封。

④旋转机构可实现切割工具360°旋转。

3 工具现场试验

切割工具套管内施工的工况，与下图所示现场试验工况相似。将切割工具放入套管中，切割工具由脐带缆悬挂，慢慢下入套管底部。甲板上的液压站工作，液压缸驱动锁紧机构，推靠固定在套管内壁上，液压回路应具备自锁功能，保证锁紧效果。甲板上的高压泵及混砂泵启动，开始喷射高压切割液（磨料射流）。马达启动，驱动切割工具旋转部件（切割喷嘴）旋转，正式开始切割。切割完成，停高压泵及混砂泵，液压缸驱动锁紧机构回收。脐带缆提出切割工具。

表1 切割工具试验数据

图4 工具现场试验及切痕

4 结论

工程技术公司自主研发的超高压磨料射流切割工具已在绥中36-1油田E平台多层套管切割及隔水管重入作业应用1口井。在涠洲11-4c平台井口弃置多层套管切割作业现场应用4口井。磨料射流切割技术及工具性能满足现场作业要求，在油气井弃置中有更广泛的应用前景。