水力割刀痕迹和刀片选择分析

张君伟

摘要：在WZ11-4-A5井的大修作业中，切割I油组盲管的时候，在不能很好判断是否把盲管切开的情况下，下入了打捞工具，没能打捞成功，再次下入割刀第二次切割。进行这项分析的目的在于增加判断管柱切开与否的准确性，减少一趟打捞钻。

关键词：大修;水力切割;刀痕

1 刀片痕迹判断管柱是否切开

假设刀片的实际张开长度为L，割刀本体距离管柱内壁的距离为d，管柱的壁厚为x。

1.1 理想情况

刀片切割完管柱后，长度保持不变，即L不变。

根据以上数据，便可以画出以上这个刀片张开模拟图

刀片张开接触到盲管内壁时候形成的角度为θ1，其大小可以算出θ1=arcos（d/L）

横进尺：我们先假设刀片横向进入管柱的长度为横进尺K

斜进尺：我们再假设刀片斜向（即刀片痕迹）进入管柱的长度为斜进尺M

那么，我们不难发现，刀片从接触内壁到完全张开的过程中，其实际张开的长度不变L;那么，横进尺K是关于θ的一个余弦函数，k=Lcosθ-d

同理，斜进尺M=k/cosθ=L-d/cosθ

那么，当刀片完全张开时候（即水平的时候），θ=0，此时斜进尺M=L-d

当刀片恰好能把管柱切开时候，此时刀片刚好接触到管柱外壁，θ3=arcos[（x+d）/L]，那么，此时的斜进尺M=L-d/cosθ3=L[1-d/（x+d）]

1.2 实际情况

刀片随着切割的深入，刀尖将会磨损，长度减小，即L会随之减小。

那么，理想情况恰好切断管柱时候刀片实际张开长度为L，实际情况恰好切断管柱时候刀片的实际张开长度变为L-△x（其中△x为刀片磨损掉的长度）。

同理，此时的θ4=arcos[（d+x）/（L-△x）]，而此时的斜进尺M=x/cosθ4=x（L-△x）/（d+x）。

从上式中可以看出：取出割刀后，我们只用测量L-△x这段长度，便可以知道切断管柱需要的标准斜进尺M，再用刀片上实际的斜进尺与之比较，若比它M短，则没有切断，若大于M，则为切割。

1.3 总结

我们可以通过，用取出刀片的痕迹的长度，和刚好切断管柱的标准数据比较，便能判断井下管柱是否切开。为了方便，我们可以把上述几个公式写到EXCEL，以后在现场应用中，我们只用输入测量的刀片实际斜进尺M、刀片实际张开长度L、刀片磨损掉的长度△x、割刀本体与被切管柱内壁距离d、管柱壁厚x便能准确判断井下管柱的切割情况。

2 刀片的选择

根据经验，刀片保持45°角切割管柱的效率是最佳的。因此我们不妨假设三种极限的情况：

第一种：刀片刚好接触管柱内壁的时候，刀片45°张开

第二种：刀片刚好接触管柱外壁的时候，刀片45°张开

第三种：刀片在切割管柱厚度一半距离的时候，刀片45°张开

我们先讨论第一种情况：

当刀片接触管柱内壁时，刀片张开45°，那么这里假设割刀本体不确定，即d为未知值，此时刀片的选择同时受到d和d+x的影响，刀片的长度L=d，同时又要满足L>d+x（即完全张开时候能切断管柱）。假设恰好L=d+x，则d=d+x，即x=）d=0.414d（这个式子的意思就是说，当管壁厚是0.414d的时候，刀片完全张开才能恰好切断，当管壁大于0.414d的时候，刀片完全张开也无法切断）。

而根据以往的经验，切割7″套管，选用的是5-3/4″的割刀本体，这样算的话，d=15.875mm，X=16.1mm。

切割3.55″内径，4″外径的管柱时，选用的是3-1/8″的割刀本体，这样的话，d=5.4mm，X=11.43mm。

因此，这种极限情况，很难实现有效的切割管柱。如果缩小本体，增大d值，来实现X=0.414d的理论值，这样同时也增大了L=d的长度，刀片的抗扭也将成为一个需要考虑的问题。因此可以排除第一种选择刀片的方法。

第二种情况：

当刀片接触管柱外壁时，刀片张开45°，此时刀片的长度只用满足L=（d+x）即可，考虑到刀片在切割时候的磨损，选刀片的时候可适当增加△x的长度（3-5mm）

在切割7″套管时，选用5-3/4″的割刀本体，此时d=15.875mm，x=16.1mm，那么刀片长度L最佳选择长度为L=（d+x）=（15.875+16.1）=45.2mm的刀片，考慮刀片磨损，在理论L的基础上加上△x，即选用L=45.2+△x=50.2mm

在切割3.55″内径，4″外径的管柱时，选用3-1/8″的割刀本体，这样的话，d=5.4mm，x=11.43mm，那么刀片长度L最佳选择长度L=（d+x）=（5.4+11.43）=23.8mm，考虑刀片磨损，在理论值L的基础上加上△x，即选用L=23.8+△x=23.8+5mm=28.8mm

在切割9-5/8″套管时，选用5-3/4″的割刀本体，此时d=37.2mm，x=24mm，那么刀片长度L的最佳选择长度L=（d+x）=（37.2+24）=86.5mm的刀片，考虑刀片磨损，在理论L的基础上加上△x，即选用L=86.5+△x=91.5mm

第三种情况：

刀片在切割管柱厚度一半距离的时候，刀片45°张开，此时刀片的长度需要满足L=（d+x/2），同时需要L>d+x（即完全张开时候能切断管柱），即d>0.7x此种情况和第一种情况类似，受限条件太多。因此不适宜作为刀片选择的标准。

综上所述：按照第二种方法，我们便可以在本体固定的情况下，选择最适宜切割的刀片。

参考文献：

[1] 张钧等著.海洋石油完井手册.北京石油工业出版社.1998.3;

[2] 钻井手册编写组著.钻井手册.2013年9月：

[3] 欧阳涛等著.井下落物打捞作业的实施与预防.科技创新导报.2013年22期