一种用于切割套管和水泥环的喷头装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及磨料水射流技术领域，具体涉及一种用于切割套管和水泥环的喷头装置及其使用方法。

背景技术

石油钻探开发行业中通常采用水泥环裹住套管箍成环形，固井作业后套管和地层通过水泥环胶结在一起。废弃油气井是油气田勘探开发的产物，由于后期对废弃井的处理方式的不妥当，对环境安全带来很大的风险，加之受自然因素、技术因素或者人为因素的影响，国内各油田对废弃井的管理难度较大，所以对废弃井的一般处理方法是进行永久性封堵，而国内解决废弃油气井永久性封堵的方式主要是通过打水泥塞封井，然而封堵井口并不能达到理想的效果，需要在距离井口以下钻铣一个空间，用混泥土等材料形成一个堵塞垫，这样效果更佳。目前，现场普遍采用套管段铣封堵法对废弃油气水井进行永久式封堵，但在施工过程中，存在作业周期长，影响段铣进度；反屑不畅，导致存在卡钻风险；受限于刀片强度，不能段铣双层套管。考虑到这些机械装置的缺点，许多学者提出利用磨料射流切割套管，但是现有技术通常是用于海上油井套管切割，并且只能将油管割断，不能成段的铣切，故不适合废弃油气井的永久性封堵。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是克服现有技术中的缺陷，提供一种用于切割套管和水泥环的喷头装置及其使用方法，能够实现套管及水泥环快速切割剥落，成本低，效率高，适用于废弃油气井的永久性封堵，适用范围广，实用性强。

本发明的一种用于切割套管和水泥环的喷头装置，包括喷头本体，所述喷头本体的内部设置有带有进液口的内腔，所述喷头本体上沿轴向间隔设置有第一出液通道组和第二出液通道组，所述第一出液通道组包括沿所述喷头本体的周向间隔设置的多个第一出液通道，所述第二出液通道组包括沿所述喷头本体的周向间隔设置的多个第二出液通道，多个所述第一出液通道和多个第二出液通道均能够使所述内腔与外部相连通，多个所述第一出液通道的轴线均从内至外朝向所述第二出液通道组的方向倾斜，多个所述第二出液通道的轴线均从内至外朝向所述第一出液通道组的方向倾斜。

进一步，所述喷头本体上沿周向间隔设置有多个第一安装孔，多个所述第一安装孔的内部分别设置有一个第一喷嘴，所述第一喷嘴的内部设置有用于形成所述第一出液通道的第一喷嘴管路；所述喷头本体上沿周向间隔设置有多个第二安装孔，多个所述第二安装孔的内部分别设置有一个第二喷嘴，所述第二喷嘴的内部设置有用于形成所述第二出液通道的第二喷嘴管路；所述第一喷嘴管路和所述第二喷嘴管路均包括从内至外依次设置的收敛段和加速段。

进一步，满足工程要求的所述第一安装孔的最低数量和所述第二安装孔的最低数量均为m，

进一步，所述第一安装孔沿所述喷头本体的周向等间隔设置有n个，所述第二安装孔沿所述喷头本体的周向等间隔设置有n个，n≥m并且n为整数，相邻两个所述第一安装孔的轴线在所述喷头本体的横截面上的投影夹角以及相邻两个所述第二安装孔的轴线在所述喷头本体的横截面上的投影夹角均为γ，

进一步，n个所述第一安装孔的轴线和n个所述第二安装孔的轴线在所述喷头本体的横截面上的投影均不重合。

进一步，n个所述第一安装孔的轴线和n个所述第二安装孔的轴线在所述喷头本体的横截面上的投影沿周向交错设置，并且任一所述第一安装孔的轴线与相邻的所述第二安装孔的轴线在所述喷头本体的横截面上的投影夹角均为β，

进一步，n个所述第一安装孔的轴线与所述喷头本体的轴线的夹角以及n个所述第二安装孔的轴线与所述喷头本体的轴线的夹角均为α，

本发明还提供了一种用于切割套管和水泥环的喷头装置的使用方法，包括以下步骤：

S1、将压裂车、高压软管、磨料混合系统、钻杆和上述的用于切割套管和水泥环的喷头装置依次连接，将钻杆的出液口与所述内腔的进液口连接，将所述喷头本体放入套管的需段铣部位的顶部，使所述喷头本体的轴线与所述套管的轴线共线；

S2、高压水从所述压裂车中流出并通过所述高压软管进入所述磨料混合系统中，磨料液经过所述磨料混合系统混合完成后通过所述钻杆进入所述内腔，并通过所述第一喷嘴和所述第二喷嘴射向套管，同时所述钻杆带动所述喷头本体旋转下降，完成对需段铣部位的第一次切割；

S3、当所述喷头本体旋转下降至套管的需段铣部位的底部后，所述钻杆带动所述喷头本体旋转上升，完成对需段铣部位的网格化；

S4、重复步骤S2-S3，将套管和水泥环切割成块体，切割后的块体在自身重力以及射流扰动的作用下自行掉落。

进一步，在步骤S2和步骤S3中，所述钻杆带动所述喷头本体旋转的速度

本发明的有益效果是：本发明公开的一种用于切割套管和水泥环的喷头装置及其使用方法，通过在喷头本体上设置两组互成夹角的第一喷嘴和第二喷嘴，结合钻杆的旋转及升降，能将套管和水泥环破碎成尺寸可控的均匀切割块体，切割块体在自身重力以及射流扰动的作用下自行掉落，实现套管和水泥环网格化高效切割剥落，便于切割块体掉落井内或循环出井口，保证切割质量，提高切割效率；通过对喷头本体的参数进行设定，能达到切割半径可调节，既能满足双层套管的大尺寸段铣，也能满足在段铣单层套管的情况下尽量减小对地层的破坏，适用范围广，实用性强；喷头本体的结构简单，制造加工容易，便于生产、装配和维护保养。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明的喷头本体的结构示意图一；

图2为本发明的喷头本体的结构示意图二；

图3为本发明的第一喷嘴和第二喷嘴的结构示意图；

图4为本发明的第一喷嘴的轴线和第二喷嘴的轴线在喷头本体的横截面上的投影示意图；

图5为本发明的第一喷嘴的轴线在喷头本体的横截面上的投影示意图；

图6为本发明的第二喷嘴的轴线在喷头本体的横截面上的投影示意图；

图7为本发明与需段铣部位的位置及尺寸示意图；

图8为本发明的切割效果图；

图9为本发明在套管的内表面上的切割轨迹展开图；

图10为本发明在水泥环的外表面上的切割轨迹展开图；

图11为本发明的工作原理示意图。

附图标记说明：1-喷头本体，11-内腔，12-第一安装孔，13-第二安装孔，14-进液口，2a-第一喷嘴，2b-第二喷嘴，21-收敛段，22-加速段，3-压裂车，4-磨料混合系统，5-钻杆，6-高压软管，7-需段铣部位。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细说明。

如图1-图8所示，本实施例中的一种用于切割套管和水泥环的喷头装置，包括喷头本体1，所述喷头本体1的内部设置有带有进液口14的内腔11，所述喷头本体1上沿轴向间隔设置有第一出液通道组和第二出液通道组，所述第一出液通道组包括沿所述喷头本体1的周向间隔设置的多个第一出液通道，所述第二出液通道组包括沿所述喷头本体1的周向间隔设置的多个第二出液通道，多个所述第一出液通道和多个第二出液通道均能够使所述内腔11与外部相连通，多个所述第一出液通道的轴线均从内至外朝向所述第二出液通道组的方向倾斜，多个所述第二出液通道的轴线均从内至外朝向所述第一出液通道组的方向倾斜；所述喷头本体1上沿周向间隔设置有多个第一安装孔12，多个所述第一安装孔12的内部分别设置有一个第一喷嘴2a，所述第一喷嘴2a的内部设置有用于形成所述第一出液通道的第一喷嘴管路；所述喷头本体1上沿周向间隔设置有多个第二安装孔13，多个所述第二安装孔13的内部分别设置有一个第二喷嘴2b，所述第二喷嘴2b的内部设置有用于形成所述第二出液通道的第二喷嘴管路；所述第一喷嘴管路和所述第二喷嘴管路均包括从内至外依次设置的收敛段21和加速段22。收敛段21的首端与内腔11相连通，收敛段21的尾端与加速段22相连通，收敛段21沿着从首端至尾端的方向内径递减，加速段22的内径与收敛段21的尾端内径相同，液体从进液口14进入内腔11后依次通过收敛段21和加速段22，从而使液体被加速喷射至喷头本体1的外部。

本实施例中，满足工程要求的所述第一安装孔12的最低数量和所述第二安装孔13的最低数量均为m，

本实施例中，所述第一安装孔12沿所述喷头本体1的周向等间隔设置有n个，所述第二安装孔13沿所述喷头本体1的周向等间隔设置有n个，n≥m并且n为整数，相邻两个所述第一安装孔12的轴线在所述喷头本体1的横截面上的投影夹角以及相邻两个所述第二安装孔13的轴线在所述喷头本体1的横截面上的投影夹角均为γ，

本实施例中，如图4所示，n个所述第一安装孔12的轴线和n个所述第二安装孔13的轴线在所述喷头本体1的横截面上的投影均不重合；n个所述第一安装孔12的轴线和n个所述第二安装孔13的轴线在所述喷头本体1的横截面上的投影沿周向交错设置，并且任一所述第一安装孔12的轴线与相邻的所述第二安装孔13的轴线在所述喷头本体1的横截面上的投影夹角均为β，

本实施例中，如图5和图6所示，n个所述第一安装孔12的轴线与所述喷头本体1的轴线的夹角以及n个所述第二安装孔13的轴线与所述喷头本体1的轴线的夹角均为α，

本实施例中还提供了一种用于切割套管和水泥环的喷头装置的使用方法，包括以下步骤：

S1、如图11所示，将压裂车3、高压软管6、磨料混合系统4、钻杆5和上述的用于切割套管和水泥环的喷头装置依次连接，将钻杆5的出液口与所述内腔11的进液口14连接，将所述喷头本体1放入套管的需段铣部位7的顶部，使所述喷头本体1的轴线与所述套管的轴线共线；压裂车3、高压软管6、磨料混合系统4和钻杆5均为现有技术的直接应用，对其结构及部件不再进行赘述；

S2、高压水从所述压裂车3中流出并通过所述高压软管6进入所述磨料混合系统4中，磨料液经过所述磨料混合系统4混合完成后通过所述钻杆5进入所述内腔11，并通过所述第一喷嘴2a和所述第二喷嘴2b射向套管，同时所述钻杆5带动所述喷头本体1旋转下降，完成对需段铣部位7的第一次切割；此步骤形成的第一次切割线在套管和水泥环上为螺旋线；

S3、当所述喷头本体1旋转下降至套管的需段铣部位7的底部后，所述钻杆5带动所述喷头本体1旋转上升，完成对需段铣部位7的网格化；此步骤形成的第二次切割线也为螺旋线，第二次切割线与第一次切割线的螺旋方向不同，从而能够完成对需段铣部位7的网格化；

S4、重复步骤S2-S3，通过循环切割，将套管和水泥环网格化从而将套管和水泥环切割成块体，本发明在套管的内表面上的切割轨迹展开图如图9所示，本发明在水泥环的外表面上的切割轨迹展开图如图10所示，切割后的块体在自身重力以及射流扰动的作用下自行掉落，实现套管和水泥环的网格化高效切割剥落。

本实施例中，在步骤S2和步骤S3中，所述钻杆5带动所述喷头本体1旋转的速度

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。