一种井下油套管等离子切割装置及方法

技术领域

本发明涉及井下装置切割技术领域，具体地说是一种井下油套管等离子切割装置及方法。

背景技术

井下管柱遇卡是造成油井大修的重要原因之一，针对卡管柱，主要采取打捞的方式来实现套管通道的恢复。对于管柱砂埋严重、封隔器无法解封等情况，会造成打捞力过大，超过修井机、打捞工具或管柱的承拉极限，针对这种情况，一般采取切割打捞的方式来实现分段打捞，降低打捞力。目前，油田主要的切割方式有机械切割、喷砂切割等。机械切割是最传统的切割方式，存在刀具磨损严重、切削力较大、切割效率低等问题；喷砂切割存在成本高、地面设备复杂、混砂系统庞大等缺点。

申请号：201710844232.9公开了一种连续油管自动旋转喷砂切割装置及方法，管柱包括自上而下依次连接的连续油管、锚定器、旋转喷砂切割器，所述旋转喷砂切割器包括切割头、喷嘴、旋转机构，所述旋转机构下端连接切割头，切割头开设径向喷孔，径向喷孔中安装喷嘴，且喷嘴的轴线与切割头的中心孔的中心轴线具有偏心距。本发明切割作业时排量不受螺杆钻等井下工具限制，切割器的射流切割范围大，适合多层管柱的同时切割，以及厚壁管柱的切割。

申请号：201420850662.3是一种井下管柱切割装置，适用于井下管柱打捞，尤其是砂卡滤砂管的分段切割打捞作业，可实现下一趟管柱完成切割和打捞两项工作，缩短施工时间，提高作业效率，降低生产成本。本工具包括切割机构、扶正机构和中心杆，切割机构和扶正机构均安装在中心杆上，中心杆上设有座封解封换向轨道，在切割机构与扶正机构之间还装有座封机构，该座封机构与切割机构通过卡瓦连接。将本装置连接在下井管柱的底部，上部通过钻杆柱或普通油管与地面驱动装置连接，再将下井管柱下至设计位置。本发明可通过定位油管与捞矛连接，实现下一次管柱就能完成切割和打捞的作业，减少了起下管柱的次数，从根本上缩短了施工周期，加快了老井的恢复投产。

申请号：201410834622.4是井下管柱切割打捞一体化工具及其施工方法，适用于井下管柱打捞，尤其是砂卡滤砂管的分段切割打捞作业，可实现下一趟管柱完成切割和打捞两项工作，缩短施工时间，提高作业效率，降低生产成本。本工具包括切割装置和捞矛，切割装置设有切割机构、扶正机构和中心杆，切割机构和扶正机构均安装在中心杆上，捞矛设有打捞杆。切割装置与捞矛通过定位油管连接，切割装置的中心杆上设有座封解封换向轨道，在切割机构与扶正机构之间还装有座封机构，该座封机构与切割机构通过卡瓦连接。将捞矛、定位油管和切割装置连接在下井管柱的底部，上部通过钻杆柱或普通油管与地面驱动装置连接，再将下井管柱下至设计位置。

以上公开技术的技术方案以及所要解决的技术问题和产生的有益效果均与本发明不相同，针对本发明更多的技术特征和所要解决的技术问题以及有益效果，以上公开技术文件均不存在技术启示。

发明内容

本发明的目的在于提供一种井下油套管等离子切割装置及方法，为解决井下管柱常用的机械切割和喷砂切割方式存在的问题，将机械加工中的等离子加工手段应用到井下管柱切割中，进行井下管柱等离子切割。井下管柱等离子切割工艺利用工具和井下管柱分别形成工具电极和管柱电极，正负电极之间放电产生高温等离子，瞬间高温热源的温度可以达到几千度甚至是上万度，使管柱温度急剧增加到材料的熔点甚至是沸点，金属材料熔化和汽化，实现对管柱的切割。井下管柱等离子切割效率高、成功率高。

为了达成上述目的，本发明采用了如下技术方案，一种井下油套管等离子切割装置，包括电极、电极进给机构、引鞋，所述电极固定在电极进给机构上，并且电极径向朝外设置，所述引鞋连接在电极进给机构的轴向下端，所述电极、电极进给机构均连接电缆。

所述电极进给机构上端连接旋转机构。

所述旋转机构上端连接上扶正机构。

所述引鞋和电极进给机构之间还连接一个下扶正机构。

所述电极进给机构包括上固定圆盘、步进电机、从动轴、电机固定板、主动齿轮、外壳、从动同步轮、皮带、下固定圆盘、电极、电极推块、主动同步轮、从动齿轮、主动轴，所述上固定圆盘固定在外壳内壁上，所述步进电机固定在电机固定板上，电机固定板固定在上固定圆盘上，所述主动齿轮安装在步进电机输出轴上，所述从动齿轮和主动同步轮安装在主动轴上，主动齿轮与从动齿轮相啮合，所述主动轴和从动轴安装在上固定圆盘和下固定圆盘之间，所述从动同步轮安装在从动轴上，所述皮带安装在主动同步轮和从动同步轮上，所述电极推块固定在皮带上，所述电极固定在电极推块上，所述外壳开设用于电极伸出的径向孔，所述下固定圆盘通过螺钉固定在外壳上，所述上端盖连接在外壳上端，法兰盘固定在上端盖上。

所述电极进给机构还包括双头长螺栓，所述双头长螺栓上端通过螺母安装在上固定圆盘上，下端连接下固定圆盘。

所述旋转机构包括转换接头、旋转电机、旋转机构外壳、电机支撑板、联轴器、导线管、轴承、下端盖；所述旋转机构外壳上部与转换接头螺纹连接，下部与下端盖螺纹连接；所述旋转电机、旋转机构外壳、电机支撑板、联轴器、导线管置于旋转机构外壳内部；所述电机支撑板与旋转机构外壳固定，所述旋转电机固定于电机支撑板上，旋转电机输出轴通过联轴器与空心导线管连接，所述轴承固定在下端盖内孔中，并且轴承套在空心导线管外壁，整个旋转机构通过空心导线管末端与进给机构的法兰盘连接。

所述上扶正机构或下扶正机构包括中间螺杆、上压紧螺母、上压紧弹簧、动块、支撑杆、连接片、扶正滚轮、下压紧弹簧、下压紧螺母、定块、底座、上顶盖、扶正机构外壳；所述扶正机构外壳上端口连接扶正机构顶盖，下端口连接底座，所述上压紧螺母、下压紧螺母、上压紧弹簧、下压紧弹簧均套在中间螺杆的外部，上压紧螺母固定在上压紧弹簧的上方，下压紧螺母位于下压紧弹簧的下方，下压紧螺母固定在定块的上方，定块固定在底座上，动块内孔安装轴承，轴承套在中间螺杆上，动块位于上压紧弹簧和下压紧弹簧之间，所述支撑杆包括上支撑杆、下支撑杆，连接片上端铰接上支撑杆下端，上支撑杆上端铰接动块，连接片下端铰接下支撑杆上端，下支撑杆下端铰接定块，扶正滚轮安装在连接片上，所述扶正机构外壳开设用于伸出扶正滚轮的径向窗口，所述动块、支撑杆、连接片、扶正滚轮、定块之间彼此连接，形成连杆机构。所述扶正滚轮至少设置一组。

所述上扶正机构与旋转机构之间通过转换接头进行连接；所述电极进给机构与下扶正机构之间增加转换接头实现连接。

为了达成上述目的，本发明采用了如下技术方案，一种井下油套管等离子切割方法，包括如下步骤：

第一步骤：下入等离子切割装置，自下而上为引鞋+下扶正机构+电极进给机构+旋转机构+上扶正机构+电缆至井口；

第二步骤：在上扶正机构和下扶正机构的作用下，等离子切割装置保持居中状态；

第三步骤：地面通电，所述电极进给机构中步进电机带动电极向切割管柱内壁进给，当达到一定间隙时引发等离子放电，产生高温，开始切割；所述电极固定在所述电极进给机构上，电极通过电缆连接地面电控柜即可；

第四步骤：旋转机构中旋转电机旋转，带动电极进给机构内的电极旋转运动，实现井下油/套管的环向切割，与此同时，电极进给机构不断补偿电极的消耗，实现井下油/套管的环向均匀切割。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

优选实施例一,井下切割管柱主要包含电缆、电极进给机构、引鞋等。等离子切割工艺为电缆携带工具串进入到遇卡油/套管内部指定位置后，首先在井下油/套管和工具电极之间施加正负电压，电极进给机构内电极在伺服系统的控制下不断向管柱内壁移动，当电极与管柱内壁达到一定间隙时就会发生剧烈的等离子放电，在等离子放电的高温、高压作用下，管柱材料被去除。通过地面转盘等设备，旋转电极进给机构，实现井下油/套管的环向切割。

为了提高井下遇卡油/套管柱的切割性，提出了优选实施例二，井下切割管柱主要包含电缆、旋转机构、电极进给机构、引鞋等，在优选实施例一的基础上增加了旋转机构。旋转机构内有旋转电机，在电缆提供电力后驱动旋转电机旋转，并带动电极进给机构做周向旋转运动，电极围绕管柱内壁旋转一周进行环向切割，管柱被切断。

为了提高井下遇卡油/套管柱切割的居中性，提出了优选实施例三和优选实施例四，井下切割管柱主要包含电缆、扶正机构、旋转机构、电极进给机构、引鞋等，优选实施例三和四在优选实施例二的基础上增加了扶正机构，优选实施例三和优选实施例四的扶正机构分别布置在旋转机构的上端和电极进给机构的下端。扶正机构保证等离子切割装置的居中状态，保证被切割管柱实现厚度上的同步切割，切割更均匀。

为了进一步提高井下遇卡油/套管柱切割的居中性，提出了优选实施例五，井下切割管柱主要包含电缆、上扶正机构、旋转机构、电极进给机构、下扶正机构引鞋等，在优选实施例三和优选实施例四单个扶正机构的基础上增加了一个扶正机构，上、下两个扶正机构使切割管柱的居中性更好，切割效果更好。

在上述各优选实施例中，引鞋保证管柱下入时的可下入性；电极进给机构实现电极的环向进给和后退，保证电极对管柱的切割以及整体厚度的切割；旋转机构带动进给机构做周向旋转运动，实现环向切割；扶正机构保证等离子切割装置的居中状态。地面控制系统可以实现对井下切割状态的监测和控制，实现精准切割。等离子切割时电极和管柱之间不产生切削力，不存在机械刀具磨损的问题，同时等离子切割时间短，效率高，具有很大的管柱切割优势。

本发明一是切割效率远远高于常规的机械切割，切割成功率高；二是切割系统与喷砂切割相比，设备简单；三是地面控制系统可以实现对井下切割系统切割状态的实时监控和调整，切割更精准。

附图说明

图1、图2、图3、图4、图5分别是井下油/套管等离子切割装置的五种优选实施例示意图。

图6是电极进给机构的一种优选实施例示意图(进给机构外壳半剖)。

图7是旋转机构的一种优选实施例示意图(旋转机构外壳和下端盖半剖)。

图8是扶正机构的一种优选实施例示意图(上扶正机构顶盖和上扶正机构外壳半剖)。

图中标记：1-电缆；2-需要切割的井下管柱；3-电极进给机构；4-引鞋；5-旋转机构；6-上扶正机构；7-下扶正机构。

31-上固定圆盘；32-步进电机；33-从动轴；34-电机固定板；35-主动齿轮；36-外壳；37-从动同步轮；38-皮带；39-电极；310-下固定圆盘；311-双头长螺栓；312-轴承；313-电极推块；314-主动同步轮；315-从动齿轮；316-主动轴；317-法兰盘；318-上端盖。

51-转换接头；52-旋转电机；53-旋转机构外壳；54-电机支撑板；55-联轴器；56-导线管；57-轴承；58-下端盖。

61-中间螺杆；62-上压紧螺母；63-上压紧弹簧；64-动块；65-支撑杆；66-轴承；67-连接片；68-扶正滚轮；69-下压紧弹簧；610-下压紧螺母；611-定块；612-底座；613-扶正机构顶盖；614-扶正机构外壳。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本说明书的叙述说明中，所述的上、下位置关系，与附图中图示的位置关系相同，这也是本发明的工具在直井中应用时的各构件间的相互位置关系。对于水平井来说，上是指油水井水平段的跟部，下是指油水井水平段的趾部。

以工艺管柱最为复杂，包含机构最复杂的优选实施例五为例来说明每个机构的具体实施方式。

如图5、图6、图7、图8所示，井下油/套管等离子切割装置包括电缆1、电极进给机构3、引鞋4、旋转机构5、上扶正机构6、下扶正机构7等。

所述电缆1主要为电极进给机构3、旋转机构5提供电源。当该工艺在水平井中应用时，电缆1需要连续油管携带或者爬行器等专用工具将电缆1带入到水平段给切割工具提供动力。

所述电极进给机构3是切割管柱的核心结构，通过电极的横向进给、回退以及旋转运动，实现井下油/套管柱的切割。电极进给机构3主要包含上固定圆盘31、步进电机32、从动轴33、电机固定板34、主动齿轮35、外壳36、从动同步轮37、皮带38、电极39、下固定圆盘310、双头长螺栓311、轴承312、电极推块313、主动同步轮314、从动齿轮315、主动轴316、法兰盘317、上端盖318等部件。所述上固定圆盘31通过螺钉固定在外壳36上，所述步进电机32固定在电机固定板34上，电机固定板34通过螺栓固定在上固定圆盘31上，所述主动齿轮35安装在步进电机32输出轴上，所述从动齿轮315和主动同步轮314安装在主动轴316上，所述主动轴316和从动轴33安装在上固定圆盘31和下固定圆盘310中间，所述从动同步轮37安装在从动轴33上，所述皮带38安装在主动同步轮314和从动同步轮37上，所述电极推块313通过螺栓固定在皮带38上，所述电极39、轴承312通过螺栓固定在电极推块313上，所述双头长螺栓311通过螺母安装在上固定圆盘31和下固定圆盘310中间，所述下固定圆盘310通过螺钉固定在外壳36上。步进电机32工作时，带动主动齿轮35将扭矩传递给从动齿轮315，从动齿轮315驱动主动轴316转动，主动轴316驱动主动同步轮314转动，主动同步轮314通过同步带38驱动从动同步轮37运动，从而将步进电机32的旋转运动转化为同步带38的直线运动，通过同步带38的运动驱动电极推块313运动，从而带动电极39实现进给和回退功能。所述法兰盘317与上端盖318之间固定连接。

备注：图6只是电极进给机构的一种优选实施例，其他可以实现电极进给的不同机构同样可以在该井下切割装置中应用。

所述旋转机构5是切割装置中提供旋转动力的部件。

旋转机构5主要包含转换接头51、旋转电机52、旋转机构外壳53、电机支撑板54、联轴器55、导线管56、轴承57、下端盖58等部件。所述旋转机构外壳53上部与转换接头51螺纹连接，下部与下端盖48螺纹连接。其余部件置于旋转机构外壳53内部。电机支撑板54与旋转机构外壳53固定。所述旋转电机52固定于电机支撑板54上。旋转电机输出轴通过联轴器55与空心导线管56连接。所述轴承57固定在下端盖58上，承受整个旋转机构的重量。所述空心导线管56与电极进给机构3中的法兰盘318连接，实现旋转机构5与电极进给机构3的连接。旋转电机52驱动导线管56转动过程中，带动电极进给机构3周向旋转，实现环向切割。

备注：图7只是旋转机构中的一种优选实施例，其他可以实现旋转功能的传动机构均可以在该井下切割装置中应用。

所述上扶正机构6和下扶正机构7是切割装置的扶正机构，保证切割装置的居中度，以此来实现井下油/套管切割的对称性。上扶正机构6和下扶正机构7结构相同，以上扶正机构6为例来说明扶正机构的结构和实施方案。

上扶正机构6主要包含中间螺杆61、上压紧螺母62、上压紧弹簧63、动块64、支撑杆65、轴承66、连接片67、扶正滚轮68、下压紧弹簧69、下压紧螺母610、定块611、底座612、扶正机构顶盖613、扶正机构外壳614等部件。所述上压紧螺母62套在中间螺杆61的外部，上压紧螺母62固定在上压紧弹簧63的上方，下压紧螺母610固定在定块611的上方，调节上压紧螺母62和下压紧螺母610的位置可以实现上压紧弹簧63和下压紧弹簧69的预紧力的调节，从而调节扶正力。所述扶正机构外壳上端口丝扣式连接扶正机构顶盖，下端口丝扣式连接底座，所述上压紧螺母、下压紧螺母、上压紧弹簧、下压紧弹簧均套在中间螺杆的外部，上压紧螺母固定在上压紧弹簧的上方，下压紧螺母位于下压紧弹簧的下方，下压紧螺母固定在定块的上方，定块固定在底座上，动块内孔安装轴承，轴承套在中间螺杆上，动块位于上压紧弹簧和下压紧弹簧之间，所述支撑杆包括上支撑杆、下支撑杆，连接片上端铰接上支撑杆下端，上支撑杆上端铰接动块，连接片下端铰接下支撑杆上端，下支撑杆下端铰接定块，扶正滚轮安装在连接片上，所述扶正机构外壳开设用于伸出扶正滚轮的径向窗口，动块64、支撑杆65、连接片67、扶正滚轮68、定块611之间彼此连接，形成连杆机构。扶正滚轮68可以为1组、2组或多组均可，在本优选实施例中，扶正滚轮68为3组。所述上扶正机构6与旋转机构5之间通过转换接头51进行连接；所述电极进给机构3与下扶正机构7之间增加转换接头51实现连接。

备注：图8所示扶正机构只是扶正机构中的一种优选实施例，其他弹簧片扶正器、液压扶正器等可以实现扶正功能的机构均可以在该井下切割装置中应用。

本发明的井下油/套管等离子切割工艺实施方案是(以工艺管柱最为复杂，包含机构最复杂的优选实施例五为例来说明)：

1.下入等离子切割装置，自下而上为引鞋+下扶正机构+电极进给机构+旋转机构+上扶正机构+电缆至井口(如果为水平井，则电缆需要在连续油管中预置或者利用爬行器携带管柱串下入)；

2.在上扶正机构和下扶正机构的作用下，等离子切割装置保持居中状态；

3.地面通电，所述电极进给机构中步进电机带动电极向切割管柱内壁进给，当达到一定间隙时引发等离子放电，产生高温，开始切割；所述电极固定在所述电极进给机构上，电极通过电缆连接地面电控柜即可。

4.旋转机构中旋转电机旋转，带动电极进给机构内的电极旋转运动，实现井下油/套管的环向切割，与此同时，电极进给机构不断补偿电极的消耗，实现井下油/套管的环向均匀切割。

优选实施例一,井下切割管柱主要包含电缆、电极进给机构、引鞋等。等离子切割工艺为电缆携带工具串进入到遇卡油/套管内部指定位置后，首先在井下油/套管和工具电极之间施加正负电压，电极进给机构内电极在伺服系统的控制下不断向管柱内壁移动，当电极与管柱内壁达到一定间隙时就会发生剧烈的等离子放电，在等离子放电的高温、高压作用下，管柱材料被去除。通过地面转盘等设备，旋转电极进给机构，实现井下油/套管的环向切割。

为了提高井下遇卡油/套管柱的切割性，提出了优选实施例二，井下切割管柱主要包含电缆、旋转机构、电极进给机构、引鞋等，在优选实施例一的基础上增加了旋转机构。旋转机构内有旋转电机，在电缆提供电力后驱动旋转电机旋转，并带动电极进给机构做周向旋转运动，电极围绕管柱内壁旋转一周进行环向切割，管柱被切断。

为了提高井下遇卡油/套管柱切割的居中性，提出了优选实施例三和优选实施例四，井下切割管柱主要包含电缆、扶正机构、旋转机构、电极进给机构、引鞋等，优选实施例三和四在优选实施例二的基础上增加了扶正机构，优选实施例三和优选实施例四的扶正机构分别布置在旋转机构的上端和电极进给机构的下端。扶正机构保证等离子切割装置的居中状态，保证被切割管柱实现厚度上的同步切割，切割更均匀。

为了进一步提高井下遇卡油/套管柱切割的居中性，提出了优选实施例五，井下切割管柱主要包含电缆、上扶正机构、旋转机构、电极进给机构、下扶正机构引鞋等，在优选实施例三和优选实施例四单个扶正机构的基础上增加了一个扶正机构，上、下两个扶正机构使切割管柱的居中性更好，切割效果更好。

在上述各优选实施例中，引鞋保证管柱下入时的可下入性；电极进给机构实现电极的环向进给和后退，保证电极对管柱的切割以及整体厚度的切割；旋转机构带动进给机构做周向旋转运动，实现环向切割；扶正机构保证等离子切割装置的居中状态。地面控制系统可以实现对井下切割状态的监测和控制，实现精准切割。等离子切割时电极和管柱之间不产生切削力，不存在机械刀具磨损的问题，同时等离子切割时间短，效率高，具有很大的管柱切割优势。

本发明一是切割效率远远高于常规的机械切割，切割成功率高；二是切割系统与喷砂切割相比，设备简单；三是地面控制系统可以实现对井下切割系统切割状态的实时监控和调整，切割更精准。

以上实施例中所涉及到的连接方式，均为本领域内的常规方式，比如各种部件的丝扣式连接方式，可以替换成焊接或者其他等同的连接方式。只不过本领域内螺纹式连接比较常用。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位指示或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。