CN101619649A - 一种非爆炸性的金属管环形切割装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非爆炸性的金属管环形切割装置，该装置利用灼热剂燃烧产生高温为动力源，可将金属管沿周向切割断。主要由上接头、装药室、流体分配导流器、转向器、密封滑套及尾架等结构组成。装药室内的灼热剂引燃后，产生的高温流体沿装置轴向方向向流体分配导流器方向流动，高温流体通过流体分配导流器后，经转向器转向，其运动方向平滑转变为垂直于装置轴向的径向方向，同时在压力作用下，密封滑套向装置尾部滑动，打开切割通道。高温流体直接作用到被切金属管的内表面上，从而实现切割作业。可应用于油气井施工管柱遇卡时井下事故处理。

Description

一种非爆炸性的金属管环形切割装置

技术领域

本发明属于燃烧技术应用领域，涉及一种切割器，特别是一种非爆炸性的金属管环形切割装置，用于切割油气井施工过程中遇卡的金属管柱。

背景技术

灼热剂燃烧技术应用广泛，如用于过期军用器械的销毁、铁轨快速焊接修复、以及各种切割应用。灼热剂燃烧时的温度超过了2200℃，该温度足以融化大部分金属。通过注入氧气提高灼热剂反应速度，燃温可以达到5500℃～8800℃。如此大幅度的温度提高，大大减少了切割目标物的作用时间。通过喷孔将燃烧产生的熔渣和气体导向到一个方向，最终形成一个高速运动、带有压力的喷射流，该流体促使熔化的金属吹开并最终在目标物上形成切割。

基于灼热剂技术的切割装置可以实现与采用炸药聚能装药技术的切割装置同样的切割速度，但无需考虑炸药爆炸带来的安全稳患。另外，该技术形成的高温喷射流持续性、稳定性好，克服了炸药聚能装药射流在穿透不同材料界面时容易中断的不足。在油气井金属管柱切割施工过程中，采用炸药聚能装药切割技术时，炸药聚能装药射流必须首先切割透本装置的自身壳体，然后穿过井液，最后再对目标金属管壁进行切割，由于炸药聚能装药射流需穿透金属、油水混合液、金属三种材料才能完成切割，射流在经过不同材料界面时的损耗较大，因此基于炸药聚能装药技术的切割装置能量利用率较低，在切割壁厚较大，内径较小的金属管(如钻杆、钻铤)时，切割效果较差，更多的是依靠炸药爆炸时产生的高压将金属管撕断，从而造成切口的不齐整，形成喇叭口状的形状，同时会对油气井井壁造成一定的损伤。同时炸药聚能装药切割装置爆炸后弹壳的碎片散落入油气井中，这些碎片的尺寸从技术上不容易实现很小，综合上述因素，从而给后续的施工处理带来了困难。

灼热剂切割技术已应用于在钢架桥梁拆除施工过程中。用线性炸药聚能装药切割技术切割钢板时，必须做大量的预处理工作：用持续切割工具(如乙炔割枪)去除加强区域的重叠板状结构，这需要耗费大量时间，并且昂贵、危险性高。相反地，如果采用灼热剂切割技术，则不需要进行预处理工作，可直接对多层板进行切割施工，效率大大提高。灼热剂切割技术在切割不同厚度的板、多层板复合结构，以及中间或后侧存在加强部分的目标板状材料均有很大的可靠性。尽管灼热剂装药的切割速度比炸药聚能装药切割技术要慢，但对操作者而言，切割速度还是相当快的，一般在几百毫秒左右即可完成切割(采用炸药聚能装药切割技术的切割时间一般为几十微秒)。

中国专利ZL 200320108143.1公开了一种热切管器，该专利也是利用灼热剂燃烧后产生的高温流体对被切金属管进行烧蚀切割作业的。其主要结构特点是热切管器壳体表面某一位置存在数个喷孔，呈周向等距排列成一圈，灼热剂产生的高温流体通过这些喷孔直接对被切管柱进行烧蚀切割。该专利公开的装置在实际作业过程中存在以下问题：高温流体的流向方向转换没有采用平滑过渡的方式，而是直接通过活塞的阻挡以及喷嘴的打开进行，高温流体在喷孔处易形成高速的回旋冲刷，非常易造成喷孔扩孔后相互联通，工具发生损坏，或者高温流体中的固体颗粒发生堆积堵塞喷孔，从而造成切割作业失败。热切割器作业前喷孔浸泡在井液中，井液中的杂质容易沉积在喷孔内壁，给正常切割作业带来了不利因素。此外热切割器内表面的隔热材料必须加工一些小孔与壳体的喷孔一一相对应，这就增加了加工工艺的复杂性，而且热切管器的壳体使用后即发生损坏，无法重复使用，作业成本较高。

US6186226B1也公布一种金属管切割装置，其机构及工作原理与专利ZL 200320108143.1类似，其切割过程中同样存在ZL 200320108143.1专利所存在的缺点。

发明内容

针对上述现有技术存在的缺陷或不足，本发明的目的在于，提供一种非爆炸性的金属管环形切割装置，该装置利用灼热剂燃烧产生高温作为动力源，由于在施工作业时没有爆炸现象产生，切割后金属管切口整齐，没有胀径和翻边，基本没有井下落物，对油气井壁没有任何损伤，可以更高效、更安全地进行油气井施工管柱遇卡事故处理。

为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案：

一种非爆炸性的金属管环形切割装置，其特征在于，包括一个圆筒形的装药室，装药室的上端联接一个用来密封以及安装点火装置的上接头，装药室的下端联接有密封滑套；在装药室内壁的表面上附着有一层耐热材料，装药室内装填有装药单元，装药室的另一端联接流体分配导流器，导流器通过螺杆依次联接有一个锥形圆台状的转向器和尾架，尾架上连接有挡板；在转向器和尾架的外侧，设有与装药室相连接的密封滑套，其中，挡板与密封滑套末端的距离L大于转向器锥形圆台上边与密封滑套顶端的距离h。

进行环形切割作业时，由点火装置将装药室内的装药单元中的点火剂引燃，再由点火剂引燃灼热剂，灼热剂引燃后，产生的高温流体沿装置轴向方向向流体分配导流器方向流动，高温流体通过流体分配导流器后，经圆弧锥形转向器转向，其运动方向平滑转变为垂直于装置轴向的径向方向，形成环状的高温高速流体刀。同时在压力作用下，密封滑套向装置尾部滑动，打开切割通道。高温高速流体刀作用到被切金属管的同一内环形表面上，从而实施切割作业。

本发明的非爆炸性的金属管环形切割装置与现有技术相比，所带来的技术特点在于：

1、由于采用灼热剂燃烧产生的高温高压金属流体切割，而没有采用炸药聚能爆炸结构，与炸药聚能切割装置相比，切割后金属管的切口几何形形状与尺寸无任何变化，井下无碎片等大尺寸落物，同时对油气井井壁无损伤。而且切割范围更宽，尤其解决了炸药聚能切割装置无法可靠切割厚壁金属管(如钻杆)的现状。

2、与现有热切管器相比，采用“流体分配导流器”、“转向器”、“密封滑套及尾架”等组合结构取代热切管器中的“活塞”与周向“喷孔”结构组合，解决了热切管器装置的喷孔易堵塞、装置易损坏的难题，切割装置的可靠性得到了加强，提高了切割成功率。

3、与现有热切管器相比，制造加工工艺性更好，成本更低。

附图说明

图1是本发明的非爆炸性的金属管环形切割装置剖视图；

图2是非爆炸性的金属管环形切割装置的流体分配导流器的A-A处横向剖视图；

图3是本发明的非爆炸性的金属管环形切割装置实施切割作业瞬间的示意图；

图4是本发明的非爆炸性的金属管环形切割装置流体分配导流器与转向器联接的防窜火结构示意图；

以下结合附图对本发明作进一步的详细说明。

具体实施方式

如图1所示，本发明的非爆炸性的金属管环形切割装置1，主要包括一个圆筒形的装药室3，该装药室3上端联接一个用来密封以及安装点火装置的上接头2，装药室3的下端联接有密封滑套10；在装药室3的内表面附着一层耐热材料4，装药室3内装填有至少一个装药单元5，装药室3的另一端联接流体分配导流器6，导流器6通过螺杆9依次联接有一个锥形圆台状的转向器7和尾架8，尾架8上连接有挡板12；在转向器7和尾架8的外侧，设有与装药室3相连接的密封滑套10，用来防止油气井井液进入装置内部。其中，挡板12与密封滑套10末端的距离L大于转向器7锥形圆台上边与密封滑套10顶端的距离h，以确保切割通道的彻底打开。

作业前，密封滑套将切割通道与井液隔离开。

上述装药单元5，由灼热剂和点火剂组成，灼热剂由以下原料按重量百分比组成：高能燃烧剂：70％～90％，产气剂：5％～25％，微量添加剂1％～10％，上述原料的百分比之和为100％；点火剂由铝镁合金粉和氧化铜按(2～4)∶(4～6)的重量比组配。

高能燃烧剂选用三氧化二铁、铝粉、氧化铜、氧化亚铜、镍粉组成，其重量配比为：三氧化二铁∶铝粉∶氧化铜∶氧化亚铜∶镍粉＝4∶(1～2)∶(3～4)∶(0～1)∶(1～2)。

装药单元5的制备方法是：将高能燃烧剂的原料放入V型混料机中混合2小时，保证混合的均匀性，加入产气剂和添加剂，然后将适量的聚乙二醇溶液倒入高能燃烧剂、产气剂和添加剂的混合物中，再在V型混料机中混合一小时，把上述混合物装入模具，压制成中心带孔的柱状体，柱状体密度保持在3.8g/cm³～4.5g/cm³。

点火剂的生产工艺为，将铝镁合金粉和氧化铜混合倒入V型混料机中，混合2小时。

最后将点火剂散装倒入灼热剂药柱的中心孔内，两端用密封胶纸密封即可制成装药单元5。

实施作业时，如图3所示，上接头2与密封装置14相联，密封装置14内装有点火元件15，点火元件15发火后引燃装药单元5，装药单元5燃烧产生的高温高压金属流体16沿装置轴向方向向流体分配导流器6方向流动，高温流体通过流体分配导流器6后，经转向器7转向，其运动方向由向下平滑转变为垂直于装置轴向的径向方向，形成环状的高温高速流体刀。同时在压力作用下，密封滑套10向装置尾部滑动，打开切割通道。高温高速流体刀作用到被切金属管13的同一内环形表面上，从而实施切割作业。

如图3所示，上述转向器7为锥形圆台结构，其锥形圆台上边的母线为圆弧曲线，高温高速流体沿着锥形圆台状的转向器7圆弧状母线实现了平滑流动，从而使其运动方向平滑实现90度转向，避免了涡流的产生，最大限度地杜绝了分配导流器6上的分流通孔11不会发生堵塞，保护了装置不受损坏，同时也提高了装药单元5中的灼热剂能量的利用率。

如图3所示，在切割作业的瞬间，上述的金属管环形切割装置内部要产生高压，并直接作用在密封滑套10内侧，当压力大于外侧的环境压力(一般为井液压力)时，密封滑套10将向挡板12方向移动，受挡板12的阻挡，并最终停留在如图3所示位置，从而打开切割通道。高温高速金属流体16沿此通道作用到被切金属管13上，从而实施切割作业。由于高温高速金属流体通过该切割通道时不经过切割装置的任何结构，因此不会对切割装置1发生损坏。每次施工作业后，经清理并重新装填灼热剂以后，切割装置1可重复使用。从而降低了成本。

流体分配导流器6和转向器7由于工作在高温高速金属流体的冲刷的环境下，为不发生损坏，由耐热材料制成，耐热材料优选为石墨、耐高温金属或陶瓷材料。

如图2所示，分配导流器6中间为锥形，周边数个分流通孔11均匀分布，分流通孔的数量一般在8～16之间。

如图4所示，流体分配导流器6与转向器7相互联接的接触平面上，设有数个凹凸平面相接触的防窜火结构，即流体分配导流器6下端的a1、a2两个凹凸平面分别与转向器7上端的b1、b2两个凹凸平面对应接触，以防止高温高压流体从接触缝隙通过，将螺杆9烧蚀损坏，从而造成切割作业失败。

实际测试表明，采用本发明的非爆炸性的金属管环形切割装置，其切割作业将在180ms之内完成，作业时间比炸药爆炸聚能切割装置的几十微秒更长，在电缆传输施工时，电缆受到的冲击较小，电缆受损的几率几乎为零。

Claims (5)

1、一种非爆炸性的金属管环形切割装置，其特征在于，包括一个圆筒形的装药室(3)，装药室(3)的上端联接一个用来密封以及安装点火装置的上接头(2)，装药室(3)的下端联接有密封滑套(10)；在装药室(3)内壁的表面上附着有一层耐热材料(4)，装药室(3)内装填有至少一个装药单元(5)，装药室(3)的另一端联接流体分配导流器(6)，导流器(6)通过螺杆(9)依次联接有一个锥形圆台状的转向器(7)和尾架(8)，尾架(8)上连接有挡板(12)；在转向器(7)和尾架(8)的外侧，设有与装药室(3)相连接的密封滑套(10)，其中，挡板(12)与密封滑套(10)末端的距离L大于转向器(7)锥形圆台上边与密封滑套(10)顶端的距离h。

2、如权利要求1所述的非爆炸性的金属管环形切割装置，其特征在于，所述的转向器(7)为锥形圆台结构，其锥形圆台上边的母线为圆弧曲线。

3、如权利要求1所述的非爆炸性的金属管环形切割装置，其特征在于，所述流体分配导流器(6)和转向器(7)由耐热材料制成，所述的耐热材料为石墨、耐高温金属或陶瓷材料。

4、如权利要求1所述的非爆炸性的金属管环形切割装置，其特征在于，所述分配导流器(6)中间为锥形，分配导流器(6)周边均匀分布有数个分流通孔，分流通孔的数量在8～16之间。

5、如权利要求1所述的非爆炸性的金属管环形切割装置，其特征在于，所述的流体分配导流器(6)与转向器(7)相互联接的接触平面上，设有数个凹凸平面相接触的防窜火结构。

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