CN106687242A - 电化学井管切割工具 - Google Patents

Abstract

一种井管切割工具(1)，特别适用于切割其中具有传导性流体的任意类型的接入地下工程(4)的管道(2)，包括至少一个用于确保电连续性的装置和至少一个电极(8)。该工具(1)还包括用于确保工具(1)在管道(2)中的机械固定的至少一个装置例如锚(6)。所述用于确保电连续性的装置、锚(6)以及电极(8)在长度上能够调整以适合于大范围内的不同管道(2)直径。可选地，电极(8)位于旋转设备(7)上。工具(1)连接到包括电子模块(11)、至少一个扶正器(12)以及具有倾角仪的套管接箍定位器模块(13)的主工具体(10)。主工具体(10)连接到电缆头(15)，该电缆头确保与地表单元(16)的通信。

Description

电化学井管切割工具

发明目的

如说明书标题中所述，本发明涉及一种表现出诸多优势及创新特征的井管切割工具，所述优势及创新特征将在下文中更加详细地描述并一起给出针对目前在现有技术中已知的其他系统的改进的替代系统。

具体地，本发明的目的在于一种用在地下工程中的用于井管切割的工具，其创新地基于一种电化学系统，至少包括：锚或扶正器以及特别设计成用于开始及产生在其所插入的管道中的切割的电极。

该电化学井管切割工具被设计成用于连接到主工具体，主工具体除了其他设备之外还包括：电子模块以及连接到通信及自承式电缆的连接装置，通信及自承式电缆连接到地表单元。电缆由绞盘操作以便移动该工具通过管道。

应用领域

本发明的应用领域是地下作业行业，特别是用于切割井管的系统、装置和设备的领域，例如接入溶解开采腔的井，可扩展至任何类型的地下工程。

背景技术

已知，溶解开采腔的开发要求套管靴的位置能够优化形状和尺寸。

由于震动、落石或不合乎需要的井下条件，管道可能弯曲、断裂或崩塌。在这样的情况下，不再能够保障矿藏的优化开发，因此需要切割管道。

已经开发并验证了用于实现所述切割的多种方法。操作的选择通常基于价格、可行性、安全性和环境考虑，包括管道的尺寸、深度、表面状况和切割的清洁度。

主要现存方法有：

-炸药、化学或等离子产物，其储存、运输和作业是危险的，

-机械式刀片由电缆或盘管(连续挠性管，coiled tubing)单元实现切割，但对于管道尺寸具有限制，

-由修井机(work-over rigs)所使用的磨料方法，其在待切割的壳体内的管柱的一端使用机械切割工具来实现切割。

所有这些方法都有各自的限制、优势和劣势，包括成功率、地下系统处于等候状态的操作时间以及之后运行测井工具的可能性。

下面是对已知的切割方式的操作、优势和劣势的简要描述：

-爆炸方法——分段切割器

基于起爆具有特定形状的炸药并产生穿透目标的金属流。是电力线路上最广泛的切割器。适用于大直径管道。需要被放在中间以实现完善的切割。

优势：可靠、轻便、移动和使用快速

劣势：切割并不干净，不能在切割后安全地执行测井操作，对外管道的损坏

-爆炸方法——“Split shot”

基于用电线起爆垂直配置的炸药。在钻铤(collar，接箍)层级上使用。产生垂直切割。

优势：可靠，轻便，移动方便且操作快速。能够穿过小尺寸管道，如果穿过约束部位能够切割更大尺寸的套管(casing)。

劣势：切割并不干净，不能在切割后安全地执行测井操作，对外管道的损坏

-磨料——磨料切割器-

基于在盘管(连续挠性管)上具有喷嘴的旋转工具，以通过水、盐水、油和沙子的混合物来切割管道。

优势：切割干净，测井操作(wireline operation)安全运行。

劣势：价格高，移动和部署时间，切割难以控制，成功率，对外管道的损坏。

-旋转刀片

基于由电动机驱动的旋转刀片。最大直径英寸(更大尺寸在开发中)。

优势：切割干净、可靠，无需操作危险产物，可以在切割后安全地执行测井操作。

劣势：测井工具昂贵，对于英寸以上的直径不可用。

-化学切割器

基于使用强制通过油/钢混合物的三氟化溴(BrF3)。BrF3与油反应并点燃钢丝棉。需要清洁的管道、扶正、锚固、压差。

优势：切割干净，可以在切割后安全地执行测井操作。

劣势：BrF3具有危险性，经常出现不完全的切割，对外管道造成损坏。

-径向割炬

基于放热反应。产生导致熔化等离子体流的冲击。

优势：非爆炸性，移动便捷，快速，不具有化学危险性，切割干净，可以在切割后安全地执行测井操作，通过不锈的铬(chrome)作业，在所有液体和干管道中均可进行切割。

劣势：对于英寸以上的直径不可用，昂贵，对外管道造成损坏。

文件US 4144936描述了井下(down hole)铣削或磨削系统，其包括悬在井中的、由海水驱动的液压马达，以旋转发电机并旋转切割工具。切割工具包括径向可移动的、导电的部件，其形成用于去除金属的电化学切削操作的阴极；切割工具还包括形成阳极的接触部件。切割工具的旋转导致导电部件和接触部件从休息位置向外移动至接触位置。

考虑到以上所述，本发明的目的在于提供对这些已知方法的替代方法，该方法基于电化学切割工具，其具有以下优势：能够提供十分干净的切割，不具有危险产物，并能够切割大范围的直径的任何类型的管道或套管。

然而，参照现有的现有技术状态，应当注意到，尽管存在用于切割所讨论的类型的管道的多种已知类型的设备、机构和装置，但是没有一种具有本文中的工具所表现出的特定技术、结构或组成特征，该工具的区别特征在伴随本说明书的最终的权利要求中进行描述。

发明内容

具体地，本发明提供了一种特别应用于井管切割的工具，其创新性地基于机械电化学系统，包括：至少一个用于确保电连续性的装置以及至少一个电极，以以下方式布置：其能够在工具所插入的管道中产生切割。通常井管是由金属，特别是钢制成的。

可选地，该工具还包括至少一个用于确保工具在管道中的机械固定的装置，其确保工具在要切割的管道内部的恰当定位并将该工具保持在正确的深度。优选地，用于确保工具在管道中的机械固定的装置也是用于确保电连续性的装置。

可选地，电化学井管切割工具包含若干特性以优化其操作，诸如用于确保至地表的通信以及用于向一个或多个电极传输合适的电源的电子模块，或者像CCL(套管接箍定位器)或倾角仪这样的附加传感器。

该工具优选地连接到确保通信和供电的自承式电缆或盘管。该电缆或盘管(盘缆，coiled cable)由绞盘运行以便向上或向下移动至切割所需要的深度。

另外，该新的井管切割工具遵从满足市场预期所要求的严格的规范：

-外径小以进入标准的压力控制设备，

-从地表至井下工具的供电容易，

-在很大范围的直径的任何类型的套管中锚固的能力，

-保持电极的系统能够适应任何管道尺寸，

-通过优化的电化学回路而改进凹槽形状，

-集成附加传感器，以关联深度(CCL等)和井下切割条件(倾角仪等)，

-在工具卡住的情况下的井下薄弱点。

已知，电化学切削系统包括工件至电流发生器的正电极(阳极)的连接，以及切割工具至负电极(阴极)的连接，二者均浸入导电溶液或电解质中。

对于本发明所提供的工具，工件是待切割的套管或管道，切割工具是由电极制成的，电解质主要为盐水，虽然在一些情况下这并不是必须的。

电化学反应在阳极处开始并在切割过程中始终保持。在反应中，金属从固态变为溶液并形成能够降低导电性的氢氧化物，但由于该反应是放热反应，可以确保电解质的自然更新。

应注意的是，能够被消除的材料的量与进入该系统的能量成正比，即输送至电极的能量乘以时间。

该工具的操作因此基于以下反应：

在施加到电极的高电流上，发生两个主要反应：

-在阳极，Fe——>Fe⁺⁺+2e^-

-在阴极，2H₂O+2e^-——>H₂+2OH^-

Fe⁺⁺+2OH^-——>Fe(OH)₂的总体结果表明，如果不进行搅拌，会很快沉降黑色氧化亚铁颗粒。

因此，如果反应通过调节阳极-阴极距离来适当地控制，如果电极形状优化，如果确保电解质流动，则金属完全沿着具有有限宽度的环状槽被挖出，以使得所有的操作都是加深该槽直到贯通，管道落下。

在工业设施中，持续泵送清洁、新鲜的电解质以保持阳极和阴极之间的优化的导电率。在本文的情况下，这是不可能的，但是借助于调适的流体更新系统和热对流造成的自然的上升/下降流动的组合，大部分氧化亚铁被排走。

法拉第电解定律称，在电解过程中改变的物质的质量正比于输送的电量。这能够总结成：

-m是以克为单位的在电极处释放的物质的质量

-Q是穿过物质的电流总量(因此，Q＝I*t)

-F＝96485库伦/摩尔为法拉第常数

-M是物质的摩尔质量

-z是物质的离子的价数(每离子传输的电子)。

适合于本文中的情况，在7”套管中，5毫米的平均宽度，180毫米的外径，以及8毫米的厚度将需要去除21600立方毫米或188克的铁(O.D.＝180毫米，I.D.＝164毫米，铁的M＝56克/摩尔，Z＝2)。

Q是切割管道所要求的电流的量。这能够计算出647800库伦，在强度为40安培时相当于大约4个半小时的电流量。

在实际条件下，可以获得更好的结果，证实了优异的性能水平，即便盐水的浓度低于海水也是如此。因此，所有的计算均为待切割的管道的厚度以及直径的函数。

下面是电化学井管切割器的优势和劣势的简要描述：

优势：可靠，轻便，快速移动，没有危险产物，切割干净，不对外管道造成损坏，能够在切割之后安全地执行测井操作，可以切割的直径范围大。

劣势：对于大直径的管道切割时间，需要导电性液体。

所述的电化学井管切割工具因此包括针对预期目的、原因的创新型结构以及直至目前尚未知晓的特性，从而与其实际功用一起为获得所要求的排他性特权提供了坚实基础。

附图说明

作为对本文件中的描述的补充，以及为了辅助对于本发明的特性的理解，本说明书包括伴随的一系列示意性、非限制性的图，表示以下内容：

图1示出了构成本发明的井管切割工具的示例的纵向示意图，示出了构成本发明的主要部件和元件；

图2示出了连接到电缆的工具的总体纵向图，示出了其布置以及其操作、处理和控制所涉及的设备；

图3示出了在井中的工具的纵向截面图，通过确保通信和供电的自承式电缆装置连接到地表单元，示出了所有地表设备的布置；

图4示出了在图3中示出的前部的放大的、更加详细的视图，示出了在所述示例中使用的修井机、电缆和地表单元；

图5示出了插入井中并连接到地表单元的另一示例的切割工具的另外的纵向截面图。在具有与车辆集成在一起的起重机以及没有穿过起吊塔的电缆的这一情况下，其示出了待切割的管道所在的地下腔。

具体实施方式

上述附图与编号一起用于示出如上所称的电化学井管切割工具的优选的、但非限制性的实施方式的示例，其包括将在下文中指出并详细描述的部件和元件。

因此，如图1中所能看到的，所讨论的工具(1)用于优选地用盐水切割在接入地下工程(4)的井(3)中的管道(2)，该工具(1)包括至少一个用于确保电连续性的装置和至少一个电极(8)，用于确保电连续性的装置例如是臂、导线、锚、指状物或封隔器(packer)。

可选地，工具(1)包括至少一个用于确保在管道中的机械固定的装置，例如扶正器、封隔器或可延伸臂。

在一种优选实施方式中，用于确保电连续性的装置也是用于确保机械固定的装置，特别是锚(6)。

在一种优选实施方式中，存在位于、铰接于以及径向布置在同一高度上的多于一个锚(6)。它们张开以接触管道(2)的内壁，固定工具并且调整至正确的内径。

在一种优选实施方式中，一个或多个电极(8)被径向布置在旋转设备(7)上，使得当旋转时，它们保持在距管道(2)壁很短距离处，以便使它们的位置匹配所述管道(2)的不断增加的直径，出于这一原因，其安装在专用臂(8a)上，因此通过旋转系统同时确保了电解质的更新。

优选地，锚(6)和电极(8)在长度上是可以调节的，因此适合于在扩展的范围内的任何类型的管道。

可以从图2中看出，工具(1)被设计成用于连接到主工具体(10)的下端，主工具体(10)至少包括根据需要向电极输送合适的电源的电子模块(11)。为了实现所述连接，切割部件(1)的主体(5)在其顶端配备有用于该目的的连接器(22)。

另外，所述主工具体(10)还承载至少一个扶正器(12)，优选地承载两个，以及具有倾角仪的CCL模块(13)，以使得两者均正确地定位工具(1)以及在管道(2)偏移时进行告知。

主工具体(10)在其顶端具有用于连接至电缆头(15)的连接器，通过这种方式其被电缆保持以确保至地表单元(16)的通信。

如图3至图5所示，地表单元(16)是可移动的并包括运输车辆(17)，电缆(15)的另一端连接至运输车辆(17)，以确保供电和通信。适合于配备采集系统和笔记本电脑以远程地控制工具(9)。所述电缆(15)用于使工具(9)入井(RIH)或出井(POOH)并从而通过精确深度测量设备来确定在井中的切割高度。地表布局可以或是作业单元，或是独立起重机，或是装备在车辆(17)上的专用起重机(如图5所示)。滑轮(20)确保电缆从绞盘的正确引导。

以下过程目的在于描述对于井管切割工具的标准现场事件顺序：

-测井单元的现场安装，例如7/32”电缆，直到4500米的标准电缆，取决于井的条件有或没有地表压力设备。

-工具(9)的地表准备工作，上方CCL倾角仪模块(13)的连接，快速检测测试，旋转验证(7)，电极打开及关闭(8)，锚张开及闭合(6)，在与待切割管道具有相同直径的钻模(夹具，jig)上测试。

-电测试，电缆和切割部件(1)连续性测试，地表单元(16)和井下工具(9)之间的通信测试。

-如果未使用压力装置，井口(3)上方的全部地表设备的装配。或者在运行中调配IWCF(国际井控制论坛)程序。通过绞盘(21)将工具(9)提升到井口(3)。

-地表上零深度；开始使用工具(9)入井(RIH)；下降到所需深度。

-检查井状况良好，观察压力(张力)、CCL和倾角仪(13)值。

-出井(POOH)以及相对于深度记录测井值(压力/DSCL/Incl.)。识别最佳可能切割深度。在出井时达到该深度。

-张开锚(6)，将工具深度设定在正确位置，使电缆松弛一些以确保锚固。

-打开保持电极(8)的臂(8a)并开始旋转(7)。

-一步一步地提高输送至电极(8)的电流直至强度的最大可接受水平。

-在屏幕上实时跟踪主要井下工具参数(每个电极的强度、电压、功率、电子模块内部温度、旋转引擎功率)。

-检测初次穿透

-持续操作直至检测到切割结束

-停止旋转装置(7)。闭合保持电极(8)的臂(8a)。通过CCL传感器检查切割完成。将工具拉出井至地表。

-可能运行另外的测量工具例如声纳或任何相关的测井工具

-拆卸设备。离开工地。

本发明的特性以及其使用的装置已经充分地进行了描述，认为更加展开的解释是不必要的，因为本领域内的任何一个专家都能够理解其范围和其带来的优势。然而应注意的是，其基本设计可以以与在示例中所指出的细节上不同的其他方式进行使用，并同样将落在所寻求的保护范围之内，前提是未改变、变化或修改本发明的基本原理。

Claims (8)

1.一种电化学井管切割工具，特别适用于切割其中具有传导性流体的任意类型的接入地下工程(4)的金属管道(2)，包括：

-至少一个用于确保电连续性的装置

-至少一个电极(8)

-至少一个用于确保所述工具(1)在管道(2)中的机械固定的装置其特征在于，所述用于确保电连续性的装置也是所述用于确保机械固定的装置。

2.根据权利要求1所述的电化学井管切割工具，其特征在于，所述用于机械固定的装置是锚(6)。

3.根据权利要求2所述的电化学井管切割工具，其特征在于，所述用于确保电连续性的装置、锚(6)以及电极(8)在长度上能够调整以适合于大范围内的不同管道(2)直径。

4.根据权利要求1至3中的任一项所述的电化学井管切割工具，其特征在于，所述电极(8)位于旋转设备(7)上。

5.根据权利要求1至4中的任一项所述的电化学井管切割工具，其特征在于，所述工具(1)连接到主工具体(10)，主工具体(10)包括电子模块(11)以根据要求将合适的电源输送到所述电极(8)。

6.根据权利要求5所述的电化学井管切割工具，其特征在于，所述主工具体(10)还包括至少一个扶正器(12)。

7.根据权利要求5和6所述的电化学井管切割工具，其特征在于，所述主工具体(10)还包括具有倾角仪的套管接箍定位器模块(13)。

8.根据权利要求5至7所述的电化学井管切割工具，其特征在于，所述主工具体(10)连接至电缆头(15)，所述电缆头(15)确保与地表单元(16)的通信。