CN113202436A - 旋转粒子射流管柱切割工具 - Google Patents
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Abstract
本发明属于石油钻采领域，特别涉及一种旋转粒子射流管柱切割工具，包括压帽、支撑环、扶正叶片、压盖、过滤网、碟簧、旋转外筒、摩擦盘、扶正轴承、卡环、止推轴承、压缩弹簧、中心轴、喷头本体、硬质合金喷嘴等，通过在泵送工作液中加入粒子，利用旋转粒子射流管柱切割工具，实现对粒子和流体中大直径颗粒过滤净化，并通过扶正叶片对工具进行扶正，在井下喷射旋转粒子射流，实现井下管柱360°高效切割，不受小管径、变形管等特殊条件限制，有效提高井下复杂管柱切割效率，降低作业成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种旋转粒子射流管柱切割工具，属于石油钻采领域。
背景技术
目前我国大部分油田已进入开发中后期，井下管柱遇卡事故的发生率随之不断上升。对于一些遇卡严重的管柱，利用上提、倒扣等传统操作方式已不能起到良好解卡效果，这就需要井下切割管柱的方式来取出管柱。目前主要的切割方式有机械切割、爆炸切割。机械切割通过机械刀具切割方式，通过在井口转动管柱，在大斜度井、水平井、深部切割时扭矩损失大、效果较差，同时刀片易损坏，稳定性不高。爆炸切割通过电缆输送爆炸枪，通过井下爆破的方式切割，但是电缆输送时易出现中途遇阻，所需药量等参数无法准确判断，易损伤套管，导致事故复杂化。因此亟需新型高效的井下管柱切割的工具和技术。
旋转粒子射流管柱切割技术，通过充分利用流体水力能量，在高压流体中加入固体颗粒，粒子在流体带动下加速到速度150m/s以上，然后冲击管柱表面，可有效破碎管柱，同时在井下通过射流的反作用力，使工具旋转，产生旋转粒子射流以实现井下管柱的360°高效切割，而且水力切割工具尺寸小，可实现小管径、变形管等特殊管柱的切割，该技术可实现井下复杂管柱的高效切割，降低作业成本，提高油气开发整体效益。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种实现井下旋转粒子射流管柱高效切割，切割工具360°旋转，能够进行小管径、变形管等特殊管柱切割，有效提高井下复杂管柱切割效率，降低作业成本的井下旋转粒子射流管柱切割工具。
本发明所述的旋转粒子射流管柱切割工具，包括管柱、扶正器筒体、压帽、支撑环、扶正叶片、压盖、过滤网、限位块、上压块、上压块密封圈、碟簧、导向块、旋转外筒、1#摩擦盘、中心轴密封圈、1#扶正轴承、2#扶正轴承、垫片、卡环、止推轴承、调心轴承、压缩弹簧、下压盖密封圈、下压盖、2#摩擦盘、摩擦片、摩擦片密封圈、中心轴、喷头本体、直喷式喷嘴、旋转式喷嘴、喷嘴外套、硬质合金喷嘴组成。扶正器筒体设置在管柱内，扶正叶片设置在扶正器筒体表面，扶正叶片上下设置两侧，扶正叶片轮廓为圆弧-直线-圆弧结构，该结构可有效降低工具起升下放过程中的运动阻力，并使工具在管柱内居中。压帽设置在扶正器筒体内，通过螺纹与扶正器筒体连接，压盖设置在压帽与支撑环之间，压盖与过滤网连接，压盖用于支撑过滤网，支撑环用来支撑压盖，压盖-过滤网-支撑环结构设置2-4道，通过多级过滤，实现流体中大颗粒杂质过滤，防止下部喷嘴水眼堵塞。限位块设置在扶正器筒体上，支撑环的最下部，用于支撑上部的压盖、过滤网和支撑环，通过压帽螺纹的不断旋紧，使压盖和支撑环压紧到限位块上，实现过滤网的固定，并密封压帽、压盖、支撑环、限位块之间的接触面。
上压块设置在扶正器筒体下部，通过螺纹与扶正器筒体连接。上压块密封圈设置在上压块和导向块之间，将导向块内部高压流体密封，此处为静摩擦密封。碟簧设置在上压块和导向块之间，安装后碟簧处于压紧状态，将导向块下压，导向块设置在碟簧下部，导向块材质为锡青铜或硬质合金，1#摩擦盘设置在导向块下部，在碟簧的压紧作用下，1#摩擦盘与导向块紧贴，在工作过程中，1#摩擦盘与导向块相对旋转运动，为旋转动密封，用于密封1#摩擦盘内部的高压流体，1#摩擦盘材质为锡青铜或硬质合金。随着1#摩擦盘与导向块的不断工作，两者磨损量增加，在碟簧推动作用下，两者磨损量被抵消，因此能够实现长时间的旋转机械密封。旋转外筒设置在上压块下部，通过螺纹与上压块连接，作为工具旋转部分外筒，起支撑和保护作用。中心轴密封圈设置在1#摩擦盘和中心轴之间，用于密封中心轴内的高压流体，此处为静密封。1#扶正轴承设置在旋转外筒和中心轴之间，2#扶正轴承设置在1#扶正轴承下部，旋转外筒和中心轴之间，通过1#扶正轴承和2#扶正轴承共同作用可有效扶正中心轴，避免中心轴不居中而导致1#摩擦盘偏磨。垫片设置在2#扶正轴承和止推轴承之间，用于支撑上部2#扶正轴承和压紧下部的止推轴承，止推轴承设置在垫片和卡环中间，用于承受中心轴轴向的压力，并保证中心轴能顺利旋转。卡环卡在中心轴上，对中心轴轴向进行限位，通过卡环上部止推轴承和下部调心轴承的阻挡，可将中心轴轴向位移限定，使工具能够承受一定向上的钻压和向下的拉力。调心轴承套在中心轴上，用于抵消中心轴运动过程中的偏心量，降低中心轴的摩擦磨损。压缩弹簧设置在下压盖内部，2#摩擦盘的上部，压缩弹簧安装后处于压缩状态，将下部的2#摩擦盘下压。下压盖设置在旋转外筒下部，通过螺纹与下压盖连接，用于支撑上部的调心轴承和对压缩弹簧导向。下压盖密封圈设置在下压盖和2#摩擦盘之间，用于密封工具外部的高压流体和杂质进入中心轴内，为静密封。2#摩擦盘设置在压缩弹簧下部摩擦片上部，材质为锡青铜或硬质合金，通过2#摩擦盘和摩擦片的配合，实现中心轴下部旋转密封，防止高压流体和杂质进入中心轴内，随着2#摩擦盘和摩擦片不断摩擦，两者都会出现磨损，通过压缩弹簧的下压作用，可抵消两者磨损量，使旋转密封结构长时间有效。摩擦片密封圈设置在摩擦片和中心轴之间，用于密封工具外部的高压流体和杂质，此处为静密封。喷头本体设置在中心轴下部，通过螺纹与中心轴连接，用于安装直喷式喷嘴和旋转式喷嘴。直喷式喷嘴设置在喷头本体内部，用于喷射直喷粒子射流，直喷粒子射流垂直冲向管柱内壁，在管柱内壁表面产生瞬时极大冲击应力，使管壁快速冲蚀磨损，经过粒子射流不断冲蚀，可割透管体，直喷式喷嘴在喷头本体横截面上设置2-4个。旋转式喷嘴设置在喷头本体内，用于喷嘴旋转粒子射流，旋转粒子射流冲击管壁后，会产生使工具旋转的反作用力，从而推动工具旋转，旋转粒子射流也具有切割管体作用，通过直喷式喷嘴和旋转式喷嘴的共同作用，实现了井下旋转粒子射流对井下管柱的360°切割，旋转式喷嘴在喷头本体横截面上设置2-4个。旋转式喷嘴轴线与直喷式喷嘴轴线的夹角α为10-90°，旋转式喷嘴轴线与直径方向的夹角β为10-60°。喷嘴外套设置在喷嘴本体内，通过螺纹与喷头本体连接，喷嘴外套材质为高耐磨钢质或硬质合金，用于提高喷嘴外筒寿命。硬质合金喷嘴镶嵌在喷嘴外套内，用于喷射粒子射流，硬质合金喷嘴可有效提高喷嘴工作寿命。
本发明的有益效果是：
通过在泵送工作液中加入砂粒等粒子，利用旋转粒子射流管柱切割工具，实现对粒子和流体中大直径颗粒过滤净化，并通过扶正叶片对工具进行扶正，在井下喷射旋转粒子射流，实现井下管柱360°高效切割，不受小管径、变形管等限制，有效提高井下复杂管柱切割效率，降低作业成本。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为图1中B-B的俯视图。
图中：1、管柱；2、扶正器筒体；3、压帽；4、支撑环；5、扶正叶片；6、压盖；7、过滤网；8、限位块；9、上压块；10、上压块密封圈；11、碟簧；12、导向块；13、旋转外筒；14、1#摩擦盘；15、中心轴密封圈；16、1#扶正轴承；17、2#扶正轴承；18、垫片；19、卡环；20、止推轴承；21、调心轴承；22、压缩弹簧；23、下压盖密封圈；24、下压盖；25、2#摩擦盘；26、摩擦片；27、摩擦片密封圈；28、中心轴；29、喷头本体；30、直喷式喷嘴；31、旋转式喷嘴；32、喷嘴外套；33、硬质合金喷嘴。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述：
如图1～2所示，本发明所述的旋转粒子射流管柱切割工具，包括管柱1、扶正器筒体2、压帽3、支撑环4、扶正叶片5、压盖6、过滤网7、限位块8、上压块9、上压块密封圈10、碟簧11、导向块12、旋转外筒13、1#摩擦盘14、中心轴密封圈15、1#扶正轴承16、2#扶正轴承17、垫片18、卡环19、止推轴承20、调心轴承21、压缩弹簧22、下压盖密封圈23、下压盖24、2#摩擦盘25、摩擦片26、摩擦片密封圈27、中心轴28、喷头本体29、直喷式喷嘴30、旋转式喷嘴31、喷嘴外套32、硬质合金喷嘴33。扶正器筒体2设置在管柱1内，扶正叶片5设置在扶正器筒体2表面，扶正叶片5上下设置两侧，扶正叶片5轮廓为圆弧-直线-圆弧结构，该结构可有效降低工具起升下放过程中的运动阻力，并使工具在管柱1内居中。压帽3设置在扶正器筒体2内，通过螺纹与扶正器筒体2连接，压盖6设置在压帽3与支撑环4之间，压盖6与过滤网7连接，压盖6用于支撑过滤网7，支撑环4用来支撑压盖6，压盖6-过滤网7-支撑环4结构设置2-4道，通过多级过滤，实现流体中大颗粒杂质过滤，防止下部喷嘴水眼堵塞。限位块8设置在扶正器筒体2上，支撑环4的最下部，用于支撑上部的压盖6、过滤网7和支撑环4，通过压帽3螺纹的不断旋紧，使压盖6和支撑环4压紧到限位块8上，实现过滤网7固定，并密封压帽3、压盖6、支撑环4、限位块8之间的接触面。上压块9设置在扶正器筒体2下部，通过螺纹与扶正器筒体2连接。上压块密封圈10设置在上压块9和导向块12之间，将导向块12内部高压流体密封，此处为静摩擦密封。碟簧11设置在上压块9和导向块12之间，安装后碟簧11处于压紧状态，将导向块12下压，导向块12设置在碟簧11下部，导向块12材质为锡青铜或硬质合金，1#摩擦盘14设置在导向块12下部，在碟簧11的压紧作用下，1#摩擦盘14与导向块12紧贴，在工作过程中，1#摩擦盘14与导向块12相对旋转运动，为旋转动密封，用于密封1#摩擦盘14内部的高压流体，1#摩擦盘14材质为锡青铜或硬质合金。随着1#摩擦盘14与导向块12的不断工作，两者磨损量增加，在碟簧11推动作用下，两者磨损量被抵消，因此能够实现长时间的旋转机械密封。旋转外筒13设置在上压块9下部，通过螺纹与上压块9连接，作为工具旋转部分外筒，起支撑和保护作用。中心轴密封圈15设置在1#摩擦盘14和中心轴28之间，用于密封中心轴28内的高压流体，此处为静密封。1#扶正轴承16设置在旋转外筒13和中心轴28之间，2#扶正轴承17设置在1#扶正轴承16下部，旋转外筒13和中心轴28之间，通过1#扶正轴承16和2#扶正轴承17共同作用可有效扶正中心轴28，避免中心轴28不居中而导致1#摩擦盘14偏磨。垫片18设置在2#扶正轴承17和止推轴承20之间，用于支撑上部2#扶正轴承17和压紧下部的止推轴承20，止推轴承20设置在垫片18和卡环19中间，用于承受中心轴28轴向的压力，并保证中心轴28能顺利旋转。卡环19卡在中心轴28上，对中心轴28轴向进行限位，通过卡环19上部止推轴承20和下部调心轴承21的阻挡，可将中心轴28轴向位移限定，使工具能够承受一定向上的钻压和向下的拉力。调心轴承21套在中心轴28上，用于抵消中心轴28运动过程中的偏心量，降低中心轴28的摩擦磨损。压缩弹簧22设置在下压盖24内部，2#摩擦盘25的上部，压缩弹簧22安装后处于压缩状态，将下部的2#摩擦盘25下压。下压盖24设置在旋转外筒13下部，通过螺纹与下压盖24连接，用于支撑上部的调心轴承21和对压缩弹簧22导向。下压盖密封圈23设置在下压盖24和2#摩擦盘25之间，用于密封工具外部的高压流体和杂质进入中心轴28内，为静密封。2#摩擦盘25设置在压缩弹簧22下部摩擦片26上部，材质为锡青铜或硬质合金，通过2#摩擦盘25和摩擦片26的配合，实现中心轴28下部旋转密封，防止高压流体和杂质进入中心轴28内，随着2#摩擦盘25和摩擦片26不断摩擦，两者都会出现磨损，通过压缩弹簧22的下压作用，可抵消两者磨损量，使旋转密封结构长时间有效。摩擦片密封圈27设置在摩擦片26和中心轴28之间，用于密封工具外部的高压流体和杂质，此处为静密封。喷头本体29设置在中心轴28下部，通过螺纹与中心轴28连接，用于安装直喷式喷嘴30和旋转式喷嘴31。直喷式喷嘴30设置在喷头本体29内部，用于喷射直喷粒子射流，直喷粒子射流垂直冲向管柱1内壁，在管柱1内壁表面产生瞬时极大冲击应力，使管壁快速冲蚀磨损，经过粒子射流不断冲蚀，可割透管体，直喷式喷嘴30在喷头本体29横截面上设置2-4个。旋转式喷嘴31设置在喷头本体29内，用于喷嘴旋转粒子射流，旋转粒子射流冲击管壁后，会产生使工具旋转的反作用力，从而推动工具旋转，旋转粒子射流也具有切割管体作用，通过直喷式喷嘴30和旋转式喷嘴31的共同作用，实现了井下旋转粒子射流对井下管柱1的360°切割，旋转式喷嘴31在喷头本体29横截面上设置2-4个。旋转式喷嘴31轴线与直喷式喷嘴轴线30的夹角α为10-90°，旋转式喷嘴31轴线与直径方向的夹角β为10-60°。喷嘴外套32设置在喷嘴本体29内，通过螺纹与喷头本体29连接，喷嘴外套32材质为高耐磨钢质或硬质合金，用于提高喷嘴外筒寿命。硬质合金喷嘴33镶嵌在喷嘴外套32内，用于喷射粒子射流，硬质合金喷嘴33可有效提高喷嘴工作寿命。
Claims (3)
1.一种旋转粒子射流管柱切割工具，包括管柱(1)、扶正器筒体(2)、压帽(3)、支撑环(4)、扶正叶片(5)、压盖(6)、过滤网(7)、限位块(8)、上压块(9)、上压块密封圈(10)、碟簧(11)、导向块(12)、旋转外筒(13)、1#摩擦盘(14)、中心轴密封圈(15)、1#扶正轴承(16)、2#扶正轴承(17)、垫片(18)、卡环(19)、止推轴承(20)、调心轴承(21)、压缩弹簧(22)、下压盖密封圈(23)、下压盖(24)、2#摩擦盘(25)、摩擦片(26)、摩擦片密封圈(27)、中心轴(28)、喷头本体(29)、直喷式喷嘴(30)、旋转式喷嘴(31)、喷嘴外套(32)、硬质合金喷嘴(33)，扶正器筒体(2)设置在管柱(1)内，扶正叶片(5)设置在扶正器筒体(2)表面，扶正叶片(5)上下设置两侧，扶正叶片(5)轮廓为圆弧-直线-圆弧结构，该结构可有效降低工具起升下放过程中的运动阻力，并使工具在管柱(1)内居中，压帽(3)设置在扶正器筒体(2)内，通过螺纹与扶正器筒体(2)连接，压盖(6)设置在压帽(3)与支撑环(4)之间，压盖(6)与过滤网(7)连接，压盖(6)用于支撑过滤网(7)，支撑环(4)用来支撑压盖(6)，限位块(8)设置在扶正器筒体(2)上，支撑环(4)的最下部，用于支撑上部的压盖(6)、过滤网(7)和支撑环(4)，上压块(9)设置在扶正器筒体(2)下部，通过螺纹与扶正器筒体(2)连接，上压块密封圈(10)设置在上压块(9)和导向块(12)之间，将导向块(12)内部高压流体密封，此处为静摩擦密封，碟簧(11)设置在上压块(9)和导向块(12)之间，安装后碟簧(11)处于压紧状态，将导向块(12)下压，导向块(12)设置在碟簧(11)下部，导向块(12)材质为锡青铜或硬质合金，1#摩擦盘(14)设置在导向块(12)下部，在碟簧(11)的压紧作用下，1#摩擦盘(14)与导向块(12)紧贴，在工作过程中，1#摩擦盘(14)与导向块(12)相对旋转运动，为旋转动密封，用于密封1#摩擦盘(14)内部的高压流体，1#摩擦盘(14)材质为锡青铜或硬质合金，随着1#摩擦盘(14)与导向块(12)的不断工作，两者磨损量增加，在碟簧(11)推动作用下，两者磨损量被抵消，因此能够实现长时间的旋转机械密封，旋转外筒(13)设置在上压块(9)下部，通过螺纹与上压块(9)连接，作为工具旋转部分外筒，起支撑和保护作用，中心轴密封圈(15)设置在1#摩擦盘(14)和中心轴(28)之间，用于密封中心轴(28)内的高压流体，此处为静密封，1#扶正轴承(16)设置在旋转外筒(13)和中心轴(28)之间，2#扶正轴承(17)设置在1#扶正轴承(16)下部，旋转外筒(13)和中心轴(28)之间，通过1#扶正轴承(16)和2#扶正轴承(17)共同作用可有效扶正中心轴(28)，避免中心轴(28)不居中而导致1#摩擦盘(14)偏磨，垫片(18)设置在2#扶正轴承(17)和止推轴承(20)之间，用于支撑上部2#扶正轴承(17)和压紧下部的止推轴承(20)，止推轴承(20)设置在垫片(18)和卡环(19)中间，用于承受中心轴(28)轴向的压力，并保证中心轴(28)能顺利旋转，卡环(19)卡在中心轴(28)上，对中心轴(28)轴向进行限位，通过卡环(19)上部止推轴承(20)和下部调心轴承(21)的阻挡，可将中心轴(28)轴向位移限定，使工具能够承受一定向上的钻压和向下的拉力，调心轴承(21)套在中心轴(28)上，用于抵消中心轴(28)运动过程中的偏心量，降低中心轴(28)的摩擦磨损，压缩弹簧(22)设置在下压盖(24)内部，2#摩擦盘(25)的上部，压缩弹簧(22)安装后处于压缩状态，将下部的2#摩擦盘(25)下压，下压盖(24)设置在旋转外筒(13)下部，通过螺纹与下压盖(24)连接，用于支撑上部的调心轴承(21)和对压缩弹簧(22)导向，下压盖密封圈(23)设置在下压盖(24)和2#摩擦盘(25)之间，用于密封工具外部的高压流体和杂质进入中心轴(28)内，为静密封，2#摩擦盘(25)设置在压缩弹簧(22)下部摩擦片(26)上部，材质为锡青铜或硬质合金，通过2#摩擦盘(25)和摩擦片(26)的配合，实现中心轴(28)下部旋转密封，防止高压流体和杂质进入中心轴(28)内，随着2#摩擦盘(25)和摩擦片(26)不断摩擦，两者都会出现磨损，通过压缩弹簧(22)的下压作用，可抵消两者磨损量，使旋转密封结构长时间有效，摩擦片密封圈(27)设置在摩擦片(26)和中心轴(28)之间，用于密封工具外部的高压流体和杂质，此处为静密封，喷头本体(29)设置在中心轴(28)下部，通过螺纹与中心轴(28)连接，用于安装直喷式喷嘴(30)和旋转式喷嘴(31)，直喷式喷嘴(30)设置在喷头本体(29)内部，用于喷射直喷粒子射流，直喷粒子射流垂直冲向管柱(1)内壁，在管柱(1)内壁表面产生瞬时极大冲击应力，使管壁快速冲蚀磨损，经过粒子射流不断冲蚀，可割透管体，旋转式喷嘴(31)设置在喷头本体(29)内，用于喷嘴旋转粒子射流，旋转粒子射流冲击管壁后，会产生使工具旋转的反作用力，从而推动工具旋转，旋转粒子射流也具有切割管体作用，通过直喷式喷嘴(30)和旋转式喷嘴(31)的共同作用，实现了井下旋转粒子射流对井下管柱(1)的360°切割，喷嘴外套(32)设置在喷嘴本体(29)内，通过螺纹与喷头本体(29)连接，喷嘴外套(32)材质为高耐磨钢质或硬质合金，用于提高喷嘴外筒寿命，硬质合金喷嘴(33)镶嵌在喷嘴外套(32)内，用于喷射粒子射流，硬质合金喷嘴(33)可有效提高喷嘴工作寿命。
2.根据权利要求1所述的一种旋转粒子射流管柱切割工具，其特征在于：压盖(6)-过滤网(7)-支撑环(4)结构设置2-4道，通过多级过滤，实现流体中大颗粒杂质过滤，防止下部喷嘴水眼堵塞，通过压帽(3)螺纹的不断旋紧，使压盖(6)和支撑环(4)压紧到限位块(8)上，实现过滤网(7)固定，并密封压帽(3)、压盖(6)、支撑环(4)、限位块(8)之间的接触面。
3.根据权利要求1所述的一种旋转粒子射流管柱切割工具，其特征在于：直喷式喷嘴(30)在喷头本体(29)横截面上设置2-4个，旋转式喷嘴(31)在喷头本体(29)横截面上设置2-4个，旋转式喷嘴(31)轴线与直喷式喷嘴轴线(30)的夹角α为10-90°，旋转式喷嘴(31)轴线与直径方向的夹角β为10-60°。
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