CN114320200A - 一种海洋废弃井口等离子弧切割装备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种海洋废弃井口等离子弧切割装备，包括支撑锁紧机构、正反转机构、切割机构；支撑锁紧机构用于将整个装备锁紧在井筒内部，使装备沿井筒轴线方向实现自定心，正反转机构用于带动切割机构实现大于一圈的稳定旋转，保证套管割缝呈现完整的环形，切割机构能够驱动等离子割炬向套管壁面方向实现径向进给，确保放电间隙合适，提高起弧成功率。本发明海洋废弃井口切割装备采用全液压驱动，密封要求低，工作可靠性高，通过双螺旋圆柱凸轮结构巧妙的将直线运动变为旋转运动，特殊设计的割炬能够高效的实现井下套管的切割任务，能够满足井口弃置工作中对于经济性、高效性和环保性的要求，市场价值大，经济效益高，值得推广应用。

Description

一种海洋废弃井口等离子弧切割装备

技术领域

本发明涉及一种海洋废弃井口等离子弧切割装备，属于石油钻采设备技术领域。

背景技术

社会的发展离不开能源的供给，社会发展的速度越快，能源需求量就越大。油气能源作为社会中的重要资源，长久以来，人类都十分重视对其的开采利用。为了获取更多的油气资源，许多靠海的国家都在大力发展海上采油业，大力兴建海上采油平台。在新世纪初，世界各国在海域上兴建的平台已经超过7000座。而海上采油平台的服役年限一般为20-30年，所以，现阶段越来越多的平台开始面临退役问题，需要进行弃置处理。海上采油平台的弃置作业具体包括许多过程，而海底废弃井口的拆除属于这个作业过程之一。世界各国都有关于海上采油平台弃置作业的相关法规，我国规定海底废弃井口的拆除，需要从海底泥线以下四米处的套管水泥环开始作业。目前，在国内外的废弃井口切割作业主要被机械切割装备和水射流切割装备占据主体市场。其中机械切割存在切削力大，装置振动明显，刀具易磨损和断刀，对于偏心井口套管工况，割刀受力不均衡等缺点，而水射流切割又对装备的密封性要求极高，同时混砂水射流喷嘴易堵死且磨损较快，装备的制造和维护费用昂贵。综合来看这两种方式的可靠性低，稳定性差，作业效率也较为低下。

为此，设计一套稳定高效的海底弃井切割装备，用于克服上述传统作业方法中的缺点，同时能够满足经济环保的要求，是十分重要且有意义的工作。

发明内容

针对现有海底弃井切割技术的不足，本发明提供一种新型结构的海洋废弃井口等离子弧切割装备，可以达到同等作业环境下，切割效率更高，作业过程更安全可靠的目的。

本发明的技术方案如下：

一种海洋废弃井口等离子弧切割装备，包括支撑锁紧机构，正反转机构和切割机构，所述支撑锁紧机构位于装备最上端，所述正反转机构设置在支撑锁紧机构的下端，所述切割机构设置在正反转机构的下端；

其中，所述支撑锁紧机构用于将整个装备牢固的锁紧在井筒内部，并能够使装备沿井筒轴线方向实现自定心，为其下方的正反转机构和切割机构提供稳定的支撑，保证切割工作平稳进行；

所述正反转机构用于带动其下方的切割机构实现大于360°的稳定正反转，保证所切割的井筒内部套管的割缝呈现完整的环形；

所述切割机构用于带动水下等离子割炬沿套管周向运动，从而实现环形切割，同时能够驱动等离子割炬向套管壁面方向实现径向进给，从而保证二者之间具有的合适的放电间隙，确保等离子弧的起弧成功率和成弧后的稳定性；

优选的，所述支撑锁紧机构包括上支撑法兰、上支撑接箍、上支撑套筒、上支撑大耳座、上支撑大连杆、上支撑小连杆、上支撑小耳座、上三角法兰、上支撑油缸、中间支撑法兰、中间支撑接箍、下支撑油缸、下三角法兰、下支撑小耳座、下支撑小连杆、下支撑大连杆、下支撑大耳座、下支撑套筒、下支撑接箍和下支撑法兰，上支撑法兰通过凸台卡在上支撑接箍内部，上支撑接箍通过螺纹连接固定在上支撑套筒顶端，上支撑套筒上端侧壁等角度开了三个大小相等的长方形窗口，下支撑法兰通过凸台卡在下支撑接箍内部，下支撑接箍通过螺纹连接固定在下支撑套筒底端，下支撑套筒下端侧壁等角度开了三个大小相等的长方形窗口，中间支撑法兰通过凸台卡在中间支撑接箍内部，中间支撑接箍通过螺纹连接固定在上支撑套筒的底端和下支撑套筒的顶端，这样设计的好处在于通过法兰、套筒和接箍三种零件的螺纹连接固定，能够为装备的装配工作提供便利，在装配时只需要旋转套筒和接箍，不需要旋转内部法兰等结构，可以避免装配时的管线缠绕问题，同时，这种通体的螺纹连接也能够保证整机的同心度，可以提高样机工作的稳定性，上支撑油缸和下支撑油缸对向设置于中间支撑法兰上下端面的中心，用于给支撑锁紧机构提供支撑驱动力，选用液压油缸做为驱动的好处是在海水的工作环境中，相比电机驱动方式来说，密封性要求低，工作可靠性更高，且能够提供更大的支撑驱动力，上三角法兰设置在上支撑油缸活塞的上方，下三角法兰设置在下支撑油缸活塞的下方，上支撑小耳座设置在上三角法兰上，下支撑小耳座设置在下三角法兰上，上支撑小连杆的一端设置在上支撑小耳座上，下支撑小连杆的一端设置在下支撑小耳座上，小耳座和小连杆三个一组沿法兰直径方向等角度分布，用于传递支撑油缸所提供的驱动力，上支撑大耳座设置在上支撑法兰上，下支撑大耳座设置在下支撑法兰上，上支撑大连杆的一端设置在上支撑大耳座上，另一端与上支撑小连杆连接，下支撑大连杆的一端设置在下支撑大耳座上，另一端与下支撑小连杆连接，大耳座和大连杆三个一组沿法兰直径方向等角度分布，大连杆用于与套管内壁直接接触，形成上下六个支撑点，从而将装备锁紧在套管内部，并实现自定心功能，上述结构除法兰、接箍和套筒外，其余结构均用螺栓连接固定；

优选的，所述正反转机构包括上套筒、中套筒、下套筒、上接箍、中接箍、下接箍、上法兰、中法兰、下法兰、大油缸、连接块、连接杆、圆柱凸轮、凸轮轴承、保护套、穿线管、小平面轴承、大平面轴承和卡套，上套筒通过螺纹连接固定于上述支撑锁紧机构的下支撑接箍上，上法兰通过凸台卡在上接箍内部，中法兰通过凸台卡在中接箍内部，上接箍通过螺纹连接固定于上套筒和中套筒之间，中接箍通过螺纹连接固定于中套筒和下套筒之间，下接箍通过螺连接固定于下套筒的底端，这种通体螺纹连接的好处在于可以保证装备的同轴度，穿线管设置在上法兰和中法兰之间，用于从其内部穿过液压油管、气电管和水电管，卡套卡在下套筒底端内壁上，卡套下端设置大平面轴承，下法兰通过凸台卡在大平面轴承內圆上，下法兰下端设置另一个大平面轴承，小平面轴承卡在中法兰中间的孔洞处，圆柱凸轮上端通过轴和轴肩定位在小平面轴承內圆中，圆柱凸轮下端插入固定在下法兰中间的孔洞中，保护套通过螺纹连接设置在中法兰下端，用于保护圆柱凸轮在工作时不受缠绕的管线影响，大油缸倒置固定于上法兰的上端面中心处，大油缸活塞可通过上法兰中心的孔洞伸出，连接块固定于大油缸活塞的顶端，连接块两侧设置两根连接杆，连接杆可通过中法兰上两侧的孔洞穿过中法兰，两根连接杆伸出的另一端分别安装两个凸轮轴承，凸轮轴承可卡在圆柱凸轮的双螺旋轨道槽中，机构在工作时，通过大油缸提供推力，推力经过连接块和连接杆传递到凸轮轴承上，凸轮轴承在上下往复运动的同时，与圆柱凸轮的轨道槽面接触，带动圆柱凸轮转动，从而将直线运动变换成旋转运动，圆柱凸轮与下法兰相对固定，从而带动下法兰一起旋转，这种设计的好处在于，通过大油缸的伸出和缩回可以很方便的实现机构的正反转，且驱动能力强劲，同时两个大平面轴承安装在机构的最底端，优化了机构的受力，保护了内部结构的同时也提高了机构抵抗外载干扰的能力，上述结构除法兰、接箍和套筒外，其余结构均用螺栓连接固定；

优选的，所述切割机构包括上随动法兰、连接套筒、下随动法兰、底部引鞋、长固定螺杆、进给油缸和水下等离子割炬，长固定螺杆共四根设置在上述正反转机构的下法兰上，上随动法兰可穿过长固定螺杆设置在上述正反转机构的下法兰底端，连接套筒上端通过螺纹连接在上随动法兰上，连接套筒侧壁开有一个长方形的窗口，连接套筒下端通过螺纹连接设置有底部引鞋，底部引鞋主要用于在装备下入井口时起导向作用，下随动法兰设置在长固定螺杆的底端，进给油缸设置在下随动法兰上，水下等离子割炬设置在进给油缸的活塞顶端，在切割作业准备阶段，随着进给油缸的伸出，可以带动水下等离子割炬穿过连接套筒侧壁的窗口，向着套管内壁方向实现进给运动，从而获得合适的放电间隙，之后水下等离子割炬点火，并喷出高温高能的等离子体，开始对套管进行切割作业；

本发明的有益效果在于：

1.本发明将电加工的方法引入海洋废弃井口切割作业，借助等离子切割金属材料速度快的优点，可大大提高海底井口弃置作业的效率，节省作业成本。

2.本发明采用全液压驱动方式来控制装备的支撑旋转和进给动作，相比电机驱动方式来说，降低了对驱动装置密封性的要求，提高了装备工作的可靠性，相比气压驱动方式来说，能够有更加精确的速度控制能力，同时也更容易获得强劲的驱动力。

3.本发明通过液压油缸驱动凸轮轴承实现上下往复运动，而后经双螺旋圆柱凸轮将直线运动变化为旋转运动，可以带动等离子割炬绕套管内壁面实现大于360°的正反转，这种双螺旋圆柱凸轮结构使得结构受力更加均匀，运动过程更稳定，而油缸自带限位功能，方便实现行程保护，同时旋转动作的速度控制也可依靠调节油缸进油流量来轻松实现。

附图说明

图1为本发明装备总装图；

图2为本发明中支撑锁紧机构的结构示意图；

图3为本发明中正反转机构的结构示意图；

图4为本发明中切割机构的结构示意图；

其图中：1、支撑锁紧机构；2、正反转机构；3、切割机构；4、上支撑法兰；5、上支撑接箍；6、上支撑套筒；7、上支撑大耳座；8、上支撑大连杆；9、上支撑小连杆；10、上支撑小耳座；11、上三角法兰；12、上支撑油缸；13、中间支撑法兰；14、中间支撑接箍；15、下支撑油缸；16、下三角法兰；17、下支撑小耳座；18、下支撑小连杆；19、下支撑大连杆；20、下支撑大耳座；21、下支撑套筒；22、下支撑接箍；23、下支撑法兰；24、上套筒；25、中套筒；26、下套筒；27、上接箍；28、中接箍；29、下接箍；30、上法兰；31、中法兰；32、下法兰；33、大油缸；34、连接块；35、连接杆；36、圆柱凸轮；37、凸轮轴承；38、保护套；39、穿线管；40、小平面轴承；41、大平面轴承；42、卡套；43、上随动法兰；44、连接套筒；45、下随动法兰；46、底部引鞋；47、长固定螺杆；48、进给油缸；49、水下等离子割炬。

具体实施方式

图1是本发明提供的一种海洋废弃井口等离子弧切割装备的总装图，包括支撑锁紧机构1、正反转机构2、切割机构3，支撑锁紧机构1位于装备的最上端，正反转机构2设置在支撑锁紧机构2的下端，切割机构3设置在正反转机构2的下端；

其中，所述支撑锁紧机构1用于将整个装备牢固的锁紧在井筒内部，并能够使装备沿井筒轴线方向实现自定心，为其下方的正反转机构2和切割机构3提供稳定的支撑，保证切割工作平稳进行；

所述正反转机构2用于带动其下方的切割机构实现大于360°的稳定正反转，保证所切割的井筒内部套管的割缝呈现完整的环形；

所述切割机构3用于带动水下等离子割炬沿套管周向运动，从而实现环形切割，同时能够驱动等离子割炬向套管壁面方向实现径向进给，从而保证二者之间具有的合适的放电间隙，确保等离子弧的起弧成功率和成弧后的稳定性。

图2是本发明中支撑锁紧机构1的结构示意图，支撑锁紧机构1包括上支撑法兰4、上支撑接箍5、上支撑套筒6、上支撑大耳座7、上支撑大连杆8、上支撑小连杆9、上支撑小耳座10、上三角法兰11、上支撑油缸12、中间支撑法兰13、中间支撑接箍14、下支撑油缸15、下三角法兰16、下支撑小耳座17、下支撑小连杆18、下支撑大连杆19、下支撑大耳座20、下支撑套筒21、下支撑接箍22和下支撑法兰23，上支撑法兰通4过凸台卡在上支撑接箍5内部，上支撑接箍5通过螺纹连接固定在上支撑套筒6顶端，上支撑套筒6上端侧壁等角度开了三个大小相等的长方形窗口，下支撑法兰23通过凸台卡在下支撑接箍22内部，下支撑接箍22通过螺纹连接固定在下支撑套筒21底端，下支撑套筒21下端侧壁等角度开了三个大小相等的长方形窗口，中间支撑法兰13通过凸台卡在中间支撑接箍14内部，中间支撑接箍14通过螺纹连接固定在上支撑套筒6的底端和下支撑套筒21的顶端，这样设计的好处在于通过法兰、套筒和接箍三种零件的螺纹连接固定，能够为装备的装配工作提供便利，在装配时只需要旋转套筒和接箍，不需要旋转内部法兰等结构，可以避免装配时的管线缠绕问题，同时，这种通体的螺纹连接也能够保证整机的同心度，可以提高样机工作的稳定性，上支撑油缸12和下支撑油缸15对向设置于中间支撑法兰13上下端面的中心，用于给支撑锁紧机构提供支撑驱动力，选用液压油缸做为驱动的好处是在海水的工作环境中，相比电机驱动方式来说，密封性要求低，工作可靠性更高，且能够提供更大的支撑驱动力，上三角法兰11设置在上支撑油缸12活塞的上方，下三角法兰16设置在下支撑油缸15活塞的下方，上支撑小耳座10设置在上三角法兰11上，下支撑小耳座17设置在下三角法兰16上，上支撑小连杆9的一端设置在上支撑小耳座10上，下支撑小连杆18的一端设置在下支撑小耳座17上，小耳座和小连杆三个一组沿法兰直径方向等角度分布，用于传递支撑油缸所提供的驱动力，上支撑大耳座7设置在上支撑法兰4上，下支撑大耳座20设置在下支撑法兰23上，上支撑大连杆8的一端设置在上支撑大耳座7上，另一端与上支撑小连杆9连接，下支撑大连杆19的一端设置在下支撑大耳座20上，另一端与下支撑小连杆18连接，大耳座和大连杆三个一组沿法兰直径方向等角度分布，大连杆用于与套管内壁直接接触，形成上下六个支撑点，从而将装备锁紧在套管内部，并实现自定心功能，上述结构除法兰、接箍和套筒外，其余结构均用螺栓连接固定；

图3是本发明中正反转机构2的结构示意图，正反转机构2包括上套筒24、中套筒25、下套筒26、上接箍27、中接箍28、下接箍29、上法兰30、中法兰31、下法兰32、大油缸33、连接块34、连接杆35、圆柱凸轮36、凸轮轴承37、保护套38、穿线管39、小平面轴承40、大平面轴承41和卡套42，上套筒24通过螺纹连接固定于上述支撑锁紧机构1的下支撑接箍22上，上法兰30通过凸台卡在上接箍27内部，中法兰31通过凸台卡在中接箍28内部，上接箍27通过螺纹连接固定于上套筒24和中套筒25之间，中接箍28通过螺纹连接固定于中套筒25和下套筒26之间，下接箍29通过螺连接固定于下套筒26的底端，这种通体螺纹连接的好处在于可以保证装备的同轴度，穿线管39设置在上法兰30和中法兰31之间，用于从其内部穿过液压油管、气电管和水电管，卡套42卡在下套筒26底端内壁上，卡套42下端设置大平面轴承41，下法兰32通过凸台卡在大平面轴承42內圆上，下法兰32下端设置另一个大平面轴承42，小平面轴承40卡在中法兰31中间的孔洞处，圆柱凸轮36上端通过轴和轴肩定位在小平面轴承40內圆中，圆柱凸轮36下端插入固定在下法兰32中间的孔洞中，保护套38通过螺纹连接设置在中法兰31下端，用于保护圆柱凸轮36在工作时不受缠绕的管线影响，大油缸33倒置固定于上法兰30的上端面中心处，大油缸33活塞可通过上法兰30中心的孔洞伸出，连接块34固定于大油缸33活塞的顶端，连接块34两侧设置两根连接杆35，连接杆35可通过中法兰31上两侧的孔洞穿过中法兰31，两根连接杆35伸出的另一端分别安装两个凸轮轴承37，凸轮轴承37可卡在圆柱凸轮36的双螺旋轨道槽中，机构在工作时，通过大油缸33提供推力，推力经过连接块34和连接杆35传递到凸轮轴承37上，凸轮轴承37在上下往复运动的同时，与圆柱凸轮36的轨道槽面接触，带动圆柱凸轮36转动，从而将直线运动变换成旋转运动，圆柱凸轮36与下法兰32相对固定，从而带动下法兰32一起旋转，这种设计的好处在于，通过大油缸33的伸出和缩回可以很方便的实现机构的正反转，且驱动能力强劲，同时两个大平面轴承42安装在机构的最底端，优化了机构的受力，保护了内部结构的同时也提高了机构抵抗外载干扰的能力，上述结构除法兰、接箍和套筒外，其余结构均用螺栓连接固定；

图4为本发明中切割机构3的结构示意图，切割机构3包括上随动法兰43、连接套筒44、下随动法兰45、底部引鞋46、长固定螺杆47、进给油缸48和水下等离子割炬49，长固定螺杆47共四根设置在上述正反转机构2的下法兰32上，上随动法兰43可穿过长固定螺杆47设置在上述正反转机构2的下法兰32底端，连接套筒44上端通过螺纹连接在上随动法兰43上，连接套筒44侧壁开有一个长方形的窗口，连接套筒44下端通过螺纹连接设置有底部引鞋46，底部引鞋46主要用于在装备下入井口时起导向作用，下随动法兰45设置在长固定螺杆47的底端，进给油缸48设置在下随动法兰45上，水下等离子割炬49设置在进给油缸48的活塞顶端，在切割作业准备阶段，随着进给油缸48的伸出，可以带动水下等离子割炬49穿过连接套筒44侧壁的窗口，向着套管内壁方向实现进给运动，从而获得合适的放电间隙，之后水下等离子割炬点火，并喷出高温高能的等离子体，开始对套管进行切割作业；

本实施例海洋废弃井口等离子弧切割装备，可以利用高温高能的等离子弧完成对海底废弃井口的切割任务，其具体工作过程为，首先装备通过滚筒绞车和钢丝绳等提拉装置下放到井筒内部指定深度位置，然后上支撑油缸12和下支撑油缸15的活塞向外伸出，驱动支撑锁紧机构1的连杆向外张开，并与井筒内壁接触，形成上下六个支撑点，将装备自定心在井筒内部并实现锁紧，之后进给油缸48驱动水下等离子割炬49向套管壁面方向运动，使得割炬喷嘴和井筒内壁面之间具有合适的放电间隙，然后割炬开始点火，切割作业开始进行，与此同时，大油缸33活塞开始推出，驱动凸轮轴承37向下运动，凸轮轴承通过螺旋槽面与圆柱凸轮36接触，从而带动圆柱凸轮36旋转，圆柱凸轮36与装备底端的切割机构3相对固定，从而也带着包括等离子割炬49在内的切割机构3一起旋转，当大油缸33推出的行程结束时，等离子割炬正好沿着井筒内壁正转一圈，然后大油缸33活塞开始缩回，当大油缸33缩回的行程结束时，等离子割炬49又反转回起始位置，之后大油缸33重复推出和缩回动作，直至达到想要的割深，待切割工作结束后，大油缸33停止动作，进给油缸48带动水下等离子割炬49缩回，上支撑油缸12和下支撑油缸15带动连杆回收，随后通过钢丝绳将装备上提至海面以上，完成工作任务。

Claims (4)

1.一种海洋废弃井口等离子弧切割装备，其特征在于，包括支撑锁紧机构，正反转机构和切割机构，所述支撑锁紧机构位于装备最上端，所述正反转机构设置在支撑锁紧机构的下端，所述切割机构设置在正反转机构的下端；

其中，所述支撑锁紧机构用于将整个装备牢固的锁紧在井筒内部，并能够使装备沿井筒轴线方向实现自定心，为其下方的正反转机构和切割机构提供稳定的支撑，保证切割工作平稳进行；

所述正反转机构用于带动其下方的切割机构实现大于360°的稳定正反转，保证所切割的井筒内部套管的割缝呈现完整的环形；

所述切割机构用于带动水下等离子割炬沿套管周向运动，从而实现环形切割，同时能够驱动等离子割炬向套管壁面方向实现径向进给，从而保证二者之间具有的合适的放电间隙，确保等离子弧的起弧成功率和成弧后的稳定性。

2.如权利要求1所述的海洋废弃井口等离子弧切割装备，其特征在于，所述支撑锁紧机构包括上支撑法兰、上支撑接箍、上支撑套筒、上支撑大耳座、上支撑大连杆、上支撑小连杆、上支撑小耳座、上三角法兰、上支撑油缸、中间支撑法兰、中间支撑接箍、下支撑油缸、下三角法兰、下支撑小耳座、下支撑小连杆、下支撑大连杆、下支撑大耳座、下支撑套筒、下支撑接箍和下支撑法兰，所述连杆和耳座通过塞打螺栓连接，彼此之间可相对转动，组成上下两层六组支撑，支撑油缸驱动三角法兰运动，带动连杆与井筒内壁接触，形成支撑点，实现自定心锁紧工作。

3.如权利要求1所述的海洋废弃井口等离子弧切割装备，其特征在于，所述正反转机构包括上套筒、中套筒、下套筒、上接箍、中接箍、下接箍、上法兰、中法兰、下法兰、大油缸、连接块、连接杆、圆柱凸轮、凸轮轴承、保护套、穿线管、小平面轴承、大平面轴承和卡套，所述大油缸可驱动凸轮轴承实现上下往复运动，凸轮轴承通过双螺旋轨道槽面与圆柱凸轮接触，带动圆柱凸轮旋转，将直线往复运动变换为正反旋转运动。

4.如权利要求1所述的海洋废弃井口等离子弧切割装备，其特征在于，所述切割机构包括上随动法兰、连接套筒、下随动法兰、底部引鞋、长固定螺杆、进给油缸和水下等离子割炬，所述进给油缸驱动等离子割炬沿井筒径向进给，用于获得合适的放电间隙，所述水下等离子割炬可以向井筒内壁面喷出高温高能的等离子弧，用于完成切割任务。

Images