CN204152468U - 一种金属管开孔装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种金属管开孔装置，包括沿轴向依次设置的点火装置、接头、装药室及密封开孔器，其中：所述的装药室的上端设有起密封和连通点火装置的接头，装药室的下端连通密封开孔器；所述的密封开孔器为中空的腔体，该腔体沿轴向依次分为A腔、B腔和C腔，A腔为密封腔，B腔为喷射腔，C腔为缓冲腔。装药室内的燃烧剂被引燃后，产生高温、高压金属流体，当压力上升到密封活塞上的剪切销钉剪断力的时候，密封活塞下移，高温、高压金属流体通过喷孔装置上的小眼垂直于装置轴向的径向方向作用于金属管柱上，实现对金属管柱的开孔作业，可用于油气井施工井下管柱事故处理中的开孔作业。

Description

一种金属管开孔装置

技术领域

本实用新型属于燃烧剂技术应用领域，特别是一种金属管开孔装置，用于油气井开采过程中井下管柱的开孔作业。

背景技术

在油气井金属管柱开孔施工过程中，采用炸药聚能装药开孔技术时，炸药聚能装药射流必须首先穿透本身装置壳体，然后穿过井液，最后再对目标金属管壁进行开孔，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开孔，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开孔装置能量利用率较低，且开孔的孔径比较小，一般开孔孔径为十几到二十几毫米，由于孔径小往往需要同时在金属管壁上开好几个孔才能达到目的；同时由于井下条件复杂且不可遇见，对聚能开孔装置开孔深度有着非常严格的要求，同时对开孔装置的开孔深度稳定性要求非常高，如稳定性不高，开孔深度太低往往会造成击不穿目标管柱，达不到开孔的目的，或者开孔深度太高，往往会伤害金属管柱外层的管柱(例如套管)。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷或不足，本实用新型的目的在于提供一种金属管开孔装置，该装置利用燃烧剂燃烧产生高温作为动力源，通过喷嘴上的喷孔将燃烧剂燃烧产生的高温、高压金属流体喷射到金属管柱上，使金属管柱局部在高温、高压金属流体的烧蚀、冲刷作用下立即熔化而形成一定尺寸的孔眼。

为达到上述目的，采取的技术方案为：

一种金属管开孔装置，包括沿轴向依次设置的点火装置、接头、装药室及密封开孔器，其中：

所述的装药室的上端设有起密封和连通点火装置的接头，装药室的下端连通密封开孔器；

所述的密封开孔器为中空的腔体，该腔体沿轴向依次分为A腔、B腔和C腔，A腔为密封腔，B腔为喷射腔，C腔为缓冲腔，来自装药室的流体冲破A腔经B腔垂直于轴向冲出，残余物存留于C腔内。

进一步的，所述的装药室至少有一个。

具体的，所述的装药室为圆筒形的构件，沿装药室的内壁设有耐热层，装药室内放置装药单元。

具体的，所述的装药单元为圆柱形，装药单元包括燃烧剂柱及点火剂芯。

更具体的，所述的装药单元至少有一个。

具体的，所述的接头的中央设有点火剂装填孔，点火剂装填孔与装药单元的点火剂芯连通。

进一步的，所述的A腔内固设密封活塞，B腔侧壁设有喷孔，密封活塞可穿过B腔到达C腔内。

更进一步的，所述的B腔内套设有喷嘴，喷嘴侧壁设有通孔，通孔与所述的喷孔配合连通，所述的喷孔至少有一个，喷孔的直径为1～3mm，所述的通孔的数量和直径与喷孔相同。

具体的，密封活塞通过销钉固定于A腔中。

优选的，所述的C腔内设置尾架，尾架下端的中心设有泄流孔，泄流孔的直径不小于20mm。

与现有技术相比，本实用新型的优点在于：

(1)本装置通过点火装置、装药室与密封点火装置间结构的合理设置，使本装置在上部点火，下部喷射热流体进行开孔，符合油田井下开孔的安全、方便的要求；

(2)由于本装置的喷孔沿侧壁圆周设置，能定向的对热流体进行引导，湿热流体沿垂直于本装置轴向的方向定向的进行打孔，有利于打孔方向的控制；

(3)由于本装置的装药室和装药单元可根据实际的打孔深度的要求进行数量上的增减，使本装置的打孔质量可以进行调控，同时能通过最少的装药量完成相应的打孔需求，节省打孔成本；

(4)本装置通过在喷嘴架内设置的密封活塞及固定密封活塞的销钉，为装药室与喷嘴之间提供了一个密封的空间，使来自装药室内的热金属流体在达到能切断销钉的能量时，才通过喷嘴喷出达到金属管上进行开孔，保证了开孔的质量；

(5)密封活塞可以在喷嘴架、喷嘴及尾架连通的空间内进行移动，开孔时密封活塞落到尾架的空间内，将喷嘴上的喷孔暴露进行喷射打孔，同时将喷嘴及尾架中的异物、水及空气通过尾架上的泄流孔排出，为热流体的打孔提供一个清洁的通道；

(6)本装置利用燃烧剂作为动力源，在开孔作业过程中，不会产生爆炸现象，开孔过程中不会对目标金属管外层相邻的管柱(套管)造成损伤；燃烧剂在燃烧后主要产物为小的金属及金属氧化物颗粒，不会产生井下大的落物而造成二次卡井事故；不会产生对环境有污染的固体、气体，可以更高效、更安全地进行油气井施工管柱开孔作业。

附图说明

图1为本实用新型所述的金属管开孔装置的结构示意图；

图2为装药单元结构示意图；

图中的各标号表示：1-点火装置、2-接头、201-点火剂填充孔、3-装药室、301-装药单元、4-密封开孔器、401-A腔、402-B腔、403-C腔、5-密封活塞、6-喷嘴、7-尾架、701-泄流孔、8-点火剂芯、9-燃烧剂柱；

下面结合附图与具体实施方式对本实用新型作进一步详细说明。

具体实施方式

本实用新型将点火装置、接头、装药室和密封开孔器沿轴向依次设置，使本装置更适合在油田的井下使用，实现上部点火下部开孔，方便操作；所述的点火装置为常用的油田用点火装置，一般为电点火装置；接头连接点火装置和装药室，保证能将装药室内的药品点燃的同时还能密封；密封开孔器包括沿轴向依次设置的A腔、B腔和C腔，A腔为密封腔将装药室密封使药品燃烧后以一定的冲力冲破A腔的密封，再通过B腔喷射腔喷射出去实现打孔，同时遗留下的残留物到达C腔的缓冲腔。

为了达到不同的装药量的控制，以最少的装药量达到不同的开孔需求，本实用新型可以安装不同的装药室；另外，为了保证装药室能多次进行使用，在装药室的内层设置耐热层，且圆筒形的装药室不仅方便装药且能达到最大的装药量。

在考虑到多个装药单元之间能快速的点燃和最大的装药量时，本实用新型将装药单元设置为圆筒形的燃烧剂和圆柱形的点火剂芯的配合，在进行多个装药单元的累积装入时点火剂能自然的连接实现点燃。

在考虑A腔内的密封结构时，为了能使燃烧室在点燃前密封、在燃烧后达到一定的冲力才实现喷射的目的，本实用新型在A腔内通过销钉安装有密封活塞，当燃烧室内的热流体冲力能剪断销钉时，将密封活塞推过B腔到达C腔，使热流体由B腔的侧壁垂直喷射。

为了使本装置更加的耐用，将B腔内安装喷嘴，喷嘴上设有通孔、B腔侧壁设有喷孔，将喷孔与通孔配合连通进行热流体的喷射，长时间使用时仅需更换喷嘴不会对B腔产生损害。

另外，考虑到热流体的残留物或井下水或砂石等的异物存留在C腔内，本实用新型将C腔内装入尾架，尾架的中央开有泄流孔，实现异物的排出。

通过本实用新型所述的金属管开孔装置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，开孔孔径可以通过改变喷嘴上的喷孔和喷嘴架上的通孔的孔径而改变，最大开孔孔径可达50mm以上，且可以根据目标金属管柱厚度的不同对装药室的数量及装药单元的数量进行调整，达到在开孔作业中能够烧穿目标金属管柱且不伤害外层管柱的目的；尽管燃烧剂装药单元的燃烧速度比炸药聚能装药单元的切割技术要慢，但对操作者而言，开孔速度还是相当快的，一般在几百毫秒左右即可完成开孔(采用炸药聚能装药切割技术的切割时间一般为几十微秒)。

为了更加清楚的说明本实用新型所述的金属管开孔装置，以下结合实施例及说明书附图进行具体说明。

实施例一：

结合图1，本实施例的金属管开孔装置包括：点火装置1、接头2、装药室3和密封开孔器4，其中：

装药室3的上端连接一个用来密封以及安装点火装置1的接头2，装药室转换接头2中心设有点火剂填充孔201，点火剂填充孔201中装有点火剂，点火剂填充孔201的直径小于Ф10mm；

装药室3为圆筒形的部件，其内表面附着有耐热层，该耐热层可以为三氧化二铝层，装药室3内装填有若干个装药单元301；

装药室3的下端连通密封开孔器4，所述的密封开孔器4为中空的腔体，该腔体沿轴向依次分为A腔401、B腔402和C腔403，A腔401为密封腔，B腔402为喷射腔，C腔403为缓冲腔，A腔401内设有密封活塞5，B腔402侧壁设有喷孔，密封活塞5可穿过B腔402到达C腔403内；

为了使本装置的使用寿命延长，将B腔402内套设喷嘴6，喷嘴6侧壁设有通孔，通孔与喷孔配合连通，喷孔至少有一个，喷孔的直径为1～3mm，通孔的数量和直径与喷孔相同；

密封活塞5通过销钉404固定在密封开孔器4的A腔401上，销钉404在垂直方向给密封活塞5一个剪切力，密封活塞5优选由耐高温材料制成，耐高温的材料优选为石墨、耐高温金属或陶瓷材料制成；

为了达到清理腔体内异物、水及空气的目的，将C腔403的位置设置尾架7，尾架7的上端为圆筒形腔体、尾架7的下端中心为圆柱形的泄流孔701，泄流孔701的直径不小于20mm；

结合图2，本实施例中的装药单元301包括燃烧剂柱9和点火剂芯8：

燃烧剂柱9通过下述方法制备：将三氧化二铁400g、铝粉100g、氧化铜400g、镍粉200g、SiC300g、氟化钙100g放入V型混料机中混合2小时，然后向混合物料中加入50g的聚乙二醇，再放入V型混料机中混合1小时，然后取出混合物料用专用模具压制成中心带孔的柱状物，该柱状物即为燃烧剂柱9，燃烧剂柱的密度为3.8～4.5g/cm³，燃烧剂柱9的中心孔的横截面呈圆形，这有利于压装时的退模；

点火剂芯8通过下述方法制备：将铝镁合金粉600g、氧化铜300g放入V型混料机中混合2小时即得点火剂粉，将点火剂粉装入燃烧剂柱的中心孔内，直至注满为止，用密封胶纸将中心孔两端密封，得到点火剂芯8；

这样就完成了一个圆柱形装药单元301的制作，装药单元301的直径等于或小于装药室3的内径。

本实用新型所述的金属管开孔装置的工作原理为：

实施作业时，点火装置1将位于接头2中央的点火剂填充孔201中的点火剂点燃，点火剂燃烧后点燃装药室3内的装药单元301，装药单元301燃烧后产生高温、高压熔融态物质冲向密封开孔器4，当到达密封开孔器4的A腔401位置时，A腔内的密封活塞5移动，当密封活塞5受到来自装药室3内的推力大于销钉404对密封活塞5的剪切力后，销钉401被剪断，密封活塞5向下移动穿过位于B腔402位置的喷嘴6落到位于C腔位置的尾架7内，由于密封活塞5的下移，喷嘴6上的通孔与B腔侧壁上的喷孔和装药室3连通，装药室3内的高温、高压金属流体穿过通孔及喷孔沿垂直于本装置的轴向喷射而出，垂直作用在目标管柱上，对目标管柱进行烧蚀，从而实现对目标金属管柱的开孔作业，同时由于密封活塞5的下移，使B腔402和C腔403内的异物、水和空气等由泄流孔701排出，为热流体的喷射提供清洁的空间。

热开孔装置在工作时产生的高温、高压金属熔融态物质直接作用于密封活塞上，所以为了避免密封活塞在高温、高压下造成损坏，密封活塞应选择耐高温、高压的材料加工而成，或者选择铁制材料在在其活塞的上层镶嵌一种耐高温材料，耐高温材料优选为石墨、耐高温金属或陶瓷材料。

实际测试表明，采用本发明的非爆炸性的金属管热开孔装置，其切割作业将在100ms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，电缆受到的冲击非常小，电缆受损的几率几乎为零。

Claims (10)

1.一种金属管开孔装置，其特征在于，包括沿轴向依次设置的点火装置(1)、接头(2)、装药室(3)及密封开孔器(4)，其中：

所述的装药室(3)的上端设有起密封和连通点火装置(1)的接头(2)，装药室(3)的下端连通密封开孔器(4)；

所述的密封开孔器(4)为中空的腔体，该腔体沿轴向依次分为A腔(401)、B腔(402)和C腔(403)，A腔(401)为密封腔，B腔(402)为喷射腔，C腔(403)为缓冲腔，来自装药室(3)的流体冲破A腔(401)经B腔(402)垂直于轴向冲出，残余物存留于C腔(403)内。

2.如权利要求1所述的金属管开孔装置，其特征在于，所述的装药室(3)至少有一个。

3.如权利要求1或2所述的金属管开孔装置，其特征在于，所述的装药室(3)为圆筒形的构件，沿装药室(3)的内壁设有耐热层，装药室(3)内放置装药单元(301)。

4.如权利要求3所述的金属管开孔装置，其特征在于，所述的装药单元(301)为圆柱形，装药单元(301)包括燃烧剂柱(9)及点火剂芯(8)。

5.如权利要求3所述的金属管开孔装置，其特征在于，所述的装药单元(301)至少有一个。

6.如权利要求3所述的金属管开孔装置，其特征在于，所述的接头(2)的中央设有点火剂装填孔(201)，点火剂装填孔(201)与装药单元(301)的点火剂芯(8)连通。

7.如权利要求1所述的金属管开孔装置，其特征在于，所述的A腔(401)内固设密封活塞(5)，B腔(402)侧壁设有喷孔，密封活塞(5)可穿过B腔(402)到达C腔(403)内。

8.如权利要求1或7所述的金属管开孔装置，其特征在于，所述的B腔(402)内套设有喷嘴(6)，喷嘴(6)侧壁设有通孔，通孔与所述的喷孔配合连通，所述的喷孔至少有一个，喷孔的直径为1～3mm，所述的通孔的数量和直径与喷孔相同。

9.如权利要求7所述的金属管开孔装置，其特征在于，密封活塞(5)通过销钉(404)固定于A腔(401)中。

10.如权利要求1或7所述的金属管开孔装置，其特征在于，所述的C腔(403)内设置尾架(7)，尾架(7)下端的中心设有泄流孔(701)，泄流孔(701)的直径不小于20mm。