1研究目的与意义

石油能源是关系到国家经济安全的重要战略物资，石油储备能力的大小关系到国家经济持续发展的能力。石油能源的开采则必须要钻井，在钻井作业过程中，难免会发生井下事故，必然会对勘探和开发造成影响。

井下事故中最经常发生的就是卡钻事故，国内大多使用传统解卡方式，直接上提或者活动上提油管，如若不行，则会采取倒扣方式解卡，依旧不行的话最终会选择切段油管提出井外来解卡^[1]。这一方式会让修井过程变得漫长，会严重影响油田的生产作业，造成较大亏损，所以，一套高效的油管切割设备是至关重要的。管道切割分为管外切割和管内切割，对于石油开采来说，油管外空间狭小，不易安放切割设备，宜使用管内切割的方式。管内切割主要有机械切割法、化学切割法、高压射流切割法。其中机械切割法不适用于大倾斜度油井作业；化学切割法需要使用化学剂，对环境影响较大，容易造成不可预知的影响；而高压射流切割法主要以水作为工作介质，通过液压泵和特定形状喷嘴产生高压水射流，在其中加入磨料增大其切削力，从而达到切割目的，这种方法对环境无污染，切割过程处于低温状态，比较安全，其切割质量很好。目前国内外多采用此种切割方式。然而目前国内外的管内切割装置较大，最小的在直径70mm，对小油管切割有局限性。研究表明小直径油管在抗压能力上有着优势，用其钻井更加容易，而且能节约成本，目前小直径油管的应用越来越广泛。因此对于小直径油管内切割设备的研究很有必要^[2,3]。

本文旨在对小直径油管内切割设备的研究与设计，即利用连续油管将高压射流装置送入井内切割位置，利用泵装置和特定形状的喷嘴产生高压射流，实现切割。由于连续油管是挠性管，适用于大斜度井和水平井，所以其适用范围非常广阔，这对解决井下卡钻事故有着重要深远的意义。

2国内外现状

井下油管切割作业最先在国外产生，到目前为止，国外的井下油管切割技术较为成熟，能适应不同种类的油管，已经成了一个体系。其中按照切割方式可分为：机械切割方式^[4]、射流切割方式^[5,6,7]、化学药剂切割方式^[8]、聚能切割方式^[9]、金刚石线性切割方式等。

一、机械切割方式

机械切割方式主要有两种，一种是机械式内切割，一种是机械式外切割。由于井下作业时套管外部空间狭小，不适宜用机械式外切割设备，所以目前国内大多运用机械式内切割设备来作业。宋德军等人介绍了机械式内割刀，其结构如图1，其研究的是ND-J型机械式内割刀。其工作原理为:内割刀到达预定深度时内割刀下入预定井深时，正转割刀中心轴3圈，滑牙套与滑牙片脱开，此时磨擦块因弹簧的作用紧贴管壁，套在扶正体上的零件及卡瓦不随中心轴转动，并靠滑牙片与滑牙套的啮合作用上移，这时卡瓦在卡瓦锥体的燕尾斜坡作用下直径扩大，把割刀锚定在管壁上。下放中心轴，三把刀靠推刀块的斜面在径向方向张开。旋转钻具，即可切割。当中心轴压到止推环端面上，即切割完毕。上提中心轴，三把刀脱开推刀块的斜面，在刀片簧和其自重的双重作用下，刀尖收回，而滑牙套与滑牙片靠滑牙片簧及倒锯齿的结构恢复初始的啮合状态。这款产品以其优异的稳定性，较高的切削效率在工程上得到了广泛应用。ND-J型机械式内割刀是从套管、油管、钻杆内部进行切割的一种机械式切割工具。其结构主要由摩擦扶正部分、锚定缓冲部分、切削部分等三大部分组成。在实施井下切割作业时，通常将可退式卡瓦打捞矛接于机械式内割刀的上部，待管柱切割完成时，将上部管柱直接提出至井外。该设备具有结构紧凑、操作性能可靠，管柱切断成功率高、切割定位深度准确、切口断面较为平整、如需调整管径的切割范围只需更换小部分零件即可、有通孔眼可以进行井液循环的优势。但其也有一定的局限性，其在斜度较大的井及水平井中作业不方便，且其本身操作难掌握，在小直径油井中很难展开作业。

图1 ND-J 型机械式内割刀

二、射流切割方式

射流切割方式主要有纯水射流切割和磨料射流两种，在进行井下切割作业时主要采用磨料射流切割。磨料射流是将磨料与高压水混合后形成的高速液固两相流，这项技术于八十年代开始发展。磨料射流分为磨料浆体射流和磨料水射流，目前使用最多的是磨料水射流。在磨料射流中，固体颗粒极大的提高了磨料射流的作用效果。磨料射流切割是一种新型切割技术，它有以下优点：第一，切割作业是冷切割，切割中大量水带走了摩擦热量，不会在切缝周围产生热影响区，可以在易燃易爆等容易受热影响的环境下安全作业；第二，切割缝隙小，表面光滑，切割质量高；第三，磨料射流切割技术主要使用纯水，对环境非常友好，无污染；第四，磨料射流切割容易控制，可以进行数控控制，可用于进行高精度切割。随着科学技术的发展，射流切割技术已经应用到各个领域，在石油领域中主要有井下套管的割缝、海上废弃采油井口的切割、海底输油管线的切割、油气集输站改造中的管线切割开孔等。