1目的及意义

近几年来，由于国内石油开采器械和石油探测技术研究的不断突破，国内石油开采技术和设备不再依赖于国外进口。这些开采设备逐渐的国产化，使得石油的开采成本也开始大幅降低。一些先进的作业方式也开始被各大油田和公司所接受和重视，这也让石油的开采更为容易，油井的数量也和日俱增。然而经过几十年的开采，中国的石油开采早已进入中后期，很多油井都步入老龄。油井大修的工作量也逐步上升，并且出现管柱卡钻还有堵塞的油气井也在成上升趋势[1]。但是面对老油井需要不断修井而新油井的数量又不断增加的情况。我国大多数现场作业依然采用传统的解卡方法，先反复几次下放上提的方法看是否可以解卡，如果不能则需采用倒扣的方式，若还是无法解卡需采用将管柱在井下切断的方法解卡。但是可以看出传统的解卡方式作业的周期较长，也需要投入大量的人力和物力。这会导致油田的正常生产受到干扰，从而让油田或公司直接产生巨大的经济损失。因此如何提高油管切割设备在修井作业的效率成为了一个摆在眼前的巨大问题。

现阶段我国的油井大多数都在采用小口径管进行着抽油作业，但是现有油管切割工具和技术对小口径管的切割具有一定地局限性。

伴随着目前油管切割的技术发展，已经有很多方式可以选择。这些技术通过相似性主要分为三大类：化学切割、聚能切割、物理切割。

(1) 化学切割

现在化学切割的一般操作程序是先将引爆装置放入，然后再将固体推进液、BrF3和催化剂，这样一来就会产生的一种具有强腐蚀性的液体，最后通过化学物质向周边的扩展，腐蚀金属以达致切割管道的目的。化学切割在切割完成后留下的断口光滑有益与下一步的作业，但是这一方法也有着一个很大的缺陷就是化学药剂存在很强的毒性，这会对周边的环境造成污染，破坏当地的生态平衡，甚至无法修复[2]。

(2)聚能切割

聚能切割主要是利用了聚能效应。一般爆破装药的时候有一端就会出现空穴，而聚能效应正是利用这一空穴来对局部的破坏效果进行加强。这时使用金属罩放在空穴处，爆炸之后就会形成金属射流，这一高速的射流可以对油管进行有效的切割[3]。当然随着装药结构的不同，最终切割的形状可以各种不同，聚能切割器正是利用这一原理，来实现切割不同油管的目的。

(3)机械切割

机械切割的主要工具是机械式内割刀，在井下进行切割作业的时候将机械式内割刀下放致预定深度，然后通过一定的方法使工具上的刀片伸出，然后地面上进行管柱的旋转带动地下的机械式内隔刀旋转，从而达致油管切割的目的[4]。近几年来，我国在一直致力于油管切割器的研制，通过学习和研究国外的先进技术,目前已经取得了一定的突破。现在国内油田已经开始使用相应的机械切割产品进行油管的切割作业。然而当前的油管机械割装置仍然存在着一些问题，比如说不能在深井进行切割，一些工艺环节还处于待完善阶段，这都是机械切割目前遇致的难题。

对于我国现在的油田切割作业来说，大斜度井是一个难题，目前的切割方法存在着一些的不足之处，难以完成有效切割，由于油管内径的限制，当前大多油井在修井作业时仍在使用化学切割和聚能切割两种方法，但是这两种切割方法有着各自明显的缺点。比如化学切割所使用的化学药剂会损伤套管，污染环境，聚能切割后鱼顶可能出现不够规整的情况，不利于后续的作业[5]。因此，本文设计了液压驱动油管切割器，它具有如下优点:

首先，其结构简单，采用连续油管提供的液压作为动力源，操作十分简便，易于施工作业，对井深的位置要求也十分低。从内部对油管进行切割的作业方式可以在很多大斜度井进行修井作业，大大的简化了操作步骤，使得遇卡遇阻的问题可以迎刃而解[6]。

其次，油管切割器的刀片在设计的时候我采用了高速钢W18Cr4V,这种材料优点是性能十分优异，不但可以延长切割器工作寿命，还能提高转动时的切削速度，在完成切割油管后还可以得致相对规整的鱼顶，对后续的修井作业也有较大的帮助。

最后，液压驱动油管切割技术没有使用任何火药以及化学药品，因此对周围的环境也不会造成污染，这十分契合我国目前的科学发展观：绿色发可持续。同时因为刀具的伸出量也是固定的，因此也不会破坏套管避免了二次修复。

1.2 国内外现状

由于国外对井下油管的研究较早，经过多年时间的沉淀，相关的技术也较为成熟，不同管径产品的系列化技术也较为先进。

早在几年前BOWEN公司就已经研制出了一种利用液压进行驱动的水力外割刀,该机械工具可以用来切割被卡的管柱，然后将管柱向上提出。这种工具主要由七个部分组成，分别是活塞总成和刀片总成；进给机构和限位机构；引鞋、本体和上部接头[7]。这套水利外切割刀一般需要通过和套铣筒相的连接，由井上套铣管提供的切割旋转动力，从管柱的外部将管柱切断，完成切割后将管柱取出致井外。当然美国的贝克休斯石油工程公司也在井下切割工具方向上有着比较深入的研究，它所研制的连续油管切割的水力机械切割装置的结构十分复杂，主要由水力锚、马达头组合、水力机械割刀以及马达这四个部分组成，但由于复杂的结构，所以并不适用于工程实践之中[8]。因此贝克休斯公司之后又研制出了一种高精度的电动管道切割装置，这种器械比之前的装置在技术上可以说是取得了一定的突破。该工具由于使用了智能化的内部程序所以精度显著地提高。正是由于其拥有着高精度的性能，所以不但可以实现对指定金属的切割，监测切削的深度，还能识别拖动并进行适当地调整来完成切割。也有一些国外的技术甚至已经被引进如国内使用，比如哈里伯顿公司的油管切割技术就已经被西北油田分公司引入，并顺利地完成了在塔河油田的油管切割作业。哈里伯顿主要采用聚能切割的方式，所研制装置因为可以对装药量进行精确的计算，所以在切割量方面，该装置能够准确炸裂油管而不损坏套管，因此可以有效的完成修井作业[9]。国外也有一些公司是基于传统的管道切割方法，提出了新的管道切割方法。威德福国际有限公司就是其中之一，他们提出了电动切割工具。电动切割工具为行业提供了一种安全可靠的方案。这是一种相当高效的解决方案，无论是一次还是数次切割都能够轻松地实现[10]。不用爆炸和紧凑式的刀具解决了传统切割器刀具的问题，使得电动的切割工具不但提高了性能和效率，同时也排除了安全隐患。电动切割工具提供了一种可以表面监测的新技术，这是现在行业中唯一可以在运行期间验证切割的系统。

通过这些国外的研究我们不难看出国外对于这种油管的内切割的成熟程度还是比较高的。灵活的将新兴技术和之结合，普遍有着精度高，效率高，安全性高的特点。

国内对于油管内切割的技术也是有所研究，比如中国石油大学就针对油井作业时需要切割管柱来解决卡钻的问题进行了研究，设计出了小口径管水力内切割器，这种工具的优点就是不会受致井斜的限制，可以轻松的完成切割作业[11]。西北油田分公司也曾研制了机械式内割刀，该内割刀主要三个部分组成：摩擦扶正部分、锚定缓冲部分和切削部分。他们用该内割刀成功进行了井下作业，为将来设备的研究和改进积累了一定的经验[12]。长江大学对机械式内割刀进行的设计和研究则是在他人研究的基础上进行了一定的技术创新，通过增加摩擦扶正部分和特殊锚定缓冲部分，确保了割刀在致达预定位置时能够平稳的工作，这对于将来的研究很有指导意义[13]。中国石化江苏油田分公司对连续油管机械内切割技术在实际油田中的应用进行了研究，他们改良了传统机械的内割刀切割技术，采用连续油管进行能量的传输，动力源使用马达。通过使用该技术对永25-11井的遇卡油管进行了实验性的切割，为国内机械式内割刀的实际应用积累了经验。中国石油大学近几年提出了对深水套管电弧切割技术进行了研究，设想了一种新的套管切割技术——电弧切割技术，该技术的原理是利用两个电极之间相互作用产生电弧放电来加工材料[14]。这种技术在作业时的好处是可以不用和所要加工的材料相互接触，极大地提高了作业效率。这为我国对于套管油管切割的研究提供了一种新的思路。但是它也有着很明显的缺点，需要较高的技术，这也是目前这项技术发展受限之处。长江大学也曾对连续油管水力切割工具进行了研究，并现场的通过模拟实验，发现他们的切割工具有以下几点优势首先锚定可靠，第二易于回收，第三切割均匀，第四动作迅速，最后切屑较为均匀，各部分动作协调一致[15]。

由此可以看出我国现在虽然在油管切割技术上和国外有一定的差距，但是我国的研究人员通过大胆的创新和不懈的研究不断地缩小和国外的差距。对本文也有一定的参考和帮助

参考文献

[1] 高强，王宝兴，汪长栓，等.聚能切割技术在水平井连续油管切割中的应用[J].工程爆破，2016

[2] 郑松柏，陈雄，乔晓东.连续油管修井技术研究和应用[J]. 液压气动和密封, 2016

[3] 李超，刘燕辉.化学切割技术在油管柱遇卡中的应用[J]. 石油管材和仪器，2016

[4] 周鑫.关于水力喷砂切割装置部分改造的浅析[J].科技展望，2014

[5] 田晓洁.海洋废弃井口水下电弧切割技术及切割装备研究[D].中国石油大学(华东),2014.

[6] 张艳军，王腾，祖汉勤.连续油管水力切割技术综述[J]. 中国石油和化工标准量，2014,

[7]Courville P, Connell M，Tucker J, et al. The Developmentof a Coiled-Tubing Deployed Slow-Rotating Jet Cleaning Tool that EnhancesCleaning and Allows Jet Cutting of Tubulars[J] 2000.

[8]Jurgens M S. Effect of Well Variables on the Performance of Chemical, Jet,， and RCT Tubing Cutters[J]. Spe Drilling amp; Completion，2009

[9]IncC S. Explosive Removal of Offshore Structures : Information SynthesisReport[J]，2004.

[10]Batarseh S, Gahan B, Sharma B，et al. Innovation inWellbore Perforation Using High-PowerLaser[J].2005.

[11]田晓洁，刘永红，林荣桔，等.深海套管切割工具的研究和发展现状[J]. 石油机械,2011

[12]李如强，刘练，孟莉.哈里伯顿油管切割工艺在塔河油田的应用[J].新疆石油科技，2011

[13] 张波，王茁.式水下电动切割器的设计[J]. 机械工程师，2008

[14] 江德安.水下线型聚能切割器研究[D].大连理工大学，2008.

[15] 冯耀忠.新型化学切割器[J].石油机械，2007

2、基本内容和技术方案

基本内容：

1） 调研收集分析有关资料，机械式内割刀的工作原理；

2） 确定机械式内割刀结构设计方案；

3） 进行结构设计计算和分析；

4） 进行机械式内割刀的装配图和零件图的设计；

5） 整理资料，完成毕业论文的写作，准备好答辩工作；

6） 完成毕业论文的答辩工作。

技术方案：

井下油管切割是一个热点研究，目前国内还处于的初级阶段，对切割的研究，许多困难还是存在的，传统的机械切割、化学切割和聚能切割都有他们的不足之处。那么如何避免这些不足设计出一种新型的切割方案，我们需要研究以下几点：

1）根据调研分析，了解油管切割的基本原理，确定初步设计内切割机械的结构原理图；

2）对设计进行总结。

液体由连续油管内进入提供能量，然后通过马达部分将能量转化为动力，再由减速器匹配到合适的转速，最后由刀具旋转进行切割。