一种压差变化限位式深水大套管切割水力割刀装置的制作方法

本发明涉及深水钻采作业设备技术领域，尤其涉及的是一种压差变化限位式深水大套管切割水力割刀装置。

背景技术：

油气田的开发一般要经过勘探、开发工程建设、生产及废弃处置全过程，废弃处置是其中的最终环节。根据国际惯例和《海洋石油弃井作业管理规则》，海上油气田停止生产作业后，如果没有其他用途或合理理由，必须准备退役和进行废弃处置。退役是指将石油装置从运行状态变为关闭的，无与碳氢化合物状态有关的活动（不包括与移离和其他处置有关的活动）。废弃处置是指将石油装置移至最终地，并就地再利用、循环利用或存放的过程。

在未来发展中，大批的井口退役已成为既定事实，尤其是到2020年，2002年以前建设的所有井口几乎都要退役，进行弃井作业。此外，在勘探过程中，有些探井或评价井经过勘探及评价后，若无开采价值，或是钻出无油气的“干井”，均需进行废弃处置。

海上油气田废弃处置是一项涉及诸多方面的系统工程，虽然是开发工程的逆过程，但其涉及到的方面与开发过程不完全相同，有其特殊之处。海上结构物的拆除施工可归结为分离（主要采用切割技术）、吊装、运输、上岸处理或海上颠倒四部分。其中，机械切割是分离过程中较常采用的技术，其与聚能爆破切割不同，聚能爆破切割受环境和技术等因素的影响，使用受限较大，机械切割则无此限制。

现有技术中，水下切割割刀装置（此处指机械切割，以下简称为割刀装置）通常包括：由下至上依次设置的割刀体、割刀片、销轴、活塞组件、弹簧、喷嘴及接杆，其中，接杆及活塞组件分别设置有第一流道及第二流道，喷嘴设置于第一流道及第二流道之间，接杆外接供液设备。当割刀装置需下井切割时，首先利用胶带或绳索等捆扎件将割刀片绑扎于割刀体内；其次下放割刀装置至切割位；再次，通过第一流道及第二流道向活塞组件输液加压，直至活塞组件下移、活塞下端面推动刀片上端部下行，启动刀片张开；最后，旋转割刀片切割套管。

现有技术割刀装置不足之处在于：在切割过程中，无法获悉套管何时割断，从而造成在套管割断之后，割刀装置继续运行，浪费时间及钻井平台设备运行资源，增加了切割成本。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种压差变化限位式深水大套管切割水力割刀装置，旨在解决现有技术中在切割过程中，无法获悉套管何时割断，从而造成在套管割断之后，割刀装置继续运行，浪费时间及钻井平台设备运行资源，提高了切割成本的问题。

本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：

一种压差变化限位式深水大套管切割水力割刀装置，包括：接杆、连接于接杆下端的割刀体，及多个一端旋转连接于割刀体的割刀片，所述接杆设置有第一流道，所述割刀体上端及下端分别设置有与第一流道相通的第二流道及第三流道，其中，所述压差变化限位式深水大套管切割水力割刀装置外接有压力显示装置，其还包括：

由下至上依次设置于第二流道内的活塞、喷嘴及阀杆，所述活塞在第二流道注液后受压向下移动，以推动割刀片绕割刀体旋转外伸，其外缘密封于割刀体内壁，中部则沿轴心方向贯穿设置有一活塞流道；所述喷嘴固定连接于活塞上，其中部贯穿设置有一与活塞流道相通的喷嘴流道，所述阀杆中部贯穿设置有一与喷嘴流道相通、且直径小于喷嘴流道的阀杆流道；

所述阀杆外缘由下至上依次套设有定位座、第一弹性元件及阀杆限位调节件，所述定位座固定设置于第二流道中部，其上设置有数个轴心对称的液流孔；所述阀杆限位调节件连接于阀杆上端，其在第二流道注液后受压带动阀杆下降，同时压缩第一弹性元件，在其达到下极限位之前，阀杆与喷嘴紧密贴合，以保证喷嘴流道仅接收来自于阀杆流道的液体，在其达到下极限位之后，阀杆与喷嘴脱离，使得喷嘴流道可接收来自于液流孔的液体，以进行泄压。

优选方案中，所述的压差变化限位式深水大套管切割水力割刀装置，其中，所述阀杆限位调节件为限位螺母，所述限位螺母可调节连接于阀杆，以调整阀杆与喷嘴的脱离位置，从而进行不同规格的套管切割工作。

优选方案中，所述的压差变化限位式深水大套管切割水力割刀装置，其中，所述阀杆包括：

依次贯穿定位座、第一弹性元件及螺杆限位调节件的滑动部，以及与所述滑动部一体成型、呈半球状，用于贴合喷嘴的贴合部，所述喷嘴贴合部的横截面大于滑动部的横截面。

优选方案中，所述的压差变化限位式深水大套管切割水力割刀装置，其中，所述阀杆上端及阀杆限位调节件在接杆与割刀体连接后，收容于第一流道内。

优选方案中，所述的压差变化限位式深水大套管切割水力割刀装置，其中，所述压差变化限位式深水大套管切割水力割刀装置还包括：

套设于阀杆外缘顶部的节流嘴，所述节流嘴位于第一流道内，且其外缘与接杆内壁之间设置有一液流间隙；

所述节流嘴中部沿轴心方向开设有一节流嘴流道，所述节流嘴流道与阀杆流道相通，压差大小的改变可通过更换节流嘴进行调节。

优选方案中，所述的压差变化限位式深水大套管切割水力割刀装置，其中，所述第二流道内设置有一衬套，所述衬套位于活塞外缘，且其上端面与定位座下端面贴合；

所述活塞外缘开设有一至数道卡持槽，并通过所述卡持槽卡持有密封圈，所述密封圈内侧卡持于卡持槽，外侧贴合于所述衬套。

优选方案中，所述的压差变化限位式深水大套管切割水力割刀装置，其中，所述活塞上端设置有一喷嘴容纳槽，所述喷嘴包括：收容于所述喷嘴容纳槽的活塞连接部，以及裸露于活塞上方的阀杆贴合部；

所述活塞上端面与所述阀杆贴合部下端面之间设置有一垫圈。

优选方案中，所述的压差变化限位式深水大套管切割水力割刀装置，其中，所述活塞下方设置有一缩刀滑座，所述缩刀滑座可移动设置于第三流道内，其用于在套管割断后上升、推动割刀片收缩回割刀体内；

所述缩刀滑座外缘套设有一第二弹性元件，所述第二弹性元件在缩刀滑座下降时被压缩，而在活塞不再受压后复位、推动缩刀滑座上升。

优选方案中，所述的压差变化限位式深水大套管切割水力割刀装置，其中，割刀片外侧中部纵向设置有一排屑槽，并在排屑槽左侧及右侧的外侧面上分别设置有一合金切屑刃。

优选方案中，所述的压差变化限位式深水大套管切割水力割刀装置，其中，所述割刀片设置有四个，四个所述割刀片间隔设置于割刀体外缘。

本发明所提供的压差变化限位式深水大套管切割水力割刀装置，由于采用了设置有直径小于喷嘴流道的阀杆流道的阀杆、套设于阀杆外缘且固定于第二流道内的定位座，连接于阀杆上端的阀杆限位调节件，及设置于定位座及阀杆之间的第一弹性元件，使得阀杆限位调节件在第二流道注液受压后、第一弹性元件被极限压缩之前，阀杆可与活塞同步下降，保证了阀杆可与喷嘴紧密贴合，此时，所注入液体只能通过阀杆流道才能流至第三流道；而在第一弹性元件被极限压缩之后，阀杆无法继续下降，而活塞则在所注入液体压力下继续下降，阀杆与喷嘴脱离，此时，割刀片刀刃已在活塞的推动下到达指定位置，割断了套管，而阀杆流道也不再是所注入液体流至第三流道的必经通道，由于喷嘴流道的直径大于阀杆流道，活塞上端面以上的液体压力将突然下降；而通过外接压力显示装置，操作员可观察到压力急剧下降，从而获知套管已被割断。有效地解决了现有技术中在深水切割过程中，无法获悉套管何时割断，从而造成在套管割断之后，割刀装置继续运行，浪费时间及钻井平台设备运行资源，增加了切割成本的问题。

附图说明

图1是本发明新型压差变化限位式深水大套管切割水力割刀装置割刀片张开至极限位置时较佳实施例的剖面图。

图2本发明图1中局部a的放大图。

图3是本发明新型压差变化限位式深水大套管切割水力割刀装置割刀片缩回至割刀体时较佳实施例的剖面图。

图4是本发明大直径高效深水弃井水力割刀装置切屑刃位置示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明中压差变化限位式深水大套管切割水力割刀装置连接于钻井平台，属于深水水下操作工具，其与普通割刀装置差别较大，容易理解的是，由于其需在深水进行操作，无法像普通切割设备一样，随时可观察切割进度，给套管切割带来了不小的难度，也增加了极大的成本。

要知道，钻井平台使用成本极高，如981钻井平台，其装备有8台4.4万千瓦柴油发电机，发电量接近一个中等城市所需，需补给船每周输送柴油、淡水、生活必需品及各种耗材等。据统计，981钻井平台平均每天消耗柴油30吨，最高可达60至70吨，淡水近40吨，加上180人员及其他消耗，再加上日租金300余万，日费率折合400-500万人民币（不工作状态下），而工作状态下的消耗无疑是更高的。可以说，钻井平台的每一刻无意义的停留都将造成大量物资的浪费。现有技术中，由于以往老式普通水力割刀装置无法有效获知套管割断时间，造成钻井平台的运行资源及停留时间的浪费是必然的，因此，通过本发明所提供的技术方案解决该问题，从而节约钻井平台的消耗，具有极为重大的意义。

请参见图1至图3，本发明较佳实施例提供的一种压差变化限位式深水大套管切割水力割刀装置（简称割刀装置），外接有一压力显示装置，所述压力显示装置设置于钻井平台上，可显示第二流道内的液体压力变化，液体压力的测量及显示为现有技术，在此不再赘述。本发明重点在于压差变化限位式深水大套管切割水力割刀装置的结构改进，其设置如下：

包括接杆1，插入连接于所述接杆1下端的割刀体2，接杆1沿轴心方向设置有一用于注液加压使割刀装置开始工作的第一流道，割刀体2上端及下端则沿轴心方向分别设置有一第二流道及第三流道，通过第一流道所注入的液体先后流经第二流道及第三流道，需注意的是，所述第二流道及第三流道之间设置有多个大致呈倒凹字型的割刀片活动槽，割刀片9在未注液加压时，完全容纳于割刀片活动槽，而在注液加压后，则在活塞6的推动下，靠近于活塞6的一端旋转、另一端外伸。

在本发明较佳的实施例中，所述第二流道包括：由上至下依次设置的接杆连接部及定位座固定部；所述接杆连接部的横截面呈上宽下窄的梯形；所述定位座固定部呈圆柱型，其下端设置有一衬套3，所述衬套3位于活塞6外缘，且其上端面与定位座11下端面贴合；而活塞6外缘则开设有一至数道卡持槽，并通过所述卡持槽卡持有一密封圈7，所述密封圈7内侧卡持于卡持槽，外侧紧密贴合于所述衬套3。

接杆连接部的形状适配于接杆1下端，是为了保证二者的连接稳定性。

所述接杆1上端可连接钻杆，此为现有技术，本发明在此不再对其进行赘述。

本发明与现有技术不同之处在于，现有技术通过注液加压直接驱动活塞组件下降，实现割刀片9的旋转外伸，其内部液体压力值是固定的。本发明则通过设置于第二流道内的活塞6、喷嘴4及阀杆10、定位座11、第一弹性元件13及阀杆限位调节件14，使得割刀装置可通过喷嘴4与阀杆10紧密贴合及脱离两种状态，实现压力突然变化，从而通过压力变化，获知切屑刃已达到预设位置，而套管也已被割断。

如图4所示，在本发明中，每个割刀片活动槽内设置有一割刀片9，每个割刀片9皆在排屑槽18左侧的外侧面上设置有第一合金切屑刃19，而在排屑槽18右侧的外侧面上设置有第二合金切屑刃20；或在排屑槽18左侧的外侧面上设置有第二合金切屑刃20，而在排屑槽18右侧的外侧面上设置有第一合金切屑刃19，具体位置请参看图4，第一合金切屑刃19及第二合金切屑刃20的设置位置应当是有利于排除套管屑的。

第一合金切屑刃19及第二合金切屑刃20设置在排屑槽18左侧还是右侧，要取决于在进行切割时，割刀体2的旋转方向，即割刀体2若顺时针旋转，则第二合金切屑刃20固定于割刀片9右侧，且右侧与割刀片9右侧面平齐，否则不利于切割套管，也无法通过排屑槽排出套管屑；而第一合金切屑刃19则固定于排屑槽18左侧，这样，切屑套管时才能通过分设的两个切屑刃先后切割套管，加快切割效率；割刀体2逆时针旋转时，原理相同，不再赘述。

除排屑槽18的设置及切屑刃的数量与现有技术不同外，割刀片9的数量也与现有技术不同。现有技术的割刀片9数量仅设置有三个，本发明则设置有四个，这不仅仅是数量不同的改变，其还解决了现有技术中割刀片9容易晃动的问题。现有技术中三把割刀片9在进行切割时，由于其受力不对称，会使得割刀片9晃动（如，其中一个割刀片9碰触到障碍物时，其遭受阻力，而由于无对称设置的割刀片9支撑在套管内壁，所以其会产生晃动），而本发明将割刀片9更改为四个，对称设置的割刀片9受力均衡，切割稳定性较高。

也就是说，本发明并不仅仅是为了提高切割效率才改变割刀片9的设置数量，更重要的是，其提高了割刀片9工作时的稳定性，当然，由于割刀片9数量的增加，配合每个割刀片9皆可固连两个切屑刃，使得切割装置的切屑刃数量由原本的三个更改为了八个，极大的提高了切屑效率也是本发明的重点改进之一。

优选所述割刀片9通过销轴16可旋转连接于割刀体2，而割刀片9外侧面即背离割刀体2一侧焊接有碎合金17。

在本发明较佳实施例中，活塞6、喷嘴4及阀杆10由下至上依次设置于第二流道内，定位座11、第一弹性元件13及阀杆限位调节件14则由下至上依次套设于阀杆10外缘。

所述活塞6可在第二流道内上下移动，其动力来自于所注入液体带来的压力，活塞6的下端可伸出第二流道，进入割刀片活动槽，从而推动割刀片9开始旋转外伸。所述活塞6外缘应密封于割刀体2内壁，防止活塞6与割刀体2之间存在间隙，一方面保证液体压力足够推动活塞6下降；另一方面，防止液体泄漏，压力显示装置显示压力下降，造成操作员误判。具体使用时，活塞6通过外置密封圈7密封于割刀体2内壁，所述密封圈7内侧贴合于活塞6，外侧贴合于割刀体2内壁；所述活塞6开设有一用于卡持密封圈7的卡持槽。所述密封圈7设置有一至多个，其纵截面呈倒y型，以便保证密封性的同时，不会由于与衬套3之间的摩擦力过大而导致活塞6无法下降或下降速度受限，以至于影响套管切割效率。

具体实施时，所述第二流道内设置有一衬套3，便于磨损后的更换，所述衬套3位于活塞6外缘，且其上端面与定位座11下端面贴合；所述活塞6外缘开设有一卡持槽，并通过所述卡持槽卡持有一密封圈7，所述密封圈7内侧卡持于卡持槽，外侧贴合于所述衬套3。

所述活塞6上端设置有一喷嘴容纳槽，所述喷嘴4包括：收容于所述喷嘴容纳槽的活塞连接部，以及裸露于活塞6上方的阀杆贴合部；所述活塞6上端面与所述阀杆贴合部下端面之间设置有一垫圈5。

优选所述喷嘴4螺纹连接于活塞6，以便二者固定连接的同时，方便进行维护或更换，所述喷嘴4设置有喷嘴流道，喷嘴流道为第二流道内液体流动至第三流道的必经通道。本发明中喷嘴4与现有技术中的喷嘴4结构并不相同，现有技术中喷嘴4所设置的喷嘴流道呈漏斗型，本发明中喷嘴流道设置为圆柱型，其直径大于阀杆流道的直径，该设置正是为了实现喷嘴4与阀杆10脱离前后，液体压力的变化而设置。可见，本发明中的喷嘴4与现有技术中的喷嘴4结构与作用均不相同。

所述阀杆10设置有阀杆流道，且其在阀杆限位调节件14的带动下下降，在阀杆限位调节件14到达下极限位之前，阀杆10与喷嘴4贴合，此时，阀杆流道为第二流道内液体流动至第三流道的必经通道，而活塞6上端面与割刀体2内壁将形成一只能进不能出的半封闭容纳腔；而在阀杆限位调节件14到达下极限位之后，阀杆10与喷嘴4脱离，阀杆流道将不再作为第二流道内液体流动至第三流道的必经通道，而流动至活塞6上端面与割刀体2内壁之间的液体将可通过喷嘴流道流至第三流道，相对于阀杆10与喷嘴4贴合时，活塞6上端面处的液体压力下降，通过外接的压力显示装置进行显示。

具体实施时，所述阀杆10可设置为圆环体，即阀杆10横截面呈圆环形，在与喷嘴4贴合时，由阀杆10下端端面贴合喷嘴4上端端面。但为了提高阀杆10与喷嘴4的贴合紧密性，更佳的方案是，将阀杆10下端及喷嘴上端设置为凸凹球面，可以理解的是，凸凹球面贴合后的密封性和对中性要远大于两个平面的贴合效果；阀杆10的具体结构可包括：依次贯穿定位座11、第一弹性元件13及螺杆限位件的滑动部，以及与所述滑动部一体成型、呈半球状，用于贴合喷嘴4的喷嘴贴合部，所述喷嘴贴合部的横截面大于滑动部的横截面。

喷嘴贴合部的使用效果一方面如上所述，提高阀杆10与喷嘴4的贴合紧密性，防止通过阀杆流道流向喷嘴流道的液体向外泄露；另一方面，则由其横截面实现，因其横截面大于滑动部的横截面，所以在第二流道内注液施压后，喷嘴贴合部凸出于滑动部的部分将受到一额外的液体压力，推动其向下移动，该设置可提高阀杆10与喷嘴4下降时的同步性。

所述滑动部的作用显而易见，一者用于连接螺杆限位件，二者用于为第一弹性元件13的压缩导向，三者用于在螺杆限位件的带动，及定位座11的导向下，沿轴心方向向下移动。

所述定位座11有两个作用，一是用于为阀杆10的上下移动导向并限位，二是可通过设置于其上的液流孔，注液至活塞6上端面，形成推动活塞6下移的压力。定位座11固定于第二流道中部，其轴心方向贯穿设置有一套设适配于阀杆10的导向孔。具体实施时，液流孔可设置为两个或四个，至少应设置两个，保证液体流动速度及活塞6受力均衡，优选设置为四个，以使活塞6上端面受力均衡。

所述阀杆限位调节件14在同一次套管切割过程中，与阀杆10的相对位置是固定的，较佳的方案是，阀杆限位调节件14可调节连接于阀杆10，以调整阀杆10与喷嘴4的脱离位置，从而进行不同规格的套管切割工作；具体实施时，可将阀杆限位调节件14设置为限位螺母，不仅位置调节方便，且与阀杆10的连接可靠性较高。限位螺母的数量优选设置为两个，两个限位螺母相对于一个限位螺母而言，互锁性比较好，在深水环境下，两个限位螺母相互锁紧后位置不会变动，设置两个限位螺母可提高与阀杆10的限位可靠性。

而所述阀杆10外缘，第一弹性元件13下方，定位座11上端面还设置有一弹簧导套12。

在本发明进一步地较佳实施例中，所述压差变化限位式深水大套管切割水力割刀装置还包括：

套设于阀杆10外缘顶部的节流嘴15，所述节流嘴15位于第一流道内，且其外缘与接杆1内壁之间设置有一液流间隙；所述节流嘴15中部沿轴心方向开设有一节流嘴流道，所述节流嘴流道与阀杆流道相通，且其直径小于阀杆流道。

在本发明进一步地较佳实施例中，所述活塞6下方设置有一缩刀滑座，所述缩刀滑座可移动设置于第三流道内，其用于在套管割断后上升、推动割刀片9收缩回割刀体2内；所述缩刀滑座外缘套设有一第二弹性元件，所述第二弹性元件在缩刀滑座下降时被压缩，而在活塞6不再受压后复位、推动缩刀滑座上升。

由于缩刀滑座及第二弹性元件的存在，在未注液加压前，割刀片9是无法旋转外伸的；而在注液加压后、切割完成前，割刀片9也只能逐渐旋转外伸；在切割工作完成后，缩刀滑座将会推动割刀片9复位，不再仅依靠割刀片9自重收缩。因此，本发明还解决了现有技术中割刀装置下降至套管之前，割刀片9捆扎件易崩开，从而导致无法进入套管；在进行输液加压撑开割刀片9时，割刀片9由被捆扎状态突然改变为张开状态，与套管内壁产生碰撞，损坏切屑刃，延长了切割时间，降低了切割效率；及在切割完成后，割刀片9依靠自重，收缩至割刀体2过程中，因海水浮力或割刀体2内蕴藏有套管废屑，割刀体2往往无法完成收回退刀的问题。

当割刀装置下放到指定位置后，通入海水（钻井液亦可），刚开始时，一部分海水从接杆1流道经节流嘴15、阀杆10、喷嘴4、活塞6的流道向下流动，另一部分海水流经定位座11上的4个液流孔作用在活塞上，当喷嘴4与活塞6的流道内充满海水后，所有海水经阀杆10和喷嘴4上的小孔向下流去。根据流体力学理论，由于喷嘴流道的设置，海水在喷嘴4处产生压降；阀杆10较长，海水在流经阀杆10时会产生沿程压力损失；海水由阀杆10进入喷嘴4时，流道管径突然变大，会产生局部压力损失。由这三部分压降产生的液体压力推动阀杆10与活塞6同步下降，活塞6下端面推动割刀片9端部下行，由于刀片与水力割刀壳体之间通过销轴8连接，则刀片张开，切割套管。

而判断切割是否完成依靠：当切割完成时，阀杆限位调节件14压缩弹簧13到一定距离，此时阀杆10由于限位件14的限制不再向下移动，而活塞6继续向下移动，导致阀杆10下端球面与活塞6及喷嘴4分离开；分开后，阀杆10上下端压差消失，而阀杆10会在弹簧恢复力的作用下上行。根据流体力学理论可知，流体会在喷嘴4处产生压降，此时产生的压降明显低于水力割刀正常作业中的压降，故在平台上通过录井显示压降的显著变化可以判断切割是否完成。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。