一种用于切割套管和水泥环的喷头装置及其使用方法

本发明涉及磨料水射流，具体涉及一种用于切割套管和水泥环的喷头装置及其使用方法。

背景技术：

1、石油钻探开发行业中通常采用水泥环裹住套管箍成环形，固井作业后套管和地层通过水泥环胶结在一起。废弃油气井是油气田勘探开发的产物，由于后期对废弃井的处理方式的不妥当，对环境安全带来很大的风险，加之受自然因素、技术因素或者人为因素的影响，国内各油田对废弃井的管理难度较大，所以对废弃井的一般处理方法是进行永久性封堵，而国内解决废弃油气井永久性封堵的方式主要是通过打水泥塞封井，然而封堵井口并不能达到理想的效果，需要在距离井口以下钻铣一个空间，用混泥土等材料形成一个堵塞垫，这样效果更佳。目前，现场普遍采用套管段铣封堵法对废弃油气水井进行永久式封堵，但在施工过程中，存在作业周期长，影响段铣进度；反屑不畅，导致存在卡钻风险；受限于刀片强度，不能段铣双层套管。考虑到这些机械装置的缺点，许多学者提出利用磨料射流切割套管，但是现有技术通常是用于海上油井套管切割，并且只能将油管割断，不能成段的铣切，故不适合废弃油气井的永久性封堵。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的是克服现有技术中的缺陷，提供一种用于切割套管和水泥环的喷头装置及其使用方法，能够实现套管及水泥环快速切割剥落，成本低，效率高，适用于废弃油气井的永久性封堵，适用范围广，实用性强。

2、本发明的一种用于切割套管和水泥环的喷头装置，包括喷头本体，所述喷头本体的内部设置有带有进液口的内腔，所述喷头本体上沿轴向间隔设置有第一出液通道组和第二出液通道组，所述第一出液通道组包括沿所述喷头本体的周向间隔设置的多个第一出液通道，所述第二出液通道组包括沿所述喷头本体的周向间隔设置的多个第二出液通道，多个所述第一出液通道和多个第二出液通道均能够使所述内腔与外部相连通，多个所述第一出液通道的轴线均从内至外朝向所述第二出液通道组的方向倾斜，多个所述第二出液通道的轴线均从内至外朝向所述第一出液通道组的方向倾斜。

3、进一步，所述喷头本体上沿周向间隔设置有多个第一安装孔，多个所述第一安装孔的内部分别设置有一个第一喷嘴，所述第一喷嘴的内部设置有用于形成所述第一出液通道的第一喷嘴管路；所述喷头本体上沿周向间隔设置有多个第二安装孔，多个所述第二安装孔的内部分别设置有一个第二喷嘴，所述第二喷嘴的内部设置有用于形成所述第二出液通道的第二喷嘴管路；所述第一喷嘴管路和所述第二喷嘴管路均包括从内至外依次设置的收敛段和加速段。

4、进一步，满足工程要求的所述第一安装孔的最低数量和所述第二安装孔的最低数量均为m，式中，d1为喷头本体的外壁直径，l2为喷头本体的外表面与套管之间的距离，l3为套管和水泥环的总厚度，l6为满足工程要求的剥落块体的横截面的最大弦长。

5、进一步，所述第一安装孔沿所述喷头本体的周向等间隔设置有n个，所述第二安装孔沿所述喷头本体的周向等间隔设置有n个，n≥m并且n为整数，相邻两个所述第一安装孔的轴线在所述喷头本体的横截面上的投影夹角以及相邻两个所述第二安装孔的轴线在所述喷头本体的横截面上的投影夹角均为γ，

6、

7、进一步，n个所述第一安装孔的轴线和n个所述第二安装孔的轴线在所述喷头本体的横截面上的投影均不重合。

8、进一步，n个所述第一安装孔的轴线和n个所述第二安装孔的轴线在所述喷头本体的横截面上的投影沿周向交错设置，并且任一所述第一安装孔的轴线与相邻的所述第二安装孔的轴线在所述喷头本体的横截面上的投影夹角均为β，

9、进一步，n个所述第一安装孔的轴线与所述喷头本体的轴线的夹角以及n个所述第二安装孔的轴线与所述喷头本体的轴线的夹角均为α，式中，l2为喷头本体的外表面与套管之间的距离，l3为套管和水泥环的总厚度，h1为第一喷嘴的出口与第二喷嘴的出口在喷头本体的轴向上的间距。

10、本发明还提供了一种用于切割套管和水泥环的喷头装置的使用方法，包括以下步骤：

11、s1、将压裂车、高压软管、磨料混合系统、钻杆和上述的用于切割套管和水泥环的喷头装置依次连接，将钻杆的出液口与所述内腔的进液口连接，将所述喷头本体放入套管的需段铣部位的顶部，使所述喷头本体的轴线与所述套管的轴线共线；

12、s2、高压水从所述压裂车中流出并通过所述高压软管进入所述磨料混合系统中，磨料液经过所述磨料混合系统混合完成后通过所述钻杆进入所述内腔，并通过所述第一喷嘴和所述第二喷嘴射向套管，同时所述钻杆带动所述喷头本体旋转下降，完成对需段铣部位的第一次切割；

13、s3、当所述喷头本体旋转下降至套管的需段铣部位的底部后，所述钻杆带动所述喷头本体旋转上升，完成对需段铣部位的网格化；

14、s4、重复步骤s2-s3，将套管和水泥环切割成块体，切割后的块体在自身重力以及射流扰动的作用下自行掉落。

15、进一步，在步骤s2和步骤s3中，所述钻杆带动所述喷头本体旋转的速度式中，v0为钻杆沿轴向移动的速度，k为正整数，当钻杆以提升速度v0上升h1时，喷头本体以旋转速度ω0刚好旋转k转；实际切割块体在轴向上的高度实际切割块体的横截面的内表面弧长式中，d1为喷头本体的外壁直径，l2为喷头本体的外表面与套管之间的距离；实际切割块体的横截面的外表面弧长式中，l3为套管和水泥环的总厚度。

16、本发明的有益效果是：本发明公开的一种用于切割套管和水泥环的喷头装置及其使用方法，通过在喷头本体上设置两组互成夹角的第一喷嘴和第二喷嘴，结合钻杆的旋转及升降，能将套管和水泥环破碎成尺寸可控的均匀切割块体，切割块体在自身重力以及射流扰动的作用下自行掉落，实现套管和水泥环网格化高效切割剥落，便于切割块体掉落井内或循环出井口，保证切割质量，提高切割效率；通过对喷头本体的参数进行设定，能达到切割半径可调节，既能满足双层套管的大尺寸段铣，也能满足在段铣单层套管的情况下尽量减小对地层的破坏，适用范围广，实用性强；喷头本体的结构简单，制造加工容易，便于生产、装配和维护保养。

技术特征：

1.一种用于切割套管和水泥环的喷头装置，其特征在于：包括喷头本体(1)，所述喷头本体(1)的内部设置有带有进液口(14)的内腔(11)，所述喷头本体(1)上沿轴向间隔设置有第一出液通道组和第二出液通道组，所述第一出液通道组包括沿所述喷头本体(1)的周向间隔设置的多个第一出液通道，所述第二出液通道组包括沿所述喷头本体(1)的周向间隔设置的多个第二出液通道，多个所述第一出液通道和多个第二出液通道均能够使所述内腔(11)与外部相连通，多个所述第一出液通道的轴线均从内至外朝向所述第二出液通道组的方向倾斜，多个所述第二出液通道的轴线均从内至外朝向所述第一出液通道组的方向倾斜。

2.根据权利要求1所述的用于切割套管和水泥环的喷头装置，其特征在于：所述喷头本体(1)上沿周向间隔设置有多个第一安装孔(12)，多个所述第一安装孔(12)的内部分别设置有一个第一喷嘴(2a)，所述第一喷嘴(2a)的内部设置有用于形成所述第一出液通道的第一喷嘴管路；所述喷头本体(1)上沿周向间隔设置有多个第二安装孔(13)，多个所述第二安装孔(13)的内部分别设置有一个第二喷嘴(2b)，所述第二喷嘴(2b)的内部设置有用于形成所述第二出液通道的第二喷嘴管路；所述第一喷嘴管路和所述第二喷嘴管路均包括从内至外依次设置的收敛段(21)和加速段(22)。

3.根据权利要求2所述的用于切割套管和水泥环的喷头装置，其特征在于：满足工程要求的所述第一安装孔(12)的最低数量和所述第二安装孔(13)的最低数量均为m，式中，d1为喷头本体(1)的外壁直径，l2为喷头本体(1)的外表面与套管之间的距离，l3为套管和水泥环的总厚度，l6为满足工程要求的剥落块体的横截面的最大弦长。

4.根据权利要求3所述的用于切割套管和水泥环的喷头装置，其特征在于：所述第一安装孔(12)沿所述喷头本体(1)的周向等间隔设置有n个，所述第二安装孔(13)沿所述喷头本体(1)的周向等间隔设置有n个，n≥m并且n为整数，相邻两个所述第一安装孔(12)的轴线在所述喷头本体(1)的横截面上的投影夹角以及相邻两个所述第二安装孔(13)的轴线在所述喷头本体(1)的横截面上的投影夹角均为γ，

5.根据权利要求4所述的用于切割套管和水泥环的喷头装置，其特征在于：n个所述第一安装孔(12)的轴线和n个所述第二安装孔(13)的轴线在所述喷头本体(1)的横截面上的投影均不重合。

6.根据权利要求5所述的用于切割套管和水泥环的喷头装置，其特征在于：n个所述第一安装孔(12)的轴线和n个所述第二安装孔(13)的轴线在所述喷头本体(1)的横截面上的投影沿周向交错设置，并且任一所述第一安装孔(12)的轴线与相邻的所述第二安装孔(13)的轴线在所述喷头本体(1)的横截面上的投影夹角均为β，

7.根据权利要求6所述的用于切割套管和水泥环的喷头装置，其特征在于：n个所述第一安装孔(12)的轴线与所述喷头本体(1)的轴线的夹角以及n个所述第二安装孔(13)的轴线与所述喷头本体(1)的轴线的夹角均为α，式中，l2为喷头本体(1)的外表面与套管之间的距离，l3为套管和水泥环的总厚度，h1为第一喷嘴(2a)的出口与第二喷嘴(2b)的出口在喷头本体(1)的轴向上的间距。

8.一种用于切割套管和水泥环的喷头装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

9.根据权利要求8所述的用于切割套管和水泥环的喷头装置的使用方法，其特征在于：在步骤s2和步骤s3中，所述钻杆(5)带动所述喷头本体(1)旋转的速度式中，v0为钻杆(5)沿轴向移动的速度，k为正整数，当钻杆(5)以提升速度v0上升h1时，喷头本体(1)以旋转速度ω0刚好旋转k转；实际切割块体在轴向上的高度实际切割块体的横截面的内表面弧长式中，d1为喷头本体(1)的外壁直径，l2为喷头本体(1)的外表面与套管之间的距离；实际切割块体的横截面的外表面弧长式中，l3为套管和水泥环的总厚度。

技术总结
本发明公开了一种用于切割套管和水泥环的喷头装置及其使用方法，用于切割套管和水泥环的喷头装置喷头本体，喷头本体的内部设置有带有进液口的内腔，喷头本体上沿轴向间隔设置有第一出液通道组和第二出液通道组，第一出液通道组包括沿喷头本体的周向间隔设置的多个第一出液通道，第二出液通道组包括沿喷头本体的周向间隔设置的多个第二出液通道，多个第一出液通道的轴线均从内至外朝向第二出液通道组的方向倾斜，多个第二出液通道的轴线均从内至外朝向第一出液通道组的方向倾斜。本发明提供的一种用于切割套管和水泥环的喷头装置及其使用方法，能够实现套管及水泥环快速切割剥落，成本低，效率高，适用范围广，实用性强。

技术研发人员：孙惠娟,汤积仁,刘文川
受保护的技术使用者：重庆工业职业技术学院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13