齒輪齒條傳動實現連續切割不同直徑套管的可變徑水力割刀的製作方法

2023-12-11 23:13:23

本發明涉及一種齒輪齒條傳動實現連續切割不同直徑套管的可變徑水力割刀，可用於油氣勘探開採過程中的不同規格套管切割以及後期的棄井作業。

背景技術：

在海洋及陸上油氣田勘探開發過程中，會陸續出現一些老齡油氣井以及接近設計使用年限的安全隱患井，為防止油氣洩露對自然環境造成威脅，同時為了更加合理全面的利用油氣資源，經過勘探及油氣資源評估後，會將這些無經濟價值油氣井及達到服役年限需要廢棄的安全隱患井實施封井，然後逐步完成永久性棄井作業，而棄井作業中的關鍵技術便涉及到套管切割。

在棄井作業中進行套管切割時，一般使用對應套管尺寸的水力割刀，採用逐級逐段進行切割，該類割刀為單層套管割刀，採用鑽井液加壓使刀體張開，旋轉鑽杆柱對套管進行切割，切割過程中無法準確可靠的控制刀體張開的最大尺寸，容易發生切割不完全或者切割過深割傷外層的完好套管；同時需要頻繁起下鑽，更換不同規格刀片後，方能再次進行不同管徑套管的切割作業。現有水力割刀不僅操作過程複雜，割刀易磨損，故障率高，而且更換後的刀片難以準確進入上次作業的位置及狀態，耗時較長，造成時效浪費，切割效率偏低，經濟性有待提高，難以滿足不同規格套管的連續切割作業。棄井作業中減少切割套管的起下鑽次數，對於提高作業效率，減少非生產時間，避免過多不必要的開支具有重要意義。

技術實現要素：

為解決背景技術中所述的棄井作業過程中存在的套管切割效率低，無法對刀體張開角度準確控制，割刀易磨損，故障率高等問題，實現不同規格套管的連續切割作業，減少套管切割過程中的起下鑽次數，提高棄井作業效率，降低成本與風險，本發明提供了一種齒輪齒條傳動實現連續切割不同直徑套管的可變徑水力割刀。

為實現上述目的，本發明的技術方案是：所述齒輪齒條傳動實現連續切割不同直徑套管的可變徑水力割刀，由上接頭、噴嘴、活塞、密封圈、轉位機構、活塞推桿、銷釘、上彈簧、圓柱齒條、鉸鏈銷、割刀、硬質合金齒、下彈簧和殼體組成，其特徵在於：所述上接頭與水力割刀殼體通過螺紋連接；所述噴嘴通過螺紋連接安裝在活塞推桿上部，活塞與活塞推桿之間通過螺紋連接，活塞推桿內開設有軸向通孔，活塞與殼體之間通過密封圈實現密封；依次將上彈簧、轉位結構和活塞推桿裝入殼體內部，並通過內孔臺階進行軸向定位；所述圓柱齒條位於活塞推桿下部，圓柱齒條中心開有軸向通孔，下彈簧位於殼體內的支撐面上，圓柱齒條放入下彈簧中裝入殼體內部；所述割刀位於殼體上均勻布置的縱向開槽內，並通過鉸鏈銷與殼體相連接，割刀上部加工為齒輪結構，齒輪結構與圓柱齒條相互嚙合，通過圓柱齒條與割刀上部齒輪傳動，準確控制割刀的張開角度，實現連續切割不同直徑套管。

本發明的有益效果是：（1）齒輪齒條傳動實現連續切割不同直徑套管的可變徑水力割刀整體結構簡單，操作方便，把傳統單趟單層切割變為一趟連續切割不同管徑套管作業，大大減少了起下鑽次數，節約了更換刀片所需時間，從根本上縮短了施工周期，提高切割效率，達到降本增效的目的；（2）採用獨特的帶有軌道凹槽的轉位機構，通過噴嘴的節流作用推動活塞實現轉位機構與殼體之間的相對轉動，使得銷釘在長凹槽與短凹槽之間切換，可以限制活塞行程，以到達準確控制割體張開角度，實現刀片變徑的目的；（3）通過圓柱齒條與割刀上部齒輪結構相互嚙合，實現齒輪齒條的傳動，傳動準確平穩，可準確控制割刀的張開角度，實現刀片變徑，達到連續切割不同直徑套管的目的；（4）割刀體上鑲嵌有雙排硬質合金齒，有效提高刀體的耐磨性，在雙排齒之間開有凹形排屑槽，增強切削性能，利於切屑的順利排出，防止切屑纏繞刀片，以便刀體的及時收回，延長了刀體的使用壽命。

附圖說明

圖1為本發明所述的齒輪齒條傳動實現連續切割不同直徑套管的可變徑水力割刀閉合狀態下的結構示意圖。

圖中：1-上接頭，2-噴嘴，3-活塞，4-密封圈，5-轉位機構，6-活塞推桿，7-銷釘，8-上彈簧，9-圓柱齒條，10-鉸鏈銷，11-割刀，12-硬質合金齒，13-下彈簧，14-殼體。

圖2為本發明所述的齒輪齒條傳動實現連續切割不同直徑套管的可變徑水力割刀工作狀態下的結構示意圖。

圖3為本發明圖1中a-a面的截面圖。

圖4為轉位機構的結構示意圖。

圖5為轉位機構上部分軌道槽展開圖。

圖6為本發明圖1中的i部分局部放大圖。

圖7為圓柱齒條的結構示意圖。

圖8為割刀的結構示意圖。

具體實施方式

下面結合圖對本發明作進一步說明：

根據附圖所示，所述的齒輪齒條傳動實現連續切割不同直徑套管的可變徑水力割刀，由上接頭1、噴嘴2、活塞3、密封圈4、轉位機構5、活塞推桿6、銷釘7、上彈簧8、圓柱齒條9、鉸鏈銷10、割刀11、硬質合金齒12、下彈簧13和殼體14組成，其特徵在於：所述上接頭1與水力割刀殼體14之間通過螺紋連接；所述噴嘴2通過螺紋連接安裝在活塞推桿6上部，活塞3與活塞推桿6之間通過螺紋連接，活塞推桿6內部開設有軸向通孔，活塞3與殼體14之間通過密封圈4實現密封；依次將上彈簧8、轉位結構5和活塞推桿6裝入殼體14內部，並通過內孔臺階進行軸向定位；所述圓柱齒條9位於活塞推桿6下部，圓柱齒條9中心開有軸向通孔，下彈簧13位於殼體14內的支撐面上，圓柱齒條9放入下彈簧13中裝入殼體14內部；所述割刀11位於殼體14上均勻布置的縱向開槽內，並通過鉸鏈銷10與殼體14相連接，割刀11上部加工為齒輪結構，刀體的鋒刃上鑲有雙排硬質合金齒12，在雙排齒之間開有凹形排屑槽，割刀11上部齒輪結構與圓柱齒條9相互嚙合，通過圓柱齒條9與割刀11上部齒輪傳動，準確控制割刀11的張開角度，實現連續切割不同直徑套管。

工作時，泥漿泵將高壓鑽井液泵入水力割刀體內，高壓液體通過活塞推桿6內的噴嘴2產生壓力降，推動活塞3壓縮上彈簧8使活塞推桿6下行，活塞推桿6下端推動圓柱齒條9壓縮下彈簧13，帶動割刀11張開，此時銷釘7在轉位機構5的軌道槽內由初始位置a1移動到b1，刀片張開角度較小，切割較小直徑套管，張開的刀片與套管內壁接觸，隨同切割工具順時針旋轉，四個割刀片周向同時切割套管，直到將套管割斷；完成小直徑套管切割作業後停泵，轉位機構5、活塞3在上彈簧8作用下帶動活塞推桿6上行到初始位置，同時圓柱齒條9在下彈簧13作用下帶動割刀11閉合，使割刀11及時收回到殼體14內部，此時銷釘7在軌道槽內由b1移動a2位置；再次開啟泥漿泵，鑽井液推動活塞3壓縮上彈簧8帶動活塞推桿6、轉位機構5向下推動圓柱齒條9，此時銷釘7在軌道槽內由a2移動b2位置，同時圓柱齒條9壓縮下彈簧13帶動割刀11張開，刀片張開角度較大，張開的刀片隨工具轉動同時切割大直徑套管；完成切割後停泵，在上彈簧8與下彈簧13的共同作用下，活塞推桿6向上運動到初始位置，割刀11收回，此時銷釘由b2移動到a3位置，完成一個周期內連續切割不同管徑的套管。