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磨料射流切割水下套管技术研究

李罗鹏  
【摘要】: 随着海上油气勘探开发的不断进展,一批海上平台相继完成了他们的历史使命,平台拆除逐渐成为一项工程热点。平台拆除的关键技术之一是废弃井口与隔水管的切割与拆除,目前国外主流的切割技术有机械割刀切割、钻粒缆切割、聚能爆破切割与磨料射流切割。由于废弃井口往往由多层套管和隔水管胶结在一起且可能存在偏心,同时需要在海床以下5m处切除,钻粒缆与机械割刀切割法难以满足工程需求,而聚能爆破切割因对环境产生较大的破坏,逐渐被限制使用;磨料射流切割则不受切割位置与套管偏心的限制,因此成为废弃井口与隔水管切除的有效手段。 本文基于空腔膨胀理论分析了磨料射流切割金属材料的物理过程,建立了单个磨料颗粒侵彻深度的计算模型,得出了采用较高的射流压力、使用密度大且带有尖锐棱角的磨料可显著提高切割效率的规律,为施工作业中优选磨料种类提供了理论依据。 进行了淹没条件下射流压力、喷嘴直径、喷嘴个数、切割头转速、切割持续时间、喷距、磨料质量份数、磨料种类等因素对切割深度影响规律的实验研究。结果表明,高射流压力、大直径喷嘴、较多的喷嘴个数、长作业时间、小喷距时切割深度较大,且P110套管的门限切割压力为9.4MPa;切割头最优转速为7.8rpm;最优磨料质量份数为26.1%;铁砂作为磨料的切割效果最好。在本文实验条件下,建立了淹没条件下套管切深与时间关系的工程计算模型,为套管切割深度的预测和套管切断时机的判断提供了理论依据。 针对不同直径的管件切割工艺要求,分别设计了磨料射流内切割工具与外切割工具系统。其中内切割工具适用于7″~20″的套管与30″隔水管的切割;外切割工具适用于30″~42″隔水管的切割。采用特殊设计的防砂与密封组合,解决了高压高含砂量下的旋转动密封问题;通过喷嘴磨损实验,优选出在长时间切割作业时选用ROCTEC500材质的喷嘴,其他作业过程中宜选用YG6X材质的喷嘴。针对外切割工具在隔水管外壁难以固定与定位的问题设计了采用四级液压缸原理的液压锚;通过采用曲柄摇杆机构解决了外切割工具沿径向切割隔水管时可能造成的管线缠绕问题。通过现场全尺寸模拟实验表明,磨料射流内切割工具状态良好,旋转动密封与防砂装置工作可靠、寿命长,磨料射流喷嘴的质量和寿命完全能够满足现场施工要求。为进一步提高切割效率,设计了一种切割过程能够缩短喷距的切割头,理论估算结果表明,采用直径3mm的喷嘴时,针对切割过程中的不同阶段,该切割头可分别减小无因次喷距16.7倍与27倍。 将神经网络技术引入磨料射流切割套管深度的建模领域,结合本文实验数据,建立了磨料射流切割深度的预测模型,预测结果表明,神经网络的预测值与实验值的相对误差最大为17.02%,最小仅为0.36%,平均误差为4.26%,预测结果可为工程设计提供指导。同时,应用神经网络技术对套管切割深度进行建模的方法可推广到磨料射流切割其他材料的切割深度建模领域。 本文通过理论分析与实验研究相结合,系统地分析了磨料射流切割的物理过程,设计了磨料射流水下切割系统,并进行了室内与现场实验,为磨料射流切割水下井口的工程应用提供了理论和技术支撑,填补了该技术的国内空白。


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