海底弃井等离子弧切割装备研究

2022-08-30刘永红武鑫磊韩延聪

电加工与模具 2022年4期

刘鹏，刘永红，孙强，武鑫磊，韩延聪

（中国石油大学（华东）机电工程学院，山东青岛 266580）

随着科技的发展，人类社会对能源的需求量与日俱增。为抢占宝贵的海洋油气资源，世界上许多国家纷纷大力发展海上采油业，积极兴建海上钻井采油平台。仅至21 世纪初期，世界范围内就已兴建了超过7000 座海上油气生产设施[1-3]。我国的海洋采油业从1966年建造第一座固定式钻井平台开始起步发展[4]，到目前为止，我国建造的海上采油平台已达200 多座[5-6]。这些平台为人类社会生活的正常运转提供了重要的油气资源。海洋油气生产平台也像其他工程机械一样具有服役年限，会面临退役问题[7-8]，其设计寿命一般为20～30年，当到达指定年限后，若不进行弃置处理，废弃的油井可能会对海洋环境造成污染，同时也会影响船舶通航安全[5]，因此，各国出台的规定要求对不能生产的海洋油气设施必须及时采取弃置处理，从而还原海洋环境的原貌，以保证海洋环境的生态平衡[9-11]。

海底废弃井口的切割回收工作是海洋平台弃置作业的关键环节。现阶段海底废弃井口弃置作业的主流方式是机械切割和水射流切割，其中机械切割存在切削力大、装置振动明显、刀具易磨损和断刀以及在偏心井口套管工况中割刀受力不均衡等缺点[12-13]；水射流切割对装备的密封性要求极高，同时混砂水射流喷嘴易堵死且磨损较快，装备制造和维护费用昂贵[14-17]。综合来看，这两种方式的可靠性低、稳定性差，作业效率也较为低下。而我国的海洋平台和海底井口拆除作业，长期以来更是依赖进口设备，这些设备的租赁费用昂贵，使我国海洋油气设施弃置作业的开展受到极大限制[18]。

针对目前主流井口弃置方式存在的不足，同时为提高海底井口拆除作业的工作效率、降低作业成本以及摆脱国外对我国海上井口弃置作业的技术牵制，本文以等离子切割技术为核心加工方法，自主研发了一套专用于海底弃井套管切割的装备，这对于我国海上油气设施弃置作业的发展来说具有重要意义。

1 基于等离子弧的弃井切割装备

海底弃井等离子切割装备的总体设计方案见图1。该装备通体呈圆柱状，最大外径190 mm、总长1600 mm，主要由法兰、套筒和接箍三种结构件通过螺纹连接固定，可保证装备整体具有良好的同轴度，同时能为其装配工作提供便利，也可有效地避免装备内部管线发生缠绕。为提高装备在海水环境中工作的可靠性，采用了液压驱动作为其驱动方式。相较于电驱动方式，液压驱动降低了装备对驱动机构的密封性要求。即使在水下工作时发生液压泄漏，装备的动作机能也不会失效，从而大幅提高了装备工作的可靠性。

图1 海底弃井等离子切割装备工作示意

从整体结构来看，该装备主要由支撑机构、旋转机构和切割机构三大部分组成。支撑机构的主要功能是将整个装备牢固地锁紧在井筒内壁面上，并能使装备沿着井筒轴线方向实现自定心，从而为下方的旋转机构和切割机构提供稳定的支撑，以保证切割工作能平稳进行；旋转机构的主要功能是带动装备最下方的切割机构实现大于360°的稳定正反转，从而保证井下套管的割缝呈现完整的圆环形；切割机构的核心部件是一个特制的水下等离子割炬，可在海水环境中将高温、高能的等离子弧快速持续地喷射到井筒套管内壁面，从而实现对弃井套管的切割作业。海底弃井等离子切割装备的样机实物见图2。

图2 海底弃井等离子切割装备样机整装

2 装备关键机构的运动特性和力传递分析

为分析所设计装备的机构运动特性及其在工作时的力传递情况，借助ADAMS 多体动力学仿真平台建立了装备关键动作机构的数值仿真模型。支撑机构在井下支撑作业时的仿真模型如图3 所示，模型中的所有零部件均设定为刚性体，材料参数选择为仿真平台参数库中的钢材。

图3 支撑机构运动仿真模型

首先对支撑机构的运动特性进行仿真，在动力元件油缸的活塞和缸体之间添加直线副进行约束，并在直线副上添加直线电机，同时由于装备所选油缸行程为30 mm，设定电机速度为30 mm/s、仿真时间为1 s，再在模型的特定位置添加相应的测量点，经仿真可得到支撑机构连杆的运动特性。

图4 是装备支撑机构连杆的运动特性曲线。由此可知，装备在井筒直径方向的可支撑范围为190-230 mm。对于9-5/8″套管来说，装备处于支撑工作状态时，连杆长度方向与装备轴心的夹角为41.05°，上、下支撑的垂直间距为439.5 mm。

图4 装备支撑机构连杆运动特性曲线

接着，对支撑机构在工作时的力传递情况进行仿真分析，在套管和与之接触的连杆之间设定“碰撞接触”，并将接触的摩擦系数设定为0.1，这些接触可以方便获取机构工作时在每个支撑点处的支撑力。由于装备所选油缸缸径为50 mm，在5 MPa的油液压力下能提供10000 N 的驱动力，就在模型的活塞上设定2000 N/s 匀值增长的主动力，将仿真时间取为5 s，经计算可得支撑机构在工作时支撑点的接触力以及铰接点的力传递情况。

图5 是装备支撑机构在9-5/8″套管内壁稳定支撑时的力传递情况。可知，随着油缸驱动力的不断上升，装备支撑点和铰接点处的受力呈线性上升趋势，在10000 N（液压供给5 MPa）的油缸驱动力条件下，装备6 个支撑点处均能提供6000 N 的支撑力。由于装备采用等离子切割，工作时几乎不会产生切削力、装备不会振动，同时装备的总重量约为140 kg，在6 个6000 N 的支撑力作用下可稳定地将其锁紧在套管内壁面。

图5 支撑机构连杆受力情况

3 装备关键机构的强度分析

为分析所设计装备关键机构的强度，本文借助接触碰撞分析领域口碑良好的LS-dyna 有限元仿真平台，建立了装备支撑机构的数值模拟模型。

图6 是支撑机构在支撑工作时的有限元仿真模型。模型中最外侧为水泥环，对其赋予混凝土材料参数，同时对模型中套管赋予N80 材料参数、对支撑机构选用45 钢材料参数。在机构的各处铰接点建立刚性连接区域并添加转动副，以约束水泥环最外圈一层节点的所有自由度，并给机构的下法兰提供一个10000 N 的推力，经仿真计算可得支撑机构在工作状态下的应力分布情况。

图6 支撑机构强度模拟模型

在10000 N 的液压驱动力下，支撑机构及其连杆的应力分布情况见图7。可知，在连杆与套管接触处的应力最大并出现了应力集中，连杆的铰接点处比连杆的杆身产生的应力要大。观察该机构的整体所受应力，发现均没有超过45 钢的屈服极限，可知该机构的强度满足工作要求。

图7 支撑机构及其连杆应力分布

4 水下套管切割物理实验

为验证所研制装备在水下的切割能力，在实验室环境内搭建了如图8 所示的实验平台。

图8 套管水下等离子切割实验平台

首先对所研制的水下等离子割炬开展了起弧实验测试。起弧实验现象见图9。图9a 为未起弧阶段；图9b 为起弧的第一阶段，此时属于内部起弧，阳极弧根落在喷嘴上；图9c 为起弧的第二阶段，此时属于外部起弧，阳极弧根从喷嘴转移到套管内壁上，弧光强增加，切割能力得到提高。这种先内部起弧再将弧根转移到外部套管的起弧方式可大幅提高起弧的成功率。

图9 起弧实验现象

在实验室环境、水深为1 m 以内、切割电流为100 A 的条件下，分别在等离子供气压强为0～0.1、0.1～0.2、0.2～0.3 MPa 时进行20 次起弧实验，所得实验结果见表1。可知，供气压强为0.1～0.2 MPa 时，起弧成功率最高。

表1 100 A 电流时的不同供气压强起弧成功率

接着根据废弃油井的套管水泥环多层嵌套结构，制作了不同厚度的“钢板-水泥夹层-钢板”结构的实验试件。在切割电流为100 A、供气压强为0.15 MPa 的实验条件下对试件开展水下等离子穿洞实验得到的结果见图10。图10a 中试件总厚度51 mm、水泥厚度23 mm，耗时2 min 43 s 被打穿；图10b 中试件总厚度66 mm、水泥厚度38 mm，耗时3 min 46 s 被打穿；图10c 中试件总厚度80 mm、水泥厚度52 mm，耗时7 min 30 s，切割深度仅触及其第二层钢板，没有完全将第二层钢板打穿。考虑实际工况，针对9-5/8″和13-3/8″套管夹水泥层的情况，需要径向的切割总厚度约为60 mm，如果时间允许，基于等离子弧切割的井口切割方法可一次完成两层套管的切割工作。

图10 不同厚度试件的穿洞实验

最后借助所搭建的实验平台，在切割电流为200 A、等离子供气压强为0.15 MPa 的实验条件下进行套管环切实验。实验现象及结果如图11 所示，可见实验过程中产生的弧光十分强烈，水也近乎沸腾状态；在2 min 内，旋转机构带着等离子割炬绕着套管内壁旋转了一周，成功将一根壁厚度为12 mm的9-5/8″套管割断。由切口断面可见，切割面十分平整，几乎无黏连处，切割质量好。