CN110181407A - 一种切割井下套管的磨料射流系统及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种切割井下套管的磨料射流系统，包括依次连接的水箱、磨料射流发生装置、油管、井下扶正器和喷枪，所述喷枪端部设有与井下扶正器连通的轴向盲孔，在所述喷枪的多个径向平面上，径向均布设有多个与轴向盲孔连通的喷嘴孔，每个喷嘴孔内设有喷嘴；喷嘴包括同轴设置的基座、外喷嘴和内喷嘴，基座一端与喷嘴孔连接，外喷嘴的入口端与基座端面外缘连接，与基座合围形成混合腔室，外喷嘴侧壁径向设有多个与混合腔室连通的吸入口，所述内喷嘴设于混合腔室内且入口端与基座端面中心连接，出口端与混合腔室连通。其能够实现材料的循环利用，尤其适用于交通不便或缺水的偏远山区，且使用方法简单，实用性强。本发明还公开了该系统的使用方法。

Description

一种切割井下套管的磨料射流系统及其使用方法

技术领域

本发明涉及石油天然气井下封堵技术，具体涉及一种切割井下套管的磨料射流系统及其使用方法。

背景技术

近年来，随着我国社会的快速发展，对石油天然气资源需求愈来愈大，开采力度也随之加大，随着石油天然气开采时间的增长，以及当地油气资源的枯竭，越来越多的油气井接近使用年限，失去了继续使用的价值，石气井也就完成了它们的使命。为防止油气污染，对于达到作业年限的油气井口，按照国家规定需要对其进行弃井作业，封堵油气井，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。目前用于油井封堵成段钻铣堵塞空间的技术以及装置还没有。

目前国内外只研发了对井下套管进行切割的装置，CN108915629A公开了一种用于切割多层套管的新型水力割刀装置，能完成多层套管的切割，但缺点是作业半径小，刀片容易折断，设备制作复杂。

考虑到机械装置的缺点，有学者运用磨料射流进行切割。陈建兵等进行了磨料射流切割套管技术研究，并运用在海上弃井中；王瑞和等采用磨料射流进行了旋转切割套管试验；周卫东等也对前混式磨料水射流切割套管进行了研究；国外的一些公司如澳大利亚的WellOps公司、英国的Circle、Proserv公司以及美国的Wachs公司在此研究领域掌握了成熟的技术，拥有完善的设备。但他们这些研究以及设备主要运用于海上油井套管切割，只能将油管割断，而不能成段的铣切；采用前混式磨料水射流加入磨料必须泄压，作业时不能保证连续工作；磨料、水消耗大，不适合偏远或缺水的陆路地区。

发明内容

本发明的目的是提供一种切割井下套管的磨料射流系统及其使用方法，其能够实现材料的循环利用，适用于交通不便或缺水的偏远山区，且使用方法简单，实用性强。

本发明所述的切割井下套管的磨料射流系统，包括依次水路连接的水箱、磨料射流发生装置、油管、井下扶正器和喷枪，所述喷枪端部设有与井下扶正器水路连通的轴向盲孔，在所述喷枪的多个径向平面上，径向均布设有多个与轴向盲孔连通的喷嘴孔，相邻径向面上的喷嘴孔错落布置，每个喷嘴孔内设有喷嘴；所述喷嘴包括同轴设置的基座、外喷嘴和内喷嘴，基座设有轴向通孔，一端与喷嘴孔连接，另一端连接外喷嘴和内喷嘴，所述外喷嘴的入口端与基座端面外缘连接，与基座合围形成混合腔室，外喷嘴侧壁径向设有多个与混合腔室连通的吸入口，所述内喷嘴设于混合腔室内且入口端与基座端面中心连接，出口端与混合腔室连通。

进一步，单个径向平面上喷嘴孔的数量为式中，n为喷嘴孔数量，D₀为喷枪的外直径，l₁为喷嘴在喷枪上外露的长度，l₂为外喷嘴出口端至工作面的靶距，θ为外喷嘴出口射流扩散角。

进一步，单个径向平面上相邻喷嘴孔的间距为式中，D₀为喷枪的外直径，n为单个径向平面上喷嘴孔的数量；相邻径向平面的间距为式中，l₂为外喷嘴出口端至工作面的靶距，θ为外喷嘴出口射流扩散角，d₁为外喷嘴出口端内径。

进一步，所述水箱连接有输水管，该输水管另一端伸入井下套管，且伸入井下套管内的端部设有过滤器。

进一步，所述内喷嘴和外喷嘴均呈圆筒状，所述基座端面中心设有容纳内喷嘴的空腔，基座端面边缘设有与外喷嘴连接的外螺纹。

进一步，所述喷枪远离井下扶正器的一端设有与井下套管对应配合的密封塞。

根据上述的切割井下套管的磨料射流系统的使用方法，其包括如下步骤：

S1，采用管路依次连通水箱、磨料射流发生装置、油管、井下扶正器和喷枪，在喷枪的喷嘴孔中安装喷嘴，然后向井下套管下放喷枪，使得喷嘴位于井下套管的待切割段；

S2，启动磨料射流发生装置，产生低速流动的水和磨料混合流体，通过油管、井下扶正器、喷枪和喷嘴输送至井下套管的待切割段周围，输送一定量的磨料后，关闭磨料射流发生装置的供料阀；

S3，利用磨料射流发生装置产生高速流动的水，使该高速流动的水进入喷嘴形成负压，通过卷吸作用将井下套管的待切割段周围的磨料从吸入口吸入至混合腔室，混合后从外喷嘴的出口端射出，同时射出的磨料又在吸入口的作用下重新进入混合腔室，实现循环连续作业。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果。

1、本发明通过在喷枪上设置多个喷嘴，且通过该喷嘴实现磨料的初期输入和循环连续使用，减少了磨料的损耗，进而使得该系统适用于交通不便或缺水的偏远山区。同时保证了对井下套管的连续铣切，减少了起下钻次数，提高了切割效率。

2、本发明通过对喷嘴的布置参数进行限定，保证了喷射出的磨料射流能够充分覆盖井下套管的待切割段，无需旋转喷枪，进而取消了用于驱动喷枪旋转的驱动装置，使得结构更加简单，便于组装、拆卸、搬运和后期维护，降低了运行成本；同时各个喷嘴喷射出的磨料射流之间相互协同，避免出现紊流，保证了磨料射流的切割效率。

3、本发明所述的喷嘴结构简单，制造加工容易，便于生产。

4、本发明所述的使用方法简单易行，实用性强。

附图说明

图1是本发明切割井下套管的磨料射流系统的结构示意图；

图2是本发明喷枪的断面结构示意图；

图3是本发明喷嘴的结构示意图；

图4是本发明喷嘴的布置正视图；

图5是本发明喷嘴的布置俯视图；

图6是本发明喷嘴的工作示意图。

图中，1—喷枪，11—轴向盲孔，12—喷嘴孔，2—喷嘴，21—基座，22—外喷嘴，23—内喷嘴，24—吸入口，25—混合腔室，26—第一外螺纹，27—内螺纹，28—第二外螺纹，3—井下扶正器，4—油管，5—连接构件，6—磨料射流发生装置，60—供料阀，61—泵组，62—磨料罐，63—磨料混合腔，64—过滤组件，65—进水阀，66—安全阀，67—调压阀，68—压力表，69—流量计，7—水箱，8—输水管，81—过滤器，9—密封塞。

具体实施方式

参见图1至图6，所示的切割井下套管的磨料射流系统，包括依次水路连接的水箱7、磨料射流发生装置6、油管4、井下扶正器3和喷枪1，所述喷枪1端部设有与井下扶正器3水路连通的轴向盲孔11，在所述喷枪1的多个径向平面上，径向均布设有多个与轴向盲孔11连通的喷嘴孔12，相邻径向面上的喷嘴孔12错落布置，每个喷嘴孔12内设有喷嘴2。所述喷嘴2包括同轴设置的基座21、外喷嘴22和内喷嘴23，基座21设有轴向通孔，一端设有与喷嘴孔12连接的第一外螺纹26，另一端连接外喷嘴22和内喷嘴23，所述外喷嘴22的入口端与基座21端面外缘连接，与基座21合围形成混合腔室25，外喷嘴22侧壁径向设有多个与混合腔室25连通的吸入口24，所述内喷嘴23设于混合腔室25内且入口端与基座22端面中心连接，出口端与混合腔室25连通。

所述内喷嘴23和外喷嘴22均呈圆筒状，所述基座21远离喷枪的端面中心设有容纳内喷嘴23的空腔，该空腔内壁设有内螺纹27，基座21远离喷枪的端面边缘设有与外喷嘴22连接的第二外螺纹28。

所述的磨料射流发生装置6，包括与水箱7出水口连通的泵组61、磨料罐62和磨料混合腔63，所述泵组61用于提供高压水，所述磨料罐62用于存储磨料，所述磨料混合腔63与泵组61和磨料罐62均相连，用于将磨料和泵组输送的水混合，磨料混合腔63与磨料罐62之间的管路上设有供料阀60。泵组61与水箱7连通的管路上设有进水阀65，进水阀65与水箱7之间设有过滤组件64，泵组61出水口与水箱7通过一支管路连通，该支管路上设有安全阀66，所述安全阀66用于调节磨料射流发生装置6的最高工作压力。从泵组61到磨料混合腔63之间的管路上依次设有调压阀67、压力表68和流量计69，所述调压阀67用于调节管路压力，所述压力表68用于显示管路压力，所述流量计69用于显示管路流量。所述流量计69与磨料混合腔63之间的管路上设有与磨料罐62连通的分支管路，通过该分支管路向磨料罐62内输送水。所述磨料混合腔63的出口通过连接构件5与油管4连通，所述油管4为高压油管。

所述水箱7连接有输水管8，该输水管8另一端伸入油气井内的井下套管，且伸入油气井内的端部设有过滤器81。作业过程中油气井内所聚集的水通过输水管8进入水箱7循环使用，端部的过滤器81起到过滤杂质的作用，保证了进入水箱的水的质量。

为了避免磨料沉积到井下套管底部，使磨料始终保持在喷枪1周围，在所述喷枪1远离井下扶正器3的一端设有与井下套管内壁对应配合的密封塞9，所述喷枪1的端部一体成型有连接柱，所述密封塞9螺纹连接于连接柱的自由端。

为了最大化地保证切割效果，同时从成本考虑，对喷枪1上的喷嘴2数量以及间距进行合理设置。

参见图2至图6，D₀为喷枪的外直径，d₀为喷嘴入口端的内径，d₁为外喷嘴出口端的内径，d₂为内喷嘴出口端的内径，d₃为吸入口的内径，l₁为喷嘴在喷枪上外露的长度，l₂为外喷嘴出口端至工作面的靶距，θ为外喷嘴出口射流扩散角。

单个径向平面上喷嘴孔的数量为

单个径向平面上相邻喷嘴孔的间距为式中，n为单个径向平面上喷嘴孔的数量。

相邻径向平面的间距为式中，R为单个喷嘴射流所能覆盖工作半径，其计算公式为：

上述的切割井下套管的磨料射流系统的使用方法，其包括如下步骤：

S1，采用管路依次连通水箱7、磨料射流发生装置6、油管4、井下扶正器3和喷枪1，在喷枪1的喷嘴孔11中安装喷嘴2，关闭进水阀65和供料阀63，对水箱7加满水，向磨料罐62中加注磨料。然后向井下套管下放喷枪1，使得喷嘴2位于井下套管的待切割段。

S2，启动磨料射流发生装置6，打开进水阀65，使泵组61开始运行工作，调节调压阀67，使得磨料射流发生装置6达到工作压力，然后打开供料阀60，使得磨料与水在磨料混合腔63中混合，通过油管4、井下扶正器3、喷枪1和喷嘴2输送至井下套管的待切割段周围，输送一定量的磨料后，关闭磨料射流发生装置6的供料阀60，不再向井下套管内输送磨料。

S3，利用磨料射流发生装置6产生高速流动的水，使该高速流动的水进入喷嘴2形成负压，通过卷吸作用将井下套管的待切割段周围的磨料从吸入口24吸入至混合腔室25，混合后从外喷嘴22的出口端射出，同时射出的磨料又在吸入口24的作用下重新进入混合腔室25，实现磨料的循环连续作业。作业过程中井下套管内所聚集的水通过输水管8进入水箱7，实现了水的循环连续作业。

Claims (7)

1.一种切割井下套管的磨料射流系统，包括依次水路连接的水箱(7)、磨料射流发生装置(6)、油管(4)、井下扶正器(3)和喷枪(1)，其特征在于：所述喷枪(1)端部设有与井下扶正器(3)水路连通的轴向盲孔(11)，在所述喷枪(1)的多个径向平面上，径向均布设有多个与轴向盲孔(11)连通的喷嘴孔(12)，相邻径向面上的喷嘴孔(12)错落布置，每个喷嘴孔(12)内设有喷嘴(2)；

所述喷嘴(2)包括同轴设置的基座(21)、外喷嘴(22)和内喷嘴(23)，基座(21)设有轴向通孔，一端与喷嘴孔(12)连接，另一端连接外喷嘴(22)和内喷嘴(23)，所述外喷嘴(22)的入口端与基座(21)端面外缘连接，与基座(21)合围形成混合腔室(25)，外喷嘴(22)侧壁设有多个与混合腔室(25)连通的吸入口(24)，所述内喷嘴(23)设于混合腔室(25)内且入口端与基座(21)端面中心连接，出口端与混合腔室(25)连通。

2.根据权利要求1所述的切割井下套管的磨料射流系统，其特征在于：单个径向平面上喷嘴孔的数量为式中，n为喷嘴孔数量，D₀为喷枪的外直径，l₁为喷嘴在喷枪上外露的长度，l₂为外喷嘴出口端至工作面的靶距，θ为外喷嘴出口射流扩散角。

3.根据权利要求2所述的切割井下套管的磨料射流系统，其特征在于：单个径向平面上相邻喷嘴孔的间距为式中，D₀为喷枪的外直径，n为单个径向平面上喷嘴孔的数量；

相邻径向平面的间距为式中，l₂为外喷嘴出口端至工作面的靶距，θ为外喷嘴出口射流扩散角，d₁为外喷嘴出口端内径。

4.根据权利要求1或2所述的切割井下套管的磨料射流系统，其特征在于：所述水箱(7)连接有输水管(8)，该输水管(8)另一端伸入井下套管，且伸入井下套管内的端部设有过滤器(81)。

5.根据权利要求1或2所述的切割井下套管的磨料射流系统，其特征在于：所述内喷嘴(23)和外喷嘴(22)均呈圆筒状，所述基座(21)端面中心设有容纳内喷嘴(23)的空腔，基座(21)端面边缘设有与外喷嘴(22)连接的外螺纹。

6.根据权利要求1或2所述的切割井下套管的磨料射流系统，其特征在于：所述喷枪(1)远离井下扶正器(3)的一端设有与井下套管对应配合的密封塞(9)。

7.根据权利要求1～6任一项所述的切割井下套管的磨料射流系统的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1，采用管路依次连通水箱(7)、磨料射流发生装置(6)、油管(4)、井下扶正器(3)和喷枪(1)，在喷枪(1)的喷嘴孔(12)中安装喷嘴(2)，然后向井下套管下放喷枪(1)，使得喷嘴(2)位于井下套管的待切割段；

S2，启动磨料射流发生装置(6)，产生低速流动的水和磨料混合流体，通过油管(4)、井下扶正器(3)、喷枪(1)和喷嘴(2)输送至井下套管的待切割段周围，输送一定量的磨料后，关闭磨料射流发生装置(6)的供料阀(60)；

S3，利用磨料射流发生装置(6)产生高速流动的水，使该高速流动的水进入喷嘴(2)形成负压，通过卷吸作用将井下套管的待切割段周围的磨料从吸入口(24)吸入至混合腔室(25)，混合后从外喷嘴(22)的出口端射出，同时射出的磨料又在吸入口(24)的作用下重新进入混合腔室(25)，实现循环连续作业。