摘要
随着国内油气开发的不断深入，大多数油田都已步入了中、晚期，因此，钻井过程中卡阻的发生频率也逐渐升高。当前多数油田仍使用常规的解卡方法，即利用起吊设备等方法来解除卡片，如果仍然无法解除卡片，则采取先将套管剪断，然后将其推出井外的方法。常规的油井解卡方法，往往需要较长的修井周期，严重影响了油田的正常生产，带来了巨大的经济损失，而机械式的内切刀能够很好地解决这一难题。机械式内割刀是修井过程中必不可少的一种刀具，根据切削对象的不同需求，采用了多种切削工具，在油田生产过程中选择适当的刀具，可以极大地延长工作周期，增加修井的经济效益。然而，机械式内割刀能够很好地适应各种类型的井下作业需要，因此，本文对机械式内割刀进行了设计。
本文主要进行超小管径用水力驱动机械内割刀设计。首先，进行超小管径用水力驱动机械内割刀工作原理分析及结构设计，包括上接头、下接头、推杆、割刀、扶正器、扶正器接头、限位器、复位弹簧等；然后，进行水力驱动机械内割刀切割过程分析，包括入井过程、加紧过程、切割过程、取出过程；其次，进行水力驱动机械内割刀关键参数计算，包括活塞作用力，弹簧回复力，对刀作用力，以及销钉强度校核；最后，采用SolisWorks进行水力驱动机械内割刀三维建模，采用SolisWorks进行主要零件建模，进行虚拟装配，并进行简单的运动仿真。本文旨在设计一种超小管径用水力驱动机械内割刀，大大地节省作业时间、提高效率、提高经济效益和更好保证人员安全。
关键词：超小管径管道；水力驱动；机械内割刀；结构设计；SolisWorks
Abstract
With the continuous deepening of domestic oil and gas development, most oil fields have entered the middle and late stages, so the frequency of jamming during drilling has gradually increased. Currently, most oil fields still use conventional methods to release the card, such as using lifting equipment. If the card still cannot be released, the method is to first cut the casing and then push it out of the well. The conventional method of unblocking oil wells often requires a long repair cycle, which seriously affects the normal production of the oilfield and brings huge economic losses. However, mechanical internal cutting tools can effectively solve this problem. Mechanical internal cutting tool is an essential tool in the well repair process. According to the different needs of the cutting object, various cutting tools are used. Choosing the appropriate tool in the oilfield production process can greatly extend the working cycle and increase the economic benefits of well repair. However, mechanical internal cutting knives can adapt well to various types of underground operations, therefore, this article has designed mechanical internal cutting knives.
Firstly, the working principle analysis and structural design of the hydraulic driven mechanical internal cutting blade for ultra small pipe diameters are carried out, including the upper joint, lower joint, push rod, cutting blade, stabilizer, stabilizer joint, limiter, reset spring, etc; Secondly, an analysis of the cutting process of the hydraulic driven mechanical internal cutting blade is conducted, including the entry process, tightening process, cutting process, and extraction process; Secondly, the key parameters of the hydraulic driven mechanical internal cutting blade are calculated, including piston force, spring recovery force, tool force, and pin strength verification; Finally, SolisWorks is used for 3D modeling of hydraulic driven mechanical internal cutting blades, and SolisWorks is used for modeling of main components, virtual assembly, and simple motion simulation. This article aims to design a hydraulic driven mechanical internal cutting tool for ultra small pipe diameters, which greatly saves operation time, improves efficiency, improves economic benefits, and better ensures personnel safety.
Keywords: ultra small diameter pipelines; Hydraulic drive; Mechanical internal cutting knife; Structural design; SolisWorks
1 绪论
1.1 研究背景及意义
经过多年的石油开采，国内很多油田的开采已经进入中后期，油井的大修的工作量进一步上升，出现管柱卡钻事故的油气井也开始呈现出上升趋势。目前现场依然多数采用传统的解卡方式，通过使用提升装置直接上提、或者采用活动上提等操作方式后依旧不能解卡的管柱，通常需要采用倒扣的方式，如还不能解卡，最终采用将管柱在井下切断后直接提出井外的方式解卡[1-2]。传统油井解卡的方法需要修井作业的周期时间比较长，会严重干扰油田的正常生产，直接导致巨大的经济损失，也需要增加职工的劳动强度和企业的生产成本的提高，因此能够提高修井效率的油管切割设备在修井作业中有了存在必要。
由于小直径油管具有抗压能力强、易于钻井、节约成本等优势，目前油田越来越多的采用用小口径井管进行作业，而现有油管切割工具对低于 70mm 以下管径的切割具有一定的局限性。 油井井下管柱的切割有很多种方式可供选择，包括机械切割、喷射切割、水力切割、聚能切割、化学切割和电缆切割等方式。电缆切割需要采用输送电缆操作，操作难度以及作业的复杂程度均比较大，水力切割以及机械切割均需要依赖相关水力设备以及井下工具串的配合使用，有所不同的是，对于机械切割方式所依赖的是井上的转盘转动，转盘转动带动油井管内的机械式割刀旋转，并完成对管柱的切割。喷射方式切割是利用聚能喷射原理，定制的聚能喷射设备能够产生高速熔融状态的喷射物质，高压高速熔融物质能够将管柱切切断。聚能切割是利用特制的炸药，将特殊的粉状物喷射出去切断管柱，不仅会对环境造成污染，还存在难以预料的问题。磨料射流的切割方式对于磨料射速很难控制，因此，以上切割方式对于连续油管在井下作业时具有其局限性。而连续油管式机械割刀利用流体驱动液压马达带动切割工具旋转，利用液压差推动刀具进给，实现对管柱的切割，由于采用水利提供动力，不会对井下造成环境污染。在操作上可以实线对设备的可控性以及切割的有效性。
机械式内割刀是一种井下机械切割工具，它是从套管、油管和钻杆内部进行切割的，除了管柱接箍处外可以实现任意部位的切割。为了防止切割入套管和油管接头，当刀具切入井内时，应避免耦合的位置，在条件允许时，可以与带式打捞装置相匹配。如果打捞矛是附加的，它就可以和刀具一起放进井里[3]。在油田井下实施切割作业时，通常将可退式打捞矛接于机械式内割刀的上部，等到管柱切割作业完成时，再将切割掉的上端管柱提出井外[4]。
在切割小尺寸中心管时，工具尺寸受到极大限制，小尺寸中心管切割技术成为制约油气开发领域的又一技术难题。因此油管切割研究具有不可替代的市场需求。套管切割是井下作业中的最后一道工序[5]。对于井下作业，其中最关键的环节就是切割套管。采用合理的切割参数，能够快速高效地回收各层套管，从而达到降本增效的目的。
1.2 石油管道内割刀研究现状
国外对于油井井管研究较早，经过了多年的研究，技术也已较为成熟，根据不同管径产品系列化也已较为成熟。通常按照切割方式的不同和动力的输送方式可以把井下切割设备分为以下几类[6-7]：机械内切割方式、机械外切割方式、水力式内割刀、水力外切割方式、化学药剂切割方式、电缆电火........略
........略
5.3 水力驱动机械内割刀虚拟装配
（1）打开Solidworks软件，点击新建【文件】选项，文件命名为ZPT，单位为mm，进入Solidworks 界面。
（1）单击【起始】/【装配】命令，进入装配模块。
（2）依次选择【装配】/【组建】/【添加已有组建】命令，单击【装配】工具条中的【选择部件】对话框。
（3）单击【选择部件文件】按钮，弹出【添加现有部件】对话框。采用上述“添加已有的组件到装配体中”的方法，将盘式制动器主要零件添加到装配体中，并对盘式制动器进行定位。
装配图见图5-9所示。
图5-9 水力驱动机械内割刀装配图
爆炸见图5-10所示。
图5-10 水力驱动机械内割刀爆炸图
5.4 水力驱动机械内割刀运动仿真
（1）进入Solid Works软件，选择装配体，选择运动案例，见图5-11所示。
图5-11 计算案例
（2）选择动画向导，选择旋转模型，见图5-12所示。
图5-12 旋转模型
（3）选择旋转轴，见图5-13所示。
图5-13 选择旋转轴
（4）设置动画时间，20s，见图5-14所示。
图5-14 设置动画时间
（5）点击左下角计算运动案例，计算完成，进行动画播放，见图5-15所示。
图5-15 动画播放
6 总结与展望
6.1 总结
通过对井下水力式内割刀的设计，与传统的机械设计有很大的不同，计算方式不一样、安装方式不一样、要求精度不一样等。井下水力式内割刀具有体积小、重量轻、效率高等有点。本设计主要通过对井下水力式内割刀进行结构设计、主要参数计算，确定主要零件的各部位尺寸。基本熟悉设计的一般流程。理解行井下水力式内割刀的工作原理。在设计中，由于我的能力和经验有限，在设计中难免会犯很多错误，也可能有许多不切实际的地方，个人觉得设计井下水力式内割刀要求很高，以后会更多的关注本行业的发展。此次设计，在老师的精心安排下，有条理地进行，井然有序地一步步完成，基本上实现了设计要求。
通过此次的论文，我学到了很多知识，跨越了传统方式下的教与学的体制束缚，在论文的写作过程中，通过查资料和搜集有关的文献，培养了自学能力和动手能力。并且由原先的被动的接受知识转换为主动的寻求知识，通过毕业论文，我学会了如何将学到的知识转化为自己的东西，学会了怎么更好的处理知识和实践相结合的问题，为以后的工作打下坚实的基础。
6.2 展望
基于水力式内割刀的设计与实现涉及多方面的理论、方法和技术，本设计还有许多新的问题需要解决，需要在实际应用中不断积累和完善，在以下几个方面，还需要做进一步的研究和开发。论文只考虑了水力式内割刀几项基本设计，并未在整体统计等方面进行深入发掘，单体相对简单一些。为了减小水力式内割刀的质量、体积，节省材料，提高承载能力，得到最佳设计参数，提高其性价比；需要采用优化设计方法。机械优化设计，是在给定的载荷或环境条件下，在机械产品的性能、几何尺寸、相关因素的限制范围内，如何获得最优设计参数的一种设计方法。因此该方面研究方向还需要进一步深入考虑。
