阅读说明：本技术 一种旋转式水力喷射切割套管工具及其施工方法 (Rotary hydraulic jet cutting casing tool and construction method thereof ) 是由 马辉运 张华礼 喻成刚 杨云山 付玉坤 李明 杨海 许定江 王学强 洪玉奎 于 2019-09-19 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种旋转式水力喷射切割套管工具及其施工方法,它包括上接头(1)、旋转套筒(5)、外套筒(7)和旋转头(9)；所述上接头(1)一端与油管(18)连接,上接头(1)的另一端与套在旋转套筒(5)上,并且插入外套筒(7)内,所述旋转套筒(5)穿过外套筒(7)并插入旋转头(9)内,旋转套筒(5)与外套筒(7)通过轴承连接,旋转套筒(5)与旋转头(9)通过螺钉固定连接。本发明通过井口注入不同压力和排量的携砂液,带动水力切割套管工具的旋转头旋转,完成水力切割套管及固井水泥环作业,具有水力切割效率高、碎屑颗粒小易返排、卡钻风险小、无需施加钻压等优点。(the invention relates to a rotary hydraulic jet cutting casing tool and a construction method thereof, wherein the rotary hydraulic jet cutting casing tool comprises an upper joint (1), a rotary sleeve (5), an outer sleeve (7) and a rotary head (9); one end of the upper joint (1) is connected with the oil pipe (18), the other end of the upper joint (1) is sleeved on the rotating sleeve (5) and inserted into the outer sleeve (7), the rotating sleeve (5) penetrates through the outer sleeve (7) and is inserted into the rotating head (9), the rotating sleeve (5) is connected with the outer sleeve (7) through a bearing, and the rotating sleeve (5) is fixedly connected with the rotating head (9) through a screw. The hydraulic cutting casing pipe and well cementation cement sheath drilling tool has the advantages of high hydraulic cutting efficiency, small chip particles, easiness in flowback, small drilling clamping risk, no need of applying drilling pressure and the like.)

一种旋转式水力喷射切割套管工具及其施工方法

技术领域

本发明涉及石油天然气开发设备领域，特别是一种旋转式水力喷射切割套管工具及其施工方法。

背景技术

随着气田开发进入中后期，产量逐渐递减或衰竭，部分油、气、水井或者探井、评价井、开发井已无潜力可挖，或者城市规划以及国家建设需要，为了消除安全隐患，保护地层，保护环境，需要进行永久性封井。目前，国内解决废弃油气井永久性封堵的方式除常规循环注塞、挤注封闭外，还包括机械塞法和套管外封堵法。机械塞法是指通过下入桥塞封隔器或者水泥承留器等机械塞至目的井段坐封，达到封堵油气水层的目的；套管外封堵法主要包含套管锻铣封堵法、射孔补注封堵法和取套封堵法，其中套管锻铣封堵和射孔补注封堵通过在套管上建立流体通道，将封堵材料挤注入环空，建立套管环空屏障，完成封堵作业；取套封堵法是指对油层套管外无固井水泥环的油气井，采用套管切割或倒扣的方式，取出一段套管，再采用注水泥塞法或机械塞法进行封堵。

目前，现场普遍采用套管锻铣封堵法对废弃油气水井进行永久式封堵，但在施工过程中，存在锻铣刀片选择不合理，影响了锻铣进度；施工用机泵多次停泵检修，造成井下复杂情况，影响了锻铣施工的连续性；锻铣的排量、刀片转速、施加钻压不合理，铁屑尺寸大小不一，影响铁屑正常返出，导致井下卡钻事故；锻铣用泥浆性能变化较大，未达到最佳带屑效果，锻铣过程中存在卡钻风险，严重影响了锻铣进度和效率。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种旋转喷射携砂液进行洗井和切割套管外侧水泥环的喷射切割套管工具及其施工方法。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种旋转式水力喷射切割套管工具，它包括上接头、旋转套筒、外套筒和旋转头；所述上接头一端与油管连接，上接头的另一端与套在旋转套筒上，并且***外套筒内，所述旋转套筒穿过外套筒并***旋转头内，旋转套筒与外套筒通过轴承连接，旋转套筒与旋转头通过螺钉固定连接，所述旋转头上沿周向加工有多个喷嘴座，所述喷嘴座沿旋转头的圆周方向偏转，所述喷嘴座上设置有喷嘴。

所述上接头与外套筒连接的外壁上设置有多个上接头密封槽，与旋转套筒接触的内壁上设置有多个上接头旋转密封槽，与轴承接触面上设置有上密封块槽，所述上密封块槽的槽底设置有回位弹簧孔。

所述旋转套筒上设置有用于限制轴承位置的轴肩，轴肩两端均设置有轴承，所述轴承包括下回转轴承和上回转轴承，所述旋转套筒内沿周向分布有多道导流槽，所述导流槽为螺旋状。

所述外套筒上设置有用于与上接头连接的紧定螺钉槽，上接头与外套筒通过螺钉固定连接，所述外套筒与轴承接触面上设置有下密封块槽，所述下密封块槽的槽底设置有回位弹簧孔，所述外套筒与旋转套筒连接的内壁上设置有多道外套筒密封槽。

所述旋转头与旋转套筒螺纹连接，旋转头通过旋转螺钉固定于旋转套筒上。通过本身的螺纹和旋转螺钉双重固定，可以防止旋转头在工作过程中从旋转套筒上脱落。

旋转式水力喷射切割套管工具的施工包括以下步骤：

S10、将水力旋转切割套管工具连接在油管底部，并在工具上端加装扶正器，通过油管下放至预定位置；

S11、开泵，通过油管内注入混合好的携砂液，在排量和泵压保持恒定的情况下，驱动水力喷射切割套管工具的旋转头旋转，开始水力喷射切割套管作业；

S12、切割作业过程中，检查井口补屑器，待无铁屑返出时，持续供液，切割套管外部水泥环，待井口无水泥返出时，完成该段的水力切割作业；缓慢上提油管，开始下一段套管及固井水泥环的水力切割作业；

S13、待完成预定长度的套管及固井水泥环切割作业后，上提油管至井口，拆卸水力喷射切割套管工具；

S14、随后通过井口挤注封堵材料完成该层段的封堵作业，最终实现整口井有效封堵的目的。

还包括施工准备步骤：

S20、依据切割套管的尺寸，选择合适的水力旋转切割套管工具外径；

S21、依据切割作业时间，选择具有良好耐磨性和较高流量系数的喷嘴材质；

S22、依据现场机泵实际工作能力，选择合适的喷嘴直径和喷嘴数量，确保喷嘴流速保持120米/秒、工作压力保持20MPa以上；

S23、根据井内实际情况配置砂浓度和选取砂粒的直径。

本发明具有以下优点：

1、 本发明所述的旋转式水力切割套管工具，采用水力喷射携砂磨料的形式实现对套管及固井水泥环的切合，切割效率高，切割产生的铁屑小，易返排，减小了卡钻的风险；

2、 本发明所述的旋转式水力切割套管工具，在旋转套筒内部增加了导流槽，携砂液在内部流动过程中产生一定扭矩，保证了旋转头的有效旋转；

3、 本发明所述的旋转式水力切割套管工具，喷嘴采用耐冲蚀硬质合金材质，喷嘴内流道结构保证了足够大的流体系数，提高了喷嘴使用寿命和冲蚀效率。

4、 本发明所述的旋转式水力切割套管工具，轴承上下端部安装有回位弹簧和密封块，起到缓冲旋转轴承沿轴向方向的受力，减小了旋转套筒旋转时产生的摩擦阻力；

5、 综上所述，采用本发明所述的旋转式水力切割套管工具及施工方法，与油管连接后下放至预定位置，通过井口注入不同压力和排量的携砂液，带动水力切割套管工具的旋转头旋转，完成水力切割套管及固井水泥环作业，具有水力切割效率高、碎屑颗粒小易返排、卡钻风险小、无需施加钻压等优点，提高了作业时效，降低了作业成本，丰富了永久性封井技术系列。

附图说明

图1 为本发明的结构示意图；

图2 为上接头的剖视图；

图3 为旋转套筒的剖视图；

图4 为旋转套筒的侧视图；

图5 为外套筒的剖视图；

图6 为旋转头的剖视图；

图7为旋转头的侧剖视图；

图8为本发明洗井切割工作示意图；

图中：1-上接头，2-螺钉，3-上回位弹簧，4-上密封块，5-旋转套筒，6-下旋转轴承，7-外套筒，8-旋转螺钉，9-旋转头，10-喷嘴，11-旋转密封组合，12-下回位弹簧，13-下密封块，14-上旋转轴承，15-密封组合，16-套管，17-水泥环，18-油管，19-扶正器，101-上接头密封槽，102-上接头旋转密封槽，103-上密封块槽，501-导流槽，701-紧定螺钉槽，702-下密封块槽，703-外套筒密封槽，901-喷嘴座。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

如图1所示，一种旋转式水力喷射切割套管工具，它包括上接头1、旋转套筒5、外套筒7和旋转头9；所述上接头1一端与油管18连接，上接头1的另一端与套在旋转套筒5上，并且***外套筒7内，所述旋转套筒5穿过外套筒7并***旋转头9内，旋转套筒5与外套筒7通过轴承连接，旋转套筒5与旋转头9通过螺钉固定连接，所述旋转头9上沿周向加工有多个喷嘴座901，所述喷嘴座901沿旋转头9的圆周方向偏转，所述喷嘴座901上设置有喷嘴10。

优选的，所述喷嘴座901中心线与旋转头9中心线的距离为15~35mm，所述喷嘴座901中心线与旋转头9外圆交点处的法线的角度范围为6~44度。

所述上接头1与外套筒7连接的外壁上设置有多个上接头密封槽101，上接头密封槽101内嵌入密封组合15，与旋转套筒5接触的内壁上设置有多道上接头旋转密封槽102，与轴承接触面上设置有上密封块槽103，上密封块槽103内嵌入上密封块4，所述上密封块槽103的槽底设置有回位弹簧孔，弹簧孔内嵌入上回位弹簧3，所述上回位弹簧3顶住上密封块4。

所述旋转套筒5上设置有用于限制轴承位置的轴肩，轴肩两端均设置有轴承，所述轴承包括下回转轴承6和上回转轴承14，所述旋转套筒5内沿周向分布有多道导流槽501，所述导流槽501为螺旋状。

优选的，多道导流槽501的数量为4个，夹角为90°；所述导流槽501宽度L取值范围25~40mm，深度S取值范围10-15mm，流体流动过程中便于产生足够扭力，带动旋转头9旋转

所述外套筒7上设置有用于与上接头1连接的紧定螺钉槽，上接头1与外套筒7通过螺钉2固定连接，所述外套筒7与轴承接触面上设置有下密封块槽702，下密封块槽702内嵌入下密封块13，所述下密封块槽102的槽底设置有回位弹簧孔，该回位弹簧孔内嵌入下回位弹簧12，所述外套筒7与旋转套筒5连接的内壁上设置有多道外套筒密封槽703，外套筒密封槽703和上接头旋转密封槽102内均嵌入旋转密封组合11。

所述旋转头9与旋转套筒5螺纹连接，旋转头9通过螺钉8固定于旋转套筒5上。通过本身的螺纹和旋转螺钉双重固定，可以防止旋转头在工作过程中从旋转套筒上脱落。

旋转式水力喷射切割套管工具施工包括以下步骤：

S10、将水力旋转切割套管工具连接在油管18底部，并在工具上端加装扶正器19，通过油管18下放至预定位置；

S11、开泵，通过油管18内注入混合好的携砂液，在排量和泵压保持恒定的情况下，驱动水力喷射切割套管工具的旋转头9旋转，开始水力喷射切割套管16作业；

S12、切割作业过程中，检查井口补屑器，待无铁屑返出时，持续供液，切割套管16外部水泥环17，待井口无水泥返出时，完成该段的水力切割作业；缓慢上提油管18，开始下一段套管16及固井水泥环17的水力切割作业；

S13、待完成预定长度的套管16及固井水泥环17切割作业后，上提油管18至井口，拆卸水力喷射切割套管工具；

S14、随后通过井口挤注封堵材料完成该层段的封堵作业，最终实现整口井有效封堵的目的。

还包括施工准备步骤：

S20、依据切割套管16的尺寸，选择合适的水力旋转切割套管工具外径；

S21、依据切割作业时间，选择具有良好耐磨性和较高流量系数的喷嘴10材质；

S22、依据现场机泵实际工作能力，选择合适的喷嘴10直径和喷嘴10数量，确保喷嘴10流速保持120米/秒、工作压力保持20MPa以上；

S23、根据井内实际情况配置砂浓度和选取砂粒的直径。