井下管柱电动切割执行系统的制作方法

本发明涉及用于修井及完井作业中油套管的切割工具领域中一种井下管柱电动切割执行系统。

背景技术：

切割技术现已广泛应用于修井作业的油套管切割作业、海洋钻井弃井作业的套管或隔水管切割作业以及卡钻钻杆的切割作业。现有的管件切割方式主要有水力切割技术、爆炸切割技术。其中水力切割技术依靠循环泥浆排量来控制切割运动，此过程中要保持循环泵压的稳定，如遇压力较大波动易造成刀片的折断，且水力切割刀为不可退式，下井前、切割中，必须严格依照操作步骤进行。此技术施工复杂、人为干预占主体、操作步骤较为繁琐。爆炸切割技术是将聚能切割弹下至卡点以上位置，引爆后将管柱切割断的一种工艺方法。其中聚能切割弹为爆炸性材料，具有一定危险性，运输操作等需要严格按照易燃易爆、危险品的操作处理程序，在新疆、青海等地区难以全面推广，且切割后的断口外端向外凸出上提后易遇阻。综述两种传统的井下管件切割技术都需要经过问题管套件位置定位器定位后方可进行以上操作。

在石油井下作业服务的过程中，要求系统工具能够在耐高温、高压环境稳定输出工作，因此电机切割执行系统需要解决以下几个主要问题：（1）系统的结构受井下管柱内直径的限制，结构极为紧凑，在设计上需要高度集成化；（2）传动系统的太阳轮及行星齿轮的变位系数设计必须满足其输出要求；（3）为适应可切割不同尺寸和壁厚的管柱，需要对旋转切割头分系统和刀头偏转系统进行软件和硬件上的最优选型和匹配。

技术实现要素：

本发明针对现有技术的不足，提供一种高温高压环境下工作、集测深、定位、锚定及切割为一体的高度集成的井下管柱电动切割执行系统。

为解决以上技术问题，本发明采用的技术方案是：

井下管柱电动切割执行系统，包括紧固壳体和切割头自转系统、切割头公转系统、切割头偏转系统；切割刀头自转系统包括主传动轴、副传动轴、刀翼主轴和刀片、刀头座，主传动轴、副传动轴和刀翼主轴依次构成齿轮传动，刀片安装在刀头座上，刀头座安装在刀翼主轴上；切割头公转系统包括输入轴、减速器和旋转座、旋转壳体，输入轴套装在主传动轴外且与主传动轴固定连接，输入轴通过减速器依次连接旋转座和旋转壳体，副传动轴安装在旋转座下方且能够相对旋转座转动；切割头偏转系统包括传递杆、滑块、螺旋杆和刀夹片转座，滑块与螺旋杆构成螺旋传动配合，滑块的转动驱动螺旋杆偏心移动，刀夹片转座与螺旋杆固定连接，刀翼主轴安装在刀夹片转座上，副传动轴、滑块和螺旋杆装在旋转壳体内。

上述方案进一步包括：

滑块内连接传递杆，传递杆通过与其相连的电机实现伸缩，滑块外有与螺旋杆相配合的轨道，刀夹片转座通过固定键与螺旋杆固定相对位置。

所述减速器为多级行星减速器；输入轴连接第一级行星减速器后依次连接其后的行星减速器，末级行星减速器通过紧固螺钉与旋转座相连。

所述行星减速器为四级减速器包括：带有三个行星轮的行星架，行星架后端再接一个相同的带有三个行星轮的行星架上，行星架后端再接一个降速级的带有三个行星轮的行星架，行星架再后接一个带有三个行星轮的降速行星架，降速行星架通过紧固螺钉与旋转座相连。

所述行星减速器的减速比为:-。

在紧固壳体上方的输入轴外侧还套装有减速器壳体，所述输入轴和减速器壳体之间设有滚珠轴承。

旋转壳体下方还固定连接有旋转头，旋转头内设有凹槽，刀翼主轴、刀夹片转座、刀片均安装在旋转头的凹槽内。

所述副传动轴和刀翼主轴之间装有驱动齿轮。

旋转座通过扶正轴承a和扶正轴承b与紧固壳体连接；主传动轴和旋转座之间设有扶正轴承c，旋转座和副传动轴之间设有扶正轴承d；在刀翼主轴与刀夹片转座之间设有扶正轴承。

旋转壳体通过紧固螺栓将旋转座、旋转壳体、旋转头进行了轴向位置的固定。

本发明井下管柱切割执行系统分为切割刀头公转系统、切割头自转系统、切割头偏转系统。高速旋转的电机在经过主传动轴、副传动轴和刀翼主轴上的行星轮的扭矩传递后将相同的扭矩最终作用在刀翼上，保证了刀翼扭矩能够实现与高速旋转扭矩相同的扭矩，达到了切割井壁刀翼的最优扭矩传递的目的；高扭矩的电机首先将扭矩通过联轴器作用在输入轴上，输入轴后端经过四级减速器的减速后，最终实现了扭矩由高到低的传动，作用在了电动切割执行系统的本体上，使得电动切割执行系统能够自身转动，达到了沿管筒中心线进行圆周切割的目的；刀翼自身的偏转切割系统是由一个与驱动轴相连的滑块相互作用来实现的，当滑块收到一个扭矩的拉力时，滑块表面和螺旋轴表面的螺旋槽的配合作用下，螺旋轴将产生一定的偏角，从而使切割刀头产生偏转，通过前端无数直流伺服点的霍尔检测系统实现电机转速的精密控制，经过几何折算到切割刀头的偏转角度，从而实现切割半径的精密可控。在高速切割刀头系统、切割头自转系统、切割头偏转系统的共同配合作用下，井下管柱切割执行系统能够精确地控制刀头切割角度及位置，达到了同一套井下切割执行系统可切割不同尺寸油套管的目的。

本发明电动切割技术系统主要解决了现有两种切割技术存在的操作复杂、切割成功率低、集成率低等缺点，主要具备以下优点：（1）结构紧凑，性能可靠，切割成功率高；（2）切割深度准确，切口平整；（3）实现了一套电动切割系统可切割不同尺寸油套管内壁的技术难题；（4）施工工艺简单；（5）能够高效、快速、完美的解决井下管柱的切割问题。

附图说明

图1为本发明的井下管柱电动切割执行系统总体结构图；

图2为本发明的井下管柱电动切割执行系统刀头自转系统分布图；

图3为图2沿k1-k1截面剖视图；

图4为图2沿k2-k2截面剖视图；

图5为图2沿k3-k3截面剖视图；

图6为图2沿k4-k4截面剖视图；

图7为图2沿j-yjcd截面剖视图；

图8为图2沿g-ejcd截面剖视图。

图中：1.联轴器，2.键a，3.主传动轴，4.滚珠轴承，5输入轴，6.减速器壳体，7.行星轮a，8.行星架a，9.行星轮b，10.行星架b，11.行星轮c，12.行星架c，13.降速行星轮，14.降速行星架，15.紧固螺钉，16.紧固壳体，17.旋转座，18.扶正轴承a，19.扶正轴承b，20.螺栓，21.旋转壳体，22.扶正轴承c，23.扶正轴承d，24.副传动轴，25.滑块，26.螺旋杆，27.键b，28.旋转头，29.刀夹片转座，30.扶正轴承e，31.刀翼主轴，32驱动齿轮，33.扶正轴承f，34.扶正轴承g，35.扶正轴承h，36.扶正轴承i，37.刀头座，38.刀片，39.骨架油封，40.刀帽，41.驱动电机，42.传递杆，43.连接固定键。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施方式，对本发明作进一步描述。

实施例1：

井下管柱电动切割执行系统，包括紧固壳体16和切割头自转系统、切割头公转系统、切割头偏转系统；切割刀头自转系统包括主传动轴3、副传动轴24、刀翼主轴31和刀片38、刀头座31，主传动轴3、副传动轴24和刀翼主轴31依次构成齿轮传动，刀片38安装在刀头座31上，刀头座31安装在刀翼主轴37上；切割头公转系统包括输入轴5、减速器和旋转座17、旋转壳体21，输入轴5套装在主传动轴3外且与主传动轴3固定连接，输入轴5通过减速器依次连接旋转座17和旋转壳体21，副传动轴24安装在旋转座17下方且能够相对旋转座17转动；切割头偏转系统包括传递杆42、滑块25、螺旋杆26和刀夹片转座29，滑块25与螺旋杆26构成螺旋传动配合，滑块25的转动驱动螺旋杆26偏心移动，刀夹片转座29与螺旋杆26固定连接，刀翼主轴31安装在刀夹片转座29上，副传动轴24、滑块25和螺旋杆26装在旋转壳体21内。

实施例2：

基于上述实施例1，进一步包括：

滑块25内连接传递杆，传递杆通过与其相连的电机实现伸缩，滑块25外有与螺旋杆26相配合的轨道，刀夹片转座29通过固定键与螺旋杆26固定相对位置。

所述减速器为多级行星减速器；输入轴5连接第一级行星减速器后依次连接其后的行星减速器，末级行星减速器通过紧固螺钉15与旋转座17相连。

所述行星减速器为四级减速器包括：带有三个行星轮7的行星架8，行星架8后端再接一个相同的带有三个行星轮9的行星架10上，行星架10后端再接一个降速级的带有三个行星轮11的行星架12，行星架12再后接一个带有三个行星轮13的降速行星架14，降速行星架14通过紧固螺钉15与旋转座17相连。

所述行星减速器的减速比为1:100-200。

在紧固壳体16上方的输入轴5外侧还套装有减速器壳体6，所述输入轴5和减速器壳体6之间设有滚珠轴承4。

旋转壳体21下方还固定连接有旋转头28，旋转头28内设有凹槽，刀翼主轴31、刀夹片转座29、刀片38均安装在旋转头28的凹槽内。

所述副传动轴24和刀翼主轴31之间装有驱动齿轮32。

旋转座17通过扶正轴承a18和扶正轴承b19与紧固壳体16连接；主传动轴3和旋转座17之间设有扶正轴承c22，旋转座17和副传动轴24之间设有扶正轴承d23；在刀翼主轴31与刀夹片转座29之间设有扶正轴承扶正轴承e30，在刀翼主轴31与刀头座37之间设有扶正轴承h35、扶正轴承i36，在副传动轴24与刀夹片转座29之间设有扶正轴承f33、扶正轴承g34。

在刀翼主轴31与刀片38之间设有刀帽40，在刀翼主轴31与刀头座37之间设有骨架油封39.

旋转壳体21通过紧固螺栓20将旋转座17、旋转壳体21、旋转头28进行了轴向位置的固定。

典型实施例3：

参照附图1，井下管柱电动切割执行系统主要分为三部分：高速切割刀头公转系统、切割头自转系统、切割头偏转系统。附图2为刀头自转系统的结构图，附图3、4、5和6为四级行星齿轮减速器的太阳轮和行星齿轮的结构剖视图，附图7表示出了主传动轴和副传动轴传动机构沿剖面结构，图8表示出了副传动轴和刀翼主轴传动剖面结构。

高速切割刀头系统动力来源于驱动电机41驱动联轴器1传递的扭矩，与联轴器1相连的主传动轴3轴向方向依靠键槽内的键2进行固定。主传动轴3末端的齿轮将扭矩通过齿轮传动到副传动轴24上，副传动轴24将扭矩通过驱动齿轮32传递到带有同级齿轮的刀翼主轴31上，两者之间的固定是通过键槽内的固定键来进行位置的轴向固定。刀翼主轴31通过螺纹与刀头座37相连，刀片38位于刀头座37上，通过多级齿轮的传动将高速旋转的联轴器1上的扭矩最终作用在了切割刀38刀片上，实现了高速切割刀头进行高速切割管件内壁的功能。

切割刀头自转系统动力同样来自于联轴器1，与联轴器1相连的输入轴5通过键槽内的固定键进行轴向固定，联轴器1的扭矩作用到了输入轴5上。输入轴5和减速器壳体6之间设有滚珠轴承4，因此减速器壳体6不会随着输入轴5上扭矩的增加而增加。位于输入轴5后端的齿轮将扭矩逐级传递到带有三个行星轮a7的行星架a8上，将扭矩进行了同级传递。行星架a8后端再接一个相同的带有三个行星轮b9的行星架b10上。行星架b10后端再接一个降速级的带有三个行星轮c11的行星架c12，将扭矩降低至1:5。行星架c12再后接一个带有三个降速行星轮13的降速行星架14，较最初的扭矩传递，此行星轮的减速比达到了1:200。降速行星架14通过三个紧固螺钉15与旋转座17相连，实现了联轴器1的降速传动，并将扭矩作用在了旋转座17上。旋转座17通过扶正轴承a18和扶正轴承b19与紧固壳体16连接，最终形成了扭矩分离，因此紧固壳体16不会随着旋转座17的传动而旋转。主传动轴3和旋转座17之间设有扶正轴承c22，旋转座17和副传动轴24之间设有扶正轴承d23，因此旋转座17的扭矩并不会作用到主传动轴3和副传动轴24上，因此不会影响高速切割刀头系统的扭矩传递。位于旋转壳体21内的五个细长型紧固螺钉将旋转座17、旋转壳体21、旋转头28进行了轴向位置的固定，因此三者的扭矩是相同的，旋转壳体21和旋转头28跟随旋转座17一起转动。此过程最终实现了整体刀头部分的联轴器1进行了多级降速，最后将扭矩传递到了切割刀头部分，刀片38高速旋转切割的同时，切割刀头自身也会相对减速器壳体6以主传动轴3为中心进行公转，达到了沿管筒中心线进行圆周切割的目的。

切割刀头的偏转系统是通过滑块25和传递杆42相配合的轨道的移动来实现的。当传递杆42在驱动电机41的作用下产生扭矩时，位于传递杆42最下端的滑块25在螺纹的作用下向滑块25产生一个向左的拉力，传递杆42最下端的滑块25通过连接固定键43连接并固定，在滑块25外表面与螺旋杆26相配合螺旋轨道的作用下，螺旋杆26最终会产生一个轴向的偏角。刀片38安装在刀头座37上，刀头座37安装在刀翼主轴31上，刀翼主轴31安装在刀夹片转座29上，刀夹片转座29通过固定键与螺旋杆26固定相对位置。当螺旋杆26产生一个径向的偏角时，与之相连的刀夹片转座29也会产生一个相同的偏角，最终产生此偏角的扭矩会作用在刀片38上，使得刀片38产生了一个相对于原位置的轴向偏角。实现了切割刀头偏转系统的偏转过程，此过程最终改变了刀片38向减速器壳体6外的径向伸出量，实现了不同管柱壁厚可切割的目的。为保证井下安全，工具内部没有螺母、细长型紧固螺钉等部件，外壳体采用螺纹连接。