一种基于等离子弧切割的海洋废弃井口切割装置的制作方法

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本发明涉及一种基于等离子弧切割的海洋废弃井口切割装置，属于石油钻采设备技术领域。


背景技术：

[0002]
目前，随着海洋采油行业的发展，大量海上采油平台在海洋领域中兴建，海洋平台都有服役年限，当达到服役年限时必须进行拆除，海洋平台的拆除包含海底废弃井口拆除这一环节，根据我国相关规定，对于海洋废弃井口，必须把泥线以下四米包括水下井口头系统在内的套管水泥环切割回收，泥线以上不得遗留任何人工构筑物。因此，这就需要专门的海洋弃井切割回收装置来完成这项任务。目前国内外切割海底弃井的方法主要有机械切割、磨料水射流切割和聚能切割等。
[0003]
机械切割主要应用水力割刀对套管进行切割，是一种传统的切割方法，这种方法的主要缺点在于切割时的切削力较大，装置振动十分明显，割刀磨损较快，割刀在水下崩断也不易更换，此外，对于不同心的多层套管水泥环结构来说，机械切割还容易产生偏心。磨料水射流切割主要是在高压水射流中掺混一些高硬度磨粒，通过高压水将磨粒一同喷向套管壁面，将压力能转化为磨粒和水的动能，对套管持续冲蚀，从而完成切割作业，因此这种切割方法要求装置必须有足够好的密封性能来获得较高的水压，一旦发生泄漏，将会极大地影响切割效果，此外，装置系统复杂，体积庞大，成本较高，具有水深应用限制，射流喷嘴损耗也较快，这些因素都限制了这种方法在海底的应用。聚能切割是利用炸药对套管进行爆破，爆破过程不易控制，而且会产生环境污染，因此不适宜用于海底井口套管切割。此外，中国专利文献cn102513645a还公开了一种利用电弧对深水套管完成切割作业的装置，这种方法的优势在于，切割方法属于非接触切割，切削力小，不会产生装置振动，电弧的加工效率较高，且切割过程不会产生污染，此外，此套装备结构巧妙，切割机构位于整个装置中间部位，且能够在水下直接实现电极的送进，装置两端设置有上下两个扶正机构，用于将装置定位于套管中心，使得切割能够平稳进行，不过，这种利用电弧切割井口的方法也存在不足，电弧切割只能对金属构件等电的良性导体进行加工，对于井口套管之间的水泥环无法做到良好的切割效果。
[0004]
因此，有必要设计一套专用的海洋废弃井口切割装备，克服上述切割方法的缺点，达到海洋废弃井口切割作业中对于经济性，可靠性，稳定性，高效性，环保性的要求，以达成降低作业成本的目的。


技术实现要素：

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针对目前海洋废弃井口切割技术存在的切割成本高、效率低、切削力大，振动大，稳定性差，存在污染等不足，本发明提供一种基于等离子弧切割的海洋废弃井口切割装置，利用等离子弧切割的切割效率高，破坏力强，切削力小，且能够切割金属和非金属的特性，将其引入海洋弃井切割作业当中，可极大的提高切割速度，降低切割成本，真正做到高效率
绿色切割。
[0006]
本发明的技术方案如下：
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一种基于等离子弧切割的海洋废弃井口切割装置，包括支撑机构、旋转机构、进给机构、切割机构和导向机构，所述旋转机构设置在支撑机构底端，所述进给机构设置在旋转机构的底端，所述切割机构、导向机构设置在进给机构上；
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其中，所述支撑机构用于将整个装置支撑在井口套管内壁上，限制整个装置在套管内的自由度，保障其下部旋转机构位于套管中心，确保切割作业平稳进行；
[0009]
所述旋转机构用于带动进给机构和切割机构旋转，从而实现环形切割；
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所述进给机构用于带动切割机构实现面向管壁方向的进给，用以调整切割机构与套管内壁之间的距离，保证切割作业有足够的切割深度；
[0011]
所述切割机构用于产生能量高度集中的等离子弧，用以实现对废弃井口中套管的切割作业；
[0012]
所述导向机构用于给整个装置提供导向，使得整个装置能够沿套管方向顺利下放，同时给位于其上方的切割机构和进给机构提供保护，避免在装置下放时切割机构和进给机构与管壁发生直接碰撞。
[0013]
优选的，所述支撑机构包括支撑气缸、钢丝绳、动盘、定盘、连接盘、耳座、长连杆、短连杆和卡爪，支撑气缸位于支撑机构轴向中心，用于给支撑机构提供支撑驱动力，支撑气缸活塞杆顶部设置所述的动盘，可以跟随活塞杆沿气缸轴向往复运动，支撑气缸缸体顶部设置所述的定盘，支撑气缸缸体底部设置所述的连接盘，用于连接支撑机构和其下部的旋转机构，定盘上设置三根上述的钢丝绳，用于下放整个装置到海底套管中的指定位置以及在切割完成后将整个装置提拉至海面以上，定盘和动盘上分别设置六个上述的耳座，每个耳座上设置一根上述的连杆，连杆靠近套管壁面的一端设置一个上述的卡爪，通过气缸活塞杆的伸出动作，将驱动力由动盘和连杆传递给卡爪，使得卡爪紧紧贴合在套管内壁上，上述连杆与耳座和卡爪之间用销轴连接，除此之外其他构件均用螺纹连接固定。
[0014]
进一步优选的，上述动盘和定盘上的耳座三个朝上布置，三个朝下布置，且沿动盘和定盘圆周方向等角度分布，动盘上端耳座设置短连杆，下端耳座设置长连杆，定盘上端耳座设置长连杆，下端耳座设置短连杆。这样做的好处是，利用一个气缸的伸出运动，可以实现上下两层支撑，使得支撑效果更稳定，并且可以避免机械运动时连杆与动盘和定盘之间发生干涉，扩大连杆的活动范围，进而扩大对整个装置的支撑范围，同时也加长了上下两层支撑之间的距离，进一步优化支撑效果。
[0015]
进一步优选的，上述钢丝绳于定盘圆周方向等角度分布，从动盘上对应位置的孔洞穿过动盘，这样做的好处是，钢丝绳上的提拉力通过定盘直接传递给气缸缸体，避开了与支撑气缸活塞杆连接的动盘，不影响支撑气缸活塞杆的工作。
[0016]
优选的，所述旋转机构包括一个减速步进电机，通过螺栓连接固定于上述支撑机构的连接盘上，其作用是驱动下部进给机构旋转，通过设定好的控制程序，控制减速步进电机的旋转速度，使得其旋转速度与切割机构的切割速度进行良好的匹配，确保一次作业至少能够将一层套管顺利切断。
[0017]
优选的，所述进给机构包括进给气缸、支撑架、滑杆、头部滑筒、尾部滑筒、二级滑筒、滑轮、卡套和弹簧，支撑架上设置所述的滑杆，二者通过螺纹连接，滑杆上设置所述的头
部滑筒和尾部滑筒，可沿滑杆轴向滑动，头部滑筒和尾部滑筒之间设置所述的进给气缸，通过螺纹连接固定，用于提供进给驱动力，进给气缸活塞杆上设置所述的弹簧，起到缓冲作用，头部滑筒上端设置所述的滑轮，可沿套管内壁圆周方向滚动，头部滑筒下端设置所述的卡套，用于卡紧等离子发生器，尾部滑筒上设置所述的二级滑筒和弹簧，可沿尾部滑筒滑动，二级滑筒上设置所述的滑轮，可沿套管内壁圆周方向滚动，当给进给气缸通气时，气缸驱动头部滑筒和尾部滑筒沿滑杆向套管壁面进给，同时带动头部滑筒上的卡套和滑轮，以及尾部滑筒上的二级滑筒和滑轮向套管壁面进给，滑轮与套管壁面接触后，进给气缸活塞杆和尾部滑筒上的弹簧被压缩，完成进给动作，切割作业准备就绪。
[0018]
进一步优选的，上述进给气缸活塞杆与头部滑筒之间，尾部滑筒与二级滑筒之间分别设置上述的弹簧，这样做的好处是，弹簧可以缓冲上述滑轮与套管内壁接触瞬间产生的碰撞力，改善进给机构的结构受力，同时滑轮也起到导向和辅助扶正的作用，使得切割作业更加平稳。
[0019]
优选的，所述切割机构包括一个水下专用等离子发生器、出口塞子和通气通电管路，等离子发生器能够产生能量高度集中的等离子弧，用于实现切割作业，安装于上述进给机构的卡套中，其在卡套中的位置可调，便于调整在切割作业时，等离子发生器最前端到套管内壁之间的固定距离，出口塞子安装于等离子发生器最前端的出气口处，其作用是防止在切割作业之前海水倒灌进入等离子发生器，当进行切割作业时，高压气体通过等离子发生器出气口喷出，出口塞子就被顶开，切割作业开始进行，通气通电管路从海面以上一直通到待切割位置，安装于等离子发生器尾部，用于给等离子发生器供气供电，使其产生等离子弧，此外，在通气管路内部与等离子发生器尾部连接的附近还设置有单向阀，用于防止海水倒灌。
[0020]
优选的，所述导向机构包括一个圆锥台形金属外壳和一个水下摄像头，圆锥台型金属外壳安装于上述进给机构的支撑架的底端，用于在装置下放时，给装置提供导向，使得装置能够顺利沿着套管轴向下放，水下摄像头安装于圆锥台型金属外壳的上端，用于观察水下切割作业的进程，判断等离子弧是否成功喷出，套管是否被成功割断。
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本发明的有益效果在于：
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1.本发明采用等离子弧进行井口套管切割，与传统的加工方法相比，等离子弧可以切割金属和非金属，且不会产生切削力，切割速度极快，可极大地缩短作业时间，同时，切割过程不会产生任何污染物质，因此用等离子弧切割井口套管既环保又高效。
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2.本发明的支撑机构采用双层六卡爪式支撑，能够稳定的约束整个装置在井下套管中的自由度，六个卡爪均由一个气缸驱动，与传统的上下双支撑双驱动的结构相比，简化省去了一个驱动件，使得整个装置更加紧凑轻巧，应用更加方便灵活。
[0024]
3.本发明的进给机构中安装有滑轮，可以避免等离子发生器与套管内壁直接接触，起到保护作用，此外，滑轮还起到辅助扶正的作用，使得切割作业平稳进行，进给机构中的弹簧，可以缓冲滑轮与套管内壁接触瞬间的碰撞，还可以改善进给机构的结构受力。
[0025]
4.本发明结构简单紧凑，稳定性好，可通过水下摄像头传输水下切割画面，监测切割工作的进程，便于对等离子发生器的电流、电压、进气量和进气压力等参数进行实时调整，与以往的井口切割装置相比，本装备制造成本低，装备适用范围大，一套装备在一定直径范围内可用于多种型号井口套管的切割作业，切割效率高，具有良好的经济效益和市场
价值，值得推广应用。
附图说明
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图1为本发明整体结构的立体图；
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图2为本发明中支撑机构结构示意图；
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图3为本发明中旋转机构、进给机构、切割机构和导向机构的结构示意图；
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其图中：1、支撑机构；2、旋转机构；3、进给机构；4、切割机构；5、导向机构；6、支撑气缸；7、钢丝绳；8、动盘；9、定盘；10、连接盘；11、耳座；12、长连杆；13、短连杆；14、卡爪；15、减速步进电机；16、进给气缸；17、支撑架；18、滑杆；19、头部滑筒；20、尾部滑筒；21、二级滑筒；22、滑轮；23、卡套；24、弹簧；25、等离子发生器；26、出口塞子；27、通气通电管路；28、圆锥台形金属外壳；29、水下摄像头。
具体实施方式
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图1是本发明提供的一种基于等离子弧切割的海洋废弃井口切割装置的整体结构立体图，包括支撑机构1、旋转机构2、进给机构3、切割机构4和导向机构5，旋转机构2固定安装在支撑机构1的下端，进给机构3安装在旋转机构2的下端，切割机构4、导向机构5安装在进给机构3上；
[0031]
其中，所述支撑机构1用于给整个装置提供井下支撑，限制整个装置在套管内的自由度，保证其下部旋转机构2位于套管中心，确保切割作业平稳进行；
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所述旋转机构2用于驱动进给机构3和切割机构4旋转，以达到对井口套管环形切割的目的；
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所述进给机构3用于驱动切割机构4向管壁方向移动，以便调整切割机构4与套管内壁之间的距离；
[0034]
所述切割机构4用于产生高温等离子弧，用以实现切割作业；
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所述导向机构5用于给整个装置提供导向，保证装置能够沿着套管轴向顺利下放，同时也保护了切割机构4和进给机构3，使其避免与套管内壁发生直接碰撞。
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图2是本发明中支撑机构的结构示意图，支撑机构1包括支撑气缸6、钢丝绳7、动盘8、定盘9、连接盘10、耳座11、长连杆12、短连杆13和卡爪14，卡爪14通过销轴与长连杆12和短连杆13连接，连杆的另一端通过销轴与耳座11连接，耳座11通过螺纹固定于动盘8和定盘9上，动盘8通过螺纹固定于支撑气缸6的活塞杆顶端，定盘9通过螺纹固定于支撑气缸6的缸体顶端，通过支撑气缸6的活塞杆的伸出动作驱动动盘8带动长连杆12、短连杆13和卡爪14运动，使得卡爪14可以紧紧的贴合在套管壁面上，整个装置的自由度得到限制，完成支撑动作，当切割工作完成后，支撑气缸6的活塞杆收回，卡爪14便能够离开套管壁面，支撑任务结束，钢丝绳7固定在定盘9上，并通过动盘8上对应位置的孔洞穿过动盘8，其作用是为整个装置提供提拉力，用于下放整个装置到海底套管中的指定位置以及在切割完成后将整个装置提拉至海面以上，连接盘10通过螺纹固定于支撑气缸6的缸体底部，便于与下端的旋转机构2进行连接。
[0037]
图3是本发明中旋转机构、进给机构、切割机构和导向机构的结构示意图，其中旋转机构2包括一个减速步进电机15，通过螺栓与支撑机构1的连接盘10固定，其作用是驱动
下方的进给机构3和切割机构4旋转，以实现对套管的环切。
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进给机构3包括进给气缸16、支撑架17、滑杆18、头部滑筒19、尾部滑筒20、二级滑筒21、滑轮22、卡套23和弹簧24，支撑架17通过螺纹和键连接与减速步进电机15的转轴固定，滑杆18通过螺纹固定于支撑架17上，头部滑筒19和尾部滑筒20插在滑杆18上，可沿滑杆18轴向滑动，进给气缸16通过螺纹连接安装在头部滑筒19和尾部滑筒20之间，用于驱动滑筒滑动，卡套23固定在头部滑筒19上，二级滑筒21插在尾部滑筒20上，可沿尾部滑筒20轴向滑动，两个滑轮22分别安装在头部滑筒19和二级滑筒21的最前端，直接与套管内壁接触，可以起到防撞、导向以及辅助支撑的作用，头部滑筒19和进给气缸16的活塞杆之间，二级滑筒21和尾部滑筒22之间安装上述的弹簧24，可以起到缓冲和改善结构受力的作用，当进给气缸16做伸出运动时，驱动头部滑筒19和尾部滑筒20向套管壁面方向运动，进而带动二级滑筒21、滑轮22、卡套23和弹簧24也向套管壁面方向进给，当滑轮22与套管壁面接触后，进给气缸16活塞杆和尾部滑筒20上的弹簧24被压缩，完成进给动作，切割作业准备就绪。
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切割机构4包括一个专用的水下等离子发生器25、出口塞子26和通气通电管路27，等离子发生器25卡紧在进给机构3的卡套23上，其出口与套管内壁的距离可通过其安装在卡套23上位置进行调整，其作用是用以产生高温等离子弧，喷向套管内壁，实现对井口套管的切割，出口塞子26插在等离子发生器25的出气口处，在没有进行切割之前，起到防止海水倒灌进等离子发生器25内部的作用，在切割工作开始时，出口塞子26被压缩空气顶开，等离子弧从等离子发生器25的喷嘴喷出，切割作业正常进行，通气通电管路27从海面以上一直连接到等离子发生器25的尾部，其作用是为等离子发生器25供气供电，通气通电管路27与等离子发生器25尾部的连接处还设置有单向阀，用于防止海水倒灌进通气通电管路27内部。
[0040]
导向机构5包括一个圆锥台形金属外壳28和一个水下摄像头29，圆锥台形金属外壳28固定于进给机构3的支撑架17上，主要用于给整个装置提供下放导向，同时也为其上端的进给机构3和切割机构4提供了保护，防止在装置下放时，进给机构3和切割机构4与套管内壁发生碰撞，水下摄像头29安装在圆锥台形金属外壳28的上端，用于监测观察水下切割工作的进程，判断工作是否正常，以便于对等离子工作电流、电压和气压做出实时调整。
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本实施例基于等离子弧切割的海洋废弃井口切割装置，可通过能量高度集中的等离子弧实现对井口套管的切割作业，装置结构简单，应用灵活，切割速度快且无污染，可大大缩短作业时间，节省作业成本。