《Journal of Marine Science and Engineering》：Experimental Study on Cutting Offshore Multi-Layer Casing–Cement Composite Structures Using a Premixed Ultra-High-Pressure Abrasive Waterjet
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泥线下废弃海上井筒的切割要求在套管偏心（casing eccentricity）和射流传播距离变化的条件下，实现多层套管–水泥复合结构的完全分离。本研究采用旋转式预混合超高压磨料水射流（premixed ultra-high-pressure abrasive
泥线下废弃海上井筒的切割要求在套管偏心（casing eccentricity）和射流传播距离变化的条件下，实现多层套管–水泥复合结构的完全分离。本研究采用旋转式预混合超高压磨料水射流（premixed ultra-high-pressure abrasive waterjet），对全尺寸四层套管–水泥试件开展了19次同心筛选试验、1次独立同心验证试验和1次偏心周向切断试验。在所测试条件下，提高压力–流量组合输入或延长旋转周期可增强切割能力，而磨料体积分数和粒径则呈现非单调效应。研究人员直接从已测试条件中选定候选组合：泵压210 MPa、磨料体积分数10.6%、石榴石磨料标称中位粒径（d50）0.18 mm、旋转周期6 h/rev。两次同心试验均达到V2等级，即穿透全部四层套管并在距喷嘴出口575 mm处的内侧见证板上形成切缝。将该组合不经重新调参应用于一个具有指定偏心几何的试件后，在累计有效切割时间6 h内实现了完整360°切断以及上下两段的直接物理分离。从喷嘴出口到最外层套管外表面的最大距离为346 mm。本研究证明了在指定工具配置和偏心几何条件下对单个试件的切断可行性，为估算有效切割时间和资源需求提供了依据。
论文解读
一、研究背景与意义
海上油气作业中的永久封堵与弃置（P&A）需要实现井筒的长期隔离，并在退役计划要求时移除井口和套管结构。天气条件、水下可达性、船舶选择、井完整性以及多层固井套管串的状态共同影响作业成本和风险。现有切割方法包括磨料水射流切割、内部机械切割、液压锯切、金刚石线锯、等离子切割、激光切割、爆炸切割及混合方法等。然而，泥线下切割面临的核心挑战在于：水泥将各层套管黏结为复合结构，局部穿透并不必然意味着结构连接已沿整个圆周被切断，残余钢桥可能阻碍提升作业并需要额外切割。因此，该研究的最终评价终点是四层套管全部实现周向切断并可直接物理分离上下两段。以往研究多聚焦于局部侵蚀、切缝质量或单一材料切割，缺乏在全尺寸多层固井套管结构上建立局部穿透与完整周向切断之间实验联系的工作。该研究通过全尺寸四层钢–水泥结构试验，填补了这一空白。
二、研究内容与主要结论
该研究采用两阶段实验设计：先在同心配置下进行序贯单因素筛选试验，确定候选操作条件；再将该条件应用于单个偏心试件，验证完整360°周向切断的可行性。研究共完成21次试验，包括19次同心筛选、1次独立同心验证和1次偏心切断试验。主要结论如下：
在压力–流量系列中，随着泵压从120 MPa升至270 MPa（对应清水流量从21.6升至32.4 L/min），切割能力从V0逐步提升至V3。120、150、180 MPa下射流作用终止距离均值分别为103.2、147.3和240.2 mm；210 MPa达到V1，240 MPa达到V2，270 MPa达到V3但因射流超出防护边界而安全停机。压力与流量同步增加提高了泵侧液压输入，有利于更高射流速度和更大磨料颗粒冲击动量。
在磨料体积分数系列中，1.4%和4.9%条件下终止距离分别为19.0和121.5 mm，7.7%达到V1，10.6%达到V2，而13.3%和15.5%下降至266.3和147.5 mm，17.6%出现喷嘴堵塞。浓度响应呈非单调性，可能源于颗粒冲击频率、颗粒间相互作用以及液固动量分配的综合效应。
在粒径系列中，d50为0.048、0.075、0.10和0.25 mm时终止距离分别为116.0、214.3、229.2和181.2 mm，仅0.18 mm穿透Casing #4达到V1。粒径效应需综合考虑单颗粒冲击能力、颗粒数量与加速特性。
在旋转周期系列中，2和4 h/rev时终止距离为79.7和173.8 mm，6 h/rev达到V1，8 h/rev达到V2。延长旋转周期降低了切割头角速度，增加了单位弧长的射流暴露时间，促进更深切割。
候选条件（210 MPa、10.6%、d50=0.18 mm、6 h/rev）在原始筛选和独立验证试验中均达到V2。将该条件应用于偏心试件后，累计有效切割6 h实现完整360°切断和上下段直接物理分离。最外层套管局部切缝宽度12个测点均值为8.56 mm，标准差3.34 mm，范围2.4–13.8 mm。喷嘴出口直径在试验前后均为1.02 mm，未检测到磨损。全周切割估算泵侧液压能量约600.6 kWh，供水量约10.30 m3，磨料质量约2.39 t。
三、关键技术方法
该研究采用预混合超高压磨料水射流系统，磨料与水在高压磨料供给系统中上游混合，经高压管线输送至切割头，通过会聚段和喷嘴出口加速。关键方法包括：其一，全尺寸四层套管–水泥试件制备，套管层由内至外对应生产套管、技术套管、表层套管和导管，环空填充API G级油井水泥；其二，同心配置下序贯单因素筛选试验设计，每次仅变动一个参数，其余保持基线设置；其三，V0–V3切割能力分级体系，依据四层套管和防护钢板上的结构证据判定；其四，偏心试件360°切断可行性验证，通过直接物理分离确认切断终点；其五，基于几何模型和局部切缝宽度测量的材料去除体积与液压输入估算方法。
四、讨论与结论
讨论部分指出，该研究的筛选设计不支持参数交互作用评估或全局最优识别；仅候选条件有两次同心结果，其他参数水平未独立重复；偏心试验为单试件可行性验证，跨几何的重复性和适用性需进一步验证。资源估算中，磨料消耗约2.39 t仅表征有效切割阶段的供给需求，未区分系统初始和最终库存量、冲洗排放量及回收量。泵组和空压机电力消耗为给定参数条件下的工程估算。研究将切割介质产生的废弃物（钢屑、水泥碎屑、细颗粒）纳入环境管理考量。海上应用需验证长管线输送性能、水深处系统集成和工具回收试验，基于通用技术成熟度等级定义，该集成工具可自评为TRL 4。
结论方面，该研究在指定工具配置和偏心几何条件下证明了单个试件的切断可行性。候选操作条件在同心配置下两次达到V2，在偏心配置下实现完整360°切断和直接物理分离，建立了局部穿透与完整周向切断之间的实验联系，为估算有效切割时间和资源需求提供了依据。研究强调，跨技术比较应采用相同配置和分离要求，并将部署、检查、回收、废物处理和船舶时间纳入总作业时间和成本。
