熱塑性聚合物割縫篩管銑削技術(shù)研究*

陳 靜，高福萬，楊賀來

(天津中杰科技發(fā)展有限公司，天津 300011)

熱塑性聚合物割縫篩管銑削技術(shù)研究*

陳 靜，高福萬，楊賀來

(天津中杰科技發(fā)展有限公司，天津 300011)

為改變煤層氣井鋼質(zhì)割縫篩管完井成本高的現(xiàn)狀,研制出了割縫篩管數(shù)控多刀銑床，分析了影響熱塑性篩管加工質(zhì)量的因素，研究了PE和PVC等熱塑性材料銑削加工的工藝參數(shù)，加工出了煤層氣井需要的熱塑性割縫篩管產(chǎn)品。

熱塑性；割縫篩管；多刀加工；銑削

割縫篩管是油、氣和水井完井工程中采收防砂用的工具，以往多用鋼質(zhì)割縫篩管。

近年來，為了改變煤層氣井鋼質(zhì)割縫篩管完井成本高的現(xiàn)狀，探索研制較低強(qiáng)度的非金屬完井管材，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)煤層氣井的低成本完井[1]。出于對煤層氣開采之后采煤作業(yè)的安全考慮，應(yīng)禁止金屬材質(zhì)的篩管下入煤層，而采用非金屬篩管[2]。水井在使用一段時間后，由于井管腐蝕，常常出現(xiàn)破損和涌沙等現(xiàn)象，不僅影響水井的正常使用，造成直接的經(jīng)濟(jì)損失，而且還導(dǎo)致許多潛在的危害，如地面沉降、地下水串層污染和地層坍塌等，因此也應(yīng)采用非金屬篩管[3]。

PE和PVC等熱塑性材料制作的篩管，具有比強(qiáng)度高、耐腐蝕性好、成本低、質(zhì)量小和便于施工等優(yōu)點(diǎn)[4]，可以被選用在煤層氣井、水井或油井中。

1 熱塑性篩管的材料特性

熱塑性管材以合成的或天然的高分子化合物為基本成分，加以填料、增塑劑、穩(wěn)定劑及其他添加劑等配料，流動成型或聚合定形。

這種聚合物[5]的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：分子量大，且具有分散性，高分子鏈的幾何形狀復(fù)雜；其密度只有鋼鐵的1/8～1/4；剛度比結(jié)構(gòu)金屬小1～2個數(shù)量級；在受力狀態(tài)下工作，蠕變現(xiàn)象嚴(yán)重；耐熱性遠(yuǎn)不如金屬，熱膨脹系數(shù)比金屬高3～10倍，隨著溫度的升高，聚集狀態(tài)發(fā)生明顯變化。

2 熱塑性篩管的加工方法

熱塑性篩管與鋼質(zhì)篩管的結(jié)構(gòu)狀態(tài)和材料特性有很大不同，加工方法必然有所不同。在我國，鋼質(zhì)篩管加工主要有陶瓷磨輪割縫和激光割縫2種方法。1992年5月，金屬CBN陶瓷磨輪割縫技術(shù)研究成功，高速磨削而成的割縫篩管產(chǎn)品便逐漸開始在國內(nèi)外石油完井工程中應(yīng)用。磨輪割縫時，高速磨削所做的功幾乎全部轉(zhuǎn)化為熱能，大約60%～95%的熱量被傳入篩管，對于剛度大且對熱敏感性較差的金屬篩管而言，高速磨削的方法可行。但對于熱敏感性強(qiáng)、溫度效應(yīng)明顯、材料應(yīng)變率高、內(nèi)部分子量分布分散以及鏈段結(jié)構(gòu)各異的熱塑性篩管，磨削割縫很難保證縫寬和管體的尺寸精度。

1999年3月，第1臺激光加工割縫篩管機(jī)床在大港油田井下作業(yè)公司投入使用，激光割縫篩管便逐漸開始在國內(nèi)外石油完井工程中應(yīng)用。激光割縫因加工效率高、加工精度高以及能高速加工錐度≥6°的梯形縫，而逐步替代了陶瓷磨輪割縫。激光屬于熱加工，其原理是用激光加熱，使材料瞬間熔融、蒸發(fā)而被去除，當(dāng)激光束和鋼管相對運(yùn)動時，在管體上割出縫來。激光切割熱塑性管材，需要利用激光的光能強(qiáng)度破壞聚合物的聚合鏈，低熔點(diǎn)的熱塑性管材在加工過程中會燃燒，產(chǎn)生對人和光學(xué)鏡片都有害的氣體，對環(huán)境造成污染。

相比較而言，數(shù)控多刀銑削是便捷、高效的綠色加工方法。

3 篩管數(shù)控多刀銑床[6]

篩管數(shù)控多刀銑床是我國自行研制的大型專用機(jī)床，可實(shí)現(xiàn)多刀加工，割縫效率高。采用高速鋼銑刀，割縫表面光滑、平整，表面粗糙度值低。刀具磨損后可重磨使用，加工成本低。石油篩管數(shù)控多刀銑床是大型專用機(jī)床，長15.651 m，寬1.511 m，高2.146 m，質(zhì)量>20 t，如圖1所示。其主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：1)80把銑刀一字排開，能同時對12 m長的整根管材沿同一條母線進(jìn)行割縫；2)各個銑刀軸的中心距沿管材軸線方向可調(diào)整，以滿足不同縫間距的篩管加工；3)銑刀轉(zhuǎn)速可根據(jù)工藝要求無級調(diào)整。

圖1 石油篩管數(shù)控多刀銑床結(jié)構(gòu)示意圖

4 影響熱塑性篩管加工質(zhì)量的因素

經(jīng)過對不同直徑、不同壁厚的PE和PVC等熱塑性材料制作的篩管進(jìn)行割縫試驗(yàn)，得出銑削速度和進(jìn)給量匹配、銑刀齒數(shù)及冷卻液選擇是影響篩管加工質(zhì)量的主要因素。

4.1 銑削速度和進(jìn)給量

采用鋸片高速鋼銑刀進(jìn)行割縫加工時，割縫寬度取決于刀片厚度。加工過程中，加工質(zhì)量取決于銑削速度和進(jìn)給量的匹配。常見的加工缺陷包括切割表面粗糙和拉毛，嚴(yán)重時造成管材撕脫和破裂。出現(xiàn)此類缺陷的主要原因是銑削速度和進(jìn)給量的匹配不合理。往往是銑削速度過低，進(jìn)給量過大，銑刀每齒進(jìn)給量過大，切削抗力過大，造成熱塑性篩管切割表面材料的破損。

改進(jìn)方案為增大刀具轉(zhuǎn)速，減小進(jìn)給量。

4.2 銑刀齒數(shù)

采用標(biāo)準(zhǔn)鋸片銑刀割縫時，常見的加工缺陷為切屑很容易堵塞在齒槽中間，造成切削力增大，切削熱增加，以致切割表面粗糙。

改進(jìn)方案為盡量選用疏齒鋸片銑刀。銑刀齒數(shù)減少了，銑刀的切削性能就會得到改善，使排屑順暢，切削阻力減小。

4.3 冷卻液

采用鋸片高速鋼銑刀進(jìn)行割縫加工時，若不用冷卻液，銑刀與熱塑性材料之間存在干摩擦，切削熱量高，很難保證切縫寬度精度，常常出現(xiàn)加工后的縫變形，嚴(yán)重時出現(xiàn)縫隙閉攏，管體彎曲變形。PE為結(jié)晶型聚合物，PVC為支鏈很少的線型聚合物，PE的硬度和剛度都比PVC小，PE與PVC相比受熱發(fā)生變形更顯著。

改進(jìn)方案為選擇合適的切削液，使之在割縫過程中起到降溫、減摩、清洗、防銹，減少銑刀與切屑的粘結(jié)，去除切屑的作用。

優(yōu)選冷卻性能好的水溶液作為切削液。因?yàn)樵诟鞣N切削液中，水溶液的冷卻性能最好，油類最差，乳化液介于兩者之間。水溶液的主要成分為水，可以添加0.23%的亞硝酸鈉,以防止切削液對機(jī)床的銹蝕。

4.4 工件夾持方法

熱塑性材料密度和硬度比鋼小很多，夾持過程中變形量大，不易夾持穩(wěn)固。當(dāng)夾持力過大時，會造成熱塑性材料的破裂；夾持力小時，管材又容易滑脫。

改進(jìn)方案為在熱塑性管材外部增加鋼質(zhì)彈性套圈，內(nèi)部增加鋼質(zhì)心軸，使夾持力足夠大時，既不破壞熱塑性管材的外表面質(zhì)量，又不會引起管材的變形。

5 結(jié)語

1)采用篩管數(shù)控多刀銑床，可以高效率解決PE和PVC等熱塑性篩管割縫加工問題。

2)合理選擇銑削速度、進(jìn)給量、銑刀齒數(shù)、冷卻液和工件夾持方法，是保證PE和PVC等熱塑性篩管割縫加工質(zhì)量的有效措施。

[1] 黃中偉，李根生，閆相禎，等.煤層氣井鋼質(zhì)篩管與非金屬篩管強(qiáng)度對比實(shí)驗(yàn)[J].石油勘探與開發(fā)，2012,39(4)：489-493.

[2] 時文，申瑞臣，屈平，等.煤層氣井完井用PE篩管的地質(zhì)適應(yīng)性[J].鉆井工程，2013，33(4)：85-90.

[3] 肖西衛(wèi)，汪曉峰，劉冬生,等.U-PVC貼礫濾水管井中二次成井技術(shù)[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2003,30(2):77-79.

[4] 周偉祥.塑料測試技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1997.

[5] C.霍爾.聚合物材料[M]. 王佩云，曾家華,譯.北京：輕工業(yè)出版社，1985.

[6] 陳靜，楊銳.數(shù)控割縫篩管多刀銑床：中國，20021222.3[P]. 2011-09-07.

責(zé)任編輯馬彤

ResearchonSlottedLinersMillingTechnologyinThermoplasticPolymer

CHEN Jing，GAO Fuwan，YANG Helai

(Tianjin Zhongjie Technology Development Co.，Ltd.，Tianjin 300011，China)

To change the present situation of coalbed gas well steel slotted screen pipe completion in high cost, the paper developed the slotted sieve tube NC multi cutter milling machine, analyzed the influence factors of thermoplastic liner processing quality, found out the plastic milling process parameters of material PE and PVC, and processed the thermoplastic soltted liners to coalbed gas well.

thermoplastic，slotted liners，multi-cutter，milling

TG 543

：A

陳靜(1987-)，女，助理工程師，主要從事光機(jī)電一體化等方面的研究。

2014-10-15