塔里木油田高效套銑工具的研究與應用

魏軍會，黃 錕，徐明軍，易 俊，涂志雄

（1.塔里木油田油氣工程研究院，新疆庫爾勒841000；2.塔里木油田克拉油氣開發部，新疆庫爾勒841000）

1 概述

隨著油井開采技術的深入，生產管柱完井技術相應更加復雜，井下故障復雜多樣。常規的套銑工具在套銑作業時，遇到復雜的落物出現套銑周期長，套銑工具磨損嚴重、壽命短，甚至有時遇到套銑管柱被卡的事故導致處理進度停滯不前。關于近年來塔里木地區超深井封隔器的處理情況，針對套銑工具的研究，向著高效性能方向發展，從切削磨銑元件的材質到布局結構方面進行改進。隨著高效套、磨銑工具的研制與推廣，處理封隔器周期縮短至7～9d，對縮短工程周期、提高施工質量有重要意義。

2 高效套銑工具的研究

2.1 高效套銑工具類型的選擇

套銑磨鞋結構由接頭、本體、鑲焊材料、硬質合金塊、自銳槽等組成；套銑磨鞋以其底面上堆焊的硬質合金或耐磨材料在鉆壓的作用下吃入并磨碎落物，碎屑隨循環洗井液帶出地面，套銑磨鞋的結構設計和硬質合金塊本身決定了磨鞋的切削效果。

套銑工具研發國內起步較晚，套銑工具（圖1），從內部布齒、外部布齒、底部布齒和底部布齒形狀分為A-K共計11種特殊設計。針對不同的套銑對象和可能的情況，研究設計套銑鞋的類型，全面滿足各種工況的套銑需求，仍是未來需要不斷完善的一個方向。

圖1 套銑工具類型

2.2 合金齒的優選

（1）國內目前均采用燒結WC-Co、WC-Ti—Co或兩者的混合，常見材料常見的硬質合金塊有YD硬質合金塊、YG硬質合金塊、FX硬質合金塊、A1203陶瓷塊、金剛石復合塊、立方氮化硼（PCBN）塊等，磨銑鞋在井下工作過程中，有可能對合金塊造成沖擊，還需要硬質合金有一定的硬度及韌性，從磨鞋性能上分類，常分為高效磨鞋和常規磨鞋，高效磨鞋的高性能是通過添加硬質合金獲得的，由于起關鍵作用的物質是硬質合金，但由于硬質合金在堆焊時容易被燒損，因此影響了堆焊層的性能。

（2）復合材料基材，磨銑工具合金基材早期為銅鋅鎳合金，因為銅鋅鎳合金對硬質合金有良好的潤濕性，能夠與硬質合金形成良好的冶金結合界面，銅鋅鎳合金在目前套磨銑工具應用比較廣泛，但是由于銅鋅鎳合金熔化溫度為900℃，較高的成型溫度容易在硬質合金內部形成硬脆相，使硬質合金抗壓強度降低，導致磨銑工具的使用壽命下降；通過研究試驗證實自制焊條碳化鎢和管皮重量比直接影響到抗沖擊磨損性能及碳化鎢的剝落。碳化鎢和管皮重量比恰當,堆焊層硬質相的陰影效應和基體、粘結相對硬質相支撐效應的相互作用是提高抗沖擊磨損的原因。

（3）貝克休斯新一代碳鎢合金齒，優質鈦衍生滲氮程序保證段銑工具刀翼在磨銑高等級鋼材(Q125等)能取得類似于普通鋼材(L80/N80)的機速和壽命。優選出進尺最多的兩種齒STANDARO和Test8，進行模擬效果對比，在磨銑相同進尺后可以看到新一代（Test 8）齒磨損遠小于標準齒。

金剛石復合片（見圖2）是采用金剛石微粉與硬質合金基片在超高壓高溫條件下燒結而成，既具有金剛石的高硬度、高耐磨性與導熱性，又具有硬質合金的強度與抗沖擊韌性，是制造切削刀具、鉆井鉆頭及其他耐磨工具的理想材料。

圖2 金剛石復合片

2.3 堆焊工藝的優化

（1）氧氣乙炔加熱工藝。套銑磨鞋常規加工方式主要采用氧—乙炔焰或氬弧焊作為熱源，但常規堆焊由于硬質合金在堆焊時容易被燒損，因此影響了堆焊層的性能，直接影響到磨鞋的性能；磨鞋在焊接的過程中，最關鍵步驟就是對磨鞋焊接部位的加熱與保溫，因為只有將磨鞋底端加熱到800℃左右，融化的鎳銅合金才能達到液化狀態，將硬質合金塊與磨鞋本體緊密地焊接在一起，只有溫度達到規定溫度，并且穩定在該溫度一定時間，才能保證焊接質量，合金塊在井底劇烈的擠壓和刮削下不脫落；設計了一種既能加熱又能保溫的裝置，取代磨鞋硬質合金常規焊接加熱裝置，較好地解決了磨鞋加工的溫度控制及保溫問題（見圖3）。

圖3 加熱保溫裝置與新舊裝置保溫曲線對比

（2）真空鑄造工藝。鎳基合金材料，由于CBN、PDC對加熱溫度非常敏感，高溫下會出現石墨化，所以加熱溫度需要控制在700℃左右，立方氮化硼加熱時易在空氣中氧化，因此無法使用常規的氧氣乙炔加熱或磁感應加熱，為了滿足立方氮化硼、聚晶金剛石等超高硬度增強相制備復合套磨銑工具的需求，選用了針對套磨銑工具的真空鑄造技術（見圖4）。

圖4 真空鑄造設備示意圖

3 現場應用效果

塔里木油田×××井套銑施工情況如下所述。

3.1 井下事故簡況

該井由于油管施工重點套銑打撈MFT封隔器及處理下部管串。MFT封隔器是偏心過光纜的特殊型號的封隔器，這種封隔器結構由于它要穿越光纜并且是偏心封隔器，材質35Crmo。作業深度5600m。

3.2 施工作業情況

第1次套銑選用YD合金的?152mm套銑鞋。

鉆具結構：?152mm～?129mm銑鞋+?152mm～?132mm套銑管+變扣(310×6″雙級T公)+雙公變扣311×331+?145mm撈杯×1只(330×331)+雙母變扣(330×210)+4-1/8″鉆鋌1根+變扣(211×310)+147mm穩定器(311×310)+3-1/2″DP。

套銑施工參數：重量3t，轉速60～80r/min,壓力7～10MPa，流量9L/s，密度1.03g/cm3，粘度45s，累計進尺12.70m，套銑目標是鎧甲光纜+封隔器，出口返出少量絲狀鐵屑。

第2次套銑選用?153mm金剛石孕鑲套銑鞋。

套銑管柱結構：?153mm～?126mm金剛石銑鞋+變扣+?153mm～?132mm套銑管+變扣(310×6″雙級T公)+雙公變扣311×331+?145mm撈杯×1只(330×331)+雙母變扣(330×210)+4-1/8″鉆鋌1根+變扣(211×310)+?147mm穩定器(311×310)+變扣(311×210)+4-1/8″鉆鋌11根+2-7/8″DP+變扣+3-1/2″DP。

套銑參數，重量2～4t，轉速60～80r/min，壓力7～10MPa,流量9L/s，密度1.03g/cm3，粘度45s，累計進尺2.77m，套銑完成，出口返出少量鐵屑及封隔器膠皮，套銑目標封隔器鋼體+卡瓦。

4 結論與建議

（1）首先要通過對合金齒的優選，結合合金堆焊鑲嵌工藝的研究，通過對比分析，完成高效套銑鞋的加工制造。

（2）套銑鞋類型及尺寸的選擇，依據套銑對象（如封隔器等）的辨識，依據磨銑對象的材質、尺寸、施工環境等設計套銑鞋的尺寸類型，使套銑鞋在工作時真正達到高效磨銑的目的。

（3）新型合金材料聚晶立方氮化硼復合片，復合加工工藝(孕鑲+銀基合金堆焊)工藝的應用，針對特殊套銑材質及環境需求，研究特種套銑工具。

（4）建議運用智能監控技術，如套銑鞋工作參數扭矩、溫度、壓力等智能檢測，進行使用前后的對比分析，結合地面檢測裝置的實驗，對套銑工具進行不斷的研究改進。