永久式封隔器磨鞋刀具結(jié)構(gòu)優(yōu)化及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

陳金莉，向俊科，王德坤

1中國(guó)石化中原油田分公司石油工程技術(shù)研究院 2中國(guó)石油川慶鉆探工程有限公司井下作業(yè)公司固井公司

0 引言

普光氣田根據(jù)井身結(jié)構(gòu)、產(chǎn)出流體性質(zhì)和生產(chǎn)需要，設(shè)計(jì)使用了6種不同功能的酸壓—生產(chǎn)一體化采氣完井管柱[1]，完井采氣管柱出于井筒腐蝕防護(hù)考慮，采用國(guó)外引進(jìn)的抗硫材質(zhì)永久式封隔器隔采技術(shù),保護(hù)套管，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期開(kāi)采[2-5]。永久式封隔器無(wú)解封機(jī)構(gòu)，目前只能對(duì)永久式封隔器進(jìn)行磨銑，使封隔器失效解封[4]。永久式封隔器材質(zhì)主要為718鎳基合金[6]，具有承壓能力高、抗H2S和CO2腐蝕、材質(zhì)韌性大的特點(diǎn)，在985 ℃以下時(shí)的抗氧化能力很強(qiáng)，在702 ℃以下則具有較高的抗應(yīng)力斷裂及抗蠕變的性能，對(duì)加工條件的要求更高[7-9]。永久式封隔器結(jié)構(gòu)主要由上下接頭、中心管、液壓活塞、錨定卡瓦、鎖緊機(jī)構(gòu)、密封膠筒及密封件等組成，并配有插入密封總成和磨銑延伸筒，它屬于雙向卡瓦橋塞式結(jié)構(gòu)[10]。由于受井筒內(nèi)徑尺寸限制，直接套銑封隔器上接頭對(duì)套銑筒性能要求高，目前采用先磨銑封隔器上接頭，再套銑上下卡瓦的方式使永久式封隔器解封。

2017年以前，磨銑打撈永久式封隔器主要靠國(guó)外公司技術(shù)服務(wù)，價(jià)格高，且供貨周期長(zhǎng)。2017年在D405-3井開(kāi)展針對(duì)718材質(zhì)的永久式封隔器的磨銑打撈試驗(yàn)，磨銑鉆壓為15～20 kN時(shí)，轉(zhuǎn)速60～70 r/min，累計(jì)磨銑24 h，累計(jì)進(jìn)尺0.73 m后永久式封隔器解封[4]，磨鞋的最大磨銑效率為0.043 m/h。

為了提高永久式封隔器的磨銑效率，在優(yōu)選了磨銑工具合金及焊接工藝的基礎(chǔ)上，優(yōu)化磨銑工具結(jié)構(gòu)。通過(guò)建立刀具模型，模擬計(jì)算得出磨銑工具刀具結(jié)構(gòu)與切削時(shí)受力況狀的變化規(guī)律，優(yōu)選刀具結(jié)構(gòu)，加工制造專(zhuān)用磨銑工具，開(kāi)展室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，優(yōu)選高效磨銑工具在普光氣井中應(yīng)用，為套銑打撈永久式封隔器奠定基礎(chǔ)。

1 磨銑工具結(jié)構(gòu)優(yōu)化

磨銑工具使用刀具的工作過(guò)程與車(chē)床用刀具的車(chē)削過(guò)程類(lèi)似，結(jié)合車(chē)床車(chē)削刀具的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)及研究方法，對(duì)磨銑工具使用刀具的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。將常見(jiàn)刀具的三維立體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為二維模型，發(fā)現(xiàn)其結(jié)構(gòu)與車(chē)刀結(jié)構(gòu)類(lèi)似，也有前角、后角。為了找出刀具角度與切削受力的變化規(guī)律，且方便刀具加工，設(shè)計(jì)了前角相差為5°的五種具有不同切削角度的刀具模型，其中刀具后角大小對(duì)切削力影響不大，統(tǒng)一設(shè)定為10°，1#～5#刀具的前角分別設(shè)定為-5°、0°、5°、10°和15°。

使用ABAQUS軟件建立金屬正交切削加工熱力耦合有限元模型并劃分網(wǎng)格，對(duì)五種刀具結(jié)構(gòu)在切削時(shí)的受力狀況進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，獲得了五種刀具在切削過(guò)程中的切削力變化曲線(xiàn)及所受的Mises應(yīng)力值。1#～5#刀具模型如圖1所示。

圖1 刀具模型

切削力被分解為X軸和Y軸兩個(gè)方向力的曲線(xiàn)，Y向力很小且很穩(wěn)定，X向力變化較大。將1#～5#刀具的X向受力進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，5#刀具的X向力受力在1 200 N左右，具體范圍在1 100～1 400 N之間；4#刀具的X向力受力在1 600 N左右，具體范圍在1 300～1 700 N之間；3#刀具的X向力受力在 2 000 N左右，具體范圍在1 750～2 250 N之間；2#刀具X向的受力在2 300 N左右，具體范圍在2 000～2 750 N之間；1#刀具的X向力受力在2 750 N左右，具體范圍在2 250～3 250 N之間。可以發(fā)現(xiàn)，隨著刀具前角的增加，刀身變薄，刀鋒越鋒利，所受切削力越小。將1#～5#刀具在切削過(guò)程中所受的Mises應(yīng)力值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示，1#～5#刀具的切削Mises應(yīng)力最大值為1 982 MPa，最小為1 136 MPa。

從表1可知，1#刀具所承受應(yīng)力最小，使用最安全，但1#刀具所受切削阻力大于2#～5#刀具，因此其切削效率極低。5#刀具所承受的應(yīng)力最大，最容易出現(xiàn)崩齒的現(xiàn)象，但其所受切削力小，效率最高。

表1 刀具幾何參數(shù)對(duì)其切削應(yīng)力的影響

通過(guò)刀具的切削受力結(jié)果分析，前角的作用是減小剝離材料的阻力，隨著前角的增加，切削應(yīng)力越來(lái)越大，刀具前角的設(shè)計(jì)應(yīng)盡量增大，但是過(guò)大的前角會(huì)造成刀具強(qiáng)度降低，出現(xiàn)“崩刃”的現(xiàn)，即刀具所受切削應(yīng)力超過(guò)刀具本身的抗彎強(qiáng)度，造成刀體斷裂。因此，根據(jù)Inconel 718材料較難磨銑的特性，選擇切削應(yīng)力較大、阻力較小，且不易崩刃的2#～4#刀具結(jié)構(gòu)開(kāi)展磨銑工具的制造。

2 室內(nèi)磨銑試驗(yàn)

為了驗(yàn)證數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，選用刀具前角為0°、5°和10°的三種刀具，加工成整體結(jié)構(gòu)相同的114 mm直徑的磨鞋。在XJS-500型修井工具試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行室內(nèi)對(duì)比試驗(yàn)，對(duì)其磨銑性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。2#磨鞋為前角0°刀具磨鞋，3#磨鞋為前角5°刀具磨鞋，4#磨鞋為前角10°刀具磨鞋。

磨銑對(duì)象為?73 mm G3油管，試驗(yàn)所用循環(huán)介質(zhì)為清水(密度1.0 g/cm3)，排量為25～30 m3/h，轉(zhuǎn)速為40 r/min。試驗(yàn)設(shè)計(jì)鉆壓分別為5～20 kN,磨銑時(shí)間為1 h，進(jìn)行磨銑效率對(duì)比。

磨銑結(jié)果為2#磨鞋1 h進(jìn)尺0.04 m，主要為磨銑，無(wú)切削作用，碎屑為小碎片，磨銑工具輕微損傷。3#磨鞋1 h進(jìn)尺0.196 m，磨銑變切削，碎屑為中厚屑，磨銑工具輕微損傷。4#磨鞋1 h進(jìn)尺0.352 m，主要為切削，效率提高，碎屑為粗、厚、短，返出有一定困難，磨銑工具輕微損傷，部分刀翼合金損壞。

從室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果分析，3#磨鞋的磨銑效率是2#磨鞋磨銑效率的近5倍，4#磨鞋的磨銑效率比3#磨鞋的磨銑效率高出近1倍。前角大的磨鞋磨銑效率明顯增加，這與數(shù)值模擬結(jié)果一致。4#磨鞋磨銑速率最高，但碎屑為粗、厚、短，不利于返排，且易卡鉆，因此優(yōu)選磨銑速率較高，磨銑碎屑返出順利的3#磨鞋進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

3 普光某井磨銑封隔器試驗(yàn)

普光某井采用雙封完井管柱，718材質(zhì)的威德福THUS封隔器坐封在套管變形段以上，遇油膨脹封隔器(外徑129.5 mm)坐封在套變段以下(如圖2)。該井出水停產(chǎn)，連續(xù)油管在油管內(nèi)4 857 m遇阻，過(guò)油管堵水工藝無(wú)法實(shí)施，需動(dòng)管柱套磨銑打撈永久式封隔器管柱。

圖2 普光某井井身結(jié)構(gòu)示意圖

倒扣打撈出封隔器上部油管，下入?146 mm五翼磨鞋+安全接頭+沉淀杯+?121 mm鉆鋌4根進(jìn)行磨銑作業(yè)，探封隔器魚(yú)頂深度4 654.12 m。采用密度0.91 g/cm3的微囊壓井液正循環(huán)磨銑，泵壓4～5 MPa,排量0.5 m3/min，通過(guò)磨銑參數(shù)優(yōu)化，確定最佳鉆壓為15～20 kN，轉(zhuǎn)速55～60 r/min。累計(jì)磨5.5 h，累計(jì)進(jìn)尺0.857 m(見(jiàn)表2),最大磨銑速率為0.385 m/h，磨銑深度4 654.12～4 654.977 m，達(dá)到了磨銑永久式封隔器上接頭目的。

表2 某井磨銑封隔器上接頭數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

套銑永久式封隔器坐封機(jī)構(gòu)采用?149 mm套銑筒帶出封隔器襯筒，破壞上卡瓦及膠皮，沉淀杯帶出卡瓦塊，振動(dòng)篩返出膠皮。打撈永久式封隔器管柱采用反扣鉆桿+安全接頭+公錐打撈出永久式封隔器。

磨銑后沉淀杯收集部分碎塊及微囊壓井液循環(huán)帶出部分片狀碎屑。圖3顯示磨鞋底部磨銑面發(fā)現(xiàn)明顯磨損痕跡，尺寸與封隔器上密封接頭尺寸吻合，硬質(zhì)合金發(fā)現(xiàn)輕微磨損。

圖3 磨鞋使用前后對(duì)比圖

4 結(jié)論

(1)通過(guò)對(duì)刀具切削時(shí)的受力狀況進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，得出刀具前角與刀具受力的變化規(guī)律。隨著刀具前角的增加，切削應(yīng)力越來(lái)越大，刀具前角的設(shè)計(jì)應(yīng)盡量增大，但是過(guò)大的前角會(huì)造成刀具強(qiáng)度降低，出現(xiàn)“崩刃”的現(xiàn)象，即刀具所受切削應(yīng)力超過(guò)刀具本身的抗彎強(qiáng)度，造成刀體斷裂。

(2)通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)評(píng)價(jià)，刀具前角越大，磨銑工具的磨銑速度越大，并成倍數(shù)增加，但磨銑碎屑粗、厚、短不利于返排。因此優(yōu)選磨銑速率較高、磨銑碎屑返出順利的刀具前角為5°的磨鞋進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

(3)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的磨鞋，成功磨銑了Inconel 718材質(zhì)的永久式封隔器上接頭，鉆壓為15～20 kN，轉(zhuǎn)速55～60 r/min時(shí)，磨銑5.5 h，累計(jì)進(jìn)尺0.857 m，磨銑效率從0.043 m/h提高至0.385 m/h，為套銑封隔器奠定了基礎(chǔ)。