永久式封隔器磨鞋刀具结构优化及现场试验

陈金莉，向俊科，王德坤

1中国石化中原油田分公司石油工程技术研究院 2中国石油川庆钻探工程有限公司井下作业公司固井公司

0 引言

普光气田根据井身结构、产出流体性质和生产需要，设计使用了6种不同功能的酸压—生产一体化采气完井管柱[1]，完井采气管柱出于井筒腐蚀防护考虑，采用国外引进的抗硫材质永久式封隔器隔采技术,保护套管，实现长期开采[2-5]。永久式封隔器无解封机构，目前只能对永久式封隔器进行磨铣，使封隔器失效解封[4]。永久式封隔器材质主要为718镍基合金[6]，具有承压能力高、抗H2S和CO2腐蚀、材质韧性大的特点，在985 ℃以下时的抗氧化能力很强，在702 ℃以下则具有较高的抗应力断裂及抗蠕变的性能，对加工条件的要求更高[7-9]。永久式封隔器结构主要由上下接头、中心管、液压活塞、锚定卡瓦、锁紧机构、密封胶筒及密封件等组成，并配有插入密封总成和磨铣延伸筒，它属于双向卡瓦桥塞式结构[10]。由于受井筒内径尺寸限制，直接套铣封隔器上接头对套铣筒性能要求高，目前采用先磨铣封隔器上接头，再套铣上下卡瓦的方式使永久式封隔器解封。

2017年以前，磨铣打捞永久式封隔器主要靠国外公司技术服务，价格高，且供货周期长。2017年在D405-3井开展针对718材质的永久式封隔器的磨铣打捞试验，磨铣钻压为15～20 kN时，转速60～70 r/min，累计磨铣24 h，累计进尺0.73 m后永久式封隔器解封[4]，磨鞋的最大磨铣效率为0.043 m/h。

为了提高永久式封隔器的磨铣效率，在优选了磨铣工具合金及焊接工艺的基础上，优化磨铣工具结构。通过建立刀具模型，模拟计算得出磨铣工具刀具结构与切削时受力况状的变化规律，优选刀具结构，加工制造专用磨铣工具，开展室内实验，优选高效磨铣工具在普光气井中应用，为套铣打捞永久式封隔器奠定基础。

1 磨铣工具结构优化

磨铣工具使用刀具的工作过程与车床用刀具的车削过程类似，结合车床车削刀具的设计经验及研究方法，对磨铣工具使用刀具的结构进行了研究。将常见刀具的三维立体结构简化为二维模型，发现其结构与车刀结构类似，也有前角、后角。为了找出刀具角度与切削受力的变化规律，且方便刀具加工，设计了前角相差为5°的五种具有不同切削角度的刀具模型，其中刀具后角大小对切削力影响不大，统一设定为10°，1#～5#刀具的前角分别设定为-5°、0°、5°、10°和15°。

使用ABAQUS软件建立金属正交切削加工热力耦合有限元模型并划分网格，对五种刀具结构在切削时的受力状况进行数值模拟计算，获得了五种刀具在切削过程中的切削力变化曲线及所受的Mises应力值。1#～5#刀具模型如图1所示。

图1 刀具模型

切削力被分解为X轴和Y轴两个方向力的曲线，Y向力很小且很稳定，X向力变化较大。将1#～5#刀具的X向受力进行统计，统计结果显示，5#刀具的X向力受力在1 200 N左右，具体范围在1 100～1 400 N之间；4#刀具的X向力受力在1 600 N左右，具体范围在1 300～1 700 N之间；3#刀具的X向力受力在 2 000 N左右，具体范围在1 750～2 250 N之间；2#刀具X向的受力在2 300 N左右，具体范围在2 000～2 750 N之间；1#刀具的X向力受力在2 750 N左右，具体范围在2 250～3 250 N之间。可以发现，随着刀具前角的增加，刀身变薄，刀锋越锋利，所受切削力越小。将1#～5#刀具在切削过程中所受的Mises应力值进行统计，统计结果如表1所示，1#～5#刀具的切削Mises应力最大值为1 982 MPa，最小为1 136 MPa。

从表1可知，1#刀具所承受应力最小，使用最安全，但1#刀具所受切削阻力大于2#～5#刀具，因此其切削效率极低。5#刀具所承受的应力最大，最容易出现崩齿的现象，但其所受切削力小，效率最高。

表1 刀具几何参数对其切削应力的影响

通过刀具的切削受力结果分析，前角的作用是减小剥离材料的阻力，随着前角的增加，切削应力越来越大，刀具前角的设计应尽量增大，但是过大的前角会造成刀具强度降低，出现“崩刃”的现，即刀具所受切削应力超过刀具本身的抗弯强度，造成刀体断裂。因此，根据Inconel 718材料较难磨铣的特性，选择切削应力较大、阻力较小，且不易崩刃的2#～4#刀具结构开展磨铣工具的制造。

2 室内磨铣试验

为了验证数值模拟计算结果的准确性，选用刀具前角为0°、5°和10°的三种刀具，加工成整体结构相同的114 mm直径的磨鞋。在XJS-500型修井工具试验台上进行室内对比试验，对其磨铣性能进行评价。2#磨鞋为前角0°刀具磨鞋，3#磨鞋为前角5°刀具磨鞋，4#磨鞋为前角10°刀具磨鞋。

磨铣对象为Ø73 mm G3油管，试验所用循环介质为清水(密度1.0 g/cm3)，排量为25～30 m3/h，转速为40 r/min。试验设计钻压分别为5～20 kN,磨铣时间为1 h，进行磨铣效率对比。

磨铣结果为2#磨鞋1 h进尺0.04 m，主要为磨铣，无切削作用，碎屑为小碎片，磨铣工具轻微损伤。3#磨鞋1 h进尺0.196 m，磨铣变切削，碎屑为中厚屑，磨铣工具轻微损伤。4#磨鞋1 h进尺0.352 m，主要为切削，效率提高，碎屑为粗、厚、短，返出有一定困难，磨铣工具轻微损伤，部分刀翼合金损坏。

从室内试验结果分析，3#磨鞋的磨铣效率是2#磨鞋磨铣效率的近5倍，4#磨鞋的磨铣效率比3#磨鞋的磨铣效率高出近1倍。前角大的磨鞋磨铣效率明显增加，这与数值模拟结果一致。4#磨鞋磨铣速率最高，但碎屑为粗、厚、短，不利于返排，且易卡钻，因此优选磨铣速率较高，磨铣碎屑返出顺利的3#磨鞋进行现场试验。

3 普光某井磨铣封隔器试验

普光某井采用双封完井管柱，718材质的威德福THUS封隔器坐封在套管变形段以上，遇油膨胀封隔器(外径129.5 mm)坐封在套变段以下(如图2)。该井出水停产，连续油管在油管内4 857 m遇阻，过油管堵水工艺无法实施，需动管柱套磨铣打捞永久式封隔器管柱。

图2 普光某井井身结构示意图

倒扣打捞出封隔器上部油管，下入Ø146 mm五翼磨鞋+安全接头+沉淀杯+Ø121 mm钻铤4根进行磨铣作业，探封隔器鱼顶深度4 654.12 m。采用密度0.91 g/cm3的微囊压井液正循环磨铣，泵压4～5 MPa,排量0.5 m3/min，通过磨铣参数优化，确定最佳钻压为15～20 kN，转速55～60 r/min。累计磨5.5 h，累计进尺0.857 m(见表2),最大磨铣速率为0.385 m/h，磨铣深度4 654.12～4 654.977 m，达到了磨铣永久式封隔器上接头目的。

表2 某井磨铣封隔器上接头数据统计表

套铣永久式封隔器坐封机构采用Ø149 mm套铣筒带出封隔器衬筒，破坏上卡瓦及胶皮，沉淀杯带出卡瓦块，振动筛返出胶皮。打捞永久式封隔器管柱采用反扣钻杆+安全接头+公锥打捞出永久式封隔器。

磨铣后沉淀杯收集部分碎块及微囊压井液循环带出部分片状碎屑。图3显示磨鞋底部磨铣面发现明显磨损痕迹，尺寸与封隔器上密封接头尺寸吻合，硬质合金发现轻微磨损。

图3 磨鞋使用前后对比图

4 结论

(1)通过对刀具切削时的受力状况进行数值模拟计算，得出刀具前角与刀具受力的变化规律。随着刀具前角的增加，切削应力越来越大，刀具前角的设计应尽量增大，但是过大的前角会造成刀具强度降低，出现“崩刃”的现象，即刀具所受切削应力超过刀具本身的抗弯强度，造成刀体断裂。

(2)通过室内试验评价，刀具前角越大，磨铣工具的磨铣速度越大，并成倍数增加，但磨铣碎屑粗、厚、短不利于返排。因此优选磨铣速率较高、磨铣碎屑返出顺利的刀具前角为5°的磨鞋进行现场试验。

(3)结构优化后的磨鞋，成功磨铣了Inconel 718材质的永久式封隔器上接头，钻压为15～20 kN，转速55～60 r/min时，磨铣5.5 h，累计进尺0.857 m，磨铣效率从0.043 m/h提高至0.385 m/h，为套铣封隔器奠定了基础。