向俊科

(中石化中原油田分公司石油工程技術(shù)研究院)

普光氣田具有高壓、高含硫、井深等特點(diǎn)，2008年地震誘發(fā)J4-5鹽膏層蠕動(dòng)，造成了大部分井套管變形，給投產(chǎn)帶來(lái)了難題。截止2012年底，結(jié)合普光氣田井身結(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)[2-6]。針對(duì)嚴(yán)重套變井，永久式封隔器無(wú)法通過(guò)套變井段，采用永久式封隔器+遇油膨脹封隔器完井管柱。遇油膨脹封隔器通過(guò)套變段后，再膨脹錨定在套管上，起到封隔生產(chǎn)腐蝕防護(hù)的作用。該完井方式，套銑打撈一體化打撈技術(shù)無(wú)法應(yīng)用，只能對(duì)718材質(zhì)的永久式封隔器進(jìn)行磨銑，使封隔器失效解封。

目前常規(guī)磨銑碳鋼的磨鞋不適用于磨銑718鎳基合金，主要原因?yàn)椋孩冁嚮辖鹚苄院茫咏Y(jié)構(gòu)穩(wěn)定，因此需要很大的能量才能使原子脫離平衡位置，即磨銑時(shí)需要很大的切削力，所需的切削力為普通碳鋼的2～4倍；②加工硬化嚴(yán)重。隨著磨銑的進(jìn)行，加工硬化嚴(yán)重，在切削熱的作用下，表面硬度比基體高1倍；③切削溫度高，工具與工件摩擦強(qiáng)烈，溫度可達(dá)1 000℃以上，影響硬質(zhì)合金性能。因此需針對(duì)性的研發(fā)專(zhuān)用高效磨銑工具。

一、高效磨銑工具合金優(yōu)選

根據(jù)718材質(zhì)特性，需要選定的硬質(zhì)合金硬度(HRA)與韌性(抗彎強(qiáng)度)兼顧。根據(jù)該原則，圈定了6種硬質(zhì)合金進(jìn)行對(duì)磨試驗(yàn)，選擇對(duì)718鎳基合金效果較好的硬質(zhì)合金。

本實(shí)驗(yàn)擬將初選的6種硬質(zhì)合金材料加工成耐磨實(shí)驗(yàn)規(guī)定的尺寸，然后進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，考察其與鎳基合金對(duì)磨時(shí)的耐磨性。耐磨實(shí)驗(yàn)在MPX-2000盤(pán)銷(xiāo)式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試驗(yàn)負(fù)載為1 kN, 轉(zhuǎn)速為1 102 r/min，無(wú)潤(rùn)滑干摩擦，每隔2 h將試樣取下, 清洗干凈后在TG328A分析天平上稱(chēng)量，計(jì)算試樣的磨損量，整個(gè)試驗(yàn)進(jìn)行12 h。從磨損試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)(表1)，6#超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金硬質(zhì)合金的耐磨性最好。

表1 硬質(zhì)合金性能對(duì)比評(píng)價(jià)

二、 焊接工藝研究

硬質(zhì)合金在釬焊過(guò)程中，需要將釬料加熱至液態(tài)，在加熱過(guò)程中，硬質(zhì)合金也隨之被加熱。在高溫作用下，硬質(zhì)合金被空氣中的氧氣氧化，WC與氧氣作用生成WO3，隨后WO3在850℃升華，從而形成失重，并在硬質(zhì)合金表面形成一層氧化物，造成硬質(zhì)合金顆粒機(jī)械性能的降低。因此有必要考察硬質(zhì)合金在不同加熱溫度和加熱時(shí)間下硬質(zhì)合金性能的變化，從而為釬焊工藝提供更為可靠的工藝參數(shù)依據(jù)。

1．加熱溫度和時(shí)間對(duì)硬質(zhì)合金抗氧化性的影響

將6#超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金加工成統(tǒng)一尺寸?8 mm×16 mm的細(xì)小棒料，將該試樣分別在700℃、800℃、900℃和1100℃的馬弗爐中保溫30 min、60 min、90 min和120 min。每個(gè)溫度和時(shí)間交叉點(diǎn)的試樣為3個(gè)，在保溫前后分別使用硬度計(jì)和分析天平測(cè)量試樣的質(zhì)量和硬度。

圖1為保溫溫度和保溫時(shí)間對(duì)硬質(zhì)合金氧化失重的影響結(jié)果。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在焊接過(guò)程中應(yīng)該盡量降低焊接溫度，高于釬料的液相線溫度30℃～40℃，保證釬料熔化即可；同時(shí)應(yīng)減少硬質(zhì)合金的加熱時(shí)間，可以在釬料充分熔化后再放入硬質(zhì)合金。

圖1 溫度和保溫時(shí)間對(duì)硬質(zhì)合金氧化失重的影響

2.釬焊工藝研究

為了實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量磨銑工具的釬焊試制，創(chuàng)新性地提出采用爐中釬焊、高頻感應(yīng)釬焊和火焰釬焊復(fù)合的釬焊工藝方法，即采用爐中釬焊預(yù)熱將工具加熱到鄰近釬焊溫度并充分保溫，然后快速出爐放置在感應(yīng)圈內(nèi)，采用高頻感應(yīng)加熱直至整個(gè)工具溫度升高至釬焊溫度，并在釬焊過(guò)程中采用火焰釬焊輔助熱源，調(diào)整整個(gè)工具溫度場(chǎng)控制的均勻性。

爐中預(yù)熱采用DRZ-16D電阻爐，預(yù)熱溫度選定：預(yù)熱溫度630℃±5℃，并保溫0.5～2 h使鋼體充分熱透，滿(mǎn)足預(yù)熱要求。焊前預(yù)熱作用：

(1)預(yù)熱能減緩隨后高頻加熱時(shí)間，使得被焊工件整體溫度迅速、均勻升高，提高焊接效率。

(2)預(yù)熱可降低焊接應(yīng)力。均勻地局部預(yù)熱或整體預(yù)熱，可以減少焊接區(qū)域被焊工件之間的溫度差(也稱(chēng)為溫度梯度)。這樣，一方面降低了焊接應(yīng)力，另一方面，降低了焊接應(yīng)變速率，有利于避免產(chǎn)生焊接裂紋。

(3)預(yù)熱可以降低焊接結(jié)構(gòu)的拘束度。感高頻感應(yīng)焊接采用WH-Ⅷ-50應(yīng)加熱電源，其輸入功率50 kW，感應(yīng)加熱頻率15～35 kHz。感應(yīng)圈是感應(yīng)加熱設(shè)備的重要元件，交流電源的能量是通過(guò)它傳遞給焊件而實(shí)現(xiàn)加熱的，因此，感應(yīng)圈的結(jié)構(gòu)是否合理對(duì)于釬焊質(zhì)量和生產(chǎn)率有很大影響。正確設(shè)計(jì)和選用感應(yīng)圈的原則是：感應(yīng)圈應(yīng)有與焊件相適應(yīng)的外形，盡量減少感應(yīng)圈本身和焊件之間的無(wú)用間隙，間隙最好不大于2～3 mm，以便提高加熱效率。為了使焊件加熱平穩(wěn)、均勻，防止焊件尖角處發(fā)生局部過(guò)熱，應(yīng)當(dāng)合理選擇感應(yīng)圈的匝數(shù)和感應(yīng)電流的交變頻率等參數(shù)。輔助熱源為氧乙炔火焰。釬焊過(guò)程中采用氧乙炔火焰加熱溫度較低區(qū)域，調(diào)整焊件溫度場(chǎng)的均勻性，依據(jù)安全操作方法進(jìn)行操作。

三、室內(nèi)磨銑試驗(yàn)

選用6#超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金，應(yīng)用新型釬焊工藝，并在試驗(yàn)結(jié)果的指導(dǎo)下，制造了鎳基合金專(zhuān)用磨銑工具，使用XJS-500型修井工具試驗(yàn)臺(tái)對(duì)其磨銑性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。

磨銑對(duì)象為外徑為139.7 mm，內(nèi)徑101.6 mm，材質(zhì)為Inconel 718的永久式封隔器接頭。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。磨鞋外徑為144 mm。試驗(yàn)設(shè)計(jì)鉆壓分別為5 kN，10 kN，15 kN,20 kN磨銑時(shí)間均為30 min，進(jìn)行磨銑效率對(duì)比見(jiàn)表2。

表2 磨銑試驗(yàn)

從室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果分析，新研制的磨銑工具在鉆壓20 kN時(shí)磨銑速率最快，速率約0.182 m/h，且磨銑碎屑為魚(yú)鱗狀；繼續(xù)提高鉆壓磨銑碎屑成連續(xù)卷狀，不利于現(xiàn)場(chǎng)碎屑返排，易造成卡鉆等事故。

四、D405-3井完井管柱打撈

D405-3井采用718材質(zhì)的“永久封+遇油封”完井管柱投產(chǎn)，在下入生產(chǎn)管柱時(shí)，永久封中途座封(如圖2)，為了保證管柱的安全打撈，采用“永久封倒扣+磨銑永久封+上提(或震擊)解卡+切割打撈(備用)”打撈工藝。

圖2 普光D405-3井完井管柱

正轉(zhuǎn)井內(nèi)油管，倒開(kāi)錨定密封，取出上部油管。下入?146 mm領(lǐng)眼磨鞋+?121 mm安全接頭+?120.7 mm鉆鋌6根+?140 mm沉淀杯+?88.9 mm G105反扣鉆桿進(jìn)行磨銑作業(yè)。探魚(yú)頂深度1 703.28 m，用密度1.03 g/cm3的CMC壓井液正循環(huán)磨銑，鉆壓15～20 kN，泵壓4～5 MPa，轉(zhuǎn)速60～70 r/min，排量0.6 m3/min，磨銑24 h，累計(jì)進(jìn)尺0.73 m后永久封解封，起出井內(nèi)磨銑管柱。

下入?105 mm雙滑塊撈矛對(duì)井內(nèi)魚(yú)頂進(jìn)行打撈，撈獲后上提95 t，遇油封成功解封，打撈出井內(nèi)全部完井管柱。

五、結(jié)論

(1)對(duì)于“永久封隔器+遇油膨脹封隔器”完井管柱，“永久封倒扣+套磨銑永久封+上提(或震擊)解卡”打撈工藝合理可行。

(2)優(yōu)選的超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金滿(mǎn)足磨銑鎳基合金需要。

(3)采用爐中釬焊預(yù)熱將工具加熱到鄰近釬焊溫度并充分保溫，然后采用高頻感應(yīng)加熱至釬焊溫度，調(diào)整整個(gè)工具溫度場(chǎng)控制的均勻性，保證了焊接強(qiáng)度。

(4)通過(guò)室內(nèi)及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，磨銑鉆壓為15～20 kN時(shí)，轉(zhuǎn)速60～70 r/min，磨鞋的磨銑效率最快，且碎屑最有利于現(xiàn)場(chǎng)返排。

[1]張慶生，吳曉東，史曉貞，等.普光高含硫天然氣田完井方式探討.石油鉆采工藝，2009,31(1): 99-101.

[2]孔凡群，張慶生，魏鯤鵬，等. 普光高酸性氣田完井管柱設(shè)計(jì).天然氣工業(yè),2011,31(9): 76-78, 138,139.

[3]張慶生,吳曉東,魏風(fēng)玲,等.普光高含硫氣田采氣管柱的優(yōu)選. 天然氣工業(yè),2009, 29(6):91-93.

[4]宋勝利.普光氣田永久式封隔器生產(chǎn)管柱打撈技術(shù)研究.石油機(jī)械，2016，44(12)：88-89.

胡英才，楊康敏，李家明，等.多級(jí)壓裂自助解封封隔器及其管柱研究與應(yīng)用.石油機(jī)械,2017, 45(4):83-86.

畢福偉,于九政,劉延青,等.雙密封套管保護(hù)封隔器的研制與應(yīng)用.石油機(jī)械,2017, 45(2):93-95.