高鋼級套管段銑工具優(yōu)化及性能評價(jià)

苗 娟，黃 兵，謝 力，湯 明

(1.西南石油大學(xué)工程學(xué)院，四川 南充 611130；2.中國石油川慶鉆探工程有限公司，四川 廣漢 618300；3.中國石油華北油田分公司，河北 廊坊 065700；4.西南石油大學(xué)石油工程學(xué)院，四川 成都 610500)

0 引 言

套管段銑常用于老井側(cè)鉆和廢棄井作業(yè)，每年大約有5%～7%的老井需通過特殊工藝手段，在老井眼的基礎(chǔ)上進(jìn)行段銑開窗側(cè)鉆，實(shí)現(xiàn)老井挖潛[1-10]；廢棄井作業(yè)需要對套管進(jìn)行多段段銑，注水泥漿封隔，以解決封井后的油氣上竄問題[11-13]。套管段銑一般分2步實(shí)現(xiàn)，首先是段銑工具(切削齒)入井至預(yù)定井深后，液壓撐開刀片進(jìn)行套管切割，然后利用段銑工具(磨銑齒)對套管進(jìn)行設(shè)計(jì)長度的段銑作業(yè)[14]。傳統(tǒng)段銑工具切斷套管通常需要1.5～2.0 h，段銑速度為0.1～0.3 m/h，段銑30 m進(jìn)尺通常需要10～20 d，若段銑刀片無法回收可造成卡鉆事故，甚至1個(gè)月以上的作業(yè)周期，并且套管尺寸越小，井深越大、套管鋼級越高，套管段銑難度越大，嚴(yán)重影響了該技術(shù)的推廣應(yīng)用[15-19]。目前，中國段銑工具的核心切削齒主要依靠進(jìn)口，在切削齒形狀優(yōu)選和切削齒布局設(shè)計(jì)方面主要依賴于經(jīng)驗(yàn)，導(dǎo)致段銑工具切割速度、段銑速度和使用壽命等性能較差[20-22]。同時(shí)，由于缺乏理論支撐和實(shí)驗(yàn)評價(jià)，現(xiàn)場作業(yè)參數(shù)完全依靠工程師經(jīng)驗(yàn)，套管的切割速度、段銑進(jìn)尺和速度受人為因素干擾大。Φ177.8 mm套管是當(dāng)前側(cè)鉆和廢棄井作業(yè)中常見的套管尺寸，為實(shí)現(xiàn)該尺寸套管的快速切割和高效段銑，通過切削齒形狀優(yōu)選和布齒結(jié)構(gòu)優(yōu)化，設(shè)計(jì)了Φ177.8 mm高鋼級套管段銑工具，并開展性能評價(jià)。

1 現(xiàn)有Φ177.8 mm段銑工具介紹

Φ177.8 mm套管段銑工具主要由上接頭、本體和下接頭組成(圖1)。其工作原理為：正常入井時(shí)刀片處于收攏狀態(tài)，工具下入指定井深后，開泵循環(huán)鉆井液，鉆井液流過盤閥，推動(dòng)活塞桿壓縮彈簧下行，頂開刀片，進(jìn)行套管的切割和段銑作業(yè)。作業(yè)完成后，關(guān)泵，彈簧推動(dòng)活塞桿上行，刀片收攏，取出工具。

圖1 Φ177.8mm套管段銑工具結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The structure diagram of Φ177.8 mm casing section milling tool

Φ177.8 mm套管段銑工具本體外徑為144.0 mm，刀片張開后最大外徑為210.0 mm，工具總長度為1.47 m。為保證本體具有足夠的抗扭強(qiáng)度，段銑工具設(shè)計(jì)3個(gè)長刀片和3個(gè)短刀片，刀片之間互成60 °夾角，長刀片和短刀片采用相同的布齒結(jié)構(gòu)[23]。現(xiàn)有的刀片大都采用菱形、圓形或橢圓形齒形結(jié)構(gòu)，刀片的尖端大都采用圓柱形或非銳化菱形齒齒形結(jié)構(gòu)(圖2)，刀片與套管內(nèi)壁接觸為面接觸或圓弧接觸，套管內(nèi)壁接觸面較大，受力相對較小，切割時(shí)間長，并且在套管段銑過程中會(huì)形成細(xì)長鐵屑，鐵屑纏繞工具本體，造成卡鉆、泵壓異常等復(fù)雜情況，不利于快速段銑。

圖2 現(xiàn)有段銑工具刀片的2種布齒結(jié)構(gòu)Fig.2 The two teeth structures of existing section milling tool blades

2 Φ177.8 mm高鋼級套管段銑工具

為提高Φ177.8 mm套管切割和段銑效率，主要從段銑刀片切削齒材質(zhì)、形狀、排布和仰角等方面對段銑工具刀片進(jìn)行了改進(jìn)。

(1) 為了提高段銑速度和使用壽命，切削齒采用進(jìn)口碳化鎢材質(zhì)，其硬度為9.04 HRA，密度為13.05 g/cm3，膨脹系數(shù)為6.0×10-6/K，具有高強(qiáng)度、高穩(wěn)定性的特點(diǎn)，在高溫條件下產(chǎn)生崩齒現(xiàn)象的幾率低[24-26]。

(2) 切削齒采用內(nèi)凹齒+銳化菱形齒齒形結(jié)構(gòu)。刀片尖端采用銳化菱形切削齒結(jié)構(gòu)，銳化角度為5～10 °(圖3)。常規(guī)段銑工具在切割套管時(shí)，刀片尖端與套管內(nèi)部為面接觸或圓弧接觸[27]，接觸的線性長度大于40 mm(圖4a)，導(dǎo)致切割時(shí)間長、效率低。為提高切割效率，對刀片尖端最外側(cè)碳化鎢切削齒進(jìn)行銳化處理。當(dāng)液壓撐開切割刀片時(shí)，銳化菱形切削齒尖端首先與套管內(nèi)壁切割部位點(diǎn)接觸，接觸點(diǎn)線性長度小于2 mm(圖4b)；切割時(shí)刀尖更容易刺入套管內(nèi)壁，最終形成長度小于50 mm的楔形切削口(圖5)，僅為非銳化菱形切削齒切削口長度的1/2。菱形切削齒切割完套管之后，在液壓的作用下，刀片尖端會(huì)進(jìn)一步切削套管外的水泥環(huán)，直至刀片本體下端限位頂住套管內(nèi)壁，此時(shí)，切削齒的內(nèi)凹齒部分置于套管頂部，對套管進(jìn)行磨銑作業(yè)(圖3)，內(nèi)凹齒結(jié)構(gòu)與套管是點(diǎn)接觸形式，優(yōu)于菱形齒的面接觸形式，磨銑效率更高。

圖3 內(nèi)凹齒+銳化菱形切削齒布齒結(jié)構(gòu)Fig.3 The structure of concave teeth + sharpened diamond teeth

圖4 非銳化菱形切削齒與銳化菱形切削齒與套管接觸線性長度Fig.4 The linear length of non-sharpened diamond andsharpened diamond teeth in contact with casing

圖5 完成地面切割實(shí)驗(yàn)后的套管實(shí)物圖Fig.5 The casing photo after the ground cuttingexperiment was completed

(3) 磨銑刀片采用內(nèi)凹齒+非均勻布齒結(jié)構(gòu)。下入磨銑齒進(jìn)行段銑作業(yè)時(shí)，為防止段銑時(shí)形成連續(xù)的長鐵屑纏繞工具，引起卡鉆，同時(shí)也有利于鐵屑返排，磨銑刀片上的內(nèi)凹齒布齒設(shè)計(jì)了18 °仰角。為進(jìn)一步增強(qiáng)斷屑效率，降低連續(xù)切削幾率，將刀片上的完整齒、1/2齒、1/3齒、1/4齒以相同的布齒仰角不均勻的、非對稱的布置每一副刀片上(圖6，僅以其中2副刀片為例)。當(dāng)鉆柱轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，每轉(zhuǎn)過1/6的套管周長，改變一種刮削方式，降低產(chǎn)生長鐵屑纏繞的風(fēng)險(xiǎn)。

圖6 非對稱布齒磨銑刀片F(xiàn)ig.6 The milling blade with asymmetrical teeth layout

3 地面實(shí)驗(yàn)

為評價(jià)高鋼級套管段銑工具的切斷套管的時(shí)間以及段銑速度等性能指標(biāo)，開展了高鋼級套管段銑工具的切割和段銑評價(jià)實(shí)驗(yàn)。

3.1 切割實(shí)驗(yàn)

采用ZJ30鉆機(jī)進(jìn)行高鋼級段銑工具套管切割實(shí)驗(yàn)，為保證實(shí)驗(yàn)的可靠性，進(jìn)行了3次平行實(shí)驗(yàn)。套管切割操作流程：固定套管，轉(zhuǎn)盤測試后下入段銑工具，開泵開轉(zhuǎn)盤進(jìn)行套管切割并記錄切割時(shí)間。切割參數(shù)：轉(zhuǎn)速為50 r/min，鉆井液密度為1.2 g/cm3，鉆井液排量為15 L/s；Φ177.8 mm套管鋼級為P110，壁厚為11.51 mm。3次測試的切割時(shí)間分別為4.50、4.67、4.92 min，平均切割時(shí)間為4.70 min。與威德福和斯倫貝謝公司的套管段銑工具切割時(shí)間(30.00 min以上)相比[28]，高鋼級套管段銑工具切割時(shí)間控制在5.00 min以內(nèi)，且切割的楔形套管段長度小于50 mm(圖5)，可實(shí)現(xiàn)高鋼級Φ177.8 mm套管快速切割。

3.2 段銑實(shí)驗(yàn)

采用ZJ30鉆機(jī)進(jìn)行P110鋼級Φ177.8 mm套管段銑實(shí)驗(yàn)。套管段銑的具體操作流程為：固定套管，下入段銑工具，開泵開轉(zhuǎn)盤并施加鉆壓進(jìn)行套管段銑。段銑參數(shù)：轉(zhuǎn)速為50 r/min，鉆壓為5 kN，鉆井液密度為1.2 g/cm3，排量為15 L/s。段銑實(shí)驗(yàn)結(jié)果：3次平行測試的段銑速度分別為0.86、0.89、0.92 m/h，平均段銑速度為0.89 m/h。

同時(shí)完成P110鋼級Φ177.8 mm套管切割和段銑0.5 m后的刀片如圖7所示，可見刀片幾乎無磨損。與國外Φ177.8 mm套管的段銑速度(0.20～0.30 m/h)相比[29]，高鋼級套管段銑工具段銑速度超過0.80 m/h，證明高鋼級套管段銑工具能夠大幅提高段銑速度和工具使用壽命，還能有效斷屑，防止鐵屑纏繞卡鉆，提高排屑效率，為井下安全段銑作業(yè)提供保障。

圖7 套管切割刀片(左)和套管段銑后的鐵屑(右)Fig.7 Casing cutting blade (left) and iron dust after casing section milling (right)

結(jié)合Φ177.8 mm套管段銑工具地面實(shí)驗(yàn)結(jié)果，推薦段銑工具的施工參數(shù)為：轉(zhuǎn)速為40～60 r/min，鉆壓為5～20 kN，排量為13～17 L/s。

3.3 套管切割仿真模擬

為進(jìn)一步評價(jià)不同接觸類刀尖的切割效率，采用LS-DYNA軟件進(jìn)行了點(diǎn)接觸、面接觸和圓弧接觸類型刀尖的套管切割仿真模擬，仿真模擬的參數(shù)與地面實(shí)驗(yàn)參數(shù)相同。

圖8為點(diǎn)接觸類刀尖的段銑工具切割P110鋼級Φ177.8 mm套管的仿真模擬結(jié)果。由圖8可知：在套管切割過程中，刀片主體逐漸張開，實(shí)現(xiàn)套管的切割，隨著套管切割的進(jìn)行，套管所受的塑性應(yīng)變也越來越大，應(yīng)變最大值主要分布在刀尖與套管的接觸位置處。點(diǎn)接觸類刀片仿真模擬割斷套管用時(shí)為4.86 min，切口端面較為規(guī)則、整齊，與地面實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好(圖5)。

圖8 點(diǎn)接觸類型刀尖的套管切割仿真模擬結(jié)果Fig.8 The simulation results of casing cutting with point-contact tool tip

圖9和圖10分別為面接觸和圓弧接觸類刀尖的套管切割仿真模擬結(jié)果。由圖9、10可知：面接觸和圓弧接觸割斷套管的時(shí)間分別為35.30 min和46.20 min，遠(yuǎn)大于點(diǎn)接觸類刀片的割斷時(shí)間；面接觸和圓弧接觸類刀尖切割套管的塑性應(yīng)變遠(yuǎn)大于點(diǎn)接觸類刀片，表明割斷套管的難度更大；面接觸和圓弧接觸類刀片割斷套管楔形口長度更長，且端面規(guī)則性差，套管切割過程中的安全性小于點(diǎn)接觸類刀片。綜上所述，點(diǎn)接觸類刀片不僅切割套管時(shí)間短，而且斷口也更為規(guī)則和平滑，證明采用銳化刀尖的改進(jìn)方法是科學(xué)合理的，能夠?qū)崿F(xiàn)高鋼級套管的高效切割。

圖9 面接觸類型刀尖的套管切割仿真模擬結(jié)果圖Fig.9 The simulation results of casing cutting with plane-contact tool tip

圖10 圓弧接觸類型刀尖的套管切割仿真模擬結(jié)果Fig.10 The simulation results of casing cutting with arc-contact tool tip

4 現(xiàn)場應(yīng)用

為進(jìn)一步驗(yàn)證高鋼級段銑工具效果，在四川盆地、鄂爾多斯盆地和塔里木盆地進(jìn)行了Φ177.8 mm套管段銑工具現(xiàn)場應(yīng)用(表1)。套管鋼級為L80、P110、Q125，壁厚為9.19～12.65 mm。由表1可知：套管段銑成功率為100%，段銑速度為0.61～1.00 m/s，平均段銑速度為0.83 m/h，與地面測試結(jié)果基本吻合。

表1 Φ177.8mm套管高性能段銑工具現(xiàn)場應(yīng)用統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 1 The statistical results of field application of high-performance Φ177.8mm casing section milling tools

與斯倫貝謝公司段銑工具段銑效果對比：斯倫貝謝公司段銑工具平均單趟段銑長度和最大段銑長度分別為5.8 m和8.5 m，高鋼級段銑工具平均單趟段銑長度和最大段銑長度分別為6.1 m和10.0 m。表明該工具達(dá)到國際先進(jìn)水平，但價(jià)格不足斯倫貝謝同類產(chǎn)品的1/3，價(jià)格優(yōu)勢顯著。

5 結(jié)論及建議

(1) 高鋼級套管段銑工具切削齒采用了進(jìn)口高強(qiáng)度高穩(wěn)定性型碳化鎢材質(zhì)，切削刀片齒形結(jié)構(gòu)優(yōu)化為內(nèi)凹齒+銳化菱形齒，磨銑刀片齒形結(jié)構(gòu)優(yōu)化為內(nèi)凹齒+非均勻布齒結(jié)構(gòu)，地面實(shí)驗(yàn)割斷套管時(shí)間小于5.00 min，段銑速度大于0.8 m/h。

(2) LS-DYNA仿真結(jié)果表明，與傳統(tǒng)段銑工具相比采用銳化菱形切削齒能大幅提高套管切割效率。

(3) 高鋼級段銑工具現(xiàn)場應(yīng)用效果優(yōu)于國外同類產(chǎn)品性能，且具有顯著的價(jià)格優(yōu)勢，推廣應(yīng)用前景廣闊。

(4) 下步計(jì)劃加強(qiáng)段銑工具刀片的強(qiáng)度，并進(jìn)行Φ139.7 mm套管段銑工具的研發(fā)，為小尺寸套管段銑作業(yè)和老井治理提供技術(shù)支持。