新型PDC切削齒形在段銑工藝銑刀的類比設(shè)計(jì)

張武滔，劉福建，陳紀(jì)宏

（川慶鉆探工程有限公司試修公司，成都 610066）

0 引言

段銑工藝作為油氣開發(fā)必不可少的手段主要有以下主要用途[1]：油氣井大規(guī)模持續(xù)勘探開發(fā)到一定階段，許多油氣田已經(jīng)進(jìn)入了開發(fā)的中后期，需要評(píng)估其經(jīng)濟(jì)價(jià)值，當(dāng)經(jīng)濟(jì)價(jià)值大于生產(chǎn)成本時(shí)，需要采用段銑作業(yè)進(jìn)行井筒修復(fù)或者開窗側(cè)鉆，保證開采過(guò)程可以正常進(jìn)行或者側(cè)鉆出新的目的層以實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)；而當(dāng)經(jīng)濟(jì)價(jià)值遠(yuǎn)小于生產(chǎn)成本或存在較大安全隱患的情況下，則需要采取另外一種措施——封堵棄井。同時(shí)，由于技術(shù)發(fā)展，目前段銑工藝面臨著施工難度加大、作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)且工況要求日益復(fù)雜化，例如小井眼段銑作業(yè)[2]、雙層套管段銑作業(yè)[3]、段銑與擴(kuò)眼聯(lián)合作業(yè)[4]等。為了在上述情況下提高段銑效率，有必要為段銑工具最為關(guān)鍵的銑刀設(shè)計(jì)在齒形選擇和布局方面提高適應(yīng)性。鉆完井中齒形研究熱度最高、時(shí)間最久、范圍最廣、成果最多的是人造聚晶金剛石復(fù)合片（PDC）切削齒，本文跟蹤最新型商業(yè)化PDC齒形成果，并將其引入至段銑工藝的銑刀設(shè)計(jì)中，對(duì)比常規(guī)段銑工藝齒形，并根據(jù)段銑齒形要求和材料要求，設(shè)計(jì)出新型段銑工具，力爭(zhēng)早日實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用和推廣。

1 新型PDC切削齒形

PDC切削齒作為直接作用于鉆井破巖的利器，最初的齒形為圖1所示的平面柱形，材料包含了PDC層和WC層[5]。鑲有PDC切削齒的PDC鉆頭在耐磨性、抗沖擊性、耐熱性等方面以絕對(duì)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)取代了原來(lái)的牙輪鉆頭。但隨著鉆井深度的提升，面對(duì)深層復(fù)雜地層的高硬度、高研磨性特點(diǎn)，平面齒形的PDC鉆頭遇到了技術(shù)瓶頸，機(jī)械鉆速下降明顯且使用壽命急劇降低。為了解決上述問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外除了對(duì)PDC材料成分和成型工藝進(jìn)行優(yōu)化和改良研究之外，還長(zhǎng)期堅(jiān)持非平面異形齒型研究[6]。實(shí)踐證明，非平面異形齒的出現(xiàn)確實(shí)對(duì)深層超深層復(fù)雜地層的高效破巖技術(shù)發(fā)展起到了有力助推作用。以下就目前最新6種典型的商業(yè)化新型PDC齒形特性進(jìn)行簡(jiǎn)要闡述。

圖1 常規(guī)平面PDC切削齒形

1.1 曲犁片形PDC切削齒

圖2所示為曲犁片形PDC切削齒，PDC層分成了兩層，前端突出一層扇狀，后端則是圓形削去了一部分。切削過(guò)程中，由下方犁頭先接觸到巖石，由于此接觸面最小，犁頭就像劃線器進(jìn)行預(yù)破裂產(chǎn)生損傷裂紋，而隨著吃刀繼續(xù)深入，最左邊與最右邊的兩點(diǎn)及下方犁頭構(gòu)成了切削的主要空間作用點(diǎn)，兩邊的月牙片狀區(qū)域?qū)⑾惹暗膸r石繼續(xù)擠壓、碎裂、排出，減少了與碎屑之間的無(wú)效摩擦及積熱，讓切削過(guò)程專注于破巖，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械鉆速的提升。曲犁片形PDC切削齒對(duì)切削力作用方向有明顯的最大效率傾向，因此需要根據(jù)具體對(duì)象進(jìn)行布局。

圖2 曲犁片形PDC切削齒

1.2 正三曲形PDC切削齒

如圖3所示，正三曲形PDC切削齒與曲犁片形PDC切削齒的相同點(diǎn)是突出了頂層的曲線形狀相似，但多一條曲線組成的，并且后端是完整的圓形。因此正三曲形PDC切削齒在切削方式上與曲犁片形PDC切削齒類似的是前端先損傷切削，后端隨吃刀量變大擠壓、碎裂、排出巖屑。同時(shí)初始切削位置具有隨機(jī)性，適合各向同性地層的破巖，并且有利于降低布齒方向精度要求和焊接操作難度。

圖3 正三曲形PDC切削齒

1.3 直犁片形PDC切削齒

圖4中的直犁片形PDC切削齒與曲犁片形PDC切削齒形狀接近，但前端層相對(duì)后端等距縮小，并且保留了整體呈圓柱，僅在局部削去了一部分。因此它們吃刀切削方式相同，都有方向要求。不同的是直犁片形PDC切削齒的排屑更小更短，但在端面方向范圍更大。

圖4 直犁片形PDC切削齒

1.4 褶皺形PDC切削齒

如圖5所示，與前兩種切削齒相比，褶皺形PDC切削齒沒(méi)有明顯的分層，而像是一張褶皺的圓紙片，凹陷進(jìn)去的空間同樣是為了提供排屑通道，減少不必要的憋鉆，盡可能快地帶走切削熱，其邊緣同時(shí)還要兼顧一定的攻擊性，便于初始吃入巖層。因此，褶皺形PDC切削齒對(duì)切削方向也有著較高的要求，因此同樣對(duì)布齒需要各向異性考慮。

圖5 褶皺形PDC切削齒

1.5 馬鞍形PDC切削齒

如圖6所示，馬鞍形PDC切削齒同樣沒(méi)有明顯的分層，但有圖案的前端面是中間突起的空間曲面，兩側(cè)缺口面可加速排屑和散熱，中間突起曲面的設(shè)計(jì)主要是為了增強(qiáng)切削齒的耐久性和保證其自銳性[7]。當(dāng)巖石與PDC切削齒相互作用消耗時(shí)，突出的材料補(bǔ)充了消耗的深度空間，使得切削過(guò)程更加平穩(wěn)，減少跳鉆或者憋鉆的可能，同時(shí)也降低了沖擊疲勞，延長(zhǎng)了切削齒的工作壽命。另一方面，平穩(wěn)的切削保證切削齒與巖石間接觸和磨損更加均勻，自銳能力保持更長(zhǎng)久。

圖6 馬鞍形PDC切削齒

1.6 多面拼接型PDC切削齒

如圖7所示，國(guó)外某公司最新推出的多面體PDC沒(méi)有分層，馬鞍形PDC切削齒前端面是一張連續(xù)曲面，而多面拼接形PDC切削齒是多個(gè)平面拼接的突出前端面。該形式的設(shè)計(jì)使得它能承受來(lái)自地層更大的壓應(yīng)力，并且中心對(duì)稱結(jié)構(gòu)對(duì)吃刀方向沒(méi)有特別的要求。因此，這種多面拼接型PDC切削齒在硬巖和非勻質(zhì)地層破巖效率比常規(guī)PDC 鉆頭切削齒提高了60%，代表了目前該類地層的商業(yè)應(yīng)用PDC切削齒的最高技術(shù)水平。

圖7 多面拼接型PDC切削齒

2 段銑工藝與銑刀常用齒形

段銑的作業(yè)流程主要包含兩個(gè)主要步驟[1]：定點(diǎn)切割和軸向加壓段銑。這兩個(gè)過(guò)程均是由段銑工具的銑刀直接作用于套管。當(dāng)段銑工具達(dá)到需要段銑的套管位置后，以機(jī)械或者液壓方式驅(qū)動(dòng)伸展開周向均勻分布的3～8個(gè)銑刀，銑刀切削齒接觸套管內(nèi)壁，地面儀器調(diào)整合適的轉(zhuǎn)矩，旋轉(zhuǎn)管柱并循環(huán)鉆井液，冷卻銑刀并排走切削屑，轉(zhuǎn)矩逐步增大至穩(wěn)定在一定范圍，當(dāng)轉(zhuǎn)矩值大幅下降代表定點(diǎn)切割完成，套管在某一處被切斷；但由于范圍很小，需要進(jìn)一步加工才能真正為側(cè)鉆開窗、套管修復(fù)、封堵棄井等作業(yè)提供準(zhǔn)備條件。此時(shí)除了需要繼續(xù)保持合適的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、流量外，還需要對(duì)銑刀施加一定鉆壓作為軸向段銑的必要條件。如圖8所示，定點(diǎn)切割過(guò)程主要是由銑刀測(cè)刃完成，而軸向段銑則是由底刃磨削套管。

圖8 段銑工藝銑刀的側(cè)刃與底刃

為了保證切割和磨削過(guò)程均能高效進(jìn)行，除了硬質(zhì)合金材料和焊接工藝外，選齒和布齒顯得尤為關(guān)鍵。如圖9所示，目前常用的銑刀齒形僅有圓柱形、長(zhǎng)方體形、寶塔形、菱形幾種。在段銑過(guò)程中，由于銑削出來(lái)的是套管的鐵屑而非巖石碎屑，在狹小的井眼空間內(nèi)必須及時(shí)循環(huán)出來(lái)，顯然鐵屑相對(duì)巖屑密度更大，而且鐵屑具有一定彈塑性，而通常巖屑是脆性，受外力作用下，鐵屑更難排出井眼，可攜帶性差很多。因此，為了段銑的正常進(jìn)行，應(yīng)當(dāng)避免形成大塊鐵屑。因此，目前選齒上多采用圖6所示的帶有凹面的圓柱形齒或者類似有更多銳棱邊的切削齒形，保證前后刃距離短，隨時(shí)能輕松吃刀切入，同時(shí)又具有近距離斷屑的功能。另外布齒上貫徹同一原則，即保證切削力最大的同時(shí)棱邊多，自銳和斷屑能力強(qiáng)[8]。側(cè)刃的切削齒主要考慮段銑工具周向和徑向力，而底刃主要考慮軸向和周向力。

圖9 段銑工藝銑刀常用齒形

3 新型段銑工藝齒形類比設(shè)計(jì)

依據(jù)上述新型PDC切削齒形和常規(guī)段銑銑刀的齒形分析，以及段銑中定點(diǎn)切割和軸向施壓段銑受力、對(duì)排屑要求的對(duì)比分析。本文采用類比設(shè)計(jì)的方式將新型PDC切削齒形引入到段銑銑刀齒形設(shè)計(jì)，具有一定的合理性。

3.1 內(nèi)凹多面拼接型銑刀齒

圖6所示的多面拼接型為突出硬質(zhì)合金齒面的設(shè)計(jì)，適合承受來(lái)自巖石的壓應(yīng)力保證耐久性，同時(shí)保留切削攻擊性；而套管段銑常用齒形需要凹面和銳邊。結(jié)合二者，設(shè)計(jì)了圖10所示的一種新型段銑工藝齒形。該形狀設(shè)計(jì)保留了多面拼接受力能力強(qiáng)和具有一定切削攻擊性的優(yōu)點(diǎn)，并兼顧了段銑工藝的斷屑要求。對(duì)吃刀方向性要求也不高。作為段銑第二階段的磨銑齒，同時(shí)也可勝任一般強(qiáng)度級(jí)別的套管切割階段。

圖10 內(nèi)凹多面拼接型銑刀齒

圖11 曲犁片形銑刀齒

3.2 定點(diǎn)切割切削齒的選擇

對(duì)于定點(diǎn)切割，因?yàn)楦鄟?lái)自于周向力和徑向力，并且只需要完成局部切削，可以選擇攻擊性和自銳性更好的齒形。因此本文選擇采用新型PDC中的曲犁片形切削齒作為段銑工藝的定點(diǎn)切割齒形，但材質(zhì)不分PDC層和WC層，而選擇更適合段銑作業(yè)的硬質(zhì)合金一體成型。如圖9所示，前端突出層具備較強(qiáng)的攻擊性，而兩邊的階梯空間仍用作排屑散熱，左右后端弧線作為斷屑邊。

3.3 新型銑刀齒形的布齒

根據(jù)前述底刃負(fù)責(zé)磨銑和側(cè)刃進(jìn)行切割的分工，設(shè)計(jì)了圖12所示的一種新型用于段銑工藝的銑刀。由銳化處理的底刃內(nèi)凹多面拼接型銑刀齒進(jìn)行主要磨銑作業(yè)，而曲犁片形銑刀齒均勻分布到側(cè)刃，且犁頭垂直于套管內(nèi)部。

圖12 新型段銑工藝銑刀

4 結(jié)語(yǔ)

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)增長(zhǎng)，油氣能源的增產(chǎn)需求仍然旺盛，段銑工藝在未來(lái)鉆完井作業(yè)中依然會(huì)長(zhǎng)期占據(jù)一席之地。為了提高段銑工藝的效率和質(zhì)量，除了開展現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)流程規(guī)范、鉆完井參數(shù)優(yōu)化等生產(chǎn)實(shí)踐，作為段銑工具質(zhì)量的源頭設(shè)計(jì)，有必要開拓思路，借助同行更優(yōu)秀和更先進(jìn)的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)和成果，豐富銑刀的齒形選擇，設(shè)計(jì)出更多類型適應(yīng)不同工況和不同鋼級(jí)[8]的段銑工藝銑刀。

通過(guò)對(duì)6種新型PDC切削齒形在吃刀攻擊性、耐磨性、排屑散熱、受力等特性進(jìn)行分析，并結(jié)合常規(guī)段銑工藝銑刀切削齒形的特點(diǎn)，對(duì)最新的多面拼接PDC切削齒形類比設(shè)計(jì)為內(nèi)凹面多面拼接銑刀齒形，并將攻擊性更強(qiáng)的曲犁片形PDC作為切削齒，并按照段銑布齒原則設(shè)計(jì)了新型段銑工藝銑刀，類比過(guò)程借鑒了外形，但又根據(jù)段銑工藝實(shí)際要求進(jìn)行了優(yōu)化，具有理論上的邏輯合理性。后期將根據(jù)生產(chǎn)條件安排制造加工裝有該新型銑刀的段銑工具，并將進(jìn)行與常規(guī)齒形的對(duì)比試驗(yàn)，驗(yàn)證實(shí)際生產(chǎn)價(jià)值。