向俊科

(中石化中原油田分公司石油工程技術研究院)

普光氣田具有高壓、高含硫、井深等特點，2008年地震誘發(fā)J4-5鹽膏層蠕動，造成了大部分井套管變形，給投產(chǎn)帶來了難題。截止2012年底，結(jié)合普光氣田井身結(jié)構、產(chǎn)出流體性質(zhì)和生產(chǎn)需要，設計使用了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考慮，采用國外引進的抗硫材質(zhì)永久式封隔器隔采技術[2-6]。針對嚴重套變井，永久式封隔器無法通過套變井段，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套變段后，再膨脹錨定在套管上，起到封隔生產(chǎn)腐蝕防護的作用。該完井方式，套銑打撈一體化打撈技術無法應用，只能對718材質(zhì)的永久式封隔器進行磨銑，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，主要原因為：①鎳基合金塑性好，原子結(jié)構穩(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加工硬化嚴重。隨著磨銑的進行，加工硬化嚴重，在切削熱的作用下，表面硬度比基體高1倍；③切削溫度高，工具與工件摩擦強烈，溫度可達1 000℃以上，影響硬質(zhì)合金性能。因此需針對性的研發(fā)專用高效磨銑工具。

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(抗彎強度)兼顧。根據(jù)該原則，圈定了6種硬質(zhì)合金進行對磨試驗，選擇對718鎳基合金效果較好的硬質(zhì)合金。

本實驗擬將初選的6種硬質(zhì)合金材料加工成耐磨實驗規(guī)定的尺寸，然后進行對比試驗，考察其與鎳基合金對磨時的耐磨性。耐磨實驗在MPX-2000盤銷式摩擦磨損試驗機上進行，試驗負載為1 kN, 轉(zhuǎn)速為1 102 r/min，無潤滑干摩擦，每隔2 h將試樣取下, 清洗干凈后在TG328A分析天平上稱量，計算試樣的磨損量，整個試驗進行12 h。從磨損試驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)(表1)，6#超細晶粒硬質(zhì)合金硬質(zhì)合金的耐磨性最好。

表1 硬質(zhì)合金性能對比評價

二、 焊接工藝研究

硬質(zhì)合金在釬焊過程中，需要將釬料加熱至液態(tài)，在加熱過程中，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．加熱溫度和時間對硬質(zhì)合金抗氧化性的影響

將6#超細晶粒硬質(zhì)合金加工成統(tǒng)一尺寸?8 mm×16 mm的細小棒料，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。每個溫度和時間交叉點的試樣為3個，在保溫前后分別使用硬度計和分析天平測量試樣的質(zhì)量和硬度。

圖1為保溫溫度和保溫時間對硬質(zhì)合金氧化失重的影響結(jié)果。根據(jù)實驗結(jié)果，在焊接過程中應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；同時應減少硬質(zhì)合金的加熱時間，可以在釬料充分熔化后再放入硬質(zhì)合金。

圖1 溫度和保溫時間對硬質(zhì)合金氧化失重的影響

2.釬焊工藝研究

為了實現(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、高頻感應釬焊和火焰釬焊復合的釬焊工藝方法，即采用爐中釬焊預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圈內(nèi)，采用高頻感應加熱直至整個工具溫度升高至釬焊溫度，并在釬焊過程中采用火焰釬焊輔助熱源，調(diào)整整個工具溫度場控制的均勻性。

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

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

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

(3)預熱可以降低焊接結(jié)構的拘束度。感高頻感應焊接采用WH-Ⅷ-50應加熱電源，其輸入功率50 kW，感應加熱頻率15～35 kHz。感應圈是感應加熱設備的重要元件，交流電源的能量是通過它傳遞給焊件而實現(xiàn)加熱的，因此，感應圈的結(jié)構是否合理對于釬焊質(zhì)量和生產(chǎn)率有很大影響。正確設計和選用感應圈的原則是：感應圈應有與焊件相適應的外形，盡量減少感應圈本身和焊件之間的無用間隙，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)生局部過熱，應當合理選擇感應圈的匝數(shù)和感應電流的交變頻率等參數(shù)。輔助熱源為氧乙炔火焰。釬焊過程中采用氧乙炔火焰加熱溫度較低區(qū)域，調(diào)整焊件溫度場的均勻性，依據(jù)安全操作方法進行操作。

三、室內(nèi)磨銑試驗

選用6#超細晶粒硬質(zhì)合金，應用新型釬焊工藝，并在試驗結(jié)果的指導下，制造了鎳基合金專用磨銑工具，使用XJS-500型修井工具試驗臺對其磨銑性能進行評價。

磨銑對象為外徑為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。試驗設計鉆壓分別為5 kN，10 kN，15 kN,20 kN磨銑時間均為30 min，進行磨銑效率對比見表2。

表2 磨銑試驗

從室內(nèi)試驗結(jié)果分析，新研制的磨銑工具在鉆壓20 kN時磨銑速率最快，速率約0.182 m/h，且磨銑碎屑為魚鱗狀；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，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，倒開錨定密封，取出上部油管。下入?146 mm領眼磨鞋+?121 mm安全接頭+?120.7 mm鉆鋌6根+?140 mm沉淀杯+?88.9 mm G105反扣鉆桿進行磨銑作業(yè)。探魚頂深度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，累計進尺0.73 m后永久封解封，起出井內(nèi)磨銑管柱。

下入?105 mm雙滑塊撈矛對井內(nèi)魚頂進行打撈，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)選的超細晶粒硬質(zhì)合金滿足磨銑鎳基合金需要。

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

(4)通過室內(nèi)及現(xiàn)場試驗，磨銑鉆壓為15～20 kN時，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)場返排。

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