热塑性聚合物割缝筛管铣削技术研究

热塑性聚合物割缝筛管铣削技术研究
陈静;高福万;杨贺来
【摘要】为改变煤层气井钢质割缝筛管完井成本高的现状,研制出了割缝筛管数控多刀铣床,分析了影响热塑性筛管加工质量的因素,研究了PE和PVC等热塑性材料铣削加工的工艺参数,加工出了煤层气井需要的热塑性割缝筛管产品.
【期刊名称】《新技术新工艺》
【年(卷),期】2015(000)005
【总页数】3页(P123-125)
【关键词】热塑性;割缝筛管;多刀加工;铣削
【作者】陈静;高福万;杨贺来
【作者单位】天津中杰科技发展有限公司,天津300011;天津中杰科技发展有限公司,天津300011;天津中杰科技发展有限公司,天津300011
【正文语种】中文
【中图分类】TG543
割缝筛管是油、气和水井完井工程中采收防砂用的工具，以往多用钢质割缝筛管。

近年来，为了改变煤层气井钢质割缝筛管完井成本高的现状，探索研制较低强度的非金属完井管材，进而实现煤层气井的低成本完井[1]。

出于对煤层气开采之后采煤作业的安全考虑，应禁止金属材质的筛管下入煤层，而采用非金属筛管[2]。

水井在使用一段时间后，由于井管腐蚀，常常出现破损和涌沙等现象，不仅影响水井的正常使用，造成直接的经济损失，而且还导致许多潜在的危害，如地面沉降、地
下水串层污染和地层坍塌等，因此也应采用非金属筛管[3]。

PE和PVC等热塑性材料制作的筛管，具有比强度高、耐腐蚀性好、成本低、质量小和便于施工等优点[4]，可以被选用在煤层气井、水井或油井中。

热塑性管材以合成的或天然的高分子化合物为基本成分，加以填料、增塑剂、稳定剂及其他添加剂等配料，流动成型或聚合定形。

这种聚合物[5]的结构特点是：分子量大，且具有分散性，高分子链的几何形状复杂；其密度只有钢铁的1/8～1/4；刚度比结构金属小1～2个数量级；在受力状
态下工作，蠕变现象严重；耐热性远不如金属，热膨胀系数比金属高3～10倍，
随着温度的升高，聚集状态发生明显变化。

热塑性筛管与钢质筛管的结构状态和材料特性有很大不同，加工方法必然有所不同。

在我国，钢质筛管加工主要有陶瓷磨轮割缝和激光割缝2种方法。

1992年5月，金属CBN陶瓷磨轮割缝技术研究成功，高速磨削而成的割缝筛管产品便逐渐开始在国内外石油完井工程中应用。

磨轮割缝时，高速磨削所做的功几乎全部转化为热能，大约60%～95%的热量被传入筛管，对于刚度大且对热敏感性较差的金属筛
管而言，高速磨削的方法可行。

但对于热敏感性强、温度效应明显、材料应变率高、内部分子量分布分散以及链段结构各异的热塑性筛管，磨削割缝很难保证缝宽和管体的尺寸精度。

1999年3月，第1台激光加工割缝筛管机床在大港油田井下作业公司投入使用，激光割缝筛管便逐渐开始在国内外石油完井工程中应用。

激光割缝因加工效率高、加工精度高以及能高速加工锥度≥6°的梯形缝，而逐步替代了陶瓷磨轮割缝。

激光属于热加工，其原理是用激光加热，使材料瞬间熔融、蒸发而被去除，当激光束和钢管相对运动时，在管体上割出缝来。

激光切割热塑性管材，需要利用激光的光能强度破坏聚合物的聚合链，低熔点的热塑性管材在加工过程中会燃烧，产生对人和光学镜片都有害的气体，对环境造成污染。

相比较而言，数控多刀铣削是便捷、高效的绿色加工方法。

筛管数控多刀铣床是我国自行研制的大型专用机床，可实现多刀加工，割缝效率高。

采用高速钢铣刀，割缝表面光滑、平整，表面粗糙度值低。

刀具磨损后可重磨使用，加工成本低。

石油筛管数控多刀铣床是大型专用机床，长15.651 m，宽1.511 m，高2.146 m，质量>20 t，如图1所示。

其主要结构特点是：1)80把铣刀一字排开，能同时对12 m长的整根管材沿同一条母线进行割缝；2)各个铣刀轴的中心距沿管材轴线方向可调整，以满足不同缝间距的筛管加工；3)铣刀转速可根据工艺要求无级调整。

经过对不同直径、不同壁厚的PE和PVC等热塑性材料制作的筛管进行割缝试验，得出铣削速度和进给量匹配、铣刀齿数及冷却液选择是影响筛管加工质量的主要因素。

4.1 铣削速度和进给量
采用锯片高速钢铣刀进行割缝加工时，割缝宽度取决于刀片厚度。

加工过程中，加工质量取决于铣削速度和进给量的匹配。

常见的加工缺陷包括切割表面粗糙和拉毛，严重时造成管材撕脱和破裂。

出现此类缺陷的主要原因是铣削速度和进给量的匹配不合理。

往往是铣削速度过低，进给量过大，铣刀每齿进给量过大，切削抗力过大，造成热塑性筛管切割表面材料的破损。

改进方案为增大刀具转速，减小进给量。

4.2 铣刀齿数
采用标准锯片铣刀割缝时，常见的加工缺陷为切屑很容易堵塞在齿槽中间，造成切削力增大，切削热增加，以致切割表面粗糙。

改进方案为尽量选用疏齿锯片铣刀。

铣刀齿数减少了，铣刀的切削性能就会得到改善，使排屑顺畅，切削阻力减小。

4.3 冷却液
采用锯片高速钢铣刀进行割缝加工时，若不用冷却液，铣刀与热塑性材料之间存在干摩擦，切削热量高，很难保证切缝宽度精度，常常出现加工后的缝变形，严重时出现缝隙闭拢，管体弯曲变形。

PE为结晶型聚合物，PVC为支链很少的线型聚合物，PE的硬度和刚度都比PVC小，PE与PVC相比受热发生变形更显著。

改进方案为选择合适的切削液，使之在割缝过程中起到降温、减摩、清洗、防锈，减少铣刀与切屑的粘结，去除切屑的作用。

优选冷却性能好的水溶液作为切削液。

因为在各种切削液中，水溶液的冷却性能最好，油类最差，乳化液介于两者之间。

水溶液的主要成分为水，可以添加0.23%
的亚硝酸钠,以防止切削液对机床的锈蚀。

4.4 工件夹持方法
热塑性材料密度和硬度比钢小很多，夹持过程中变形量大，不易夹持稳固。

当夹持力过大时，会造成热塑性材料的破裂；夹持力小时，管材又容易滑脱。

改进方案为在热塑性管材外部增加钢质弹性套圈，内部增加钢质心轴，使夹持力足够大时，既不破坏热塑性管材的外表面质量，又不会引起管材的变形。

1)采用筛管数控多刀铣床，可以高效率解决PE和PVC等热塑性筛管割缝加工问题。

2)合理选择铣削速度、进给量、铣刀齿数、冷却液和工件夹持方法，是保证PE和PVC等热塑性筛管割缝加工质量的有效措施。

*天津市滨海新区科技小巨人计划资助项目(2012-XJR21032)
【相关文献】
[1] 黄中伟，李根生，闫相祯，等.煤层气井钢质筛管与非金属筛管强度对比实验[J].石油勘探与开发，2012,39(4)：489-493.
[2] 时文，申瑞臣，屈平，等.煤层气井完井用PE筛管的地质适应性[J].钻井工程，2013，33(4)：
85-90.
[3] 肖西卫，汪晓峰，刘冬生,等.U-PVC贴砾滤水管井中二次成井技术[J].水文地质工程地质，2003,30(2):77-79.
[4] 周伟祥.塑料测试技术[M].北京：化学工业出版社，1997.
[5] C.霍尔.聚合物材料[M]. 王佩云，曾家华,译.北京：轻工业出版社，1985.
[6] 陈静，杨锐.数控割缝筛管多刀铣床：中国，20021222.3[P]. 2011-09-07.。