高效磨套铣工具的研制

高效磨套铣工具的研制

摘要修井作业者之梦想是能找到一种削铁如泥的高效磨套铣工具，来进行井下作业施工。我们所研究的这种高效磨套铣工具虽然达不到削铁如泥，但与普通磨套铣工具相比，磨铣速度快了5～6倍，寿命提高了4～5倍。

主题词磨铣套铣硬质合金 PCBN复合片

磨套铣包括两个概念：即磨铣和套铣。复杂井下事故井处理过程中有70%以上的工作量是磨铣和套铣。当下井管柱及工具被砂埋或水泥固死后，需要磨铣和套铣；封隔器或桥塞卡死拔不出来时，需要套铣或磨铣；打捞井下被卡死的防砂管柱时，需要套铣和磨铣；修整井下变形或错断套管时，需要磨铣；套管开窗侧钻时，需要磨铣；钻井过程中钻具掉井后，在处理时需要磨铣和套铣。所以从钻井到修井作业磨、套铣工作无处不在、无时不用，但目前所用的磨、套铣工具的耐磨材料基本上是用YD硬质合金块或YD硬质合金粉，磨铣效率非常低。如果在深井中进行磨套铣作业，使用常规的磨铣工具作业时间长，作业费用大。

1提高磨套铣工具效率的方法

提高磨套铣工具效率的方法有以下几种方式

1.1 磨套铣工具的布齿方式

磨套铣工具的布齿方式非常重要，如果布齿不当，不但磨不掉待磨的井下工具，反而会使磨铣工具磨碎或耐磨材料脱掉。造成更加复杂的井下事故。

1.2 切削刀片的镶入角度

切削刀片镶焊在磨套铣工具胎体上的角度与切削效率有很大的关系。

1.3 切削刀片的材质

切削刀片的材质要求既有硬度又要有足够的韧性。如果硬度不够，超不过井下工具的硬度，就会出现井下工具磨蚀磨套铣工具的现象，如果没有足够的韧性，刀片一碰落鱼就会破碎，所以刀片的韧性和硬度一样重要，一般选用复合材料。

1.4 施工参数

施工参数主要包括钻压、转速及冲洗排量等。在施工中如果磨铣工具施工参数使用不当，不但达不到高效磨铣工具的效果，反而会破坏磨铣工具，所以一定要按照工具设计的施工参数去使用磨铣工具，才能达到其使用效果。

2套铣工具的结构、材料、施工工艺的研究

2.1 磨套铣工具的结构研究

结合理论力学、材料力学、流体力学以及机加工方面的知识，我们设计出磨套铣工具的结构示意图如图1、图2所示（图中1为本体，2为硬质合金）

图1磨铣工具的结构示意图

图2套铣工具的结构示意图

2.2 切削刀片结构设计

不同情况下切削刀片的受力分析，如图3所示

磨铣工具给被切物施加一定压力时，当磨套铣工具转动，带动刀片旋转，使刀片对被切物产生一个压力P，P对被切物产生2个剪切力，一个剪切应力沿AB方向使被切物发生塑变，最后产生位移，达到切削的目的，而沿CD方向的剪切应力只是对被切物施加一个压力不会产生变形。

根据材料力学知识可知，在相同钻压、转速和扭矩的情况下图a中刀片的切削力要大于图b 中的切削力，而图c刀片的切削力又要大于图a的切削力。所以在镶入刀片时，刀片应前置，即采用图b所示的布齿方式，根据国内外经验，刀片前沿角度5～6°比较合适。

a b c

图3切削刀片的受力分析示意图

2.3 切削刀片的材料选择

目前国内石油系统的磨铣工具普便采用YD硬质合金，长期使用证明YD硬质合金达不到高效切削的目的；如果采用金刚石材料虽然有最高的硬度，但其热稳定性和韧性差，并且与铁元素起反应；采用陶瓷刀片，其韧冲击性太差，不适用于井下作业工作环境，所以我们选择目前世界流行的超硬材料PCBN立方氮化硼复合片做为耐磨材料，它即能保证有较高的硬度，而且热稳定性与韧性也很好，并且其化学性质为惰性，与铁元素不起反应。各种耐磨材料部分机械性能如表1所示。

表1各种耐磨材料部分机械性能对比表

材料性能

材料种类硬度冲韧性kj/m2(lgfm/cm2) 耐热性℃与铁元素反应YD硬质合金HRA99.5 30（0.3）900 反应

Al2O3陶瓷HRA＞91 4（0.04）1200 惰性

金刚石复合片HV6500～8000 30（0.3）700～800 反应

立方氮化硼复合片HV≥400030（0.3）7100 惰性

2.4 PCBN复合片制造高效磨铣工具切削刀片的可能性

2.4.1 PCBN复合刀片的优越性

立方氮化硼复合片具有非常优良的性能，其优越性表现在以下几方面。

a．切削化磨削

由于CBN具有高硬度，高耐磨性，高化学稳定性及良好的导热性，因此可实现对淬火钢进行切削化磨削。

b. 铣削淬火钢

一般来说，对硬度HRC58～63的淬火钢，与硬质合金工具相比磨铣速度可提高6～15倍以上，由于PCBN刀头耐磨性好，导热性优越，可进行高速度磨铣，其寿命远高于YD硬质合金。据文献证明在200m/min的高速下对灰铸铁进行加工，在加工效率及工作寿命方面，PCBN复合片可较YD硬质合金提高10倍以上。

c. 切削硬质岩石

90年代初，俄罗斯科学院固体物理所公布了他们研制的CBN多晶体烧结体钻头的专利，并在地质钻探实际应用中取得了良好的效果，在钻探硬质岩石层时，其寿命较金刚石钻头提高了72%，钻进速度提高了25%。

2.4.2 PCBN复合刀片的可行性

a. 从PCBN本质条件看，采用PCBN复合片制造磨铣工具切削刀片是安全可行的。从刀片的耐磨性能看，PCBN的硬度最低也高达4000HV，与硬质合金相比，耐磨性远远超过硬质合金。

b. PCBN复合片的供应条件

PCBN复合片虽然是近年来新兴的材料，但目前国内有大批的生产厂家能够生产。只要我们提出相应的材质性能，基本上能够达到满足。

2.5 高效磨铣工具加工的工艺技术

2.5.1 首先保证刀削片的焊接质量，PCBN 刀块镶焊在45°的刀片条上，其温度要控制在

PCBN 刀块要求的温度范围内。一般焊接温度在750°左右，如果温度太高会破坏PCBN刀块的物理性能。温度太低焊接强度达不到，所以需要焊接技术高的厂家加工。

2.5.2 焊接尺寸必须达到要求，即当把刀片镶到磨铣鞋胎上时保证设计尺寸，其尺寸包括外径、水眼直径，水槽流道及刀片的角度。如果达不到设计的几项要求，也将会大大的影响其工具的使用寿命和应用效果。

2.5.3施工参数的确定

根据PCBN的物理特性来确定高效磨铣工具的施工参数，确定原则是高转速，低钻压、大排量。如果可能的话利用小修井机配合井下动力钻具更为合适。

a.高效磨鞋施工设计参数如表2

表2高效磨鞋施工设计参数表

参数

磨鞋尺寸mm 转数

rpm 排量

l/s 钻压

KN

215.9 ≥12030 30～50

152 ≥12020 20～30

118 ≥12010 10～15

b. 高效套铣鞋施工设计参数如表3

表3高效套铣鞋施工设计参数表

参数

磨鞋尺寸mm 转数

rpm 排量

l/s 钻压

KN

215.9 100～120 30 25～40

152 100～120 20 20～25

118 100～120 10 10～15

3 现场应用情况

对新研制的高效磨铣工具在冀东油田进行了现场试验，试验时是结合油井小修作业机进行的。其试验情况如下：

冀东油田高63－3井于2002年11月3日利用小修作业机进行超细水泥封堵，封堵层上部套管内下了一个水泥承转器。当水泥凝固后，将高效磨铣工具接在螺杆钻具上，用以钻掉水泥承转器，该承转器下入深度为1994.71m。水泥承转器的材质是用铸铁制造的，工具长度0.85m。

入井的φ118mm高效磨鞋新度为100%，45分钟磨掉了所有的水泥承转器，平均机械转速1.13m/h，起出检查高效磨鞋新度为99%。

钻具组合为：φ118mm高效磨鞋+φ95mm螺杆钻具+φ73mm油管。

施工参数：钻压：10～15kN排量：10～12L/s转速：180～200rpm

4 结论与建议

4.1 此切削化磨削，增加了磨铣工具旋转切削功能，是对常规磨铣工具磨铣机理的发展；