向俊科
(中石化中原油田分公司石油工程技術(shù)研究院)
普光氣田具有高壓、高含硫、井深等特點(diǎn),2008年地震誘發(fā)J4-5鹽膏層蠕動(dòng),造成了大部分井套管變形,給投產(chǎn)帶來(lái)了難題。截止2012年底,結(jié)合普光氣田井身結(jié)構(gòu)、產(chǎn)出流體性質(zhì)和生產(chǎn)需要,設(shè)計(jì)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(hù)考慮,采用國(guó)外引進(jìn)的抗硫材質(zhì)永久式封隔器隔采技術(shù)[2-6]。針對(duì)嚴(yán)重套變井,永久式封隔器無(wú)法通過(guò)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(guò)套變段后,再膨脹錨定在套管上,起到封隔生產(chǎn)腐蝕防護(hù)的作用。該完井方式,套銑打撈一體化打撈技術(shù)無(wú)法應(yīng)用,只能對(duì)718材質(zhì)的永久式封隔器進(jìn)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?yàn)椋孩冁嚮辖鹚苄院茫咏Y(jié)構(gòu)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(shí)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(yán)重。隨著磨銑的進(jìn)行,加工硬化嚴(yán)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(qiáng)烈,溫度可達(dá)1 000℃以上,影響硬質(zhì)合金性能。因此需針對(duì)性的研發(fā)專(zhuān)用高效磨銑工具。
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(qiáng)度)兼顧。根據(jù)該原則,圈定了6種硬質(zhì)合金進(jìn)行對(duì)磨試驗(yàn),選擇對(duì)718鎳基合金效果較好的硬質(zhì)合金。
本實(shí)驗(yàn)擬將初選的6種硬質(zhì)合金材料加工成耐磨實(shí)驗(yàn)規(guī)定的尺寸,然后進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn),考察其與鎳基合金對(duì)磨時(shí)的耐磨性。耐磨實(shí)驗(yàn)在MPX-2000盤(pán)銷(xiāo)式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行,試驗(yàn)負(fù)載為1 kN, 轉(zhuǎn)速為1 102 r/min,無(wú)潤(rùn)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(chēng)量,計(jì)算試樣的磨損量,整個(gè)試驗(yàn)進(jìn)行12 h。從磨損試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)(表1),6#超細(xì)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(duì)比評(píng)價(jià)
硬質(zhì)合金在釬焊過(guò)程中,需要將釬料加熱至液態(tài),在加熱過(guò)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(jī)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(shí)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)。
將6#超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金加工成統(tǒng)一尺寸?8 mm×16 mm的細(xì)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(gè)溫度和時(shí)間交叉點(diǎn)的試樣為3個(gè),在保溫前后分別使用硬度計(jì)和分析天平測(cè)量試樣的質(zhì)量和硬度。
圖1為保溫溫度和保溫時(shí)間對(duì)硬質(zhì)合金氧化失重的影響結(jié)果。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,在焊接過(guò)程中應(yīng)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(shí)應(yīng)減少硬質(zhì)合金的加熱時(shí)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(shí)間對(duì)硬質(zhì)合金氧化失重的影響
為了實(shí)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(yīng)釬焊和火焰釬焊復(fù)合的釬焊工藝方法,即采用爐中釬焊預(yù)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(yīng)圈內(nèi),采用高頻感應(yīng)加熱直至整個(gè)工具溫度升高至釬焊溫度,并在釬焊過(guò)程中采用火焰釬焊輔助熱源,調(diào)整整個(gè)工具溫度場(chǎng)控制的均勻性。
爐中預(yù)熱采用DRZ-16D電阻爐,預(yù)熱溫度選定:預(yù)熱溫度630℃±5℃,并保溫0.5~2 h使鋼體充分熱透,滿(mǎn)足預(yù)熱要求。焊前預(yù)熱作用:
(1)預(yù)熱能減緩隨后高頻加熱時(shí)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(yù)熱可降低焊接應(yīng)力。均勻地局部預(yù)熱或整體預(yù)熱,可以減少焊接區(qū)域被焊工件之間的溫度差(也稱(chēng)為溫度梯度)。這樣,一方面降低了焊接應(yīng)力,另一方面,降低了焊接應(yīng)變速率,有利于避免產(chǎn)生焊接裂紋。
(3)預(yù)熱可以降低焊接結(jié)構(gòu)的拘束度。感高頻感應(yīng)焊接采用WH-Ⅷ-50應(yīng)加熱電源,其輸入功率50 kW,感應(yīng)加熱頻率15~35 kHz。感應(yīng)圈是感應(yīng)加熱設(shè)備的重要元件,交流電源的能量是通過(guò)它傳遞給焊件而實(shí)現(xiàn)加熱的,因此,感應(yīng)圈的結(jié)構(gòu)是否合理對(duì)于釬焊質(zhì)量和生產(chǎn)率有很大影響。正確設(shè)計(jì)和選用感應(yīng)圈的原則是:感應(yīng)圈應(yīng)有與焊件相適應(yīng)的外形,盡量減少感應(yīng)圈本身和焊件之間的無(wú)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(guò)熱,應(yīng)當(dāng)合理選擇感應(yīng)圈的匝數(shù)和感應(yīng)電流的交變頻率等參數(shù)。輔助熱源為氧乙炔火焰。釬焊過(guò)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(chǎng)的均勻性,依據(jù)安全操作方法進(jìn)行操作。
選用6#超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金,應(yīng)用新型釬焊工藝,并在試驗(yàn)結(jié)果的指導(dǎo)下,制造了鎳基合金專(zhuān)用磨銑工具,使用XJS-500型修井工具試驗(yàn)臺(tái)對(duì)其磨銑性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。
磨銑對(duì)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(yàn)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(yàn)設(shè)計(jì)鉆壓分別為5 kN,10 kN,15 kN,20 kN磨銑時(shí)間均為30 min,進(jìn)行磨銑效率對(duì)比見(jiàn)表2。
表2 磨銑試驗(yàn)
從室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果分析,新研制的磨銑工具在鉆壓20 kN時(shí)磨銑速率最快,速率約0.182 m/h,且磨銑碎屑為魚(yú)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(chǎng)碎屑返排,易造成卡鉆等事故。
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(shí),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(kāi)錨定密封,取出上部油管。下入?146 mm領(lǐng)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(jìn)行磨銑作業(yè)。探魚(yú)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(jì)進(jìn)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(duì)井內(nèi)魚(yú)頂進(jìn)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。
(1)對(duì)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(xì)晶粒硬質(zhì)合金滿(mǎn)足磨銑鎳基合金需要。
(3)采用爐中釬焊預(yù)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(yīng)加熱至釬焊溫度,調(diào)整整個(gè)工具溫度場(chǎng)控制的均勻性,保證了焊接強(qiáng)度。
(4)通過(guò)室內(nèi)及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),磨銑鉆壓為15~20 kN時(shí),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(chǎng)返排。
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