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当井下作业施工中遇到鱼顶破碎、鱼顶重叠等复杂情况时，在常规打捞、套铣等措施无效后，作为最后手段，需要采取磨铣的方式对落鱼进行修顶或直接磨铣掉。胜利油田油气井下作业中心年常规磨铣千余井次。目前常用的磨鞋等磨铣工具存在以下问题[1-5]：一是合金材料性能差。目前传统磨铣工具大多使用YD合金，工具强度低，对磨铣垢质较软、磨铣量小的施工能基本满足要求，但磨铣封隔器、水力锚、硬质垢等高强度落物，磨铣效率低，工具损耗大，寿命短。二是合金颗粒形状不合理。传统磨铣工具合金颗粒都是随机形状，随着磨铣施工的进行，颗粒逐渐磨损，切削齿被磨平，无法产生新的切削齿，磨铣效率大幅降低。三是工具结构不合理。传统磨铣工具磨铣底面与鱼顶垂直，单纯依靠合金颗粒在钻压作用下吃入落物表面或仅仅靠摩擦作用进行磨铣，施工温度高，导致合金性能降低，对工具损伤严重；同时，磨铣碎屑单纯依靠水力冲刷作用，排出效率低，导致碎屑在鱼顶产生堆积，当堆积到一定程度时，在鱼顶以上产生碎屑层，阻碍了磨鞋与落物的接触，降低了磨铣效率。四是磨铣工具针对性差。对于不稳定落物、水泥卡油管、封隔器、桥塞等复杂磨铣施工，没有针对性的磨铣工具，出现无进尺、磨鞋单点穿孔等问题，磨铣效率低[6]，磨铣工具下入和取出速度慢[7]。因此，开展高效磨铣工艺研究，模拟磨鞋磨铣过程，优化设计切削尺刀具工作参数、结构和材料，研制高效磨铣工具，大幅提高磨铣效率，对作业系统提速提效意义重大。
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刀具和油管为双向面面接触，采用八节点六面体单元划分刀具和油管，利用ANSYS LS-DYNA有限元软件，建立物理模型及有限元模型，如图1所示，利用mm-kg-s单位系统建模。刀具采用*MAT_ELASTIC材料模型，油管采用*JC材料模型，油管参数、刀具切削齿参数如表1和表2所示。网格划分采用Mixed形式，并在接触位置加密，有限节点数为103752，边界采用BOUNDARY_SPC约束，钻压与移动速度采用曲线形式加载，刀具与油管接触类型为CONTACT_AUTOMATIC_SUEFACE_TO_SURFACE，油管破碎通过有限元节点去除，为提高求解稳定性采用沙漏Hourglass模式。
Figure 1. Model showing the high-speed cutting of production tubing by the cutting tool
密度ρ/(kg · m−3) 弹性模量E/GPa 泊松比 屈服强度/MPa 硬度/HRC 屈服应力强度A/MPa 应变强化常数B/MPa 应变率强化参数n 应变强化指数C 温度应变率灵敏度m 7850 200 0.33 552 23 525 101 0.081 0.1739 1.635 Table 1. Production tubing parameters
密度ρ/(kg · m−3) 弹性模量E/GPa 泊松比 屈服强度/MPa 硬度/HRC 14500 600 0.22 2900 81 Table 2. Cutter parameters of the cutting tool
刀具在钻压作用下压入油管，在横向速度下，开始挤压剪切刀具前缘油管，当剪切应力大于油管屈服强度时，油管开始断裂。随着刀具的前行，刀具不断切削油管，钻屑逐渐剥离油管本体。刀具切削油管等效应力、应变分布如图2所示，刀具高速切削产生的等效应力(约为1,163 MPa)远大于油管屈服强度(N80油管屈服强度约为552 MPa)，等效应力较大值位于刀具与油管接触区域的油管本体上。刀具高速切削产生的等效塑性应变最大值约为2.358×10−2，等效应变的较大值位于刀具底部和切削后油管本体切削表面区域。随着刀具的不断切削，油管体积和质量不断减小。
Figure 2. Equivalent stress and strain distributions of the tool during tubing cutting
磨铣刀具在钻压作用下压入油管，刀具前刀面附近的工件材料受到刀具横向运动挤压后堆积在前刀面上，随着刀具横向运行，刀具对油管内部产生的剪切应力超过油管屈服极限后，油管内部发生剪切断裂，油管碎屑逐渐从油管本体上剥离。
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切削角为刀具底面与油管接触面的夹角。等效应力应变随切削角的变化如表3所示，随着切削角的增加，刀具产生的等效应力先增大后减小，切削角较小时，刀具对油管作用力在竖直方向的压入分力较小，导致压入深度浅，刀具前缘切削量降低，相应地产生的等效应力也小。切削角较大时，刀具切削前缘的油管开始挤压刀具，对刀具前进起到阻碍作用，影响刀具的横向剪切拉伸，产生的等效应力减小。等效应变随切削角的变化规律与等效应力一致。切削角在10°~15°时，刀具产生的等效应力、塑性应变最大。
切削角/° 等效应力/MPa 等效应变 5 817.6 6.702×10−3 10 918.1 1.011×10−2 15 1162.0 1.423×10−2 20 874.1 1.411×10−2 25 843.8 6.112×10−3 Table 3. Variation of equivalent stress and strain with the cutting angle
切削角对切削质量的影响规律如图3所示，随着切削角增大，切削质量先增大后减小。切削角较小时，刀具的压入深度浅，切削质量小；切削角较大时，刀具前缘油管的挤压和对油管水平方向分力减小，影响横向切割，切削质量也变小；切削角10°~15°时，油管切削质量最大。切削角10°~15°时刀具切削效果较好。
Figure 3. The pattern of effects of cutting angles on the cutting mass
切削角对切削体积的影响规律如图4所示，随着切削角增大，切削体积先增大后减小。切削角较小时，刀具对油管作用力在竖直方向的分力较小，导致压入深度浅，切削体积小；切削角较大时，刀具压入油管深度过深，影响横向切割，同时角度增加，刀具对油管作用力在水平方向分力变小，也影响了横向切削，因此切削体积也变小。切削角10°~15°时，油管切削体积最大。
Figure 4. The pattern of effects of cutting angles on the cutting volume
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侧向角为刀具侧面与旋转方向的夹角。等效应力应变随侧向角变化如表4所示，随着侧向角增大，等效应力先增大后减小。侧向角较小时，刀具前缘切削产生的碎屑不能及时离开切削区域，阻碍了刀具的进一步切削，产生的等效应力较小；侧向角较大时，刀具对油管的作用力在横向上沿着刀具运动方向上的分力减小，影响横向剪切破碎，产生的等效应力减小。随着侧向角的增加，等效塑性应变先增大后减小，和等效应力的规律一致。侧向角5°时，刀具产生的等效应力、应变最大。
侧向角/° 等效应力/MPa 等效应变 3 1150.0 1.188×10−2 5 1162.0 1.433×10−2 7 868.2 9.225×10−3 9 820.0 9.201×10−3 11 810.7 8.000×10−3 Table 4. Variation of equivalent stress and strain with lateral angle
侧向角对切削质量的影响规律如图5所示，随着侧向角的增加，切削质量先增大后减小。侧向角较小时，钻屑不能及时离开切削区域，易导致重复切削；侧向角度较大时，刀具横向切割产生的切削力在沿着刀具运动方向上的分力减小， 不利于刀具向前横向切削，切削质量也变小。侧向角5°时，油管的切削质量最大。
Figure 5. The pattern of effects of roll angles on the cutting mass
侧向角对切削体积的影响规律如图6所示，随着侧向角度的增加，切削体积先增大后减小。侧向角度较小时，刀具切削油管产生的钻屑不能及时离开切削区域，易导致钻屑的重复切削，切削体积小；侧向角度较大时，刀具横向切割对油管产生的切削力沿刀具运动方向上的分力减小，不利于刀具向前切削，因此切削体积变小。侧向角5°时，油管切削体积最大。
Figure 6. The pattern of effects of roll angles on the cutting volume
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常用磨铣刀具材料是硬质合金，性能包括硬度、强度、耐磨性、稳定性、冲击韧性等[8-11]。目前主流合金材料有YG8、YG535以及进口合金3种，性能对比如下：YG8为钨钴类硬质合金，黏结剂为Co，密度14.6~14.9 g/cm³，硬度89 HRA，抗弯强度1500 MPa，强度高、抗冲击性好，但耐磨性低，切削速率低，适用于铸铁、有色金属的低速切削加工；YT535合金是一种新型硬质合金材料，属于YT5系列，密度为12.7~13.2 g/cm³，硬度达90.5 HRA，抗弯强度1760 MPa，耐磨性、红硬度高，能有效抵抗震动和冲击，适合高强度、高韧性合金钢的中速切削加工；进口合金硬度高(86~93 HRA)，热硬性好(可达900~1 000 ℃，保持60 HRC)，耐磨性好。硬质合金刀具比高速钢切削速度高4~7倍，刀具寿命高5~80倍，可切削50 HRC左右的硬质材料。
连续切削时间为10 min，采用精密工具显微镜测量刀片磨损量，对每个切削刃的磨损值测量3次，记录切削刃的磨损平均值，磨损试验结果如表5所示，磨铣相同材料，进口合金的磨损值远低于其他2种硬质合金。性能差的合金细小的WC颗粒边界分明，粒子之间属于物理黏结的机械结合，没有充分烧结，留下了很多未被充填的空隙，结合强度不可能很高，粉末颗粒容易被剥落。进口合金等高性能合金，WC为粉末状没有明显边界，细小的粉末已经完全熔合为一体，结晶成明显的晶粒，晶粒非常小，约0.2 mm，这种组织使得进口硬质合金具有更高的抗冲蚀磨损能力。
合金 切削刃磨损值/mm 平均值/mm YG8 0.18 0.18 0.18 0.18 YT535 0.16 0.15 0.16 0.157 进口合金 0.08 0.07 0.06 0.07 Table 5. Milling performance of cemented carbide materials
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为增加合金颗粒出齿率，提高磨铣效率[12-15]，保证磨鞋总进尺数，设计多菱形硬质合金颗粒，当最前端的刃角磨损后，新的刀具刃角不断暴露出来进行磨铣。该合金颗粒有16个切割点和8个切割边，如图7所示。
Figure 7. Multi-rhombus cemented carbide
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针对封隔器设计了新型高效平底磨鞋，切削齿切削角10°，倾向角5°，合金厚度30 mm。切削前端为块状合金，其他部分布置多菱形合金颗粒。高效平底磨鞋设计为3瓣，水眼按照1＃水眼直径16 mm、倾角20°，2＃水眼直径16 mm、倾角30°，3＃水眼直径18 mm、倾角20°顺时针布置，如图8所示。
Figure 8. Novel high-efficiency flat mill shoe
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针对水泥卡管柱设计了新型高效凹底磨鞋，切削齿切削角10°、倾向角5°、凹面角15°，合金厚度30 mm。切削前端为块状合金，其他部分布置多菱形合金颗粒。高效凹底磨鞋设计为3瓣，水眼按照1＃水眼直径16 mm、倾角20°，2＃水眼直径16 mm、倾角30°，3＃水眼直径18 mm、倾角20°顺时针布置，如图9所示。
Figure 9. Novel high-efficiency concave mill shoe
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针对不稳定落物设计了新型高效领眼磨鞋，在Φ50 mm领眼杆上布置4块磨铣翼板，每块翼板长0.24 m，布有块状合金，翼板切削面为5°侧向角；在靠近领眼端部，均布3块磨铣合金及碎合金，外径58 mm，用于清理落鱼内腔，如图10所示。
Figure 10. Novel high-efficiency pilot mill shoe
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工具研制成功后，共进行现场磨铣施工57井次，其中磨铣油管37井次，磨铣封隔器20井次，磨铣效率平均提升40%。在GOGD827-9井，磨铣隔热管施工中，前期下Φ152 mm常规凹底磨鞋，磨铣效率仅0.04 m/h。后使用Φ152 mm四瓣高效凹底磨鞋，磨铣效率提升至0.29 m/h，高效凹底磨鞋应用前、后，如图11所示。
Figure 11. High-efficiency concave mill shoe before and after use
在现场试验中，结合前期数值模拟及相关标准，通过不断调整、验证，初步确定了3种工具磨铣J55、N80两种钢材时的施工参数，如表6所示。
工具 J55钢材 N80钢材 钻压/
kN转速/
(r · min−1)钻压/
kN转速/
(r · min−1)高效平底磨鞋 18~30 70~100 20~40 70~100 高效凹底磨鞋 20~35 70~120 25~45 80~120 高效领眼磨鞋 15~30 80~120 18~35 80~120 Table 6. Operating parameters of milling
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针对常规磨鞋磨铣过程中遇到的各种问题，通过对磨铣工具切削机理、刀具参数、材料和结构设计优化，研制出平底、凹底和领眼3种结构磨鞋，并结合现场试验结果得出以下结论：
(1)分析了刀具切削油管的等效应力和应变的分布规律，刀具切削油管产生的等效应力(约为1163 MPa)远大于油管屈服强度(N80油管屈服强度约为552 MPa)，等效应力较大值位于刀具与油管接触区域的油管本体上。
(2)通过对刀具切削油管动态响应分析，得出刀具前刀面附近油管材料受到刀具横向运动挤压后堆积在前刀面上，随着刀具旋转，刀具对油管内部产生的剪切应力超过油管的屈服极限后，油管内部发剪切断裂，逐渐从油管本体上剥离。
(3)模拟与分析得到，切削齿切削角在5~10°、倾向角5°时，切削效果最好；进口合金磨损值远低于YG8、YG535两种材料；增加合金颗粒出齿率，可提高磨铣效率，保证磨鞋总进尺。
(4)研制出三种平底、凹底和领眼三种结构磨铣工具，现场试验表明，磨铣效率平均可提升40%。
Research and testing of high-efficiency milling technology
- Rev Recd Date: 2022-07-11
- Available Online: 2023-03-23
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Key words:
- milling /
- mill shoe /
- tool structure /
- rhombus cemented carbide
Abstract: To improve the low milling rate and rapid wearing of conventional milling shoes, the cutting mechanism, structure, materials, and operating parameters of milling tools were investigated, and a novel high-efficiency milling tool was designed. The results showed that the cutter design with cutting angles of 5°−10° and a dip angle of 5° delivers the optimal cutting performance; the application with imported alloy materials is associated with the least wear rate; the milling efficiency is the highest, with alloy materials designed as multiple rhombi. Moreover, based on the downhole complex issues, three mill shoe structures were proposed, namely the flat, concave and pilot mill shoes. The field testing confirmed that the application of high-efficiency milling tools improves the average milling efficiency by 40% and the invention has the potential for application promotion.
| Citation: | WANG Qi, HAN Xiaoqiang, SUN Baojing, CHANG Fangrui, ZHANG Xianchao, YOU Guanqun. Research and testing of high-efficiency milling technology[J]. Oil Drilling & Production Technology, 2022, 44(6): 1-6
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