完井管串密封筒鏜滾加工研究及應(yīng)用

陳西國(guó)

中海石油（中國(guó)）有限公司天津分公司 天津 300452

在海上注水井和開(kāi)發(fā)井完井過(guò)程中，為了實(shí)現(xiàn)分層注采和細(xì)分層系，完井管柱根據(jù)油層分布預(yù)置多組業(yè)內(nèi)通用規(guī)格的高精度密封筒長(zhǎng)期留在井筒內(nèi)，后期通過(guò)下入攜帶各廠家通用規(guī)格隔離密封的分采分注管柱進(jìn)行層間封隔，與此同時(shí)，隨著單井后期采用增產(chǎn)增注等修井措施的愈加頻繁，海上油田對(duì)完井管柱密封筒的耐磨性和可靠性要求越來(lái)越高[1-3]。然而，國(guó)內(nèi)制造密封筒一般采用精鏜和珩磨加工直接成形，其內(nèi)孔密封面的耐磨能力不足，后期在動(dòng)管柱頻繁過(guò)油管和工具等過(guò)程中容易導(dǎo)致內(nèi)孔密封面出現(xiàn)劃損或溝槽，故而密封失效的風(fēng)險(xiǎn)高且大修更換密封筒的成本高[4-5]。為此，中海油在平均每年近千套完井工具需求的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新采用了一種適用于完井管柱系列密封筒制造的精鏜和滾壓一體加工方法，同時(shí)對(duì)五種規(guī)格和兩種材質(zhì)的密封筒滾壓參數(shù)進(jìn)行了分析、優(yōu)化和試驗(yàn)研究，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用進(jìn)行了測(cè)試驗(yàn)證，最終形成并固化了一套成熟的密封筒精鏜和滾壓一體生產(chǎn)工藝技術(shù)，為四海增注增產(chǎn)提供了有力的技術(shù)支撐。

1 精鏜滾壓一體加工原理

目前海上油田常用密封筒系列內(nèi)孔直徑為82.55mm、98.55mm、101.6mm、120.65mm和152.4mm五種，長(zhǎng)度為830mm～1200mm，長(zhǎng)徑比L/D為5.5～13，其中密封筒最小壁厚為4.7mm，屬于薄壁高精度深孔，結(jié)構(gòu)如圖1所示，其材料一般為合金鋼4140和不銹鋼13Cr，為了滿足后續(xù)插入密封的要求，要求密封筒內(nèi)孔密封面的尺寸精度高于IT8，內(nèi)孔表面粗糙度Ra≤0.4μm，圓柱度誤差≤0.025mm。國(guó)內(nèi)常規(guī)珩磨加工無(wú)法改善內(nèi)孔密封面的耐磨性等機(jī)械強(qiáng)度性能，使密封筒壽命達(dá)不到頻繁動(dòng)管柱的設(shè)計(jì)指標(biāo)，且珩磨加工的工藝路線長(zhǎng)，耗費(fèi)工時(shí)多，過(guò)程質(zhì)量失控的風(fēng)險(xiǎn)高，同時(shí)珩磨需要多次精修基準(zhǔn)面才能保證精度要求，工作效率相對(duì)較低。采用滾壓加工技術(shù)目前是改善密封筒耐磨性等最好的選擇。

圖1 密封筒結(jié)構(gòu)圖

精鏜和滾壓一體加工技術(shù)是采用一體式鏜滾頭進(jìn)行先精鏜后滾壓的一種無(wú)切削塑性加工方法。滾壓加工是利用金屬在常溫狀態(tài)的冷塑性特點(diǎn)，通過(guò)定制大小的滾壓頭對(duì)密封筒內(nèi)孔密封面施加一定的壓力，使密封面表層金屬產(chǎn)生塑性流動(dòng)，填入到原始?xì)埩舻牡桶疾ü戎?，進(jìn)而提高表面光潔度。同時(shí)被滾壓的密封面表層金屬產(chǎn)生塑性變形，使表層組織冷硬化和晶粒變細(xì)，形成致密纖維狀的殘余應(yīng)力層，其表面硬度和強(qiáng)度得以提高，從而改善了內(nèi)孔密封面的耐磨性、耐蝕性和配合性。

精鏜和滾壓一體加工的優(yōu)點(diǎn)是：

1）內(nèi)孔密封面的表面質(zhì)量好，滾壓加工可以提高內(nèi)孔表面粗糙度和修正圓度，同時(shí)擠壓后可在內(nèi)孔表面產(chǎn)生硬化層，提高其耐磨性和疲勞強(qiáng)度。

2）加工效率高，精鏜和滾壓一體加工最快可通過(guò)一次進(jìn)給將工具內(nèi)孔加工至需要的設(shè)計(jì)尺寸，工作效率是珩磨的5倍以上。

3）經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)明顯，一體式鏜滾頭相比專門(mén)的珩床可安裝在常規(guī)機(jī)床上進(jìn)行作業(yè)，同時(shí)其滾壓柱相比珩磨用油石的磨損更換頻率明顯降低，綜合成本低。

2 鏜滾一體加工設(shè)備優(yōu)選

鏜滾一體加工設(shè)備主要由加工機(jī)床、一體式鏜滾頭和專用夾持中心架組成。

2.1 加工機(jī)床的要求

鏜滾加工機(jī)床可使用深孔鉆床進(jìn)行生產(chǎn)，可提供最大軸向工作長(zhǎng)度為2000mm，最大夾持工件外徑為300mm，最大工作轉(zhuǎn)速300轉(zhuǎn)/min。

2.2 一體式鏜滾頭的定制

一體式鏜滾頭主要包括刀柄、滾壓柱和精鏜刀塊，如圖2所示。其中滾壓柱安裝在刀柄上的外徑則根據(jù)密封筒內(nèi)孔密封面的設(shè)計(jì)尺寸進(jìn)行定制，如120.65mm密封筒的滾壓柱外徑為120.65～120.75，要求其尺寸精度高于IT6。

圖2 一體式鏜滾頭結(jié)構(gòu)圖

2.3 專用夾持中心架的研制

針對(duì)系列密封筒外徑大、管體長(zhǎng)和內(nèi)外基準(zhǔn)更換夾持頻繁等特點(diǎn)，以及完井管柱對(duì)密封筒的同軸度和圓柱度要求高，使用傳統(tǒng)中心架夾持時(shí)，存在找正時(shí)間長(zhǎng)和有效工作轉(zhuǎn)速受限的技術(shù)瓶頸，為此，配套研制了四芯聯(lián)動(dòng)找正的專用中心架，如圖3所示，其可安裝在鉆床、車床、磨床等常規(guī)機(jī)床配套使用，該中心架主要由全周整體軸承傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、四芯補(bǔ)償夾持機(jī)構(gòu)和底座組成，首先根據(jù)工件長(zhǎng)度將該中心架預(yù)置在車床導(dǎo)軌上，然后吊送密封筒至機(jī)床卡盤(pán)并預(yù)緊一端，移動(dòng)中心架至工件夾持位置，再通過(guò)手動(dòng)扳手調(diào)節(jié)四個(gè)頂芯夾持工件，最后打表找正并終擰夾緊。由于該裝置采用四個(gè)均布的獨(dú)立頂芯，相比常規(guī)中心架可實(shí)現(xiàn)快速找正，且每芯可獨(dú)立補(bǔ)償而不受頂芯磨損影響。采用全周整體軸承傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，相比常規(guī)中心架的夾持更加穩(wěn)定，同時(shí)可保證較高工作轉(zhuǎn)速下的穩(wěn)定性。該裝置為密封筒加工節(jié)省了安裝找正的冗余時(shí)間，提高了工作效率，降低了運(yùn)轉(zhuǎn)振動(dòng)影響，提高了表面質(zhì)量，為密封筒的批量生產(chǎn)提供了技術(shù)保障。

圖3 傳統(tǒng)中心架和專用中心架

3 制造工藝要求

3.1 工藝流程

由于目前市場(chǎng)難以采購(gòu)到匹配規(guī)格的管材，現(xiàn)采用原材料為熱軋圓鋼進(jìn)行粗加工、鉆孔、調(diào)質(zhì)和半精加工成預(yù)制密封筒，然后經(jīng)精鏜和滾壓一體加工為成品。具體生產(chǎn)工藝流程：

熱軋棒材→下料→粗車外圓→鉆孔→調(diào)質(zhì)處理→磁力探傷→超聲波探傷→硬度檢測(cè)→半精車外圓→車修外基準(zhǔn)面→倒外圓夾持→粗鏜、半精鏜→車修內(nèi)基準(zhǔn)面→精鏜和滾壓內(nèi)孔→尺寸檢測(cè)→硬度檢測(cè)→精車成形→尺寸檢測(cè)→表面處理（密封筒內(nèi)孔密封面需保護(hù)勿處理）→外觀檢測(cè)→內(nèi)孔密封面涂抹黃油→包裝入庫(kù)。

3.2 密封筒用選材

對(duì)于常規(guī)井況，密封筒參考美國(guó)AISI4140鋼材料要求選擇國(guó)產(chǎn)熱軋鋼40CrMnMo鋼，牌號(hào)為4145H，其冶煉方法為：電爐+真空脫氣冶煉。對(duì)于含H2S和CO2腐蝕井況，密封筒亦可選擇國(guó)產(chǎn)沉淀不銹鋼13Cr。

3.3 材料的熱處理

按照密封筒設(shè)計(jì)要求，國(guó)產(chǎn)4145H材質(zhì)密封筒經(jīng)熱處理后的力學(xué)性能為：硬度280～320HB，屈服強(qiáng)度σs≥780MPa，抗拉強(qiáng)度σb≥980MPa，伸長(zhǎng)率σs≥15%，沖擊功AKV≥55J。國(guó)產(chǎn)13Cr材質(zhì)密封筒經(jīng)熱處理后的力學(xué)性能為：硬度180～220HB，屈服強(qiáng)度σs≥440MPa，抗拉強(qiáng)度σb≥640MPa，伸長(zhǎng)率σs≥20%，沖擊功AKV≥63J。

3.4 對(duì)滾壓加工前預(yù)制管的要求

密封筒精鏜和滾壓一體加工是在半精鏜孔的基礎(chǔ)上進(jìn)行的深孔加工，其中滾壓前的預(yù)制密封筒尺寸和表面精度會(huì)影響成品的表面質(zhì)量，以加工長(zhǎng)度為1m的120.65mm密封筒為例，首先下料深孔鉆至φ119mm，表面粗糙度Ra≤12.5μm，然后半精鏜至φ120mm，表面粗糙度Ra≤6.3μm，最后車修基準(zhǔn)面后進(jìn)行鏜滾加工，其中精鏜刀塊的預(yù)設(shè)精鏜尺寸至φ120.65mm，要求控制精鏜表面粗糙度Ra≤3.2μm，以備滾壓至φ120.65mm的成形尺寸。

3.5 滾壓加工參數(shù)優(yōu)化

影響密封筒內(nèi)孔滾壓質(zhì)量的滾壓參數(shù)有滾壓盈量、滾壓次數(shù)、滾壓進(jìn)給量和滾壓速度，然而，在其它參數(shù)一定的條件下，其影響滾壓效果的主要因素是滾壓盈量的大小，當(dāng)滾壓盈量過(guò)小，效果不明顯，過(guò)大則會(huì)造成內(nèi)孔表面產(chǎn)生疏松脫皮等現(xiàn)象，通過(guò)分別試制4145H和13Cr材質(zhì)各3件長(zhǎng)度相同、內(nèi)徑為120.65mm規(guī)格的密封筒，對(duì)比密封筒滾壓前后，其表面毛刺和加工刀痕被碾壓平整，但當(dāng)滾壓盈量超過(guò)0.06mm后，內(nèi)孔表面因?yàn)檫^(guò)渡硬化而出現(xiàn)了細(xì)微的脫皮損傷，同時(shí)對(duì)比滾壓盈量變化下的測(cè)試結(jié)果，優(yōu)選4145H和13Cr材質(zhì)密封筒的滾壓盈量為0.02-0.04mm，其表面粗糙度明顯提高到了0.4μm，表面硬度提高4～8HV，滾壓盈量的最大影響層厚度為0.2mm，故密封筒內(nèi)孔密封面經(jīng)滾壓后的表面質(zhì)量得到了明顯改善。

4 應(yīng)用情況

為了驗(yàn)證滾壓成形密封筒的耐磨性和工作可靠性，2016年至今，在渤海油田累計(jì)應(yīng)用了250余個(gè)密封筒，其中以渤海某井的1次5層礫石充填完井防砂作業(yè)為例，單井下入內(nèi)徑為120.65mm的密封筒數(shù)量19個(gè)，同時(shí)逐層進(jìn)行充填陶粒，故在頻繁活動(dòng)服務(wù)管柱進(jìn)行找位、測(cè)試、充填和反循環(huán)作業(yè)時(shí)，其中頂層密封筒在整個(gè)完井作業(yè)過(guò)程中因動(dòng)管柱通過(guò)密封短節(jié)約210余次，同時(shí)完井管柱上的密封筒將在存留砂漿的惡劣環(huán)境下進(jìn)行動(dòng)管柱的滑動(dòng)磨損測(cè)試，然后在進(jìn)行驗(yàn)滑套過(guò)程中同步檢驗(yàn)密封筒的密封性，最后下入分采管柱并投產(chǎn)，后續(xù)跟蹤該井在投產(chǎn)過(guò)程中是否有密封筒失效后的油套同壓現(xiàn)象。該井的完井?dāng)?shù)據(jù)和目前分采管柱在密封筒中的工作情況如表1所示。

表1 渤海某井分采管柱的密封筒工作情況

根據(jù)完井?dāng)?shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，滾壓成形后的密封筒在頻繁動(dòng)管柱和投產(chǎn)之后均能正常密封，避免了動(dòng)管柱磨損造成的失效風(fēng)險(xiǎn)，相比常規(guī)機(jī)加成形的密封筒提高了表面質(zhì)量。同時(shí)，研究發(fā)現(xiàn)，已應(yīng)用于渤海某注水井的82.55mm和152.4mm完井密封筒因動(dòng)管柱插拔洗井每年平均2次，其層間驗(yàn)封均合格。綜上所述，精鏜和滾壓一體加工方法在完井密封筒上的創(chuàng)新應(yīng)用和優(yōu)化研究，明顯改善了密封筒內(nèi)孔密封面的耐磨性和配合密封的可靠性。

5 總結(jié)

（1）創(chuàng)新應(yīng)用的精鏜和滾壓一體加工方法可適用于海上油田常用內(nèi)孔直徑為82.55mm、98.55mm、101.6mm、120.65mm和152.4mm五種系列密封筒的加工制造，該技術(shù)可提高密封筒內(nèi)孔密封面的表面硬度、強(qiáng)度，從而改善其耐磨性、耐蝕性和密封配合的可靠性。

（2）通過(guò)對(duì)比測(cè)試，優(yōu)選4145H和13Cr材質(zhì)密封筒的滾壓盈量為0.02～0.04mm，其表面粗糙度明顯提高到0.4μm，表面硬度增加了4～8HV，內(nèi)孔密封表面質(zhì)量得到了顯著改善。

（3）通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用證明，研究并固化形成的一種完井管柱系列密封筒鏜滾一體加工技術(shù)明顯改善了密封筒內(nèi)孔密封面的耐磨性和配合密封的可靠性，為海上油田增注增產(chǎn)提供了技術(shù)支撐。