席仲琛 左挺 姜海龍

1.川慶鉆探工程有限公司長(zhǎng)慶井下技術(shù)作業(yè)公司；2.西安石油大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院

復(fù)合橋塞封隔分段多簇壓裂技術(shù)迄今已累計(jì)應(yīng)用超過(guò)15年，已成為國(guó)內(nèi)外非常規(guī)油氣藏開(kāi)發(fā)的主體技術(shù)之一，在北美非常規(guī)油氣開(kāi)發(fā)中占據(jù)著80%以上的市場(chǎng)［1］。該工藝實(shí)施后期，需鉆除復(fù)合橋塞（以下簡(jiǎn)稱鉆塞），恢復(fù)井筒暢通，便于后期其他井筒作業(yè)。以美國(guó)為例，僅2013年就約有14萬(wàn)～20萬(wàn)個(gè)復(fù)合橋塞被鉆除［2］。目前形成2種鉆塞技術(shù)：連續(xù)油管鉆磨和有節(jié)箍管柱鉆磨。大量的鉆塞作業(yè)不僅豐富和完善了鉆磨技術(shù)，也促進(jìn)了磨鞋設(shè)計(jì)制造技術(shù)的發(fā)展。

2015年以來(lái)，國(guó)內(nèi)自主研制的和Halliburton等國(guó)外公司［3］推出的可溶橋塞先后在吐哈油田、新疆油田、長(zhǎng)慶油田等進(jìn)行了試驗(yàn)和推廣［4］。因壓裂結(jié)束時(shí)間遠(yuǎn)早于全井橋塞徹底溶解完成時(shí)間，另外受井溫和礦化度等因素影響而導(dǎo)致的溶解慢和溶解不徹底等問(wèn)題，壓后需下入鉆磨管柱鉆除井筒殘余的可溶橋塞?？扇軜蛉黧w材料硬度約為HB100，結(jié)構(gòu)與復(fù)合橋塞類似，長(zhǎng)慶油田目前主要使用復(fù)合橋塞專用磨鞋進(jìn)行可溶橋塞的鉆磨，平均效率為 5～6 塞/d。

國(guó)外主導(dǎo)了鉆塞磨鞋的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)、應(yīng)用及改進(jìn)，國(guó)內(nèi)在2010年后隨著分段多簇壓裂技術(shù)的規(guī)模應(yīng)用才開(kāi)始研發(fā)鉆塞專用磨鞋。國(guó)內(nèi)外鉆塞作業(yè)普遍使用硬質(zhì)合金磨鞋［5-6］，其本身不含可動(dòng)部分，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工容易，經(jīng)濟(jì)耐用；國(guó)外也曾使用過(guò)三牙輪鉆頭［7］，國(guó)內(nèi)則應(yīng)用很少，如美國(guó)鷹灘地區(qū)曾應(yīng)用57井次［8］，雖然其成屑尺寸較小，反扭矩也較?。?］，但需要較大鉆壓，尤其在水平井趾部作業(yè)時(shí)加鉆壓較難，另外牙輪部分易斷脫落井；PDC鉆頭在國(guó)外應(yīng)用越來(lái)越多［10］，國(guó)內(nèi)未見(jiàn)應(yīng)用，Jesus Barraza等建議一趟鉆鉆塞數(shù)量大于70個(gè)時(shí)應(yīng)采用PDC鉆頭［11］，其優(yōu)點(diǎn)是鉆進(jìn)速度快，耐磨性好，但價(jià)格高；刮刀鉆頭［12］等其他類型的鉆頭未見(jiàn)使用。

復(fù)合橋塞作為壓裂過(guò)程中臨時(shí)性封堵已壓層段和待壓層段的井筒封隔工具，由丁腈橡膠、球墨鑄鐵、強(qiáng)化的玻璃纖維等材料［9］通過(guò)纏繞成型、模壓成型等工藝［13］加工制造而成，其特定的材質(zhì)和結(jié)構(gòu)、通常多個(gè)布放的特點(diǎn)、鉆除時(shí)對(duì)鉆磨效率和成屑尺寸的要求都對(duì)磨鞋的選擇提出了更高的要求。如今硬質(zhì)合金磨鞋已成為鉆塞的主流磨鞋，筆者主要討論各種類型的硬質(zhì)合金磨鞋在使用過(guò)程中存在的問(wèn)題，為其改進(jìn)完善提供建議。

1 硬質(zhì)合金切削元件的類型

硬質(zhì)合金磨鞋是在磨鞋基體上釬焊［14］硬質(zhì)合金切削元件而成。硬質(zhì)合金由難熔金屬的硬質(zhì)化合物和粘結(jié)金屬（主要是鈷）通過(guò)粉末冶金工藝制成。磨鞋上使用的硬質(zhì)合金以鎢鈷類(YG)為主，從外觀形狀上分為硬質(zhì)合金顆粒和硬質(zhì)合金柱兩種［15］。前者是將燒結(jié)碳化鎢合金壓碎成隨機(jī)形狀和隨機(jī)粒徑的顆粒，后者是將碳化鎢粉末放入成型溫度下的模具型腔中模壓成一定形狀的合金塊，也稱為硬質(zhì)合金鈕。國(guó)外有對(duì)稱金字塔形、圓柱體形、星形、圓角長(zhǎng)方體形、短四棱柱形、短六棱柱形等形狀的硬質(zhì)合金柱，國(guó)內(nèi)則普遍采用短圓柱體形硬質(zhì)合金柱，部分模壓成形的硬質(zhì)合金柱見(jiàn)圖1。

圖1 模壓成形的硬質(zhì)合金柱Fig.1 Molded carbide column

隨機(jī)形狀的硬質(zhì)合金顆粒和固定形狀的硬質(zhì)合金柱可制成3類不同齒面結(jié)構(gòu)的磨鞋。第1類是將硬質(zhì)合金顆粒堆焊在磨鞋本體端面；第2類是將硬質(zhì)合金柱按一定規(guī)律堆焊在磨鞋本體端面；第3類磨鞋，一般會(huì)有數(shù)個(gè)由本體延伸出來(lái)與其底面垂直的翼板［16］，按磨鞋旋轉(zhuǎn)方向，在翼板前立面的本體端面孕鑲一部分硬質(zhì)合金柱，在后立面堆焊一部分硬質(zhì)合金顆粒，見(jiàn)圖2。國(guó)內(nèi)學(xué)者指出［17］，第1類磨鞋以磨蝕機(jī)理為主，第2類磨鞋以切削機(jī)理為主，第3類磨鞋兼有磨蝕和切削機(jī)理。

國(guó)內(nèi)使用第1類磨鞋較少，近年來(lái)主要使用第3類磨鞋。如在套變水平井鉆塞中，為確保成屑尺寸小且均勻，采用了第1類磨鞋［18］，又如硬質(zhì)合金柱為圓柱體形的第3類磨鞋曾一趟鉆鉆塞13個(gè)［19］，劉巨保等［20］以第3類磨鞋為研究對(duì)象建立了復(fù)合橋塞切削模型。

圖2 6刃磨鞋底面布局Fig.2 Arrangement of the bottom surface of six-blade milling shoe

國(guó)外主要使用后兩類磨鞋，美國(guó)巴肯地區(qū)曾使用1只第2類磨鞋（?95.25 mm鑲焊對(duì)稱金字塔形硬質(zhì)合金柱的磨鞋）以一趟鉆的作業(yè)方式在2口井中鉆塞79個(gè)，刷新了單只磨鞋鉆塞數(shù)量的記錄［15］。Steven Craig 等［5］和 Adam Larsen 等［15］介紹的鑲焊星形硬質(zhì)合金柱的磨鞋屬于第2類磨鞋。Darren Huynh等［9］介紹的是焊接圓柱形硬質(zhì)合金柱和硬質(zhì)合金顆粒的第3類磨鞋。國(guó)外Baker Hughes，Weatherford等公司在國(guó)內(nèi)提供鉆塞技術(shù)服務(wù)所用的或面向國(guó)內(nèi)市場(chǎng)出售的磨鞋普遍也是第3類。

另外，在接頭體與大端部分過(guò)渡的斜臺(tái)肩處堆焊硬質(zhì)合金顆粒是國(guó)內(nèi)外磨鞋普遍做法，用于回拖管柱時(shí)磨削管路中未及時(shí)上返的碎屑［6］，這也是鉆塞專用磨鞋區(qū)別于其他磨鞋的顯著特征。國(guó)內(nèi)的硬質(zhì)合金磨鞋在整體結(jié)構(gòu)和齒面布局方面同國(guó)外差距不大，但硬質(zhì)合金綜合性能和焊接工藝方面稍顯不足，尤其是在特定形狀的硬質(zhì)合金柱的開(kāi)發(fā)方面更為明顯［21］。

2 水眼和刃數(shù)的類型

磨鞋一般設(shè)置有若干個(gè)與其本體中心管連通的水眼，水眼通常在以磨鞋底面中心為圓心的圓上均布，其直徑8～14 mm。底部中心和相鄰2個(gè)水眼中心的連線與底面外輪廓線所圍成的扇形區(qū)域?yàn)橐粋€(gè)獨(dú)立的磨削單元，稱為刃。最優(yōu)刃數(shù)的選擇主要考慮成屑尺寸、鉆磨速度、加工難度等因素。Gabriel Zanelleto等［22］開(kāi)展了不同刃數(shù)PDC鉆頭鉆塞現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)后指出，鉆頭刃數(shù)越多，馬達(dá)失速的幾率越小，5～6 刃性能優(yōu)于 3 刃。B.Perry 等［23］以最快鉆磨速度為目標(biāo)進(jìn)行了刃數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，指出5刃磨鞋同4刃磨鞋相比，鉆磨進(jìn)程明顯減緩，設(shè)計(jì)的4刃磨鞋可一趟鉆 24 h 內(nèi)鉆塞 22 個(gè)。Ryan Lewis等［24］針對(duì)性地設(shè)計(jì)了一種短小緊湊的6刃磨鞋用于鉆磨鋁質(zhì)橋塞，磨鞋底面交替均布鋸齒狀切削刃和平板式切屑刃，并指出鋸齒狀切削刃用于撕裂橋塞，隨后再被平板式切削刃切割成較小尺寸。國(guó)內(nèi)外鉆塞磨鞋刃數(shù)為2刃至7刃不等，以5～6刃的第3類和第2類磨鞋最為普遍，其他刃數(shù)的磨鞋也有不同程度的應(yīng)用。圖3中上左為2刃合金顆粒平面磨鞋，上中為5刃合金顆粒+短四棱柱形合金柱平面磨鞋，上右為6刃合金顆粒+短圓柱體合金柱平面磨鞋，下左為3刃合金顆粒+短六棱柱形合金柱異面磨鞋，下中為7刃合金顆粒平面磨鞋，下右為5刃合金顆粒凹面磨鞋。

圖3 磨鞋實(shí)物圖Fig.3 Real picture of milling shoe

水眼也有非對(duì)稱設(shè)置的情況，胡相君等［25］公布了一種鉆塞專用磨鞋，布置了一條偏心的沖洗水眼，目的在于提高沖洗排量；盧秀德等［26］公布了一種磨鞋，布置了與磨鞋軸線成一定角度斜向上的側(cè)水眼，以達(dá)到影響井底流態(tài)、提高攜屑效果的目的。上述2種磨鞋水眼設(shè)置的合理性還有待驗(yàn)證。B.Perry 等［23］設(shè)計(jì)了一款?93.7 mm 磨鞋，磨鞋底面中心設(shè)置有1個(gè)?12.7 mm水眼，底面邊緣均布3個(gè)?9.525 mm水眼。上述幾種類型的水眼設(shè)置均不常見(jiàn)。水眼布置型式可具有針對(duì)性，但水眼尺寸決定鉆頭水眼壓降，鉆頭水眼壓降進(jìn)而顯著影響馬達(dá)推力軸承壽命和軸承潤(rùn)滑效果［27］。

3 返水槽的類型

返水槽也是磨鞋設(shè)計(jì)的一個(gè)重要方面。國(guó)外青睞等深窄底寬頂?shù)腻F進(jìn)式返水槽，理由如B.Perry等［23］所述，磨屑如能通過(guò)磨鞋返水槽底部的較窄部分，也就自然能通過(guò)其頂部的較寬部分而順利上返。B.Perry 等［23］曾設(shè)計(jì)一款?93.7 mm 磨鞋，設(shè)置有 4 個(gè)深 10.36 mm、底寬 15.88 mm、頂寬 19.05 mm的錐進(jìn)式返水槽，但此磨鞋在鉆塞施工中曾發(fā)生鉆具阻卡而后斷脫造成落魚(yú)的事故。錐進(jìn)式返水槽的磨鞋在國(guó)內(nèi)也曾試驗(yàn)過(guò)，起鉆后發(fā)現(xiàn)返水槽中夾持有若干膠皮和卡瓦牙碎塊(見(jiàn)圖4)，正是這些膠皮和卡瓦牙碎塊在磨鞋旋轉(zhuǎn)過(guò)程中不斷刮擦套管內(nèi)壁造成了井下異常工況。國(guó)外相當(dāng)一部分磨鞋也采用等深等寬的返水槽［28］，其弊端都如前所述。

圖4 錐進(jìn)式返水槽夾持橋塞碎屑實(shí)物圖Fig.4 Real picture of bridge plug debris retained by coning water returning channel

Jose Ramon Ortiz 等［29］為增加“渦流”效應(yīng)，在磨鞋上設(shè)計(jì)了數(shù)條等距布置的螺旋式返水槽。John Yeung等［10］使用5刃帶螺旋式返水槽的硬質(zhì)合金磨鞋進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)。鑒于返水槽易夾持大塊磨屑的情況，國(guó)內(nèi)磨鞋的返水槽多采用開(kāi)放式，如擬三角形返水槽(見(jiàn)圖2)。

4 平面、凹面和異面磨鞋及其磨損方式

鉆塞作業(yè)中使用最多的硬質(zhì)合金磨鞋是平面磨鞋，其各刃共面。凹面磨鞋的各刃共一凹面，主要用于鉆磨井下小件落物和不穩(wěn)定落物，可在一定程度上扶正被鉆物；5刃和2刃凹面磨鞋曾分別在川渝和長(zhǎng)慶地區(qū)進(jìn)行過(guò)鉆塞試驗(yàn)，但其鉆磨效率較平面磨鞋未見(jiàn)優(yōu)勢(shì)。異面磨鞋各分刃不共面，主要用于鉆除鑄鐵橋塞、套管滑套閥［30］等。

磨銑刃的磨損原因［17］有黏結(jié)磨損、磨料磨損、脆性磨損、塑性變形等。研究表明［17］，不同的磨銑工況和被鉆物材料條件下，其占主導(dǎo)地位的磨損機(jī)理不同。盡管磨損具體機(jī)理仍需探討，但數(shù)量眾多的鉆塞實(shí)踐表明，無(wú)論刃數(shù)多少、硬質(zhì)合金類型及質(zhì)量、平面或凹面，硬質(zhì)合金磨鞋的磨損特征普遍以底面和周面交接線為中心的整體性均勻缺失為主，除此之外，可見(jiàn)整體剝落、崩斷、鈍化、裂紋等其他磨損形式，見(jiàn)圖5（圖中上左為5刃合金顆粒凹面磨鞋，上右為5刃合金顆粒+合金柱平面磨鞋，下左為6刃合金顆粒+合金柱平面磨鞋，下右為7刃合金顆粒平面磨鞋）。并非如 Steven Craig 等［5］和 B.Perry等［23］所指出的那樣，磨鞋底面中心易被磨蝕掏空。相反，從大量出井磨鞋的外觀來(lái)看，磨鞋底面中心的硬質(zhì)合金新度相對(duì)最高，磨損量最小。

圖5 磨鞋磨損實(shí)物圖Fig.5 Real picture of the wear of milling shoe

研究表明［17］，磨銑工具在井底有3種運(yùn)動(dòng)形式，即繞其軸線的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、向井底的鉆進(jìn)平動(dòng)、磨銑工具軸線和井筒軸線不重合時(shí)的回旋運(yùn)動(dòng)。從磨鞋底面外緣至中心逐漸減小的磨損特征及鉆塞作業(yè)間歇式送鉆的作業(yè)特征來(lái)判斷，磨鞋在井底的運(yùn)動(dòng)形式以旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)為主，磨鞋底面邊緣的線速度最大，因而其磨損量最大。同時(shí)，磨鞋在井筒中必然存在一定的回旋運(yùn)動(dòng)，則磨鞋周面與套管內(nèi)壁的碰撞摩擦在所難免，這也在一定程度上加劇了磨鞋底面外緣的磨損。因此，磨鞋加工時(shí)也應(yīng)對(duì)易磨損部位加以強(qiáng)化。

5 磨鞋尺寸的選擇

國(guó)外多按套管內(nèi)徑的95%～98%選擇磨鞋的外徑［5,9,31-32］，通過(guò)限定磨鞋外徑從而控制可以上返的碎屑尺寸［6］。Thomas Lyndsey等按套管內(nèi)徑的98%［32］選用磨鞋，也有按92%～95% 選用［28］，如國(guó)外作業(yè)者曾在?121.08 mm的套管中選用?114.3 mm的5刃磨鞋鉆塞，平均單塞鉆磨時(shí)間約20 min；美國(guó)科羅拉多州西北部超過(guò)60口井的?98.425 mm井筒中使用?91.52 mm的5刃平底磨鞋鉆塞［33］。

國(guó)內(nèi)在?124.26 mm正常井筒中通常使用的磨鞋直徑為114～116 mm。非正常井筒鉆塞時(shí)磨鞋尺寸較小，如川渝地區(qū)頁(yè)巖氣套變水平井鉆塞時(shí)采用的磨鞋尺寸為套管內(nèi)徑的75%～85%［18］，青海油田在?114.3 mm的微變形套管內(nèi)采用?90 mm磨鞋進(jìn)行了鉆塞。較常規(guī)尺寸磨鞋而言，小尺寸磨鞋鉆進(jìn)速度快，鉆磨用時(shí)短，但碎屑尺寸明顯偏大，鉆磨過(guò)程不平穩(wěn)，憋泵及泵壓和懸重不能適時(shí)恢復(fù)［19］等井下異常工況較多，特別是上提掃屑過(guò)程中遇阻明顯。較小尺寸磨鞋易將橋塞鉆磨成環(huán)形殘余物套在磨鞋上而后被攜帶出井，這種情況在國(guó)內(nèi)多次出現(xiàn)；國(guó)外Gabriel Zanelleto等也在地面捕集到典型的環(huán)狀橋塞殘余物［22］。如磨鞋尺寸過(guò)大，其大端與套管內(nèi)壁間的環(huán)空面積就會(huì)減小，碎屑上返空間就會(huì)被壓縮，一部分大尺寸碎屑不能及時(shí)上返而被重復(fù)磨銑，從而加劇了磨銑刃的磨損；另一部分大尺寸碎屑會(huì)夾持在磨鞋大端周側(cè)與套管內(nèi)壁之間，造成憋泵。國(guó)內(nèi)外的鉆塞作業(yè)多次證實(shí)，磨鞋尺寸與鉆進(jìn)速度反相關(guān)，因此選擇磨鞋尺寸時(shí)綜合考慮鉆進(jìn)速度、成屑尺寸、鉆磨進(jìn)尺與返屑效率之間的關(guān)系，盡量做到平穩(wěn)施工，減少劃眼掃屑。

6 結(jié)論

（1）組合焊接合金顆粒和合金柱的多刃平面磨鞋具有結(jié)構(gòu)合理、齒型豐富、經(jīng)濟(jì)耐用、適合鉆磨復(fù)合橋塞作業(yè)等特點(diǎn)。其大端外徑按套管內(nèi)徑的95%～98%進(jìn)行選擇，底面面型為平面，布置5～6刃；不推薦在磨鞋底面中心布置水眼或布置非對(duì)稱的水眼；每刃或每個(gè)切削單元上應(yīng)組合使用隨機(jī)形狀的合金顆粒和特定形狀的合金柱；采用開(kāi)放性的返水槽，如返水槽截面應(yīng)為擬三角形或半圓形，而非矩形或梯形；推薦在磨鞋接頭體與大端部分過(guò)渡的斜臺(tái)肩處堆焊合金顆粒。鑒于實(shí)踐證實(shí)了各類型硬質(zhì)合金磨鞋的磨損特征普遍以磨鞋底面和周面交接線為中心的整體性缺失為主，磨鞋加工時(shí)應(yīng)強(qiáng)化相應(yīng)部位耐磨性能。

（2）延長(zhǎng)磨鞋使用壽命，避免剝落、崩斷等非正常磨損，主要依靠提高合金柱的設(shè)計(jì)制造水平和焊接工藝水平。

（3）組合焊接合金顆粒和合金柱的多刃平面磨鞋可用于可溶橋塞的鉆磨，其他鉆磨作業(yè)用磨鞋應(yīng)綜合考慮被鉆物材質(zhì)、磨鞋結(jié)構(gòu)、合金類型等因素進(jìn)行設(shè)計(jì)加工。