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[摘 要]油气水井大修侧钻技术近几年得到迅速发展，它已成为我国各大油田解决老区块上具有开发价值的套损井恢复产能、降低成本、增产原油的重要手段之一。据统计资料表明：我国各大油田套损井数目年增长率高达10-30%，在我们的石油领域中，油气水井大修侧钻技术的使用将带来巨大的社会效益和经济效益。随着材料科学的发展，我国石油装备及井下工具领域愈来愈多地使用高强度和复合材料工具，一方面提高了装备及工具的寿命，另一方面给修井带来了极大的难度，如封隔器、电潜泵等的打捞，是目前修井技术的一大难题。近几年来，又由于大力发展定向水平井和小井眼侧钻技术，目前油田公司内有大量的水平井与小直径套管内落物需要打捞，需要研制开发一批适合于水平井和小井眼内的落物打捞工具及工艺技术。
[关键词]高效套磨铣 切削过程及其特点结构创新
中图分类号：TP943 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）36-0160-01
一、套磨铣工具种类
套磨铣的目的是磨铣掉井下落物，使钻具解卡。使用镶焊有硬质合金齿的磨铣鞋去套磨铣扶正器的工作原理与切削刀具切削工件的原理是很相似的，依靠磨铣鞋的牙齿刃口去切削扶正块。但是，扶正块外部的硬质合金柱或硬质合金粉末与磨铣鞋上硬质合金切削齿的硬度是基本相同的，不可能只是落物上的硬质合金柱或硬质合金粉末被切削掉或被磨铣掉，落物上的硬质合金柱或硬质合金粉末也在很快地磨损磨铣鞋的牙齿。如何提高套磨铣工具的使用效果和使用寿命，是摆在我们面前的重要任务。
通过系统分析扶正器的结构、工作特点，了解切削刃刀具的材料与性能，对于设计套磨铣工具具有重要的意义。
1.1平底磨鞋
平底磨鞋主要用于磨削那些卡死在井内且无法用打捞工具取出的金属落物。这种磨鞋有四个切削刃、四个水眼和四道回水槽。A型平底磨鞋只带一个公接头，B型平底磨鞋除带有公接头外，还带有一段供其它工具打捞用的圆柱部分。
平底磨铣鞋
1.2圆头磨铣鞋
圆头磨铣鞋可用来打通留在套管或衬管内的死堵。磨铣鞋上有四个水眼和四道回水槽，前头是圆顶，锥体部分锥角为60度。工作时，由锥面和圆顶进行铣削。A型只带公接头，B型除了带有公接头外，还带有一段可供其它工具打捞用的圆柱部分。
1.3锥形磨铣鞋
锥形磨铣鞋用于从内部磨铣套管的椭圆、凹陷、内卷边或其它阻塞管子内径的障碍物。工具上有四个水眼和四个回水槽，锥体部分的锥角为3度，磨铣鞋的切削部分是其外锥面，A型只带有公接头，B型除了带公接头外，还带有一段可供其它工具打捞用的圆柱部分。
1.4装配式导向磨铣鞋
装配式导向磨铣鞋可以用来磨铣各类管子落鱼。磨铣鞋上部有公接头，下部有导向柱和导向块，中部是套筒。套筒外面纵向焊有六片翼型磨铣刃，每片磨铣刃对着旋转方向的一面焊有一层起切削作用的硬化層，整个工具有直通式水眼。工作时，导向柱插入落鱼孔内，旋转钻柱并逐渐加大钻压，翼型磨铣刃的底边开始切削鱼顶。由于有导向装置，工作起来比较平稳，受力状态好，对切削有利。翼型切削刃纵向布置，可以延长工具使用时问。全部磨铣刃用完后还可以更换新的套筒。磨铣速度可达每小时610一1220mm。
1.5整体式导向磨铣鞋，整体式导向磨铣鞋，工作原理基本上与装配式导向磨铣鞋相同。
二、套磨铣切削过程及其工作特点
在套磨铣鞋磨铣井下落鱼时，会产生冲击、震动、鳖跳现象，使磨铣鞋上的硬质合金齿破碎、断落而失去切削能力；因此要求磨铣鞋具有强度高、抗冲击、耐磨损、套铣效率高的性能。
在套磨铣鞋工作时，常遇到以下一些问题及表现：
l）中心穿孔
在磨鞋的中心出现过度磨损，形成深坑甚至磨鞋心部被掏空的非正常使用现象。
2）镜面
在磨鞋表面堆焊的合金全部被打掉，使表面形成光滑镜面，以致于磨铣工作无法正常使用。
3）泥包
在磨鞋的表面磨损并不严重，但使用中磨鞋进尺明显减慢，磨鞋表面附着泥层，形成泥包现象致使磨鞋不能正常使用。
在套磨铣鞋工作时，与以下因素有密切关系：
钻压：磨铣鞋工作时有许用钻压，主要保证磨铣时切削合金的受力控制在一定强度范围内。许用钻压的确定与合金性能和磨鞋的结构形式有关。由于磨鞋磨铣工况十分复杂，许用钻压通常由试验数据获得。磨铣速度最快是对应钻压35一40kN，但磨耗比却从钻压超过30kN后明显增加，表明磨铣速度加快的同时，合金损耗也在增加，反而可能造成总进尺的减少。因此，高效磨鞋的许用钻压推荐值为 30-35kN。使用过高的钻压除了可能造成合金研磨损坏外，还会产生较大的连续铣屑，引发循环携带问题。同时在大钻压下，被磨铣的油管一部分不是被磨掉，而是被大块地撕掉，由此产生大量大块铁屑。这些铁屑由于无法正常循环出井筒而聚集在磨鞋中心，加剧磨鞋中心的磨损，直至形成深坑或是将磨鞋中心掏空形成穿孔。大量铁屑参与重复磨铣，还使磨铣工况变得不稳定，出现鳖跳钻现象，合金受到的冲击变大，合金被击碎脱落，使磨鞋表面形成镜面。
分析认为，高钻压操作可以导致合金快速损坏，使磨铣产生较大铁屑或碎皮，造成磨铣工况更加恶劣，容易引发磨鞋中心穿孔和镜面现象的出现。
三、套磨铣工具设计的基本要求
除了选择合理的切削条件和刀具角度外，对于切削系统则需要高刚性的工具系统。也就是说，不但刀具应有足够的刚性，同时，刀具和工件应具有相等同的刚性。在实际的切削中，各种各样的振动总是存在的，只是其程度不同。振动会导致刀具与工件之间产生不断的位移，对刀具使用寿命产生严重的影响。在切削过程中，振动类型主要有自由振动、强迫振动、自激振动和混合振动。在加工中，强迫振动主要来源于回转件的不平衡，一般来说，对系统影响最大的是自激振动，这不仅是因为发生自激振动的激烈程度，而且更主要是因为发生自激振动的原因就在工具系统本身，防振消振都十分困难，历来被认为是一个最为棘手的问题。
四、结论
目前，套磨铣工具有两类：一类的齿面结构是将不同形状和不同粒径的超硬材料与焊接材料烧结或堆焊在套磨铣工具本体端部而形成的切削刃，并以磨蚀性磨损机理工作；另一类的齿面结构是将超硬材料事先做成刀具按一定的布齿规律镶焊在套磨铣工具本体端部而形成切削刃，以切削性磨损机理工作。目前，大多数设计者均喜欢采用前者。从现场使用情况看，前者的套磨铣速度慢，沉积在落物处的砂粒及易磨蚀粒状切削刃的棱角而钝化，不经济；后者的套磨铣速度相对较快，但井下落物的非对称性、非稳定性和形态的随机性及易产生冲击载荷使刀具切削刃崩裂而尚失切削能力。针对石油油气水井井下落物性态特征，综合分析上述两种套磨铣工具的利弊，本次设计选择后者设计方案开发设计出了两种型号的高效套磨铣工具。￠154mm（￠120）mm套磨铣工具和￠118（￠90）mm套磨铣工具。所研制的高效套磨铣工具技术关键主要有：l）高效套磨铣工具切削磨铣元件的材质、不同形状到布局结构方面的优化设计；2）套磨铣工具胎体轮廓设计；3）齿面结构和布齿规律的优化设计，确保以切削性磨损机理工作，使切屑及时断屑和排屑，适应井下落物的非对称性、非稳定性和形态随机性所形成的断续切削工矿。本文研制的高效套磨铣工具经井下试验证明：第一、可适用于51/2〞和7〞套管的油气水井，可适应井下落物的非对称性、非稳定性和形态随机性所形成的断续切削工况。第二、带扶正器和井下动力钻具的钻柱结构与施工参数的优化设计可大大降低冲击载荷的影响。
参考文献
[1]房全堂、卢世庆：《开窗侧钻技术》，石油工业出版社，1997
[2]徐芝纶：《弹性力学》，高教出版社，1998
[3]张茂：《机械制造技术基础》，西南石油学院，1999
[关键词]高效套磨铣 切削过程及其特点结构创新
中图分类号：TP943 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）36-0160-01
一、套磨铣工具种类
套磨铣的目的是磨铣掉井下落物，使钻具解卡。使用镶焊有硬质合金齿的磨铣鞋去套磨铣扶正器的工作原理与切削刀具切削工件的原理是很相似的，依靠磨铣鞋的牙齿刃口去切削扶正块。但是，扶正块外部的硬质合金柱或硬质合金粉末与磨铣鞋上硬质合金切削齿的硬度是基本相同的，不可能只是落物上的硬质合金柱或硬质合金粉末被切削掉或被磨铣掉，落物上的硬质合金柱或硬质合金粉末也在很快地磨损磨铣鞋的牙齿。如何提高套磨铣工具的使用效果和使用寿命，是摆在我们面前的重要任务。
通过系统分析扶正器的结构、工作特点，了解切削刃刀具的材料与性能，对于设计套磨铣工具具有重要的意义。
1.1平底磨鞋
平底磨鞋主要用于磨削那些卡死在井内且无法用打捞工具取出的金属落物。这种磨鞋有四个切削刃、四个水眼和四道回水槽。A型平底磨鞋只带一个公接头，B型平底磨鞋除带有公接头外，还带有一段供其它工具打捞用的圆柱部分。
平底磨铣鞋
1.2圆头磨铣鞋
圆头磨铣鞋可用来打通留在套管或衬管内的死堵。磨铣鞋上有四个水眼和四道回水槽，前头是圆顶，锥体部分锥角为60度。工作时，由锥面和圆顶进行铣削。A型只带公接头，B型除了带有公接头外，还带有一段可供其它工具打捞用的圆柱部分。
1.3锥形磨铣鞋
锥形磨铣鞋用于从内部磨铣套管的椭圆、凹陷、内卷边或其它阻塞管子内径的障碍物。工具上有四个水眼和四个回水槽，锥体部分的锥角为3度，磨铣鞋的切削部分是其外锥面，A型只带有公接头，B型除了带公接头外，还带有一段可供其它工具打捞用的圆柱部分。
1.4装配式导向磨铣鞋
装配式导向磨铣鞋可以用来磨铣各类管子落鱼。磨铣鞋上部有公接头，下部有导向柱和导向块，中部是套筒。套筒外面纵向焊有六片翼型磨铣刃，每片磨铣刃对着旋转方向的一面焊有一层起切削作用的硬化層，整个工具有直通式水眼。工作时，导向柱插入落鱼孔内，旋转钻柱并逐渐加大钻压，翼型磨铣刃的底边开始切削鱼顶。由于有导向装置，工作起来比较平稳，受力状态好，对切削有利。翼型切削刃纵向布置，可以延长工具使用时问。全部磨铣刃用完后还可以更换新的套筒。磨铣速度可达每小时610一1220mm。
1.5整体式导向磨铣鞋，整体式导向磨铣鞋，工作原理基本上与装配式导向磨铣鞋相同。
二、套磨铣切削过程及其工作特点
在套磨铣鞋磨铣井下落鱼时，会产生冲击、震动、鳖跳现象，使磨铣鞋上的硬质合金齿破碎、断落而失去切削能力；因此要求磨铣鞋具有强度高、抗冲击、耐磨损、套铣效率高的性能。
在套磨铣鞋工作时，常遇到以下一些问题及表现：
l）中心穿孔
在磨鞋的中心出现过度磨损，形成深坑甚至磨鞋心部被掏空的非正常使用现象。
2）镜面
在磨鞋表面堆焊的合金全部被打掉，使表面形成光滑镜面，以致于磨铣工作无法正常使用。
3）泥包
在磨鞋的表面磨损并不严重，但使用中磨鞋进尺明显减慢，磨鞋表面附着泥层，形成泥包现象致使磨鞋不能正常使用。
在套磨铣鞋工作时，与以下因素有密切关系：
钻压：磨铣鞋工作时有许用钻压，主要保证磨铣时切削合金的受力控制在一定强度范围内。许用钻压的确定与合金性能和磨鞋的结构形式有关。由于磨鞋磨铣工况十分复杂，许用钻压通常由试验数据获得。磨铣速度最快是对应钻压35一40kN，但磨耗比却从钻压超过30kN后明显增加，表明磨铣速度加快的同时，合金损耗也在增加，反而可能造成总进尺的减少。因此，高效磨鞋的许用钻压推荐值为 30-35kN。使用过高的钻压除了可能造成合金研磨损坏外，还会产生较大的连续铣屑，引发循环携带问题。同时在大钻压下，被磨铣的油管一部分不是被磨掉，而是被大块地撕掉，由此产生大量大块铁屑。这些铁屑由于无法正常循环出井筒而聚集在磨鞋中心，加剧磨鞋中心的磨损，直至形成深坑或是将磨鞋中心掏空形成穿孔。大量铁屑参与重复磨铣，还使磨铣工况变得不稳定，出现鳖跳钻现象，合金受到的冲击变大，合金被击碎脱落，使磨鞋表面形成镜面。
分析认为，高钻压操作可以导致合金快速损坏，使磨铣产生较大铁屑或碎皮，造成磨铣工况更加恶劣，容易引发磨鞋中心穿孔和镜面现象的出现。
三、套磨铣工具设计的基本要求
除了选择合理的切削条件和刀具角度外，对于切削系统则需要高刚性的工具系统。也就是说，不但刀具应有足够的刚性，同时，刀具和工件应具有相等同的刚性。在实际的切削中，各种各样的振动总是存在的，只是其程度不同。振动会导致刀具与工件之间产生不断的位移，对刀具使用寿命产生严重的影响。在切削过程中，振动类型主要有自由振动、强迫振动、自激振动和混合振动。在加工中，强迫振动主要来源于回转件的不平衡，一般来说，对系统影响最大的是自激振动，这不仅是因为发生自激振动的激烈程度，而且更主要是因为发生自激振动的原因就在工具系统本身，防振消振都十分困难，历来被认为是一个最为棘手的问题。
四、结论
目前，套磨铣工具有两类：一类的齿面结构是将不同形状和不同粒径的超硬材料与焊接材料烧结或堆焊在套磨铣工具本体端部而形成的切削刃，并以磨蚀性磨损机理工作；另一类的齿面结构是将超硬材料事先做成刀具按一定的布齿规律镶焊在套磨铣工具本体端部而形成切削刃，以切削性磨损机理工作。目前，大多数设计者均喜欢采用前者。从现场使用情况看，前者的套磨铣速度慢，沉积在落物处的砂粒及易磨蚀粒状切削刃的棱角而钝化，不经济；后者的套磨铣速度相对较快，但井下落物的非对称性、非稳定性和形态的随机性及易产生冲击载荷使刀具切削刃崩裂而尚失切削能力。针对石油油气水井井下落物性态特征，综合分析上述两种套磨铣工具的利弊，本次设计选择后者设计方案开发设计出了两种型号的高效套磨铣工具。￠154mm（￠120）mm套磨铣工具和￠118（￠90）mm套磨铣工具。所研制的高效套磨铣工具技术关键主要有：l）高效套磨铣工具切削磨铣元件的材质、不同形状到布局结构方面的优化设计；2）套磨铣工具胎体轮廓设计；3）齿面结构和布齿规律的优化设计，确保以切削性磨损机理工作，使切屑及时断屑和排屑，适应井下落物的非对称性、非稳定性和形态随机性所形成的断续切削工矿。本文研制的高效套磨铣工具经井下试验证明：第一、可适用于51/2〞和7〞套管的油气水井，可适应井下落物的非对称性、非稳定性和形态随机性所形成的断续切削工况。第二、带扶正器和井下动力钻具的钻柱结构与施工参数的优化设计可大大降低冲击载荷的影响。
参考文献
[1]房全堂、卢世庆：《开窗侧钻技术》，石油工业出版社，1997
[2]徐芝纶：《弹性力学》，高教出版社，1998
[3]张茂：《机械制造技术基础》，西南石油学院，1999