国内外割缝筛管发展方向

国内外割缝筛管发展方向第一页，共67页。1.割缝筛管及其在石油工程中的应用2.割缝筛管的制备技术2.1.冷切削加工制备割缝筛管技术2.1.1.割缝筛管的铣削加工技术2.1.2.割缝筛管的CBN薄片砂轮磨削技术2.2.热加工制备割缝筛管技术2.2.1.激光加工2.2.2.等离子切割技术2.2.4.热加工割缝筛管存在的问题第二页，共67页。3.水力切割制备割缝筛管技术3.1.水力切割加工技术3.2.水力切割喷嘴4.不同割缝技术对比及割缝技术国际走向5.割缝筛管的延伸技术-压缝紧缩加工和可膨胀筛管技术5.1.压缝紧缩加工技术5.2.可膨胀筛管技术及可膨胀筛管用钢5.3具有疏水功能的可膨胀筛管及应用前景第三页，共67页。

近年来，随着石油天然气工业的发展，国内外大斜度井、水平井以及多底井、分支井的钻探、开发数量日益增多，使得完井防砂的工作日益增大；采用割缝筛管完井是目前国内外砂层油藏防砂工艺中的首选，使得割缝筛管的需求数量进一步增大。我国西部油田是割缝衬管完井采用数量较多的地区。自1995年我国的天津大漠公司首先成功开发研制出2～7英寸割缝衬管以来，国内相继有几十家企业从事割缝衬管的制造，但真正能批量生产合格产品的企业并不多。这一方面推动了我国石油工业的发展，另一方面也对技术监督及行业标准的制定提出了相应的要求。为促进国内割缝衬管设计加工理论、技术的发展，本文在调研国内外割缝衬管设计加工现状的基础上，通过分析对比，指出了不同加工方式的优缺点，提出了今后的发展方向。第四页，共67页。割缝筛管的产生是上世纪高新技术发展进步产生的结果。是石油天然气工业科技进步的象征之一。割缝筛管的产生标志着工业自动化技术、工具技术、装备技术的巨大进步。第五页，共67页。割缝筛管是现代石油工程中，进行相关地层裸眼完井和砂岩油藏机械防砂用的重要的金属材料。割缝筛管大量应用于水平井、大斜度井、分支井等的完井、防砂工程中。第六页，共67页。以割缝筛管为基管的割缝筛管延伸技术—可膨胀筛管技术，已经在国内外石油天然气工业中得到飞速发展，已经成为石油领域代表性的先进技术之一第七页，共67页。可膨胀筛管技术在水平井，侧钻水平井完井，分支井、大斜度井完井中都得到了广泛的应用这是我国割缝筛管的后几年的巨大市场第八页，共67页。目前的割缝筛管加工技术包括1、冷切削加工制备割缝筛管技术、这中间包括:割缝筛管的铣削加工技术割缝筛管的CBN薄片砂轮磨削技术2、热加工制备割缝筛管技术，这中间包括：割缝筛管激光加工技术割缝筛管等离子切割加工技术第九页，共67页。目前割缝筛管的加工，国外只有冷加工方式，包括水利切割和高速钢圆片铣刀铣削；国内存在冷加工和热加工两种制备方式，冷加工包括CBN薄片砂轮磨削加工和高速钢圆片铣刀铣削第十页，共67页。冷切削加工制备割缝筛管技术割缝筛管冷加工制造技术是目前国际上主流的加工技术。目前，国内外对于割缝筛管的冷加工方式主要有两种：采用高速钢圆片铣刀的铣削加工方式采用CBN圆锯片进行磨削加工的方式割缝筛管的铣削加工技术割缝筛管的铣削加工技术是目前国外石油工具公司应用最广的通用技术，这种加工技术成熟于上世纪80年代后期。下图为割缝筛管铣削用机床和圆盘铣刀第十一页，共67页。割缝筛管的铣削加工方式在欧美石油公司应用的较为广泛。如Shell、weatherford、等。这种加工方式是采用多铣刀机床进行定割缝尺寸加工的方式。如Shell公司采用的加拿大立式加工在一根套管上同时采用50个圆片铣刀的加工机床。这种机床道具位置不能调整，只能加工50.8mm长、0.5mm以上的宽度的割缝。加工效率较高。随着高速钢片铣刀制造技术的进步，目前可以切割0.30mm以上的割缝。第十二页，共67页。2.1.2.割缝筛管的CBN薄片砂轮磨削技术这种加工方式制造割缝筛管是采用立方氮化硼磨削超薄锯片在双向移动多工位加工机床上对石油套管进行磨削加工而成的，割缝峰尺寸可以根据用户要求进行调整，割缝规格宽度可在0.3-2mm范围，割缝长度可根据设计调整。右图为立方氮化硼磨削超薄锯片第十三页，共67页。CBN割缝筛管加工机床第十四页，共67页。CBN磨削方式加工割缝筛管生产线第十五页，共67页。采用立方氮化硼磨削方式加工割缝筛管是目前冷加工方式中最为先进的高新技术。这种加工方式具有如下优点：1）加工效率高、加工质量好，2）割缝断面光洁度高、油流通过阻力小；3）由于CBN磨削的作用，割缝断面的表层具有薄薄的硼化铁渗硼层（硬度大于HV900），使得割缝表面具有防腐，防垢功能。第十六页，共67页。CBN是啥东西？

CBN一种新型的超硬材料，以六方氮化硼为原料，立方CBN碱金属或碱土金属或它们的氯化物作触媒，在高压高温下转变为立方晶体的氮化硼，这个转立方CBN的结构图变与石墨转变为金刚石相似。

六方CBN第十七页，共67页。这种加工方式是冷加工中的顶尖的高新技术（1）采用的刀具磨料材料立方氮化硼（CBN）是高技术人造超硬材料；这种材料是目前世界上硬度仅次于钻石的超硬材料，而金刚石是不能切割金属材料的；（2）CBN磨削需要的加工速度要求机床具有高速稳定的磨削加工性能；（3）

CBN磨削可加工其他的冷加工和热加工无法加工的难加工和超难加工材料，如：不锈钢Super13Cr套管，镍基合金G3套管等第十八页，共67页。2.1.3。CBN磨具的磨削特性立方氮化硼(CBN)是超硬切削材料之～，它是氮与硼的化合物，是在约为5000MPa的高压及1700℃的高温下形成的。它的硬度仅次于金刚石，但它和金刚石相比却有如下优点。

（1）可以加工金属材料，温度达1200℃高温下仍可保持硬度不变。（2）可以进行特殊材料的磨削，如镍基合金、超级不锈钢等（3）可以代替普通砂轮磨削;（4）可以实现铸、锻件毛坯的高速、高效一次性粗精磨;尤其适用于成型、仿型及确定尺寸的精，（5）实现高速（线速度可达200m/s）、强力磨削（一次吃刀量可达到5mm），其磨削质量和磨削效率高、成本低。第十九页，共67页。(6)有一定的韧性，它不仅可用于磨削强硬的铸铁，还可磨削强度大、硬度高及热敏性高的钢件或其它合金材料。(7)CBN与碳元素的亲和力小，所以十分适宜于磨削黑色金属，而能保持较高的耐用度。CBN制成的超硬磨料磨具，可应用于金属的磨削与珩磨，不仅可以代替普通砂轮磨削，甚至可以实现铸、锻件毛坯的高速、高效一次性粗精磨，尤其适用于成型、仿型及确定尺寸的精磨，其磨削质量和磨削效率较高、成本较低。国内外成熟的使用经验已证明，CBN砂轮磨削具有下述实用经济价值。(1).CBN砂轮硬度相当于刚玉磨料砂轮硬度的2倍。其机械强度相当于碳化硅磨料的2倍多，而其韧性比金刚石好，可以磨削各种高强度、高硬度的钢材与铸铁，其磨具的耐用度与磨削效率是其他各种磨具所不及的。第二十页，共67页。(2).CBN砂轮的导热性和热稳定性好，可承受1300℃～1500℃的高温，其导热率是刚玉(A1203)的45倍，热扩散率是A12O3的112倍。

CBN砂轮特别适用于磨削热敏性高的超硬高速钢和高硬度合金钢以及特殊合金奥氏体软钢等等，而不产生磨削烧伤裂纹。(3).CBN化学惰性强、稳定性好，特别是在磨削优质工具钢、轴承钢、钛合金、镍基合金时，CBN砂轮磨耗极小，其耐用度大约是普通砂轮的1400倍。对于极难加工的奥氏体不锈钢及加工硬化性能倾向严重的高Mn钢（如：Mn13耐磨钢、TWIP钢等）具有极好的加工效果。第二十一页，共67页。(4).CBN砂轮磨削后的零件表面质量好，不产生磨削烧伤及龟裂等缺陷，并能提高零件的疲劳强度，可延长使用寿命30％～50％，如：用CBN砂轮磨削凸轮轴，不仅成本降低50％，而且凸轮表面的疲劳强度提高了30％。(5).CBN砂轮磨削不需要频繁地修整砂轮。电镀或单层金属结合剂制成的CBN砂轮不需修整便可直接磨削。CBN砂轮耐用度稿于普通砂轮数十倍。(6).CBN砂轮适宜于高速或超高速磨削，特别是线速度大于100m/sec时，其效率是普通砂轮的150～200倍。切削钢材如同切豆腐一样。这些特点造成采用立方氮化硼磨削方式加工割缝筛管具有很高的效率和良好的加工效果。第二十二页，共67页。采用立方氮化硼超薄片圆盘砂轮加工的割缝筛管具有一下的优点：（1）对套管基体的组织结构损伤小，不存在热影响区组织结构变化，及割缝前端的微裂纹，不影响水平井下井断裂和拔断现象；（2）割缝加工精度高，自清洁作用强：（3）割缝表面的渗硼层具有耐磨损、防腐防、垢功能第二十三页，共67页。热加工制备割缝筛管技术激光加工激光加工是激光系统最常用的应用。根据激光束与材料相互作用的机理，大体可将激光加工分为激光热加工和光化学反应加工两类。第二十四页，共67页。激光切割:laserbeamcutting定义：利用聚焦后的激光束作为主要热源的热切割方法。割缝筛管激光加工就是采用二氧化碳激光束，进行的热加工。第二十五页，共67页。激光热加工:

是指利用激光束投射到材料表面产生的热效应来完成加工过程，包括激光焊接、激光切割、表面改性、激光打标、激光钻孔和微加工等；光化学反应加工:

是指激光束照射到物体，借助高密度高能光子引发或控制光化学反应的加工过程。包括光化学沉积、立体光刻、激光刻蚀等。由于激光具有高亮度、高方向性、高单色性和高相干性四大特性，因此就给激光加工带来一些其它加工方法所不具备的特性。由于它是无接触加工，对工件无直接冲击，因此无机械变形；激光加工过程中无"刀具"磨损，无"切削力"作用于工件；激光加工过程中，激光束能量密度高，加工速度快，并且是局部加工，对非激光照射部位没有或影响极小。因此，其热影响的区小工件热变形小后续加工最小；由于激光束易于导向、聚焦、实现方向变换，极易与数控系统配合、对复杂工件进行加工因此它是一种极为灵活的加工方法；

第二十六页，共67页。激光加工优点①激光功率密度大，工件吸收激光后温度迅速升高而熔化或汽化，即使熔点高、硬度大和质脆的材料(如陶瓷、金刚石等)也可用激光加工；②激光头与工件不接触，不存在加工工具磨损；③工件不受应力，不易污染；④可以对运动的工件或密封在玻璃壳内的材料加工；⑤激光束的发散角可小于1毫弧，光斑直径可小到微米量级,作用时间可以短到纳秒和皮秒,同时,大功率激光器的连续输出功率又可达千瓦至十千瓦量级，因而激光既适于精密微细加工,又适于大型材料加工；⑥激光束容易控制,易于与精密机械、精密测量技术和电子计算机相结合，实现加工的高度自动化和达到很高的加工精度；⑦在恶劣环境或其他人难以接近的地方，可用机器人进行激光加工。第二十七页，共67页。该技术采用激光束照射到钢板表面时释放的能量来使不锈钢熔化并蒸发。激光源一般用二氧化碳激光束，工作功率为500～2500瓦。该功率的水平比许多家用电暖气所需要的功率还低，但是，通过透镜和反射镜，激光束聚集在很小的区域。能量的高度集中能够进行迅速局部加热，使钢蒸发。此外，由于能量非常集中，所以，仅有少量热传到钢材的其它部分，所造成的变形很小或没有变形。利用激光可以非常准确地切割复杂形状的坯料，所切割的坯料不必再作进一步的处理。就精度和切口表面粗糙度而言,CO2激光切割不可能超过电加工；就切割厚度而言难以达到火焰和等离子切割的水平。但是就以上显著的优点足以证明：CO2激光切割已经和正在取代一部分传统的切割工艺方法,特别是各种非金属材料的切割。它是发展迅速,应用日益广泛的一种先进加工方法。

第二十八页，共67页。等离子弧切割是利用高温等离子电弧的热量使工件切口处的金属局部熔化（和蒸发），并借高速等离子的动量排除熔融金属以形成切口的一种加工方法。采用的工作气体（工作气体是等离子弧的导电介质，又是携热体，同时还要排除切口中的熔融金属）对等离子弧的切割特性以及切割质量、速度都有明显的影响。常用的等离子弧工作气体有氩、氢、氮、氧、空气、水蒸气以及某些混合气体。

第二十九页，共67页。热加工割缝筛管技术的弊病由于是热加工存在的不可克服的弊病问题：为何国外没有采用激光技术、等离子切割技术加工割缝筛管的？答案有4：其一，激光加工等是热加工方式，连续加工整根管子散热不良，造成整根管子的弯曲变形；其二，割缝筛管采用的P110、N80套管均为中碳钢，钢种的碳元素的含量均大于0.25%，激光热加工等过程不可避免的会在加工过程中对割缝附近造成热影响区，中碳含量的套管出现表层淬硬层，使水平井衬管下井时增大了在割缝周围产生微裂纹的可能性。。其三激光加工过程中的暴孔（大于2％）及加工问题造成的缝宽严重超标，增大了防砂难度。且激光加工的割缝端面由于是热加工，光洁度低，难于实现自清洁作用其四，出现缺陷补焊后的部位容易损坏第三十页，共67页。热加工和CBN磨削割缝表面粗糙度对比第三十一页，共67页。热加工割缝筛管的弯曲裂纹和激光爆孔第三十二页，共67页。第三十三页，共67页。激光加工后的缝端裂纹和补焊的照片第三十四页，共67页。激光加工割缝筛管下井造成的裂纹第三十五页，共67页。其四爆孔后即使表面采用补焊磨光的方式，由于补焊区仅表层焊接，内部未连接以及焊接的热影响区的焊接应力（见后图），造成强度降低，很难保证在管子在下井过程中不出现问题，同时由于焊缝与管材基体较大的成分差异，使管材易出现电化学腐蚀－电偶腐蚀。第三十六页，共67页。2005年新疆油田某井采用激光加工割缝筛管，施工过程中从暴孔处产生拔断，下图为筛管拔断的照片第三十七页，共67页。取出的筛管照片第三十八页，共67页。3.1.水力切割技术在与其它切割技术，如激光切割，等离子切割的竞争中，高压水力切割越来越发展成一种高效率工业化切割技术。多泵设备以及五轴系统，不但被用在平形材料的斜线切割上，也被用在三维部件的切割上，这些成型技术配上富有创意的自动化装置大大提高了生产效率。在用于割缝筛管的带切割粉的水力切割技术中切割压力为3500到6000大气压。具有极高的切割效率，

第三十九页，共67页。水力切割制备割缝筛管技术

右图为水力切割技术示意图。第四十页，共67页。据Weatherford

公司介绍：其公司放置在英国北海油田的，具有的水力切割加工割缝筛管机床，具有二十分钟加工一根10m长的带有50.8mm长0.6mm宽的割缝5000条的筛管的极高效率。是目前最具有竞争能力的高效率加工设备。问题：割缝宽度≤0.5mm的喷嘴，目前尚不能生产，、喷嘴材料磨损太快。第四十一页，共67页。综合目前国内外的割缝筛管加工技术，我们认为，是有割缝筛管加工存在着以下几个问题1、从上述国内外的调研看，目前的割缝加工，应该采用国外经验用冷加工的方式进行，2、应该在热加工方式不能解决热影响区和爆孔等缺陷的情况下，杜绝采用热加工方式进行割缝筛管加工，加工后的割缝筛管应该进行加工缺陷的检查和割缝位置的硬度组织检测3、目前割缝筛管从设计选材到应用上没有形成规范，造成目前加工无标准可循；4、割缝筛管的设计应该在保证井下抗挤毁强度的前提下门采用尽可能大的泄流面积的设计方法；5、尽快组织相应力量进行割缝能筛管标准的制定第四十二页，共67页。滚压缝紧缩加工技术2010年加拿大Slotco公司为了解决矩形割缝的割缝筛管使用过程中的砂堵问题，使的割缝筛管真正实现自清洁作用，采用对割缝部位进行滚压加工，使之局部产生塑性变形的压缝紧缩加工技术，通过这种加工技术，使的割缝尖端局部微区产生加工硬化，强度硬度提高，耐磨性能提高；通过钢管割缝位置局部塑性变形形成的带弧线的梯形缝型真正实现筛管的自清洁作用这对割缝筛管的使用具有重要的实际工程意义。第四十三页，共67页。加拿大G&LSLOTCO–LOCATIONS2010年推出采用滚压加工割缝的方法SuperiorSandControlwithPrecision-SeamedKeystoneSlots第四十四页，共67页。G&LSlotcoSeamedkeystonelinersprovidethesandcontrolsolutionformanyhorizontalwellcompletions.G&LSlotco通过压缝造成的畸变梯形割缝管提供可用于砂岩油藏水平井完井防砂通过滚压缝隙，可得到表面割缝的最小尺寸到0.10~0.15mm第四十五页，共67页。滚压加工针对的是刀具切削加工后的工件表面，由于切削刀具圆孤和机械振动的作用，使工件表面形成波度和微观不平度，即零件加工后的表面粗糙度滚压加工是通过由淬硬钢或硬质合金、红宝石和金刚石等制成的专用滚压工具，借助于外力(滚压工具对工件产生的压力)强迫表面金属产生的连续局部塑性变形，将工件表面初始留下的凸起微观波峰降低、波谷被填平，最终使表面得以熨平，起到了光整的效果。同时还能在小范国内校正工件形状尺寸精度的效果，也可使金属表面薄层硬化。这样，滚压加工不仅提高零件的表面光洁度、硬度、几何形状尺寸，同时还可以提高耐磨性和疲劳强度。第四十六页，共67页。

滚压变形区大致可分为入口弹性压缩区、塑性变形区和出口弹性恢复区三部分，如图1-1所示。A区域为入口弹性变形区:从滚轮刚接触到工件待加工表面开始，到工件弹性压缩至屈服;B区域为塑性变形区:当接触压力超过材料的屈服点时，工件被滚轮滚压产生塑性变形;C区域为出口弹性恢复区:滚轮在渐渐滚离已加工表面时，工件表面在接触应力作用下弹性恢复的过程这三个部分对于割缝的滚压分别处于割缝的两端和中央。第四十七页，共67页。钢材滚压加工后的组织和性能变化第四十八页，共67页。滚压加工后割缝的缩宽比例与滚压力的关系滚压加工后割缝断面粗糙度稍有增高CBN磨削1（线速度30m/s）试样1Ra：0.190μm，0.192μm， 0.308μmCBN磨削2（线速度60m/s）试样2Ra：0.340μm，0.332μm， 0.290μmCBN磨削1（压制1m/s）试样3Ra:0.220μm，0.368μm， 0.167μmCBN磨削2（压制1m/s）试样4Ra：0.356μm，0.344μm， 013μm激光切割

试样5Ra:2.012μm，1.525μm， 8.342μm 2.632μm第四十九页，共67页。第五十页，共67页。滚压头设计及滚轮第五十一页，共67页。压缝机床设计总图第五十二页，共67页。可膨胀筛管技术可膨胀管技术（ExpandableTubularTechnology)是近十几几年发展起来的针对一开井完井和修井的先进工艺技术，为可膨胀套管技术将是21世纪石油天然气工业中的关键性技术之一。可膨胀管技术--ExpandableTubularTechnology被国外石油工程界称之为石油工程领域的“登月技术”。割缝筛管技术除了用于完井防砂技术中之外，近年来随着石油工程技术的发展进步，上世纪末，国外开始将其应用扩展到石油天然气工程的的崭新的技术领域---可膨胀筛管技术中。到本世纪的前十年，这一技术已经得到了极快的扩展：在水平井、多底井、丛式井、以及复杂地层和在稠油热采等领域都得到了飞快的发展。第五十三页，共67页。国家科委于2007年将其列入资源环境领域的863重大专项，组织多单位力量进行研究，以尽快的使可膨胀管技术国产化，以提高我国的钻完井工艺技术，赶上世界石油天然气工业的先进水平。可膨胀管技术主要有两类：一类是可膨胀套管技术，主要应用于一开井完井及修井作业中的套管修补等领域；另一类是可膨胀筛管技术，（可膨胀筛管技术隶属于可膨胀管技术。）主要应用于直井、定向井、多底井以及水平井的完井防砂过程中。第五十四页，共67页。可膨胀筛管技术在机械防砂领域，上世纪中后期，先后出现的绕丝筛管、割缝筛管、金属棉筛管、TBS筛管（整体金属烧结金属纤维筛管）等防砂技术，都在一定的程度上解决了一些油井出砂问题，但这些筛管都普遍存在以下2个问题：一是：当地层砂分选性差时——细粉砂填充于粗砂孔隙之间，难以形成高渗透率的油流通道，当油流通过时，造成了很大的压力降，增大了油流流动阻力限制了油井的产量；二是:由于存在砂环，筛管打捞作业时，容易卡死筛管，造成大修，增加作业难度和成本。而采用割缝筛管作为基管的可膨胀防砂筛管不仅防砂效果好，而且可以克服以上这些缺点.因此具有极好的应用前景。第五十五页，共67页。可膨胀(割缝筛管作为基管）筛管无论是用于直井防砂还是应用于水平井防砂，都能极大地简化井下作业的施工工艺，并减少大量的费用开支。从国外公司的应用情况来看，采用不锈钢割缝筛管作为基管的可膨胀防砂筛管与其他防砂措施相比，完成同样的防砂作业可以节省成本30%左右。总之，可膨胀筛管技术的研究开发，可打破国外公司的技术垄断，提升我国的钻井及完井水平，节约投资、提高开发效益。因此，具有极好的经济效益、社会效益和广阔的发展前景。第五十六页，共67页。可膨胀筛管结构第五十七页，共67页。具有疏水功能的可膨胀筛管及应用前景西南石油大学李春福团队研制了具有疏水功能的可膨胀筛管，具有很好的应用前景自然界的生物具有的超疏水功能第五十八页，共67页。生物表面超疏水功能的本质-纳米结构及仿生技术第五十九页，共67页。2012年我们研制成功了具有仿生的纳米微米表面结构的超疏水功能金属丝网：这种丝网在150℃具有良好的亲油疏水性能，可应用于可