剪切閘板防噴器剪切力預測研究

王旭東，司念亭，馮 碩，龍江橋，張 超

(1中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司 2中海石油(中國)有限公司天津分公司)

隨著油氣開采向非常規油氣、難動用儲量油田發展，超深井、高壓油氣井及平衡鉆井工藝得到廣泛使用，特別是在欠平衡鉆井中，井控設備是及時發現和控制溢流、防止井噴、避免油氣資源浪費、保護設備及人身安全的關鍵設備[1-7]。在鉆井、修井或試油等作業過程中遇到緊急情況時，閘板防噴器由活塞缸內液壓油推動活塞，使活塞桿帶動閘板總成向中間運動，以完成封井。在需要切斷作業管柱才能實現封井的情況下，剪切閘板必須具備及時切斷作業管柱的能力[8-11]。為了確保油氣作業安全進行，國內外學者提出了諸多評價剪切閘板剪切能力的方法和理論，通?？蓺w為數值模擬求解、試驗研究及數據經驗公式[12-17]三種。這些極具代表性的預測模型反映了剪切閘板剪切鉆桿的斷裂過程，但剪切力預測結果各異，對剪切閘板的設計指導意義不大。

剪切閘板剪斷鉆桿是通過剪切閘板壓剪鉆桿實現的，均以鉆桿為單一研究對象，忽略了剪切閘板自身特性影響；基于此，本文深入分析剪切閘板的運動特性和剪切鉆桿的工作過程，以壓應力公式為基礎，建立了以剪切閘板結構參數為基礎的閘板剪切力預測模型；結合剪切實例驗證預測模型的有效性和可靠性，為剪切閘板的結構設計提供理論參照。

一、剪切力預測模型的理論推導

1. 剪切運動方程的建立

剪切閘板剪切鉆桿有別于傳統意義上的切割鉆桿，是通過巨大的推力壓裂鉆桿，使鉆桿節理擴展，最終剪斷鉆桿。

剪切閘板在剪切鉆桿時，由液壓系統提供的主推力通過剪切閘板傳遞給鉆桿，并提供閘板剪切鉆桿的推動力壓裂并最終剪斷鉆桿。假定剪切閘板剪切鉆桿時剪切閘板與鉆桿無相對滑動。規定剪切閘板下水平面為Oxy面，鉆桿軸向正方向為Z軸正方向。

設剪切閘板的運動速度為v，根據剪切點C在Oxy面和Oxz面的投影結果可得：

(1)

式中：α—剪切閘板的內V型夾角，°；β—剪切閘板刃口倒角，°；φ—剪切閘板刃面傾角，°；θ—刃偏角，°；t—時間，s。

2. 剪切鉆桿受力狀態分析

剪切閘板在剪切鉆桿過程中受力情況較為復雜，根據剪切閘板運動狀態分析，將剪切閘板受力分為實現壓裂鉆桿正前方的垂向剪切力Fv1，擠壓鉆桿的切向剪切力Fv2以及閘板實現向前運動的驅動力F0。根據剪切機理可知，剪切閘板剪斷鉆桿主要由壓裂鉆桿正前方的垂向剪切力和擠壓鉆桿的切向剪切力相互作用完成。因此得到剪切閘板與鉆桿相互作用受力分析如圖1所示。

圖1 剪切閘板剪切鉆桿過程受力示意圖

3. 剪切力預測模型的建立

剪切閘板剪切力理論預測模型以壓痕實驗作為研究基礎，根據雙V型剪切閘板的結構特點和壓痕實驗結論推出剪切閘板剪切鉆桿的基礎壓痕形狀。

剪切閘板剪切力預測模型建立過程中，確定被剪鉆桿應力分布狀態以及剪切閘板剪切鉆桿基礎壓痕邊界是模型構建的關鍵。根據壓痕實驗分析，鉆桿的壓應力為連續性分布，剪切閘板壓痕正前方壓應力近似為矩形分布且滿足以剪切點為中心的等值分布，確定剪切閘板前方壓痕形狀和鉆桿應力分布在Oxy面，Oyz面均滿足矩形分布。如圖2。

圖2 剪切閘板剪切鉆桿應力分布圖

根據剪切閘板運動狀態及結構等特點，得到基礎壓痕邊界關鍵技術參數lab、lbc、lef：

(2)

(3)

(4)

式(2)～式(4)中：h—剪切閘板刃口厚度，mm；R—鉆桿的外徑，mm；r—鉆桿內徑，mm。

根據矩形區面積計算公式及以上技術參數，可得到剪切閘板剪切力的主應力(即垂向應力)及切向應力的有效作用區域的含參方程：

主應力有效作用區域方程Av1：

Av1=lablbc

(5)

切向應力有效作用區域方程Av2：

Av2=lablef

(6)

(7)

(8)

二、模型驗證及誤差分析

為了驗證剪切閘板剪切力預測模型的準確性，本文進行閘板剪切鉆桿的剪切試驗。

1.試驗設備

試驗設備主要包括閘板防噴器一臺，相同規格尺寸的S135鉆桿三根。防噴器主要由四組閘板(其中從上往下第二組為剪切閘板)、液壓系統和數據采集系統三部分組成。

2. 試驗方案

剪切閘板及鉆桿力學性能參數如表1所示，剪切閘板及鉆桿結構參數如表2所示。

表1 剪切閘板及鉆桿力學性能參數

表2 剪切閘板及鉆桿結構參數

2.1 試驗目的

剪切閘板是剪切鉆桿的關鍵部件，其剪切力的大小直接關系到能否剪斷鉆桿，確保防噴器實現安全封井。本文的剪切試驗以閘板防噴器整機中的剪切閘板進行S135的剪切試驗，模擬防噴器的實際剪切工作過程，獲得的剪切力數據與本文建立的預測模型進行比較，以驗證本文預測模型的可靠性。

2.2 試驗方法

將閘板 BOP安裝在試驗井口上，連接BOP開啟和關閉管線，連接高壓試壓泵到井口或BOP側出口管線上。在每條開啟、關閉及井壓管線配置一個壓力傳感器，壓力傳感器與數據采集系統相連；將S135鉆桿垂直懸掛在BOP上方，然后放入井眼內。按照規定的關井要求，進行關井操作，從剪切瞬間的增壓速度變化即可得到鉆桿被剪斷時的壓力數據。

3. 試驗結果及數據分析

試驗時，在保證其它因素相同的情況下，按照規定的關井操作，對3根相同的S135鉆桿進行剪切試驗，試驗結果及數據分析如表3所示。

在實際剪切過程中切向剪切力對實際剪切效果的有效值極小，在進行剪切力的理論值計算時，以垂向剪切力作為剪切閘板剪切力的近似值。

表3 模型與試驗結果分析

本文預測模型與剪切試驗的相對偏差在10%左右，符合工程數據的相對偏差要求。試驗結果驗證了剪切閘板剪切力理論預測模型的可靠性，反映了剪切閘板的內V型夾角、刃口倒角等參數對剪切力的影響。

三、結論

(1)通過分析剪切閘板剪切鉆桿的剪切運動，提出以剪切閘板為研究對象，綜合考慮剪切閘板結構參數，鉆桿材料參數及剪切工況參數，應用壓應力公式建立剪切閘板剪切力的預測模型。

(2)應用閘板防噴器剪切閘板進行鉆桿的剪切試驗獲得的數據驗證了理論預測模型的正確性和適用性，計算分析表明剪切力預測模型與剪切試驗獲得的數據相對偏差在10%左右，滿足工程實踐的偏差要求。剪切力預測模型中含有閘板結構參數，為剪切閘板的結構設計提供了一定的理論參照。