抗硫剪切闸板的研制

杨永宁，周利明，孟庆荣，杨永祥，刘　辉，刘　乐

（1.河北华北石油荣盛机械制造有限公司，河北任丘062552；2.华北油田公司a.采油工程研究院；b.第一采油厂，河北任丘062552）①

抗硫剪切闸板的研制

杨永宁1，周利明1，孟庆荣1，杨永祥2a，刘辉1，刘乐2b

（1.河北华北石油荣盛机械制造有限公司，河北任丘062552；2.华北油田公司a.采油工程研究院；b.第一采油厂，河北任丘062552）①

针对陆地含硫化氢油气田以及海洋高压高含硫油气勘探开发的要求，研制了适应于硫化氢环境下作业的剪切闸板。该闸板外形为长圆形，在有限的空间内实现了分体结构设计，集剪切与密封为一体，结构紧凑合理，能够满足S135级外径139.7 mm钻杆剪切的要求。刀体表面采用抗硫化氢涂层技术，具有较高的耐磨性和耐硫化氢腐蚀性能。试验结果表明：该抗硫剪切闸板能够在较低的液控压力下完成对钻杆的剪切，并且能密封空井，密封井压可达到105 MPa，试验结果符合API Spec 16A标准的要求。

剪切闸板；硫化氢；防喷器

我国含硫油气资源在总资源中所占比例较高，其中有许多属于H2S含量大于2%的高含硫天然气资源，主要分布于四川盆地、鄂尔多斯盆地、塔里木盆地、渤海湾盆地等区域。除此之外，随着石油勘探开发逐步向海洋深水区域推进，其面临的工况更为恶劣，大都为高压高含硫环境。

除油气勘探开发，特别是天然气勘探开发本身的高隐蔽和高风险外，高含硫气田的勘探开发的高风险还突出表现在H2S和CO2带来的强腐蚀和剧毒2个方面［1］。当空气中含H2S的体积分数为0.000 1%时，人们可以明显地闻到臭鸡蛋味，只需几秒钟即可使人失去嗅觉；当体积分数达0.01%以上时，与其接触4 h后将导致死亡；当其体积分数大于0.06%时，接触不到2 min，即致人死亡。另外，H2S对钢材也具有强烈的腐蚀性，对石油、石化工业装备的安全运转存在很大的潜在危险。目前，最经济简单的防腐蚀措施为添加缓蚀剂［2-3］。在H2S环境下金属的开裂类型包括氢鼓泡（HB）、氢致开裂（HIC）、硫化物应力腐蚀开裂（SSCC）、应力导向氢致开裂（SOHIC）。其中，H2S应力腐蚀和氢致开裂是一种低应力破坏，甚至在很低的拉应力下都可能发生开裂。一般说来，随着钢材硬度的提高，H2S应力腐蚀开裂越容易发生，甚至在百分之几屈服强度时也会发生开裂。

国外对高含硫油气藏钻井、防腐等工艺技术的研究较早，已经形成较成熟的安全开采配套技术。目前，国内已有部分高含硫油气田投入开发，还有不少含硫油气藏等待开发，而国产抗硫抗腐蚀的井控设备尚不完善和配套，急需能适应高含H2S环境的井控装备。目前，国产剪切闸板大都采用高硬度的材料以满足剪切钻杆的要求，材料的硬度超过NACE 0175规范［4］的规定，即所选用的材料硬度大于22 HRC，一般达到45 HRC以上，不能满足H2S环境下安全剪切的要求，为此研制了该抗硫剪切闸板。

1　国外抗硫剪切闸板对比分析

目前，国外著名井控设备制造商Shaffer公司和Cameron公司均研制出抗硫剪切闸板，但在技术实现上有所不同，各具特色。Shaffer公司是以高强度本体抗硫材料实现抗硫剪切闸板的研制，而Cam-eron公司则以表面涂层技术实现其功能。

1.1 Shaffer公司

Shaffer公司的抗硫剪切闸板如图1所示，该结构由上闸板体、下闸板体、顶密封和刀体密封组成，具有结构简单、剪切能力强的优点。其闸板体材料选用高强度、高韧性抗硫钴基合金材料，其抗拉强度可达到2 000 MPa。刀体密封位于下闸板体内，其缺点是剪断钻具时产生的残屑及各种钻液残渣聚集，极易损坏刀体密封，降低使用寿命。

图1　Shaffer公司的抗硫剪切闸板结构

1.2 Cameron公司

Cameron公司的抗硫剪切闸板如图2所示，该结构由上闸板体、下闸板体、顶密封、侧密封、刀体和刀体密封组成。其刀体密封采用端面密封，密封可靠，对刀体表面采用表面涂层技术以达到抗硫化氢的目的。但由于刀体采用V形刀和直刀相结合的方式，剪切钻具时需要较大的剪切关闭压力，削弱了剪切闸板的剪切能力。

图2　Cameron公司的抗硫剪切闸板结构

2　抗硫剪切闸板的设计

2.1 结构设计

抗硫剪切闸板由上闸板体、下闸板体、刀体、顶密封、侧密封和中部密封组成，如图3所示。闸板体的外形为长圆形，为实现抗硫化氢的目的，采用分体式设计，在不影响闸板总成互换性的基础上实现钻具剪切和空井井压密封2个功能，在设计中需要解决剪切和密封空间矛盾的问题，既要保证闸板体具有足够强度的同时，又要保证具有足够宽的密封带。

图3　抗硫剪切闸板结构

刀体和闸板体为分体式设计，刀体与闸板体之间采用嵌入式装配，刀体从闸板体侧面沿卡槽装入，两侧的侧密封辅助定位，定位精确，拆装方便快捷。上下刀体形状均为V形，有效地降低实际剪切关闭压力，剪切能力强。中部密封位于上闸板体上，采用上下闸板体上下面贴合密封，泥浆杂质颗粒及剪切钻具产生的残渣不易沉积，有效地保护了中部密封。中部密封截面形状为燕尾形，不易脱落，最高密封井压可达到105 MPa，从多方面确保了密封的可靠性。

2.2 有限元分析计算

由于上闸板体中部密封槽前端的部位受到来自液缸的水平推力的作用，其强度不足就会发生变形，造成密封失效和闸板体损坏，受力位置如图4所示。为保证设计的安全性，采用有限元方法进行分析，在计算中材料的定义采用弹塑性模型，应用实际测试的应力应变曲线，使得变形分析的结果更接近于实际工况。在该处极限承载能力的计算中，主要通过绘制液缸压力与位移的关系曲线，利用曲线斜率突变的性质进行分析。如图5所示，由上闸板体A点的位移与液控压力之间的关系曲线可知：在液控压力达到21 MPa时，曲线的斜率急剧增加，说明该闸板体的极限承载压力为21 MPa，能够满足闸板防喷器额定液控压力的要求。通过厂内破坏性试验，当该闸板体受到的液控压力达到22 MPa时，A点发生塑性变形，表明该计算结果与实际相吻合。

图4　上闸板体的受力位置示意

图5　闸板体变形与来自液缸压力之间关系曲线

2.3 耐腐蚀设计

该抗硫剪切闸板的抗硫化氢腐蚀能力应包括2个方面的内容：①闸板体本身抗硫化氢的能力；②刀体抗硫化氢的能力。

闸板体采用抗硫化氢低合金钢锻造材料，控制材料化学成分、热处理过程和冷加工过程。使最终机加工后表面硬度小于22 HRC，符合NACEMR 0175标准要求，其力学性能符合API Spec 16A规范［5］规定的75K要求。经过计算和多年来的试验结果，表明该闸板体的厚度可以满足105 MPa井压的强度要求。

由于该闸板采用分体式设计，刀体表面采用抗硫化氢涂层技术，便于选用较高强度的刀体材料。刀体的材料以及表面处理设计应满足2个方面的要求：

1） 刀体要有足够高的硬度，以满足钻杆剪切的要求。

2） 经过表面处理，使得刀体具有抗硫化氢腐蚀能力，且该处理不影响刀体材料本身的力学性能，不降低剪切能力。

为此，刀体材料选用高强度的低合金锻件，热处理后的硬度达到40 HRC，具有较高的耐冲击能力，刀体材料的力学性能优于闸板体，保证了剪切能力。通过多次试验和检测，研究了一套适用于抗硫剪切刀体表面处理的技术。采用该技术处理的刀体表面硬度高，耐磨性好，不易碰划伤，具有优秀的耐H2S、CO2、盐水腐蚀性能。对经过该技术处理的试样依据NACE TM 0177—2005规范［6］进行了SSC试验，在A型溶液条件下，经720 h试验后，试样未发生腐蚀和断裂，完全符合标准要求。

3　试验

依据API Spec 16 A规范的要求，剪切闸板应进行3次剪切钻杆并密封井压的试验。该抗硫剪切闸板在制造完成后进行了2种规格钻杆共计5次剪切和密封井压试验，试验结果高于规范要求。一般来说，对于1副性能较好的剪切闸板来说，剪切时刀体同时参与剪切钻杆的截面尺寸越小，所需的剪切液控压力越小。剪切液控压力除了与钻杆的尺寸、屈服强度、抗拉强度和冲击功密切相关外，刀体的结构对剪切液控压力的大小具有重要的影响。国内杨永宁、孟祥瑜等［7-8］对剪切能力进行了理论公式的推导和分析；另外随着有限元技术的发展，近几年来，有很多作者采用有限元仿真技术进行了更为直观和准确的分析［9-11］。

通过试验，表明其剪切所需的液压关闭压力较低，均低于防喷器的液控额定工作压力21 MPa，剪切的钻杆参数如表1所示，钻杆的性能参见SY/T6417标准［12］。5次试验包括3次G105级外径127 mm钻杆剪切试验和2次S135级外径139.7 mm钻杆剪切试验，试验结果如表2所示。剪断后钻杆的截面形状如图6所示，可以看到截面呈椭圆形，S135级钻杆的截面相对G105级钻杆来说较为平滑，S135级钻杆短轴较大，便于钻杆剪切后落鱼的处理。在每次试验完成后，对闸板体和刀体进行了磁粉探伤及目视检验，均未发现闸板体损坏开裂以及密封件损坏等现象，充分证明了该闸板使用可靠性高。

表1　钻杆参数

表2　剪切试验结果

图6　剪断后钻杆断口的截面形状

4　结论

1） 该抗硫剪切闸板在有限的空间内实现了分体闸板的设计，在设计中充分考虑密封和剪切的要求，剪切能力与整体剪切闸板相当，刀体和闸板体强度能够满足工作的要求，密封可靠性高。

2） 刀体采用了抗硫化氢涂层技术，通过试验表面能够满足H2S分压2.5MPa、CO2分压2.0 MPa工况下使用，闸板体采用抗硫材料，使得该剪切闸板适用于硫化氢环境要求。

3） 通过多次试验表明，该抗硫剪切闸板寿命长，密封可靠。

4） 建议推进高强度本体抗硫化氢材料的研究，提高国产石油装备的技术水平。

［1］ 曾时田.川渝高含硫气田钻完井主要难点及对策探讨［J］.钻采工艺，2008，31（1）：1-6.

［2］ 陈明，崔琦.硫化氢腐蚀机理和防护的研究现状及进展［J］.石油工程建设，2010，36（5）：1-5.

［3］ 杨思明，王春升.海上油田防硫化氢腐蚀问题［J］.中国海上油气（工程），2000，12（1）：15-18.

［4］ NACE Standard MR0175.Metals for Sulfide Stress Crack-ing and Stress Corrosion Cracking Resistance in Sour Oil-field Environments［S］.2003.

［5］ NACE Standard TM0177.Laboratory Testing of Met-als for Resistance to Sulfide Stress Cracking and Stress Corrosion Cracking in H2S Environments［S］.2005.

［6］ API Spec 16A.Specification for Drill-through Equipment ［G］.2004.

［7］ 杨永宁，赵荣军，孟宪宁，等.液压防喷器剪切闸板的设计［J］.石油矿场机械，2002，31（5）：31-33.

［8］ 孟祥瑜，畅元江，陈国明，等.海洋闸板防喷器剪切能力评估［J］.石油机械，2011，39（11）：73-77.

［9］ Frank Springett，Eric Ensley，Darrin Yenzer.Low-force shear adds value to today’s BOPs［J］.Drilling contrac-tor，2011（3/4）：106-115.

［10］ 胡霄，翟桂新，胡慧婷，等.补偿式多用途环形防喷器的研制［J］.石油矿场机械，2013，42（3）：91-93.

［11］ 郑泳，张川，宋振华，等.PFF65-140型硬密封圆弧平板闸阀结构改进［J］.石油矿场机械，2014，43（4）：78-81.

［12］ SY/T6417—2009，套管、油管和钻杆使用性能［S］.

development of H2SShearing Blind Ram

YANG Yongning1，ZHOU Liming1，MENG Qingrong1，YANG Yongxiang2a，LIUHui1，LIU Le2b
（1.Rongsheng Machinery Manufacture Ltd.of Huabei Oilfield，Renqiu 062552，China；2.a.Oil Production Engineering Research Institute；b.The First Oil Production Plant，Huabei Oilfield Company，Renqiu 062552，China）

To satisfy the need of exploration and development for onshore and offshore H2S oil/gas，the shearing ram can be utilized in H2S condition.The configure of ram is obround，the design implementes the diviI ded structure in finite room，integrates shearing and sealing，compact and reasonable structure.It can shear drilling pipe with S135 grade and 139.7 mm OD.The surface of blade is used H2S coating，the coat has the features of high wearing and high corrosion resistance.Test results show that the H2S shearing blind ram can shear drilling pipe by low hydrolic pres-sure and seal open hole following the complete shear of the drilling pipe，the sealing pressure can achieve 105 MPa.Test results satisfy the requirments of API Spec 16A.

shearing ram；H2S；BOP

TE921.5

B

10.3969/j.issn.1001-3482.2015.07.017

1001-3482（2015）07-0070-04

①2015-01-27

国家高技术研究发展计划（863计划）“深水防喷器组及其控制系统工程化研制”（2013AA09A220）

杨永宁（1965-），男，陕西岐山人，高级工程师，主要从事井控装备的研发工作，E-mail：yyn92＠aliyun.com。