剪切闸板防喷器剪切力预测研究

王旭东，司念亭，冯 硕，龙江桥，张 超

(1中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司 2中海石油(中国)有限公司天津分公司)

随着油气开采向非常规油气、难动用储量油田发展，超深井、高压油气井及平衡钻井工艺得到广泛使用，特别是在欠平衡钻井中，井控设备是及时发现和控制溢流、防止井喷、避免油气资源浪费、保护设备及人身安全的关键设备[1-7]。在钻井、修井或试油等作业过程中遇到紧急情况时，闸板防喷器由活塞缸内液压油推动活塞，使活塞杆带动闸板总成向中间运动，以完成封井。在需要切断作业管柱才能实现封井的情况下，剪切闸板必须具备及时切断作业管柱的能力[8-11]。为了确保油气作业安全进行，国内外学者提出了诸多评价剪切闸板剪切能力的方法和理论，通常可归为数值模拟求解、试验研究及数据经验公式[12-17]三种。这些极具代表性的预测模型反映了剪切闸板剪切钻杆的断裂过程，但剪切力预测结果各异，对剪切闸板的设计指导意义不大。

剪切闸板剪断钻杆是通过剪切闸板压剪钻杆实现的，均以钻杆为单一研究对象，忽略了剪切闸板自身特性影响；基于此，本文深入分析剪切闸板的运动特性和剪切钻杆的工作过程，以压应力公式为基础，建立了以剪切闸板结构参数为基础的闸板剪切力预测模型；结合剪切实例验证预测模型的有效性和可靠性，为剪切闸板的结构设计提供理论参照。

一、剪切力预测模型的理论推导

1. 剪切运动方程的建立

剪切闸板剪切钻杆有别于传统意义上的切割钻杆，是通过巨大的推力压裂钻杆，使钻杆节理扩展，最终剪断钻杆。

剪切闸板在剪切钻杆时，由液压系统提供的主推力通过剪切闸板传递给钻杆，并提供闸板剪切钻杆的推动力压裂并最终剪断钻杆。假定剪切闸板剪切钻杆时剪切闸板与钻杆无相对滑动。规定剪切闸板下水平面为Oxy面，钻杆轴向正方向为Z轴正方向。

设剪切闸板的运动速度为v，根据剪切点C在Oxy面和Oxz面的投影结果可得：

(1)

式中：α—剪切闸板的内V型夹角，°；β—剪切闸板刃口倒角，°；φ—剪切闸板刃面倾角，°；θ—刃偏角，°；t—时间，s。

2. 剪切钻杆受力状态分析

剪切闸板在剪切钻杆过程中受力情况较为复杂，根据剪切闸板运动状态分析，将剪切闸板受力分为实现压裂钻杆正前方的垂向剪切力Fv1，挤压钻杆的切向剪切力Fv2以及闸板实现向前运动的驱动力F0。根据剪切机理可知，剪切闸板剪断钻杆主要由压裂钻杆正前方的垂向剪切力和挤压钻杆的切向剪切力相互作用完成。因此得到剪切闸板与钻杆相互作用受力分析如图1所示。

图1 剪切闸板剪切钻杆过程受力示意图

3. 剪切力预测模型的建立

剪切闸板剪切力理论预测模型以压痕实验作为研究基础，根据双V型剪切闸板的结构特点和压痕实验结论推出剪切闸板剪切钻杆的基础压痕形状。

剪切闸板剪切力预测模型建立过程中，确定被剪钻杆应力分布状态以及剪切闸板剪切钻杆基础压痕边界是模型构建的关键。根据压痕实验分析，钻杆的压应力为连续性分布，剪切闸板压痕正前方压应力近似为矩形分布且满足以剪切点为中心的等值分布，确定剪切闸板前方压痕形状和钻杆应力分布在Oxy面，Oyz面均满足矩形分布。如图2。

图2 剪切闸板剪切钻杆应力分布图

根据剪切闸板运动状态及结构等特点，得到基础压痕边界关键技术参数lab、lbc、lef：

(2)

(3)

(4)

式(2)～式(4)中：h—剪切闸板刃口厚度，mm；R—钻杆的外径，mm；r—钻杆内径，mm。

根据矩形区面积计算公式及以上技术参数，可得到剪切闸板剪切力的主应力(即垂向应力)及切向应力的有效作用区域的含参方程：

主应力有效作用区域方程Av1：

Av1=lablbc

(5)

切向应力有效作用区域方程Av2：

Av2=lablef

(6)

(7)

(8)

二、模型验证及误差分析

为了验证剪切闸板剪切力预测模型的准确性，本文进行闸板剪切钻杆的剪切试验。

1.试验设备

试验设备主要包括闸板防喷器一台，相同规格尺寸的S135钻杆三根。防喷器主要由四组闸板(其中从上往下第二组为剪切闸板)、液压系统和数据采集系统三部分组成。

2. 试验方案

剪切闸板及钻杆力学性能参数如表1所示，剪切闸板及钻杆结构参数如表2所示。

表1 剪切闸板及钻杆力学性能参数

表2 剪切闸板及钻杆结构参数

2.1 试验目的

剪切闸板是剪切钻杆的关键部件，其剪切力的大小直接关系到能否剪断钻杆，确保防喷器实现安全封井。本文的剪切试验以闸板防喷器整机中的剪切闸板进行S135的剪切试验，模拟防喷器的实际剪切工作过程，获得的剪切力数据与本文建立的预测模型进行比较，以验证本文预测模型的可靠性。

2.2 试验方法

将闸板 BOP安装在试验井口上，连接BOP开启和关闭管线，连接高压试压泵到井口或BOP侧出口管线上。在每条开启、关闭及井压管线配置一个压力传感器，压力传感器与数据采集系统相连；将S135钻杆垂直悬挂在BOP上方，然后放入井眼内。按照规定的关井要求，进行关井操作，从剪切瞬间的增压速度变化即可得到钻杆被剪断时的压力数据。

3. 试验结果及数据分析

试验时，在保证其它因素相同的情况下，按照规定的关井操作，对3根相同的S135钻杆进行剪切试验，试验结果及数据分析如表3所示。

在实际剪切过程中切向剪切力对实际剪切效果的有效值极小，在进行剪切力的理论值计算时，以垂向剪切力作为剪切闸板剪切力的近似值。

表3 模型与试验结果分析

本文预测模型与剪切试验的相对偏差在10%左右，符合工程数据的相对偏差要求。试验结果验证了剪切闸板剪切力理论预测模型的可靠性，反映了剪切闸板的内V型夹角、刃口倒角等参数对剪切力的影响。

三、结论

(1)通过分析剪切闸板剪切钻杆的剪切运动，提出以剪切闸板为研究对象，综合考虑剪切闸板结构参数，钻杆材料参数及剪切工况参数，应用压应力公式建立剪切闸板剪切力的预测模型。

(2)应用闸板防喷器剪切闸板进行钻杆的剪切试验获得的数据验证了理论预测模型的正确性和适用性，计算分析表明剪切力预测模型与剪切试验获得的数据相对偏差在10%左右，满足工程实践的偏差要求。剪切力预测模型中含有闸板结构参数，为剪切闸板的结构设计提供了一定的理论参照。