剪切閘板防噴器剪切力預(yù)測(cè)研究

王旭東，司念亭，馮 碩，龍江橋，張 超

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

隨著油氣開(kāi)采向非常規(guī)油氣、難動(dòng)用儲(chǔ)量油田發(fā)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(shè)備是及時(shí)發(fā)現(xiàn)和控制溢流、防止井噴、避免油氣資源浪費(fèi)、保護(hù)設(shè)備及人身安全的關(guān)鍵設(shè)備[1-7]。在鉆井、修井或試油等作業(yè)過(guò)程中遇到緊急情況時(shí)，閘板防噴器由活塞缸內(nèi)液壓油推動(dòng)活塞，使活塞桿帶動(dòng)閘板總成向中間運(yùn)動(dòng)，以完成封井。在需要切斷作業(yè)管柱才能實(shí)現(xiàn)封井的情況下，剪切閘板必須具備及時(shí)切斷作業(yè)管柱的能力[8-11]。為了確保油氣作業(yè)安全進(jìn)行，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了諸多評(píng)價(jià)剪切閘板剪切能力的方法和理論，通常可歸為數(shù)值模擬求解、試驗(yàn)研究及數(shù)據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式[12-17]三種。這些極具代表性的預(yù)測(cè)模型反映了剪切閘板剪切鉆桿的斷裂過(guò)程，但剪切力預(yù)測(cè)結(jié)果各異，對(duì)剪切閘板的設(shè)計(jì)指導(dǎo)意義不大。

剪切閘板剪斷鉆桿是通過(guò)剪切閘板壓剪鉆桿實(shí)現(xiàn)的，均以鉆桿為單一研究對(duì)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(yùn)動(dòng)特性和剪切鉆桿的工作過(guò)程，以壓應(yīng)力公式為基礎(chǔ)，建立了以剪切閘板結(jié)構(gòu)參數(shù)為基礎(chǔ)的閘板剪切力預(yù)測(cè)模型；結(jié)合剪切實(shí)例驗(yàn)證預(yù)測(cè)模型的有效性和可靠性，為剪切閘板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論參照。

一、剪切力預(yù)測(cè)模型的理論推導(dǎo)

1. 剪切運(yùn)動(dòng)方程的建立

剪切閘板剪切鉆桿有別于傳統(tǒng)意義上的切割鉆桿，是通過(guò)巨大的推力壓裂鉆桿，使鉆桿節(jié)理擴(kuò)展，最終剪斷鉆桿。

剪切閘板在剪切鉆桿時(shí)，由液壓系統(tǒng)提供的主推力通過(guò)剪切閘板傳遞給鉆桿，并提供閘板剪切鉆桿的推動(dòng)力壓裂并最終剪斷鉆桿。假定剪切閘板剪切鉆桿時(shí)剪切閘板與鉆桿無(wú)相對(duì)滑動(dòng)。規(guī)定剪切閘板下水平面為Oxy面，鉆桿軸向正方向?yàn)閆軸正方向。

設(shè)剪切閘板的運(yùn)動(dòng)速度為v，根據(jù)剪切點(diǎn)C在Oxy面和Oxz面的投影結(jié)果可得：

(1)

式中：α—剪切閘板的內(nèi)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(shí)間，s。

2. 剪切鉆桿受力狀態(tài)分析

剪切閘板在剪切鉆桿過(guò)程中受力情況較為復(fù)雜，根據(jù)剪切閘板運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分析，將剪切閘板受力分為實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)向前運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力F0。根據(jù)剪切機(jī)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(guò)程受力示意圖

3. 剪切力預(yù)測(cè)模型的建立

剪切閘板剪切力理論預(yù)測(cè)模型以壓痕實(shí)驗(yàn)作為研究基礎(chǔ)，根據(jù)雙V型剪切閘板的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和壓痕實(shí)驗(yàn)結(jié)論推出剪切閘板剪切鉆桿的基礎(chǔ)壓痕形狀。

剪切閘板剪切力預(yù)測(cè)模型建立過(guò)程中，確定被剪鉆桿應(yīng)力分布狀態(tài)以及剪切閘板剪切鉆桿基礎(chǔ)壓痕邊界是模型構(gòu)建的關(guān)鍵。根據(jù)壓痕實(shí)驗(yàn)分析，鉆桿的壓應(yīng)力為連續(xù)性分布，剪切閘板壓痕正前方壓應(yīng)力近似為矩形分布且滿足以剪切點(diǎn)為中心的等值分布，確定剪切閘板前方壓痕形狀和鉆桿應(yīng)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(yīng)力分布圖

根據(jù)剪切閘板運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)，得到基礎(chǔ)壓痕邊界關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)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(nèi)徑，mm。

根據(jù)矩形區(qū)面積計(jì)算公式及以上技術(shù)參數(shù)，可得到剪切閘板剪切力的主應(yīng)力(即垂向應(yīng)力)及切向應(yīng)力的有效作用區(qū)域的含參方程：

主應(yīng)力有效作用區(qū)域方程Av1：

Av1=lablbc

(5)

切向應(yīng)力有效作用區(qū)域方程Av2：

Av2=lablef

(6)

(7)

(8)

二、模型驗(yàn)證及誤差分析

為了驗(yàn)證剪切閘板剪切力預(yù)測(cè)模型的準(zhǔn)確性，本文進(jìn)行閘板剪切鉆桿的剪切試驗(yàn)。

1.試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備主要包括閘板防噴器一臺(tái)，相同規(guī)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(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)三部分組成。

2. 試驗(yàn)方案

剪切閘板及鉆桿力學(xué)性能參數(shù)如表1所示，剪切閘板及鉆桿結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。

表1 剪切閘板及鉆桿力學(xué)性能參數(shù)

表2 剪切閘板及鉆桿結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.1 試驗(yàn)?zāi)康?/p>

剪切閘板是剪切鉆桿的關(guān)鍵部件，其剪切力的大小直接關(guān)系到能否剪斷鉆桿，確保防噴器實(shí)現(xiàn)安全封井。本文的剪切試驗(yàn)以閘板防噴器整機(jī)中的剪切閘板進(jìn)行S135的剪切試驗(yàn)，模擬防噴器的實(shí)際剪切工作過(guò)程，獲得的剪切力數(shù)據(jù)與本文建立的預(yù)測(cè)模型進(jìn)行比較，以驗(yàn)證本文預(yù)測(cè)模型的可靠性。

2.2 試驗(yàn)方法

將閘板 BOP安裝在試驗(yàn)井口上，連接BOP開(kāi)啟和關(guān)閉管線，連接高壓試壓泵到井口或BOP側(cè)出口管線上。在每條開(kāi)啟、關(guān)閉及井壓管線配置一個(gè)壓力傳感器，壓力傳感器與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相連；將S135鉆桿垂直懸掛在BOP上方，然后放入井眼內(nèi)。按照規(guī)定的關(guān)井要求，進(jìn)行關(guān)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(shí)的壓力數(shù)據(jù)。

3. 試驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)時(shí)，在保證其它因素相同的情況下，按照規(guī)定的關(guān)井操作，對(duì)3根相同的S135鉆桿進(jìn)行剪切試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析如表3所示。

在實(shí)際剪切過(guò)程中切向剪切力對(duì)實(shí)際剪切效果的有效值極小，在進(jìn)行剪切力的理論值計(jì)算時(shí)，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(yàn)結(jié)果分析

本文預(yù)測(cè)模型與剪切試驗(yàn)的相對(duì)偏差在10%左右，符合工程數(shù)據(jù)的相對(duì)偏差要求。試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了剪切閘板剪切力理論預(yù)測(cè)模型的可靠性，反映了剪切閘板的內(nèi)V型夾角、刃口倒角等參數(shù)對(duì)剪切力的影響。

三、結(jié)論

(1)通過(guò)分析剪切閘板剪切鉆桿的剪切運(yùn)動(dòng)，提出以剪切閘板為研究對(duì)象，綜合考慮剪切閘板結(jié)構(gòu)參數(shù)，鉆桿材料參數(shù)及剪切工況參數(shù)，應(yīng)用壓應(yīng)力公式建立剪切閘板剪切力的預(yù)測(cè)模型。

(2)應(yīng)用閘板防噴器剪切閘板進(jìn)行鉆桿的剪切試驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)驗(yàn)證了理論預(yù)測(cè)模型的正確性和適用性，計(jì)算分析表明剪切力預(yù)測(cè)模型與剪切試驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)相對(duì)偏差在10%左右，滿足工程實(shí)踐的偏差要求。剪切力預(yù)測(cè)模型中含有閘板結(jié)構(gòu)參數(shù)，為剪切閘板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了一定的理論參照。