防噴器剪切閘板剪切能力現場評估及應用

李 楊

中海油田服務股份有限公司湛江分公司 廣東湛江 524057

剪切閘板防噴器作為最早被運用在石油鉆采工程中的一類井控設備，在鉆井、修井、試油作業過程中預防井噴事故的發生發揮了重要作用。剪切閘板防噴器的基本要求是在必要的情形下能夠及時將作業管柱切斷，進而實現全封井口的目的。但剪切閘板防噴器設計的剪切力不足時，便容易發生作業管柱無法及時剪斷脫離，導致封井失敗、井噴失控等不良后果，特別是在深水作業情況下，發生的后果更為嚴重。因此，在配置防噴器設備時，必須采取準確的手段對剪切閘板防噴器的剪切能力進行評估。

1 剪切閘板防噴器的主要類型

鉆井作業中的剪切閘板防噴器結構類型主要有兩類，其一是整體式剪切閘板，其二是分體式剪切閘板。

1.1 整體式剪切閘板

這類閘板的結構十分簡單，維護起來容易。閘板體與刀體構成一體，采用熱處理加工刀刃，從而能夠完成剪切操作，但是基體部分又處于不同的熱處理狀態，因此具備較強的井壓承受能力。常見的整體式剪切閘板主要有四種類型：

（1）ISR 型剪切閘板：這類閘板的結構為雙V 形刀，上下閘板均都采用的是V 形刀，其主要優點是降低實際剪切時閉合壓力，提高剪切作用力，并且在完成剪切后能夠使鉆桿斷口擁有的通流面積較大，便于今后事故處理時的壓井作業。

（2）SBR 型剪切閘板：這類閘板上閘板的刀刃呈V形，下閘板的刀刃為直刀刃，上閘板中間設有凹槽，凹槽中鑲嵌著密封條，在關井時其與上閘板配合使剪切鉆桿后下閘板能夠進入上閘板的凹槽中，在持續運動過程中使刃口密封。這類型的剪切閘板在作業過程中不會對密封橡膠造成損壞，并且橡膠不會受到刃口剪切作用的影響，從而獲得較好的密封效果與密封能力。

（3）DSI 型剪切閘板：這類閘板的上下刃口均為V形，是由ISR 和SBR 兩種結構類型組合而來，上閘板存在凹槽，且表面附著楔形密封條，下閘板刀刃能夠穿入上閘板中間凹槽內，下閘板表面與密封條緊貼，從而具備良好的密封效果。

（4）圓形剪切閘板：這類閘板的刃口形狀與DSI 相同，但是其整個閘板形狀為半圓形，上下閘板閉合時構成了圓形。雙刀V 形結構能夠減小實際剪切過程中的油壓力，提高剪切力，但是該類型的閘板無法密封刃口，只能完成剪切。

1.2 分體式剪切閘板

分體式剪切閘板也可以稱為鑲刃型剪切閘板，應用的是閘板體育刀體裝配式結構，剪切刀刃獨立開來，將其鑲裝在閘板體上。再根據井況裝各類剪切刃，當其失效后再重新裝入新的剪切刃，減少了成本支出，這類結構的優點主要體現在：一是選用機械性能較好的材料，因此刀體的剪切能力強；二是刀體損壞后便于更換。

2 防噴器剪切閘板剪切能力評估的意義及方法

2.1 防噴器剪切閘板剪切能力評估的意義

在鉆井作業中存在井噴、井涌等井控風險，若不能使用二級井控將井控制住，將會產生巨大的危害，造成生命、財產的損失，二級井控最后一道把關屏障就是剪切閘板剪斷管柱封閉井眼，從而控制住井。但是管柱屈服強度、剪切閘板結構、控制系統壓力等都會對剪切閘板的剪切能力，對于水下防噴器、水深等也會影響剪切能力。這就需要評估防噴器剪切閘板的剪切能力，為選擇管柱類型、剪切閘板類型等提供依據，同時也為現場作業提供指導。

2.2 防噴器剪切閘板剪切能力評估的方法

目前，國外關于防噴器剪切閘板剪切能力的評估的重點內容為剪切力經驗公式分析與試驗等內容。而我國在對防噴器剪切閘板剪切能力的評估重點內容歸納起來包含四個方面：

第一，剪切力試驗和公式分析結果的比較。

第二，運用有限元對防噴器剪切閘板剪切能力、管柱剪切變形和失效的過程中進行模擬。

第三，借助仿真模型對防噴器剪切閘板剪切場與應力場二者的變化規律進行分析。

第四，分析海洋儲能器與防噴器系統的能力或水下液壓控制系統的的能力等。

上述四種方法均存在費用支出高，并且對相關技術人員的專業水平要求高的特征。并且，ANSI/ API Spec 16 A 中明確提出針對通徑高于346nm 的防噴器，在鉆桿的拉力為零以及井壓為零的情況下，開展剪切試驗需要應用外徑超過127nm，單位質量達到29kg/ m，鋼級G105 鉆桿開展評估。考慮到深水作業存在以下兩大特征，其一是鉆桿的外徑大多為139.8mm，鋼級超過S135 并且壁厚非常厚，其二是隨著水深和鉆井液密度的不斷升高，其與地面防噴器相比，便會在剪切閘板位置形成一定的壓力，如此一來便增加了防噴器剪切閘板剪切能力的難度，這便需要結合實際情況盡可能選擇成本支出最低，但是評估結果準確性最高的方法。

3 防噴器剪切閘板剪切能力理論評估過程

要評估防噴器剪切閘板的剪切能力，必須熟悉剪切工作原理。防噴器剪切閘板的工作原理為：剪切閘板防噴器由液壓系統操作，當需要關閉閘板時，高壓液體進入左右油缸關閉腔，推動活塞，活塞桿，使左右閘板總成沿著閘板室內導向筋限定的軌道，分別向井口中心移動，達到剪斷鉆桿并封井的目的。需要開啟閘板時，高壓油進入左右油缸開啟腔，左右兩個閘板總成分別向離開井口中心的方向移動，達到開井的目的。閘板開和關的方向是由換向閘（三位四通閥）控制的，閘板開關的作用力與活塞的受力面積和作用于該面積上的控制液壓力成正比。因此，防噴器剪切閘板剪切能力理論評估過程為：首先確認管柱能否被剪切，然后確定可剪切管柱的最小剪切壓力，最后確定鉆井平臺防噴器系統對可剪切管柱的剪切能力。

3.1 確認管柱能否被剪切

決定管柱能否被剪切的因素是管子壁厚和管子外徑，如果管子壁厚太厚或管子外徑太大而超出了防噴器剪切結構的設計能力，則直接可以判斷這些管柱不能被剪切，剪切結構能夠剪切的最大壁厚和最大外徑可以從廠家說明書上查到。

3.2 確定可剪切管柱的最小剪切壓力

剪切管柱模擬圖見圖1，水下防噴器剪切附加示意圖見圖2。

圖1 剪切管柱模擬圖

圖2 水下防噴器剪切附加示意圖

根據剪切管柱模擬圖簡單分析可以得出式（1）。

求可剪切管柱的最小剪切壓力見式（2）。

式中：P——可剪切管柱的最小剪切壓力；

σ——可剪切管柱最小屈服強度；

do——可剪切管柱的外徑；

dι——可剪切管柱的內徑；

Pw——井眼壓力；

dp——防噴器剪切閘板活塞的外徑；

dr——防噴器剪切閘板活塞桿的外徑；

K——防噴器剪切閘板類型/ 管柱鋼級常數，

與防噴器剪切閘板類型和管柱鋼級有關，通常通過實驗獲的。

某鉆井平臺剪切閘板防噴器的剪切閘板類型/ 管柱鋼級常數見表1。

表1 某鉆井平臺剪切閘板防噴器的剪切閘板類型/ 管柱鋼級常數

3.3 確定鉆井平臺防噴器系統對可剪切管柱的剪切能力

鉆井平臺防噴器系統對可剪切管柱的剪切能力是通過比較防噴器系統最高工作壓力Pm和可剪切管柱的最小剪切壓力P 得出的，即：

P≤0.9Pm，說明鉆井平臺防噴器系統可剪切該管柱；

0.9Pm＜P≤Pm，說明鉆井平臺防噴器系統可剪切該管柱，但必須進行剪切試驗驗證；

P＞Pm，說明鉆井平臺防噴器系統不能剪切該管柱。

3.4 確定鉆井平臺水下防噴器系統對可剪切管柱的剪切能力

對于水下防噴器系統，由于工作原理和工作環境的變化，海水的靜液壓力、防噴器控制液靜液壓力和井眼中鉆井液靜液壓力也會對防噴器系統對可剪切管柱的剪切能力產生影響，需要附加額外剪切壓力△P（式3）來克服這些影響。

式中：D——水深；

ρw——海水密度，8.66ppg；

ρm——井中鉆井液密度。

ρc= 防噴器控制液密度，通常取水的密度作為控制液密度，8.33ppg。

因此，對于水下防噴器，可剪切管柱的最小剪切壓力Ps則變為式（4）。

4 現場應用實例

某鉆井平臺的防噴器系統中鉆桿剪切閘板的最高操作壓力為5000psi，剪切結構可剪切管柱的最大壁厚為0.73in，可剪切的最大管徑為11.75in，剪切閘板活塞的外徑為18.017in，活塞桿的外徑為6.743in，其剪切閘板類型/ 管柱鋼級常數見表3.2.2，確定該防噴器系統在0psi井眼壓力下對外徑為5in、內徑4.276in、鋼級為S135（最小屈服強度135000psi）的鉆桿的剪切能力過程：

（1） 確認管柱能否被剪切。該鉆桿的壁厚為(5- 4.276)/ 2=0.362in＜0.73in，且該鉆桿的外徑為5in＜11.75in，所以該鉆桿能夠被剪切。

（2）確定可剪切管柱的最小剪切壓力。根據該鉆桿的鋼級S135 對照圖，得出剪切閘板類型/ 管柱鋼級常數為0.5256。

使用式（2）求得可剪切管柱的最小剪切壓力，見式（5）。

代入數據，得1468psi。

（3）確定鉆井平臺防噴器系統對可剪切管柱的剪切能力。可剪切管柱的最小剪切壓力P=1468psi ＜4500psi=0.9×5000psi=0.9Pm，說明該鉆井平臺的防噴器系統可以剪切該鉆桿。

（4）現場試驗驗證。現場用該防噴器系統的剪切閘板在地面對該5″鉆桿進行剪切試驗，在操作壓力為1500psi 時剪斷了該鉆桿，與理論計算值很接近，說明該防噴器剪切閘板剪切能力評估理論計算對現場具有重要的指導意義。5 結論

（1）在鉆井作業中，防噴器剪切閘板剪切能力的評估對于井控工作是非常重要的。

（2）地面防噴器剪切閘板的剪切能力與管柱鋼級、內外徑、剪切閘板類型、結構、控制系統的壓力有關，可以通過公式理論計算出來。

（3）水下防噴器剪切閘板的剪切能力比地面的復雜，還要附加海水、防噴器控制液和井眼中鉆井液靜液壓力綜合作用產生的壓力。

（4）通過現場應用實例可以看出本文防噴器剪切閘板剪切能力評估理論對現場具有指導意義。