剪切閘板防噴器剪切性能評價

陳浩， 何航宇,2， 敬佳佳,2， 王仕強， 陳文斌， 萬夫， 何莎， 王小梅

(1.西南石油大學(xué)機電工程學(xué)院， 成都 610500； 2.西南石油大學(xué)能源裝備研究院， 成都 610500；3.中石油川慶鉆探工程有限公司安全環(huán)保質(zhì)量監(jiān)督檢測研究院， 廣漢 618300)

在鉆井作業(yè)中，井控設(shè)備是及時發(fā)現(xiàn)和控制溢流、防止井噴、避免油氣資源浪費、保護設(shè)備及人員安全的關(guān)鍵設(shè)備[1]。剪切閘板防噴器作為應(yīng)對危急情況最為關(guān)鍵的井控設(shè)備之一，其作用是切斷作業(yè)管柱并實現(xiàn)封井，以保證地面設(shè)備和人員安全。其工作性能是確保實現(xiàn)安全封井的關(guān)鍵。

目前中外學(xué)者提出了許多針對評價剪切閘板進行研究的方法：①對剪切機理進行了分析得到了閘板的最佳參數(shù)[2-4]；②對閘板的密封性能進行分析[5]；③對海洋和深水閘板防噴器進行評估[6-7]；④從力學(xué)的角度對剪切過程和鉆桿凸起高度進行分析[8-9]；⑤從視覺技術(shù)的角度對閘板防噴器進行量化評價[10]；⑥對剪切閘板的可靠性和可用性進行分析[11-12]；⑦對剪切力進行預(yù)測[13-16]；⑧對防噴器加熱保溫裝置進行設(shè)計[17]；⑨對其主要參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計[18-19]；⑩對防噴器失效風(fēng)險進行分析[20]。

雖然專家學(xué)者針對防噴器等井控設(shè)備做了許多研究工作。但目前對于剪切閘板工作性能的研究還不夠系統(tǒng)和深入，對剪切力計算值和仿真值的對比及其變化規(guī)律，以及在有井壓、有懸重情況下剪切力變化情況等仍有待進一步探討?，F(xiàn)在此基礎(chǔ)上開展相關(guān)的研究。

1 剪切閘板工作原理

剪切閘板一般由上下兩部分組成。在鉆井過程中發(fā)生緊急事故時，上下兩塊閘板在液壓推桿的推動下向井口中心移動并剪斷鉆桿，之后兩部分繼續(xù)合攏并完成封井。

剪切閘板如圖1所示，測繪閘板尺寸進行三維建模，采用顯示動力學(xué)模塊進行分析，能夠較好地模擬閘板剪切鉆桿的過程，預(yù)測鉆桿的斷裂形態(tài)并分析其剪切性能。

圖1 剪切閘板實物圖Fig.1 Solid figure of shear ram

2 材料模型的選擇

2.1 本構(gòu)模型

本構(gòu)方程反映了材料在加工變形時應(yīng)力與應(yīng)變、應(yīng)變率、溫度之間的關(guān)系。其是準(zhǔn)確模擬切削過程的基礎(chǔ)，也是保證仿真結(jié)果正確與可靠的基礎(chǔ)和前提。

常用的本構(gòu)模型主要包括基于物理學(xué)的Zerilli-Armstrong本構(gòu)方程以及基于經(jīng)驗的Johnson-Cook本構(gòu)方程。

Zerilli-Armstrong本構(gòu)方程考慮晶格的熱激活位錯運動，對不同的晶格類型表達式不同。

對于面心立方材料，其表達式為

(1)

對于體心立方材料，其表達式為

(2)

Johnson-Cook本構(gòu)模型能較好地預(yù)測金屬在大應(yīng)變、高應(yīng)變率、高溫環(huán)境下的強度極限以及失效，被廣泛應(yīng)用于金屬切削領(lǐng)域。具體表達式為

(3)

相比較而言，Zerilli-Armstrong模型常用于體心立方及面心立方金屬，并且其表達式與金屬類型相關(guān)，不適用于本次分析過程。Johnson-Cook本構(gòu)模型特別適用于模擬高應(yīng)變率下的金屬材料。而閘板剪切鉆桿的過程伴隨著大變形和高應(yīng)變率。故選用Johnson-Cook本構(gòu)模型。

S135鉆桿材料的Johnson-Cook模型參數(shù)，如表1所示。

表1 S135鉆桿Johnson-Cook模型參數(shù)Table 1 S135 drill pipe Johnson-Cook model parameters

2.2 斷裂損傷準(zhǔn)則

斷裂損傷準(zhǔn)則用來預(yù)測損傷萌發(fā)情況和斷口質(zhì)量。常用的斷裂損傷準(zhǔn)則包括：柔性損傷、Johnson-Cook、Shear Damage等斷裂損傷準(zhǔn)則。

柔性損傷準(zhǔn)則用來預(yù)測由于金屬內(nèi)部缺陷引起的損傷。其表達式為

(4)

Johnson-Cook損傷是一種失效累積，其失效時的表達式為

(5)

(1+D5T*)

(6)

式(6)中：D1、D2、D3、D4、D5為實驗參數(shù)；σ*為壓應(yīng)力與Mises等效應(yīng)力的比值。

Shear Damage在預(yù)測由于剪切帶變化引起的斷口質(zhì)量方面有較好的效果，具體表達式為

(7)

式(7)中：Csf為斷裂臨界判斷值；ε0為初始等效塑性應(yīng)變；Δγ為等效塑性應(yīng)變增量；εf為斷裂時等效塑性應(yīng)變。當(dāng)Csf=1時產(chǎn)生塑性應(yīng)變，εf的值與材料種類相關(guān)。

在本次研究中，剪切變形是由于剪切帶變化引起且柔性斷裂損傷準(zhǔn)則和Johnson-Cook斷裂損傷準(zhǔn)則的參數(shù)難以獲取，而 Shear Damage在預(yù)測由于剪切帶變化引起的斷口質(zhì)量方面有較好的效果，故選用Shear Damage韌性斷裂準(zhǔn)則[21]，根據(jù)文獻[3]可知，斷裂時塑性應(yīng)變εf=0.2。

3 有限元模型的建立

分別建立閘板和鉆桿的三維模型，忽略密封膠芯，遠離刃口的螺紋和圓孔等對剪切性能無影響的因素，對鉆桿受剪切部分和閘板刃口部分進行切分。閘板材料為40CrNiMo，鉆桿材料36CrNiMo4A。其材料性能如表2所示。

表2 材料力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of materials

網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2所示。采用C3D4四面體單元和C3D8R六面體單元分別對閘板和鉆桿進行網(wǎng)格劃分。僅對鉆桿受剪切部分、鉆桿徑向以及閘板刃口部分進行網(wǎng)格加密以提高計算精度和節(jié)省計算時間，其中上閘板75 863個單元，下閘板52 981個單元，鉆桿120 900個單元。約束鉆桿上端面xy方向的平動自由度，鉆桿下端保持自由。上下閘板間有1 mm的間隙，將閘板設(shè)置為離散剛體并通過背部的參考點進行約束。摩擦系數(shù)選用鋼與鋼之間的通用摩擦系數(shù)0.15。在參考點處施加x方向的速度為20 mm/s，上下閘板速度方向相反。

圖2 網(wǎng)格劃分結(jié)果Fig.2 Grid division results

4 剪切過程與斷口形貌分析

以鉆井過程中常用的5.5 in(1 in=25.4 mm)壁厚10.54 mm的S135鉆桿為剪切對象進行分析。其余規(guī)格鉆桿的剪切過程相同，差別僅為剪切力大小不同。

4.1 剪切過程分析

閘板剪切鉆桿的運動過程可分為接觸、擠壓、塑性變形、斷裂四個階段(圖3)。閘板首先接觸鉆桿，在接觸位置出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，之后不斷擠壓鉆桿使其產(chǎn)生彈性變形，隨著閘板的進一步擠壓，鉆桿進入塑性變形階段，之后閘板繼續(xù)合攏，最終剪斷鉆桿完成剪切。同時，采用雙閘板結(jié)構(gòu)不僅能夠提高剪切力，而且下閘板的V形結(jié)構(gòu)有助于鉆桿的自動回中。

圖3 上直下V形閘板剪切過程Fig.3 Shearing process of upper and lower V-shaped shear ram

4.2 斷口形貌分析

剪切完成后鉆桿斷口形貌如圖4所示，上半部分鉆桿斷口處受到上閘板直刀的擠壓而被壓扁，兩側(cè)也被壓裂，斷口部分有明顯的應(yīng)力集中區(qū)域。上半部分鉆桿斷口等效應(yīng)力為1 436 MPa。下半部分鉆桿主要受到下閘板V形刀的擠壓，其兩側(cè)先被壓裂，之后裂紋向中間擴展，其斷口形貌比較扁，大致為橢圓形，等效應(yīng)力為1 449 MPa。該型閘板剪切不同規(guī)格鉆桿，鉆桿的斷口形貌相似，其斷口應(yīng)力如表3所示。

圖4 5.5 in壁厚10.54 mm鉆桿斷口形貌Fig.4 Fracture morphology of 10.54 mm drill pipe with 5.5 in wall thickness

表3 剪切不同規(guī)格鉆桿結(jié)果Table 3 Shear the drill pipe of different specifications

由于閘板上端并未留有可容納被剪斷鉆桿的空間，故在剪切完成后應(yīng)及時將上半部分鉆桿提出，避免鉆桿背部接觸到另一塊閘板，導(dǎo)致液壓缸壓力過大，進而引發(fā)安全事故。

5 剪切性能分析

5.1 剪切力分析

對不同規(guī)格鉆桿在被剪切過程中的剪切力進行提取。結(jié)果如圖5所示，剪切力總體呈現(xiàn)先升后降的趨勢，但由于鉆桿的規(guī)格不同，故剪切力最大值出現(xiàn)的時間不同。

圖5 不同規(guī)格鉆桿的剪切力-時間曲線Fig.5 Shear force-time curves of drill pipes of different specifications

5.2 計算值與仿真值對比

仍以上面幾種鉆桿為研究對象，將仿真值與經(jīng)驗公式[22]計算值進行比較，其結(jié)果如表4和圖6所示。該經(jīng)驗公式為

圖6 計算值與仿真值對比Fig.6 Comparison between formula value and simulation value

表4 結(jié)果對比Table 4 Comparison of results

(8)

式(8)中：σs為材料屈服極限，MPa；R為鉆桿外徑，mm；r為鉆桿內(nèi)徑，mm。

由表4以及圖6可知，隨著鉆桿截面積的增大，剪切力總體上呈增大的趨勢。采用的經(jīng)驗公式計算值相對保守，使得剪切閘板具備超強剪切的能力，以確保能夠順利剪斷鉆桿。

利用經(jīng)驗公式[式(8)]計算的值要略大于仿真值；閘板剪切試驗也證實該結(jié)論[22]。計算值與仿真值仍然存在一定誤差，其原因主要有二：其一是引入Mises屈服準(zhǔn)則本身具有一定誤差；其二是經(jīng)驗公式并未考慮刀型對剪切力的影響。故在采用經(jīng)驗公式計算時可以適當(dāng)選擇修正參數(shù)對其進行修正。

5.3 有井壓情況下的剪切力

剪切閘板防噴器在工作時常需克服井內(nèi)壓力進行剪斷鉆桿，其所需克服的力如圖7所示，主要包括：①關(guān)井壓力；②克服鉆桿屈服極限的力。于是剪切過程可以表示為

P0A0≥F1+P井A1

(9)

A0為活塞有效承壓面積，mm2；A1為活塞桿面積，mm2；P0為防噴器操作壓力，MPa；P井為井壓，MPa；F1為克服鉆桿屈服強度所需的力，N圖7 防噴器在工作時的受力情況Fig.7 The forces to be overcome when the BOP works

故在有井壓的情況下，剪切鉆桿所需的剪切力轉(zhuǎn)換成油壓如圖8所示。

圖8 帶壓情況下剪切鉆桿所需的油壓Fig.8 The force required for shearing drill pipe under pressure

隨著井壓的增加，剪切力呈上升趨勢，井壓越大，克服井壓和鉆桿屈服極限所需的油壓越大。但由于液壓缸的最大承壓能力為21 MPa，故當(dāng)井內(nèi)壓力過大時，在剪切閘板防噴器工作的時候應(yīng)考慮配置增壓缸。

5.4 不同懸重下的剪切力

由于鉆桿下方大部分位于井內(nèi)，其鉆桿長度會影響剪切閘板的剪切性能，故以剪切5.5 in壁厚10.54 mm的鉆桿為研究對象，分析其剪切井內(nèi)鉆桿長度分別為1 000、2 000、3 000、4 000、5 000 m時的剪切性能。查閱相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)并將其懸重轉(zhuǎn)化為集中載荷施加到鉆桿下端面。5.5 in壁厚10.54 mm的鉆桿長度與施加載荷如表5所示。剪切其他鉆桿的情況如圖9所示。

表5 剪切不同長度鉆桿所需的力Table 5 The force used to shear different lengths of drill pipe

圖9 剪切力隨鉆桿長度變化情況Fig.9 Variation of shear force with the length of drill pipe

由圖9可知，隨著鉆桿長度的增加，剪切力整體上呈下降趨勢，當(dāng)鉆桿長度小于3 000 m時，剪切力變化不大，在此過程中，鉆桿所受拉力對其剪切性能的影響較小。當(dāng)鉆桿長度大于等于3 000 m時，其向下的拉力起主要作用，導(dǎo)致剪切力大幅度下降。

6 結(jié)論

(1)剪切過程包括接觸、擠壓、塑性變形、最終剪斷四個過程。采用上下雙閘板形式有助于提高剪切性能，并且下閘板的V形結(jié)構(gòu)有利于鉆桿自動回中。

(2)上直下V形閘板對不同鉆桿有較好的適應(yīng)性，能夠剪斷不同尺寸的鉆桿。在剪切完成后應(yīng)及時將上半部分鉆桿提出，避免鉆桿背部接觸到另一塊閘板，造成剪切力上升，進而導(dǎo)致液壓缸壓力過大。

(3)式(8)計算值大于仿真值，主要由于未考慮刀型對閘板剪切力的影響，并且式(8)引入Mises屈服準(zhǔn)則本身就具有一定的誤差。

(4)隨著井壓的增加，剪切力呈上升趨勢，井壓越大，克服井壓和鉆桿屈服極限所需的剪切力和油壓越大。但由于液壓缸的最大承壓能力有限，當(dāng)井內(nèi)壓力過大時，在剪切閘板防噴器工作的時候應(yīng)考慮配置增壓缸。

(5)剪切力隨著鉆桿長度的增加呈下降趨勢。前3 000 m內(nèi)剪切力變化不大，當(dāng)鉆桿長度超過3 000 m時剪切力大幅度下降。故井內(nèi)鉆桿越長越容易被剪斷。