抗硫剪切閘板的研制

楊永寧，周利明，孟慶榮，楊永祥，劉　輝，劉　樂(lè)

（1.河北華北石油榮盛機(jī)械制造有限公司，河北任丘062552；2.華北油田公司a.采油工程研究院；b.第一采油廠，河北任丘062552）①

抗硫剪切閘板的研制

楊永寧1，周利明1，孟慶榮1，楊永祥2a，劉輝1，劉樂(lè)2b

（1.河北華北石油榮盛機(jī)械制造有限公司，河北任丘062552；2.華北油田公司a.采油工程研究院；b.第一采油廠，河北任丘062552）①

針對(duì)陸地含硫化氫油氣田以及海洋高壓高含硫油氣勘探開(kāi)發(fā)的要求，研制了適應(yīng)于硫化氫環(huán)境下作業(yè)的剪切閘板。該閘板外形為長(zhǎng)圓形，在有限的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)了分體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，集剪切與密封為一體，結(jié)構(gòu)緊湊合理，能夠滿足S135級(jí)外徑139.7 mm鉆桿剪切的要求。刀體表面采用抗硫化氫涂層技術(shù)，具有較高的耐磨性和耐硫化氫腐蝕性能。試驗(yàn)結(jié)果表明：該抗硫剪切閘板能夠在較低的液控壓力下完成對(duì)鉆桿的剪切，并且能密封空井，密封井壓可達(dá)到105 MPa，試驗(yàn)結(jié)果符合API Spec 16A標(biāo)準(zhǔn)的要求。

剪切閘板；硫化氫；防噴器

我國(guó)含硫油氣資源在總資源中所占比例較高，其中有許多屬于H2S含量大于2%的高含硫天然氣資源，主要分布于四川盆地、鄂爾多斯盆地、塔里木盆地、渤海灣盆地等區(qū)域。除此之外，隨著石油勘探開(kāi)發(fā)逐步向海洋深水區(qū)域推進(jìn)，其面臨的工況更為惡劣，大都為高壓高含硫環(huán)境。

除油氣勘探開(kāi)發(fā)，特別是天然氣勘探開(kāi)發(fā)本身的高隱蔽和高風(fēng)險(xiǎn)外，高含硫氣田的勘探開(kāi)發(fā)的高風(fēng)險(xiǎn)還突出表現(xiàn)在H2S和CO2帶來(lái)的強(qiáng)腐蝕和劇毒2個(gè)方面［1］。當(dāng)空氣中含H2S的體積分?jǐn)?shù)為0.000 1%時(shí)，人們可以明顯地聞到臭雞蛋味，只需幾秒鐘即可使人失去嗅覺(jué)；當(dāng)體積分?jǐn)?shù)達(dá)0.01%以上時(shí)，與其接觸4 h后將導(dǎo)致死亡；當(dāng)其體積分?jǐn)?shù)大于0.06%時(shí)，接觸不到2 min，即致人死亡。另外，H2S對(duì)鋼材也具有強(qiáng)烈的腐蝕性，對(duì)石油、石化工業(yè)裝備的安全運(yùn)轉(zhuǎn)存在很大的潛在危險(xiǎn)。目前，最經(jīng)濟(jì)簡(jiǎn)單的防腐蝕措施為添加緩蝕劑［2-3］。在H2S環(huán)境下金屬的開(kāi)裂類型包括氫鼓泡（HB）、氫致開(kāi)裂（HIC）、硫化物應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂（SSCC）、應(yīng)力導(dǎo)向氫致開(kāi)裂（SOHIC）。其中，H2S應(yīng)力腐蝕和氫致開(kāi)裂是一種低應(yīng)力破壞，甚至在很低的拉應(yīng)力下都可能發(fā)生開(kāi)裂。一般說(shuō)來(lái)，隨著鋼材硬度的提高，H2S應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂越容易發(fā)生，甚至在百分之幾屈服強(qiáng)度時(shí)也會(huì)發(fā)生開(kāi)裂。

國(guó)外對(duì)高含硫油氣藏鉆井、防腐等工藝技術(shù)的研究較早，已經(jīng)形成較成熟的安全開(kāi)采配套技術(shù)。目前，國(guó)內(nèi)已有部分高含硫油氣田投入開(kāi)發(fā)，還有不少含硫油氣藏等待開(kāi)發(fā)，而國(guó)產(chǎn)抗硫抗腐蝕的井控設(shè)備尚不完善和配套，急需能適應(yīng)高含H2S環(huán)境的井控裝備。目前，國(guó)產(chǎn)剪切閘板大都采用高硬度的材料以滿足剪切鉆桿的要求，材料的硬度超過(guò)NACE 0175規(guī)范［4］的規(guī)定，即所選用的材料硬度大于22 HRC，一般達(dá)到45 HRC以上，不能滿足H2S環(huán)境下安全剪切的要求，為此研制了該抗硫剪切閘板。

1　國(guó)外抗硫剪切閘板對(duì)比分析

目前，國(guó)外著名井控設(shè)備制造商Shaffer公司和Cameron公司均研制出抗硫剪切閘板，但在技術(shù)實(shí)現(xiàn)上有所不同，各具特色。Shaffer公司是以高強(qiáng)度本體抗硫材料實(shí)現(xiàn)抗硫剪切閘板的研制，而Cam-eron公司則以表面涂層技術(shù)實(shí)現(xiàn)其功能。

1.1 Shaffer公司

Shaffer公司的抗硫剪切閘板如圖1所示，該結(jié)構(gòu)由上閘板體、下閘板體、頂密封和刀體密封組成，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、剪切能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。其閘板體材料選用高強(qiáng)度、高韌性抗硫鈷基合金材料，其抗拉強(qiáng)度可達(dá)到2 000 MPa。刀體密封位于下閘板體內(nèi)，其缺點(diǎn)是剪斷鉆具時(shí)產(chǎn)生的殘屑及各種鉆液殘?jiān)奂?，極易損壞刀體密封，降低使用壽命。

圖1　Shaffer公司的抗硫剪切閘板結(jié)構(gòu)

1.2 Cameron公司

Cameron公司的抗硫剪切閘板如圖2所示，該結(jié)構(gòu)由上閘板體、下閘板體、頂密封、側(cè)密封、刀體和刀體密封組成。其刀體密封采用端面密封，密封可靠，對(duì)刀體表面采用表面涂層技術(shù)以達(dá)到抗硫化氫的目的。但由于刀體采用V形刀和直刀相結(jié)合的方式，剪切鉆具時(shí)需要較大的剪切關(guān)閉壓力，削弱了剪切閘板的剪切能力。

圖2　Cameron公司的抗硫剪切閘板結(jié)構(gòu)

2　抗硫剪切閘板的設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

抗硫剪切閘板由上閘板體、下閘板體、刀體、頂密封、側(cè)密封和中部密封組成，如圖3所示。閘板體的外形為長(zhǎng)圓形，為實(shí)現(xiàn)抗硫化氫的目的，采用分體式設(shè)計(jì)，在不影響閘板總成互換性的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)鉆具剪切和空井井壓密封2個(gè)功能，在設(shè)計(jì)中需要解決剪切和密封空間矛盾的問(wèn)題，既要保證閘板體具有足夠強(qiáng)度的同時(shí)，又要保證具有足夠?qū)挼拿芊鈳А?/p>

圖3　抗硫剪切閘板結(jié)構(gòu)

刀體和閘板體為分體式設(shè)計(jì)，刀體與閘板體之間采用嵌入式裝配，刀體從閘板體側(cè)面沿卡槽裝入，兩側(cè)的側(cè)密封輔助定位，定位精確，拆裝方便快捷。上下刀體形狀均為V形，有效地降低實(shí)際剪切關(guān)閉壓力，剪切能力強(qiáng)。中部密封位于上閘板體上，采用上下閘板體上下面貼合密封，泥漿雜質(zhì)顆粒及剪切鉆具產(chǎn)生的殘?jiān)灰壮练e，有效地保護(hù)了中部密封。中部密封截面形狀為燕尾形，不易脫落，最高密封井壓可達(dá)到105 MPa，從多方面確保了密封的可靠性。

2.2 有限元分析計(jì)算

由于上閘板體中部密封槽前端的部位受到來(lái)自液缸的水平推力的作用，其強(qiáng)度不足就會(huì)發(fā)生變形，造成密封失效和閘板體損壞，受力位置如圖4所示。為保證設(shè)計(jì)的安全性，采用有限元方法進(jìn)行分析，在計(jì)算中材料的定義采用彈塑性模型，應(yīng)用實(shí)際測(cè)試的應(yīng)力應(yīng)變曲線，使得變形分析的結(jié)果更接近于實(shí)際工況。在該處極限承載能力的計(jì)算中，主要通過(guò)繪制液缸壓力與位移的關(guān)系曲線，利用曲線斜率突變的性質(zhì)進(jìn)行分析。如圖5所示，由上閘板體A點(diǎn)的位移與液控壓力之間的關(guān)系曲線可知：在液控壓力達(dá)到21 MPa時(shí)，曲線的斜率急劇增加，說(shuō)明該閘板體的極限承載壓力為21 MPa，能夠滿足閘板防噴器額定液控壓力的要求。通過(guò)廠內(nèi)破壞性試驗(yàn)，當(dāng)該閘板體受到的液控壓力達(dá)到22 MPa時(shí)，A點(diǎn)發(fā)生塑性變形，表明該計(jì)算結(jié)果與實(shí)際相吻合。

圖4　上閘板體的受力位置示意

圖5　閘板體變形與來(lái)自液缸壓力之間關(guān)系曲線

2.3 耐腐蝕設(shè)計(jì)

該抗硫剪切閘板的抗硫化氫腐蝕能力應(yīng)包括2個(gè)方面的內(nèi)容：①閘板體本身抗硫化氫的能力；②刀體抗硫化氫的能力。

閘板體采用抗硫化氫低合金鋼鍛造材料，控制材料化學(xué)成分、熱處理過(guò)程和冷加工過(guò)程。使最終機(jī)加工后表面硬度小于22 HRC，符合NACEMR 0175標(biāo)準(zhǔn)要求，其力學(xué)性能符合API Spec 16A規(guī)范［5］規(guī)定的75K要求。經(jīng)過(guò)計(jì)算和多年來(lái)的試驗(yàn)結(jié)果，表明該閘板體的厚度可以滿足105 MPa井壓的強(qiáng)度要求。

由于該閘板采用分體式設(shè)計(jì)，刀體表面采用抗硫化氫涂層技術(shù)，便于選用較高強(qiáng)度的刀體材料。刀體的材料以及表面處理設(shè)計(jì)應(yīng)滿足2個(gè)方面的要求：

1） 刀體要有足夠高的硬度，以滿足鉆桿剪切的要求。

2） 經(jīng)過(guò)表面處理，使得刀體具有抗硫化氫腐蝕能力，且該處理不影響刀體材料本身的力學(xué)性能，不降低剪切能力。

為此，刀體材料選用高強(qiáng)度的低合金鍛件，熱處理后的硬度達(dá)到40 HRC，具有較高的耐沖擊能力，刀體材料的力學(xué)性能優(yōu)于閘板體，保證了剪切能力。通過(guò)多次試驗(yàn)和檢測(cè)，研究了一套適用于抗硫剪切刀體表面處理的技術(shù)。采用該技術(shù)處理的刀體表面硬度高，耐磨性好，不易碰劃傷，具有優(yōu)秀的耐H2S、CO2、鹽水腐蝕性能。對(duì)經(jīng)過(guò)該技術(shù)處理的試樣依據(jù)NACE TM 0177—2005規(guī)范［6］進(jìn)行了SSC試驗(yàn)，在A型溶液條件下，經(jīng)720 h試驗(yàn)后，試樣未發(fā)生腐蝕和斷裂，完全符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

3　試驗(yàn)

依據(jù)API Spec 16 A規(guī)范的要求，剪切閘板應(yīng)進(jìn)行3次剪切鉆桿并密封井壓的試驗(yàn)。該抗硫剪切閘板在制造完成后進(jìn)行了2種規(guī)格鉆桿共計(jì)5次剪切和密封井壓試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果高于規(guī)范要求。一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于1副性能較好的剪切閘板來(lái)說(shuō)，剪切時(shí)刀體同時(shí)參與剪切鉆桿的截面尺寸越小，所需的剪切液控壓力越小。剪切液控壓力除了與鉆桿的尺寸、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和沖擊功密切相關(guān)外，刀體的結(jié)構(gòu)對(duì)剪切液控壓力的大小具有重要的影響。國(guó)內(nèi)楊永寧、孟祥瑜等［7-8］對(duì)剪切能力進(jìn)行了理論公式的推導(dǎo)和分析；另外隨著有限元技術(shù)的發(fā)展，近幾年來(lái)，有很多作者采用有限元仿真技術(shù)進(jìn)行了更為直觀和準(zhǔn)確的分析［9-11］。

通過(guò)試驗(yàn)，表明其剪切所需的液壓關(guān)閉壓力較低，均低于防噴器的液控額定工作壓力21 MPa，剪切的鉆桿參數(shù)如表1所示，鉆桿的性能參見(jiàn)SY/T6417標(biāo)準(zhǔn)［12］。5次試驗(yàn)包括3次G105級(jí)外徑127 mm鉆桿剪切試驗(yàn)和2次S135級(jí)外徑139.7 mm鉆桿剪切試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。剪斷后鉆桿的截面形狀如圖6所示，可以看到截面呈橢圓形，S135級(jí)鉆桿的截面相對(duì)G105級(jí)鉆桿來(lái)說(shuō)較為平滑，S135級(jí)鉆桿短軸較大，便于鉆桿剪切后落魚(yú)的處理。在每次試驗(yàn)完成后，對(duì)閘板體和刀體進(jìn)行了磁粉探傷及目視檢驗(yàn)，均未發(fā)現(xiàn)閘板體損壞開(kāi)裂以及密封件損壞等現(xiàn)象，充分證明了該閘板使用可靠性高。

表1　鉆桿參數(shù)

表2　剪切試驗(yàn)結(jié)果

圖6　剪斷后鉆桿斷口的截面形狀

4　結(jié)論

1） 該抗硫剪切閘板在有限的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)了分體閘板的設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)中充分考慮密封和剪切的要求，剪切能力與整體剪切閘板相當(dāng)，刀體和閘板體強(qiáng)度能夠滿足工作的要求，密封可靠性高。

2） 刀體采用了抗硫化氫涂層技術(shù)，通過(guò)試驗(yàn)表面能夠滿足H2S分壓2.5MPa、CO2分壓2.0 MPa工況下使用，閘板體采用抗硫材料，使得該剪切閘板適用于硫化氫環(huán)境要求。

3） 通過(guò)多次試驗(yàn)表明，該抗硫剪切閘板壽命長(zhǎng)，密封可靠。

4） 建議推進(jìn)高強(qiáng)度本體抗硫化氫材料的研究，提高國(guó)產(chǎn)石油裝備的技術(shù)水平。

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［12］ SY/T6417—2009，套管、油管和鉆桿使用性能［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

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）“深水防噴器組及其控制系統(tǒng)工程化研制”（2013AA09A220）

楊永寧（1965-），男，陜西岐山人，高級(jí)工程師，主要從事井控裝備的研發(fā)工作，E-mail：yyn92＠aliyun.com。