剪切閘板量化評(píng)價(jià)方法

王鵬程，葉玉麟，謝　沖

(1.塔里木油田公司，新疆 庫爾勒 841000；2.西南石油大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，成都 610500)①

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剪切閘板量化評(píng)價(jià)方法

王鵬程1，葉玉麟2，謝沖2

(1.塔里木油田公司，新疆 庫爾勒 841000；2.西南石油大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，成都 610500)①

摘要：剪切閘板是閘板防噴器的核心部件之一，其技術(shù)性能直接關(guān)系到整個(gè)井控系統(tǒng)工作的可靠性。剪切閘板一旦失效，將可能發(fā)生井噴、井涌等嚴(yán)重事故，危及地面人員及裝備的安全，增加鉆井、完井過程中的作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。分析了剪切閘板量化評(píng)價(jià)方法的意義以及目前剪切閘板評(píng)價(jià)存在的問題，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用條件，基于機(jī)器視覺技術(shù)和圖像處理技術(shù)建立了一套科學(xué)、快速、高精度的剪切閘板量化評(píng)價(jià)方法，為鉆井完井的安全作業(yè)提供保障，對(duì)完善剪切閘板量化檢測(cè)技術(shù)具有一定的指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞：剪切閘板；量化評(píng)價(jià)；機(jī)器視覺

井控是石油與天然氣勘探開發(fā)過程中的重要環(huán)節(jié)，是安全生產(chǎn)的重中之重。防噴器作為井控裝置的關(guān)鍵部件，對(duì)鉆井、修井、試油等作業(yè)過程中控制井口壓力，防止井涌、井噴事故起著重要作用。而閘板防噴器主要應(yīng)用于鉆井、修井或試油等作業(yè)過程中即時(shí)關(guān)閉剪切閘板以剪斷井口鉆具，并實(shí)現(xiàn)整個(gè)井口的安全密封。剪切閘板是閘板防噴器的核心部件之一，其工作性能直接決定了閘板防噴器的技術(shù)性能，關(guān)系到整個(gè)井控系統(tǒng)工作的可靠性，閘板防噴器一旦失效，后果不堪設(shè)想。在實(shí)際工程運(yùn)用中，單靠傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)來處理井控問題已無法減少和避免因井噴失控造成的巨大損失，故迫切需要一種能夠科學(xué)、快速、高精度地對(duì)剪切閘板做出評(píng)價(jià)的方法。

目前，剪切閘板的檢測(cè)主要采用人工肉眼觀察或無損檢測(cè)方法(例如磁粉檢測(cè)等)，定性觀察閘板刃口在剪切鉆桿前后的損傷情況，主要針對(duì)閘板是否在剪切后產(chǎn)生宏觀裂紋等情況。由于人工檢測(cè)是靠肉眼觀察是否產(chǎn)生缺陷，存在不可避免的主觀因素干擾，且長(zhǎng)時(shí)間的重復(fù)工作會(huì)使人產(chǎn)生視覺疲勞，勞動(dòng)強(qiáng)度大，生產(chǎn)效率低，并且人工檢測(cè)對(duì)剪切閘板刃口的細(xì)微變形以及實(shí)際變形量卻無法進(jìn)行檢測(cè)，不能精確地評(píng)價(jià)剪切閘板刃口變形。

本文借鑒國內(nèi)外在質(zhì)量檢測(cè)方面的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)[1-2]，提出了一種基于機(jī)器視覺技術(shù)和圖像處理技術(shù)的剪切閘板量化評(píng)價(jià)方法，為剪切閘板缺陷的量化分析提供了解決方案，具有非接觸、高效率、高精度、低成本等諸多優(yōu)點(diǎn)，能夠大幅度提高檢測(cè)效率和自動(dòng)化程度，有利于實(shí)現(xiàn)數(shù)字化集成和數(shù)字化信息管理，為鉆井完井的安全作業(yè)提供保障，對(duì)完善剪切閘板量化檢測(cè)技術(shù)具有一定的指導(dǎo)作用。

1檢測(cè)評(píng)價(jià)原理及方法

機(jī)器視覺檢測(cè)方法是利用快速、非接觸的檢測(cè)手段，對(duì)實(shí)際環(huán)境中的物體進(jìn)行數(shù)字化建模，并在虛擬環(huán)境中再現(xiàn)的一種現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)，不僅可以對(duì)指定零件的特征(如零件完整性以及表面完好性)進(jìn)行檢測(cè)，而且還可以對(duì)零件的幾何尺寸及偏差值進(jìn)行精確測(cè)量[3]。它以近現(xiàn)代物理、控制論、信息論和系統(tǒng)論為理論基礎(chǔ)，以現(xiàn)代光學(xué)技術(shù)、電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)為技術(shù)背景，為空間模式判斷、機(jī)器人視覺等學(xué)科提供技術(shù)支持，又為工業(yè)自動(dòng)化、虛擬現(xiàn)實(shí)等提供模型資源供應(yīng)，是一門跨學(xué)科領(lǐng)域、多應(yīng)用層次的關(guān)鍵技術(shù)[4-6]。

1.1系統(tǒng)原理

本系統(tǒng)根據(jù)機(jī)器視覺技術(shù)和圖像處理技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。采用結(jié)構(gòu)光投影三維檢測(cè)技術(shù)，將光柵投射到被測(cè)工件上，利用光線產(chǎn)生的畸變，解調(diào)出被測(cè)工件的三維信息，可以對(duì)復(fù)雜的工件表面和不同材料構(gòu)成的工件表面，進(jìn)行全面、無接觸、快速和高精度地測(cè)量，視工件的復(fù)雜程度，工件的檢測(cè)時(shí)間在數(shù)秒到數(shù)分鐘之間。與物體信息獲取手段或技術(shù)(繪畫、拍照、攝影或接觸式測(cè)量、點(diǎn)測(cè)量、線測(cè)量)相比，機(jī)器視覺檢測(cè)技術(shù)提供了一種替代人工肉眼識(shí)別，更加完整精確地測(cè)量方式或信息獲取方式。

機(jī)器視覺檢測(cè)方法主要依賴于圖像處理技術(shù)。圖像處理技術(shù)包括：圖像的增強(qiáng)、復(fù)原、重建、體征的提取、分割、幾何處理、識(shí)別等。根據(jù)原理不同可分為基于區(qū)域的處理技術(shù)、基于特征的處理技術(shù)、基于模型的處理技術(shù)和基于規(guī)則的處理技術(shù)等。其中，基于特征(通常指圖像的邊緣信息)的視覺方法應(yīng)用較廣泛。邊緣信息檢測(cè)不是直接取決于圖像的灰度，而是取決于圖像灰度的梯度變化，因此檢測(cè)的邊緣具有較高的固定性。采用不同的邊緣檢測(cè)方法，可以獲得不同精度的邊緣信息，研究具有高定位精度的邊緣提取方法是獲得高質(zhì)量視覺信息特征的重要手段[7-9]。

機(jī)器視覺檢測(cè)方法的工作流程為：計(jì)算機(jī)接受來自CCD成像器件或圖像采集卡的圖像信息，再根據(jù)采集到的像素分布和亮度信息，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，再利用圖像處理系統(tǒng)對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行各種運(yùn)算加工，將被測(cè)工件的各種有用特征抽取出來，例如面積、數(shù)量、高度及長(zhǎng)度等，再根據(jù)系統(tǒng)預(yù)設(shè)的允許度和其他條件輸出檢測(cè)結(jié)果，包括尺寸、位置、有/無裂紋、合格/不合格等，完成檢測(cè)與評(píng)價(jià)任務(wù)。如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)原理

1.2檢測(cè)評(píng)價(jià)方法

檢測(cè)評(píng)價(jià)過程、方法如圖2～3所示。分2個(gè)步驟對(duì)剪切閘板進(jìn)行測(cè)試和數(shù)據(jù)整理。

1)對(duì)剪切前后的閘板刃口進(jìn)行三維掃描，以獲取完整的剪切鉆桿前后的閘板刃口圖像數(shù)字信息。

2)對(duì)剪切鉆桿前后的閘板刃口圖像數(shù)字信息進(jìn)行三維對(duì)比分析，以便精確得到剪切后閘板刃口的塑性變形區(qū)域及變形量云圖分布，對(duì)剪切閘板刃口的塑性損傷進(jìn)行全面的量化評(píng)價(jià)。

a

b

c

d

2檢測(cè)項(xiàng)目

剪切閘板的質(zhì)量缺陷通常具有復(fù)雜性和多樣性的特點(diǎn)，目前還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。因此，在剪切閘板使用過程中對(duì)閘板刃口的關(guān)鍵尺寸和表面缺陷等外觀質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)評(píng)價(jià)，以保證剪切閘板的質(zhì)量，降低在使用過程中的失效風(fēng)險(xiǎn)，并且可以對(duì)檢測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，以便在使用過程中發(fā)現(xiàn)問題，總結(jié)規(guī)律，進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)。

在使用過程中，剪切閘板與鉆桿間存在強(qiáng)烈的碰撞擠壓以及摩擦現(xiàn)象，會(huì)使剪切閘板刃口表面發(fā)生極大的變形，產(chǎn)生劃痕、壓傷，易引起毛刺、飛邊缺陷，嚴(yán)重影響剪切閘板的工作性能和使用壽命。故需要在每次使用剪切閘板后對(duì)其刃口質(zhì)量進(jìn)行科學(xué)、快速、準(zhǔn)確的檢測(cè)。

圖3　檢測(cè)評(píng)價(jià)方法

3試驗(yàn)與分析

3.1ISR型剪切閘板試驗(yàn)

試驗(yàn)采用信得FZ35-70型閘板防噴器側(cè)門直聯(lián)增壓器，配ISR型剪切閘板剪切101.6 mm(4英寸)超級(jí)13Cr鉆桿，加壓至15.1 MPa時(shí)成功將其剪斷。剪切閘板擠壓鉆桿，下半段斷口側(cè)邊有兩條明顯裂紋。閘板剪切過程是首先剪切刃口擠壓切入鉆桿，再在剪切刀面及刃口的擠壓作用下鉆桿體發(fā)生撕裂挫斷，最終將鉆桿剪切。

閘板剪切后刀面上有2個(gè)明顯的三角形印記，該印記的地方即是與鉆桿相接處，參與擠壓剪切的部位。肉眼觀察上下閘板，沒有明顯變化，手觸摸能感覺到閘板刀面底部有微微的突起。通過三維掃描對(duì)前后閘板刃口的對(duì)比，可以看出上下閘板刃口塑性變形區(qū)域都集中在V型刃口的中心部位，且塑性變形較小。上閘板刃口刀面在擠壓剪切鉆桿時(shí)向內(nèi)凹陷，內(nèi)陷最大變形值為0.364 mm，刃口下部底面外凸，外凸最大變形值為0.177 mm。下閘板刃口刀面在擠壓剪切鉆桿時(shí)向內(nèi)凹陷，內(nèi)陷最大變形值為0.736 mm，刃口下部底面外凸，外凸最大變形值為0.100 mm。如圖4～7所示。

ISR型剪切閘板剪切超級(jí)13Cr鉆桿后閘板刃口塑性變形很小，尤其是下閘板刃口幾乎沒有變形，不會(huì)影響剪切后的密封。水密封試驗(yàn)也驗(yàn)證了此結(jié)論。

圖4　ISR型上閘板刃口塑性變形云圖

圖5　ISR型上閘板實(shí)際壓痕圖

圖6　ISR型下閘板刃口塑性變形云圖

圖7　ISR型下閘板實(shí)際壓痕圖

3.2SBR型剪切閘板試驗(yàn)

試驗(yàn)采用美國卡麥龍F(tuán)Z28-105型防噴器側(cè)門直聯(lián)增壓器，配SBR型剪切閘板剪切101.6 mm (4英寸)超級(jí)13Cr鉆桿，加壓至18.4 MPa時(shí)成功將其剪斷。鉆桿被剪斷，上半段鉆桿斷口被擠扁呈長(zhǎng)徑為115 mm、短徑為82 mm的橢圓形。斷口端面非常整齊，斷面周圍沒有明顯飛邊。斷口長(zhǎng)徑兩側(cè)邊有明顯撕裂痕跡，說明閘板剪切過程中，斷口短徑中間部位(如圖9)閘板刃口侵入剪切，長(zhǎng)徑邊緣部分是擠壓撕裂剪斷。上斷口上閘板接觸的一邊有三角形擠壓印記，且這一半的斷口呈V形；上斷口另一邊斷口呈一字形。下半段鉆桿斷口處已成近似90°的彎曲狀。斷口處鉆桿撕裂嚴(yán)重，有部分掉塊和切屑。閘板剪切后上閘板刀面上有非常明顯的三角形印記，該印記的地方即是與鉆桿相接處參與擠壓剪切的部位。肉眼觀察上下閘板刃口基體均有明顯變化。上閘板下部基體擠壓下半段鉆桿體彎曲部位，擠壓部位有明顯的變形；上閘板凹槽內(nèi)密封橡膠處有鉆桿掉屑，被擠壓呈扁平狀粘附在橡膠條表面；凹槽內(nèi)基體上也被損壞，產(chǎn)生2個(gè)明顯的3個(gè)凹坑。下閘板刃口有明顯的崩口、裂紋，刃口已被完全損壞；其刃口處的基體也被擠壓變形，產(chǎn)生對(duì)稱的2個(gè)明顯的擠壓撕裂痕跡。如圖8～11所示。

通過三維掃描對(duì)前后閘板刃口的對(duì)比，可以看出上下閘板刃口塑性變形區(qū)域都集中在刃口及刃口附近的基體。上閘板刃口刀面在擠壓剪切鉆桿時(shí)向內(nèi)凹陷，內(nèi)凹最大變形量為0.929 mm，外凸最大變形量為0.607 mm，下閘板刃口刀面在擠壓剪切鉆桿時(shí)向內(nèi)凹陷，內(nèi)凹最大變形量為0.942 mm，外凸最大變形量為0.737 mm 。

SBR型剪切閘板剪切超級(jí)13Cr鉆桿后閘板刃口塑性變形很小，不會(huì)影響剪切后的密封。水密封試驗(yàn)也驗(yàn)證了此結(jié)論。

圖8　SBR型上閘板刃口塑性變形云圖

圖9　SBR型上閘板實(shí)際壓痕圖

圖10　SBR型下閘板刃口塑性變形云圖

圖11　SBR型下閘板實(shí)際壓痕圖

ISR、SBR 2種類型的剪切閘板均能可靠剪切101.6 mm (4英寸)超級(jí)13Cr鉆桿，ISR型剪切閘板刃口變形量更小，故其剪切性能優(yōu)于SBR型剪切閘板。

4結(jié)論

1)高精度、快速地評(píng)價(jià)剪切閘板的工作性能是井控工作的關(guān)鍵，準(zhǔn)確有效地評(píng)估其使用壽命，可確保地面人員的生命安全與裝備的正常運(yùn)行。

2)通過該評(píng)價(jià)方法，能定量地測(cè)試并觀察剪切鉆桿過程中剪切閘板刃口的具體變形量以及其塑性變形量的分布云圖，更能準(zhǔn)確捕捉剪切閘板的形變細(xì)節(jié)以及分布規(guī)律，且該套方法操作簡(jiǎn)單快速，能滿足評(píng)價(jià)測(cè)試精度的要求。

3)通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)可知，ISR、SBR 2種類型的剪切閘板均能可靠剪切101.6 mm(4英寸)超級(jí)13Cr鉆桿，且ISR型剪切閘板刃口變形量更小，其剪切性能優(yōu)于SBR型剪切閘板。

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下期部分目次預(yù)告

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Study on Quantitative Evaluation Method of Shear Rams

WANG Pengcheng1，YE Yulin2，XIE Chong2

(1.TarimOilfieldCompany，Korla841000，China；2.SchoolofMechatronicEngineering，SouthwestPetroleumUniversity，Chengdu610500，China)

Abstract：Shear ram is one of the core components of the blowout preventer，and its technical performance is directly related to the success or failure of the whole well control system.Once the shear rams fail，it will be possible to have a serious accident，such as blowout well，endangering the safety of ground personnel and equipment，and increase the operational risk in the process of drilling and completion.The significance of the quantitative evaluation method of shear rams and the problems existing in the present evaluation method were analyzed in this paper to establish a set of scientific，fast and accurate method for the quantitative evaluation of shear rams，which is based on machine vision technology and image processing technology.

Keywords：shear rams；quantitative evaluation；machine vision

中圖分類號(hào)：TE921.5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.03.007

作者簡(jiǎn)介：王鵬程(1980-)，男，四川巴中人，工程師，現(xiàn)從事井控管理工作，E-mail：wangpc-tlm@petrochina.com.cn。

收稿日期：①2015-09-14 國家重大科技專項(xiàng)“大型油氣田及煤層氣開發(fā)——庫車東部致密砂巖儲(chǔ)層氮?dú)忏@完井配套技術(shù)研究”(2011ZX05046)

文章編號(hào)：1001-3482(2016)03-0033-05