嵌入式剪切裝置研制與應(yīng)用

（渤海鉆探工程有限公司管具技術(shù)服務(wù)分公司，河北 滄州 062552）

1 工作原理

嵌入式剪切裝置采用類似剪切防噴器原理，當(dāng)井內(nèi)存在鉆具時(shí)，可以直接吊裝該剪切裝置致井口，拆卸其側(cè)面前端的支撐板，將裝置吊裝套入鉆具，然后接上控制油路管線等，實(shí)現(xiàn)剪切。剪切功能實(shí)現(xiàn)是由來自液控系統(tǒng)的液壓力推動(dòng)裝置內(nèi)部剪切閘板實(shí)現(xiàn)的。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2．1 剪切影響因素

根據(jù)搶險(xiǎn)現(xiàn)場的特點(diǎn)，分析了現(xiàn)場影響剪切裝置成功剪切的因素，主要外在因素有剪切物（鉆桿等）的尺寸、材料、壁厚，剪切物（鉆桿等）的懸重，剪切物（鉆桿等）內(nèi)腔內(nèi)的壓力等；內(nèi)在因素主要包括剪切裝置的結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度，剪切閘板的結(jié)構(gòu)類型，剪切裝置的關(guān)閉腔壓力比等?，F(xiàn)對關(guān)鍵因素進(jìn)行分析。

（1）鉆柱長度。鉆柱越長，其自重越大，鉆柱越短，其自重越小。以常用鉆桿5″為例分別取9m、1000m、2000m、3000m、4000m、4800m、6000m進(jìn) 行 分 析。5″內(nèi)外加厚鉆桿質(zhì)量密度為38.18kg/m，通過模擬計(jì)算，剪切閘板剪切不同長度鉆柱時(shí)，剪切閘板上高應(yīng)力區(qū)依然集中在刃口部位，變形規(guī)律相同，峰值變化浮動(dòng)不大。上閘板應(yīng)力保持在970～985MPa之間，下閘板在974～990MPa，隨著鉆柱長度的增加上下閘板應(yīng)力逐漸降低，變形位移也逐步減小。由此可以得出，鉆柱長度越長越有利于剪切。

（2）鉆桿外徑。剪切時(shí)有鉆桿外徑尺寸、壁厚兩個(gè)影響參數(shù)，閘板在剪切尺寸越大、壁厚越大的鉆桿時(shí)越難剪，閘板應(yīng)力越高，變形位移越大。

2．2 選型及設(shè)計(jì)

針對影響因素進(jìn)行分析，以高效、安全為核心，確立了剪切方案，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了剪切裝置的結(jié)構(gòu)形式，優(yōu)選了剪切閘板類型，確保剪切性能達(dá)到現(xiàn)場使用技術(shù)要求。

剪切裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用嵌入式結(jié)構(gòu)，在本體正面加工一道170mm縱向凹槽，確保鉆桿能橫向進(jìn)入腔內(nèi)。采用優(yōu)質(zhì)合金鋼制造殼體，且其強(qiáng)度、塑性、沖擊韌性等方面具有優(yōu)質(zhì)的綜合機(jī)械性能；設(shè)計(jì)矩形結(jié)構(gòu)腔室，使剪切時(shí)應(yīng)力峰值降低，殼體安全系數(shù)更高。

閘板選型，目前防噴器制造廠家剪切閘板刀體的形狀主要有雙V形刀、單V形刀加直刀等。本裝置采用目前比較先進(jìn)的雙V形刀體的結(jié)構(gòu)。這種雙V型刀體結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)是：剪切閘板剪切管柱時(shí)，實(shí)時(shí)接觸刀體被剪切的管柱面積較小，可以有效降低剪切時(shí)的油壓力，增大剪切力。

3 力學(xué)分析

3．1 閘板剪切力計(jì)算

啟動(dòng)操作剪切閘板時(shí)，井口會(huì)帶壓，剪切閘板的推力需要克服井壓、摩阻、剪切鉆桿時(shí)的剪切應(yīng)力等綜合作用。

（1）靜態(tài)剪切應(yīng)力計(jì)算。不考慮井口壓力情況下，靜態(tài)剪切鉆桿的剪切應(yīng)力除與鉆桿材料性能有關(guān)外，還受鉆柱長度、鉆桿外徑、剪切閘板刀面傾角和刃口倒角等刀刃形狀和結(jié)構(gòu)參數(shù)等因素影響。剪切力可按下式計(jì)算：

上述公式中：Pshear:計(jì)算得出的剪切壓力（psi）

C1:防噴器剪切計(jì)算常量，此數(shù)值與活塞關(guān)閉面積對應(yīng)。

C2:防噴器剪切計(jì)算常量，此數(shù)值與閘板軸打開面積對應(yīng)。

C3:剪切閘板形式/管柱鋼級(jí)常量，這個(gè)常量是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)值。

σyield:管柱的最小屈服強(qiáng)度（psi）

ppf:管柱的名義重量(lb/ft)

Pw:剪切管柱時(shí)的井壓(psi)

pipeOD:剪切管柱的外徑(in)

pipeID:剪切管柱的內(nèi)徑(in)

以35-70閘板防噴器零井壓情況下剪切51/2＂、S135級(jí)、壁厚0.361in、21.9ppf的鉆桿時(shí)剪切壓力為例：

Pshear=(C3·ppf·σyield)/C1=(0.12·21.9·135000)/137.6=2579psi

（2）帶壓剪切應(yīng)力計(jì)算

考慮井壓時(shí),剪切壓力可按下式計(jì)算：

除靜態(tài)剪切中的影響因素外，井口壓力、剪切閘板關(guān)閉壓力比、防噴器實(shí)際性能、現(xiàn)場環(huán)境等多種因素也會(huì)對剪切應(yīng)力產(chǎn)生影響。

3．2 有限元分析

為驗(yàn)證嵌入式剪切裝置殼體在剪切過程中不出現(xiàn)塑性變形，需要對其設(shè)計(jì)進(jìn)行有限元分析。

（1）剪切過程有限元分析。剪切過程的有限元模型是將剪切閘板和鉆桿的幾何形態(tài)建立起來，進(jìn)行網(wǎng)格劃分后，輸入材料性質(zhì)、受力條件等參數(shù)，進(jìn)行方針和分析，得到實(shí)際變形情況及不同條件下各參數(shù)的變化情況。

采用軟件建立剪切閘板三維模型圖，為節(jié)省計(jì)算空間，將剪切閘板上不影響分析結(jié)果的結(jié)構(gòu)省略，如剪切閘板的螺紋、倒角、頂密封、側(cè)密封等，剪切防噴器三維模型如圖所示。剪切防噴器中的剪切閘板分為上下兩個(gè)部分，安裝在防噴器U型槽內(nèi)，背后各有兩個(gè)液壓推桿，關(guān)井時(shí)液壓系統(tǒng)推動(dòng)推桿，推桿推動(dòng)兩個(gè)剪切閘板向中間合攏，逐漸剪斷鉆桿。

（2）殼體有限元分析。采用有限元方法對QFZ35-70嵌入式剪切裝置帶切口的殼體進(jìn)行強(qiáng)度分析，裝置切口設(shè)計(jì)為170mm，以殼體與卡塊裝配狀態(tài)下建立有限元模型。在殼體的兩側(cè)施加由最大剪切液控壓力產(chǎn)生的拉力（S1355寸半鉆具本體），最大Mises應(yīng)力為190MPa，符合API16A規(guī)范要求的限定準(zhǔn)則，兩端開口位移為0.497+0.441=0.938mm，該變形為彈性變形，沒有塑性變形產(chǎn)生，能夠滿足剪切裝置的剪切要求。

4 試驗(yàn)與應(yīng)用

4．1 試驗(yàn)方案

對5″和51/2″S135鋼級(jí)鉆桿進(jìn)行剪切，測試并觀察剪切鉆桿過程中閘板剪切刃口的損傷情況；有無材料崩落，塑性變形；閘板多次剪切的能力。整個(gè)剪切試驗(yàn)在廠房內(nèi)進(jìn)行，房高內(nèi)行車高度為6米，一根完整鉆桿是9米，所以要將鉆桿截?cái)?，試?yàn)才能順利進(jìn)行。使用行車吊鉤提起鉆桿，剪切豎直鉆桿，與井口工況一致。

4．2 剪切鉆桿

第一次剪切：將防噴器固定，鉆具在不居中的情況進(jìn)行試驗(yàn)。剪切5″鉆桿，第一次10.5MPa液控壓力，未能將鉆桿剪斷；第二次加壓到21MPa鉆桿被剪斷。此時(shí)防噴器油缸承壓面積84240.12mm2，加壓到21MPa時(shí)剪切力為1769kN。鉆桿斷口被擠扁呈長徑為125mm，短徑為68mm，的橢圓形。斷口斷面有明顯撕裂痕跡，且斷口邊緣有5mm寬的飛邊，說明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)生撕裂錯(cuò)斷，最后鉆桿斷裂。剪切后閘板上有兩個(gè)三角形印記，該印記與鉆桿體上印記相互對應(yīng)，印記的地方既是與鉆桿相接處，參與擠壓剪切的部位。肉眼觀察上下閘板沒有明顯變化，可以進(jìn)行第二次剪切試驗(yàn)。

第二次剪切：將鉆具固定，防噴器懸空，模擬搶險(xiǎn)現(xiàn)場的情況進(jìn)行試驗(yàn)。剪切51/2＂鉆桿，液控壓力21MPa鉆桿被剪斷。鉆桿斷口被擠扁呈長徑為134mm，短徑為69mm，的橢圓形。斷口斷面有明顯撕裂痕跡，且斷口邊緣有5mm寬的飛邊，說明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)生撕裂錯(cuò)斷，最后鉆桿斷裂。

剪切后閘板上有兩個(gè)三角形印記，該印記與鉆桿體上印記相互對應(yīng)，印記的地方既是與鉆桿相接處，參與擠壓剪切的部位。肉眼觀察上下閘板沒有明顯變化，證明剪切閘板在發(fā)生險(xiǎn)情時(shí)可以進(jìn)行多次剪切鉆桿作業(yè)。

5 結(jié)語

（1）嵌入式剪切裝置采用了嵌入式結(jié)構(gòu)，配置了V型閘板和增強(qiáng)型油缸，可使鉆具從側(cè)面快速進(jìn)入本體，現(xiàn)場無需提前安裝，且不用固定，利用本體側(cè)面切口結(jié)構(gòu)將鉆桿快速套入其內(nèi)腔內(nèi)實(shí)施剪切，剪切不會(huì)扭動(dòng)和變形且安全可靠適用性強(qiáng)。

（2）通過對不同規(guī)格鉆具剪切過程的受力分析和計(jì)算，最終確定使用21MPa壓力來關(guān)閉嵌入式剪切裝置，剪切成功率達(dá)到100%，使用該裝置，與傳統(tǒng)切割方式相比較，提高了剪切效率。

（3）通過采用有限元方法對嵌入式剪切裝置的殼體進(jìn)行強(qiáng)度分析，在剪切5寸半鉆具過程中切口發(fā)生位移為彈性變形，沒有塑性變形產(chǎn)生，說明多次剪切不會(huì)導(dǎo)致殼體變形，可以重復(fù)使用。