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

（1.河北華北石油榮盛機械制造有限公司，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2b

（1.河北華北石油榮盛機械制造有限公司，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

針對陸地含硫化氫油氣田以及海洋高壓高含硫油氣勘探開發的要求，研制了適應于硫化氫環境下作業的剪切閘板。該閘板外形為長圓形，在有限的空間內實現了分體結構設計，集剪切與密封為一體，結構緊湊合理，能夠滿足S135級外徑139.7 mm鉆桿剪切的要求。刀體表面采用抗硫化氫涂層技術，具有較高的耐磨性和耐硫化氫腐蝕性能。試驗結果表明：該抗硫剪切閘板能夠在較低的液控壓力下完成對鉆桿的剪切，并且能密封空井，密封井壓可達到105 MPa，試驗結果符合API Spec 16A標準的要求。

剪切閘板；硫化氫；防噴器

我國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、渤海灣盆地等區域。除此之外，隨著石油勘探開發逐步向海洋深水區域推進，其面臨的工況更為惡劣，大都為高壓高含硫環境。

除油氣勘探開發，特別是天然氣勘探開發本身的高隱蔽和高風險外，高含硫氣田的勘探開發的高風險還突出表現在H2S和CO2帶來的強腐蝕和劇毒2個方面［1］。當空氣中含H2S的體積分數為0.000 1%時，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；當體積分數達0.01%以上時，與其接觸4 h后將導致死亡；當其體積分數大于0.06%時，接觸不到2 min，即致人死亡。另外，H2S對鋼材也具有強烈的腐蝕性，對石油、石化工業裝備的安全運轉存在很大的潛在危險。目前，最經濟簡單的防腐蝕措施為添加緩蝕劑［2-3］。在H2S環境下金屬的開裂類型包括氫鼓泡（HB）、氫致開裂（HIC）、硫化物應力腐蝕開裂（SSCC）、應力導向氫致開裂（SOHIC）。其中，H2S應力腐蝕和氫致開裂是一種低應力破壞，甚至在很低的拉應力下都可能發生開裂。一般說來，隨著鋼材硬度的提高，H2S應力腐蝕開裂越容易發生，甚至在百分之幾屈服強度時也會發生開裂。

國外對高含硫油氣藏鉆井、防腐等工藝技術的研究較早，已經形成較成熟的安全開采配套技術。目前，國內已有部分高含硫油氣田投入開發，還有不少含硫油氣藏等待開發，而國產抗硫抗腐蝕的井控設備尚不完善和配套，急需能適應高含H2S環境的井控裝備。目前，國產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NACE 0175規范［4］的規定，即所選用的材料硬度大于22 HRC，一般達到45 HRC以上，不能滿足H2S環境下安全剪切的要求，為此研制了該抗硫剪切閘板。

1　國外抗硫剪切閘板對比分析

目前，國外著名井控設備制造商Shaffer公司和Cameron公司均研制出抗硫剪切閘板，但在技術實現上有所不同，各具特色。Shaffer公司是以高強度本體抗硫材料實現抗硫剪切閘板的研制，而Cam-eron公司則以表面涂層技術實現其功能。

1.1 Shaffer公司

Shaffer公司的抗硫剪切閘板如圖1所示，該結構由上閘板體、下閘板體、頂密封和刀體密封組成，具有結構簡單、剪切能力強的優點。其閘板體材料選用高強度、高韌性抗硫鈷基合金材料，其抗拉強度可達到2 000 MPa。刀體密封位于下閘板體內，其缺點是剪斷鉆具時產生的殘屑及各種鉆液殘渣聚集，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構

1.2 Cameron公司

Cameron公司的抗硫剪切閘板如圖2所示，該結構由上閘板體、下閘板體、頂密封、側密封、刀體和刀體密封組成。其刀體密封采用端面密封，密封可靠，對刀體表面采用表面涂層技術以達到抗硫化氫的目的。但由于刀體采用V形刀和直刀相結合的方式，剪切鉆具時需要較大的剪切關閉壓力，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構

2　抗硫剪切閘板的設計

2.1 結構設計

抗硫剪切閘板由上閘板體、下閘板體、刀體、頂密封、側密封和中部密封組成，如圖3所示。閘板體的外形為長圓形，為實現抗硫化氫的目的，采用分體式設計，在不影響閘板總成互換性的基礎上實現鉆具剪切和空井井壓密封2個功能，在設計中需要解決剪切和密封空間矛盾的問題，既要保證閘板體具有足夠強度的同時，又要保證具有足夠寬的密封帶。

圖3　抗硫剪切閘板結構

刀體和閘板體為分體式設計，刀體與閘板體之間采用嵌入式裝配，刀體從閘板體側面沿卡槽裝入，兩側的側密封輔助定位，定位精確，拆裝方便快捷。上下刀體形狀均為V形，有效地降低實際剪切關閉壓力，剪切能力強。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，泥漿雜質顆粒及剪切鉆具產生的殘渣不易沉積，有效地保護了中部密封。中部密封截面形狀為燕尾形，不易脫落，最高密封井壓可達到105 MPa，從多方面確保了密封的可靠性。

2.2 有限元分析計算

由于上閘板體中部密封槽前端的部位受到來自液缸的水平推力的作用，其強度不足就會發生變形，造成密封失效和閘板體損壞，受力位置如圖4所示。為保證設計的安全性，采用有限元方法進行分析，在計算中材料的定義采用彈塑性模型，應用實際測試的應力應變曲線，使得變形分析的結果更接近于實際工況。在該處極限承載能力的計算中，主要通過繪制液缸壓力與位移的關系曲線，利用曲線斜率突變的性質進行分析。如圖5所示，由上閘板體A點的位移與液控壓力之間的關系曲線可知：在液控壓力達到21 MPa時，曲線的斜率急劇增加，說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。通過廠內破壞性試驗，當該閘板體受到的液控壓力達到22 MPa時，A點發生塑性變形，表明該計算結果與實際相吻合。

圖4　上閘板體的受力位置示意

圖5　閘板體變形與來自液缸壓力之間關系曲線

2.3 耐腐蝕設計

該抗硫剪切閘板的抗硫化氫腐蝕能力應包括2個方面的內容：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，控制材料化學成分、熱處理過程和冷加工過程。使最終機加工后表面硬度小于22 HRC，符合NACEMR 0175標準要求，其力學性能符合API Spec 16A規范［5］規定的75K要求。經過計算和多年來的試驗結果，表明該閘板體的厚度可以滿足105 MPa井壓的強度要求。

由于該閘板采用分體式設計，刀體表面采用抗硫化氫涂層技術，便于選用較高強度的刀體材料。刀體的材料以及表面處理設計應滿足2個方面的要求：

1） 刀體要有足夠高的硬度，以滿足鉆桿剪切的要求。

2） 經過表面處理，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性能，不降低剪切能力。

為此，刀體材料選用高強度的低合金鍛件，熱處理后的硬度達到40 HRC，具有較高的耐沖擊能力，刀體材料的力學性能優于閘板體，保證了剪切能力。通過多次試驗和檢測，研究了一套適用于抗硫剪切刀體表面處理的技術。采用該技術處理的刀體表面硬度高，耐磨性好，不易碰劃傷，具有優秀的耐H2S、CO2、鹽水腐蝕性能。對經過該技術處理的試樣依據NACE TM 0177—2005規范［6］進行了SSC試驗，在A型溶液條件下，經720 h試驗后，試樣未發生腐蝕和斷裂，完全符合標準要求。

3　試驗

依據API Spec 16 A規范的要求，剪切閘板應進行3次剪切鉆桿并密封井壓的試驗。該抗硫剪切閘板在制造完成后進行了2種規格鉆桿共計5次剪切和密封井壓試驗，試驗結果高于規范要求。一般來說，對于1副性能較好的剪切閘板來說，剪切時刀體同時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、屈服強度、抗拉強度和沖擊功密切相關外，刀體的結構對剪切液控壓力的大小具有重要的影響。國內楊永寧、孟祥瑜等［7-8］對剪切能力進行了理論公式的推導和分析；另外隨著有限元技術的發展，近幾年來，有很多作者采用有限元仿真技術進行了更為直觀和準確的分析［9-11］。

通過試驗，表明其剪切所需的液壓關閉壓力較低，均低于防噴器的液控額定工作壓力21 MPa，剪切的鉆桿參數如表1所示，鉆桿的性能參見SY/T6417標準［12］。5次試驗包括3次G105級外徑127 mm鉆桿剪切試驗和2次S135級外徑139.7 mm鉆桿剪切試驗，試驗結果如表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級鉆桿的截面相對G105級鉆桿來說較為平滑，S135級鉆桿短軸較大，便于鉆桿剪切后落魚的處理。在每次試驗完成后，對閘板體和刀體進行了磁粉探傷及目視檢驗，均未發現閘板體損壞開裂以及密封件損壞等現象，充分證明了該閘板使用可靠性高。

表1　鉆桿參數

表2　剪切試驗結果

圖6　剪斷后鉆桿斷口的截面形狀

4　結論

1） 該抗硫剪切閘板在有限的空間內實現了分體閘板的設計，在設計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，刀體和閘板體強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，通過試驗表面能夠滿足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境要求。

3） 通過多次試驗表明，該抗硫剪切閘板壽命長，密封可靠。

4） 建議推進高強度本體抗硫化氫材料的研究，提高國產石油裝備的技術水平。

［1］ 曾時田.川渝高含硫氣田鉆完井主要難點及對策探討［J］.鉆采工藝，2008，31（1）：1-6.

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［3］ 楊思明，王春升.海上油田防硫化氫腐蝕問題［J］.中國海上油氣（工程），2000，12（1）：15-18.

［4］ NACE Standard MR0175.Metals for Sulfide Stress Crack-ing and Stress Corrosion Cracking Resistance in Sour Oil-field Environments［S］.2003.

［5］ NACE Standard TM0177.Laboratory Testing of Met-als for Resistance to Sulfide Stress Cracking and Stress Corrosion Cracking in H2S Environments［S］.2005.

［6］ API Spec 16A.Specification for Drill-through Equipment ［G］.2004.

［7］ 楊永寧，趙榮軍，孟憲寧，等.液壓防噴器剪切閘板的設計［J］.石油礦場機械，2002，31（5）：31-33.

［8］ 孟祥瑜，暢元江，陳國明，等.海洋閘板防噴器剪切能力評估［J］.石油機械，2011，39（11）：73-77.

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［10］ 胡霄，翟桂新，胡慧婷，等.補償式多用途環形防噴器的研制［J］.石油礦場機械，2013，42（3）：91-93.

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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

國家高技術研究發展計劃（863計劃）“深水防噴器組及其控制系統工程化研制”（2013AA09A220）

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