剪切閘板量化評價方法

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 機電工程學院，成都 610500)①

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剪切閘板量化評價方法

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 機電工程學院，成都 610500)①

摘要：剪切閘板是閘板防噴器的核心部件之一，其技術性能直接關系到整個井控系統工作的可靠性。剪切閘板一旦失效，將可能發生井噴、井涌等嚴重事故，危及地面人員及裝備的安全，增加鉆井、完井過程中的作業風險。分析了剪切閘板量化評價方法的意義以及目前剪切閘板評價存在的問題，結合現場應用條件，基于機器視覺技術和圖像處理技術建立了一套科學、快速、高精度的剪切閘板量化評價方法，為鉆井完井的安全作業提供保障，對完善剪切閘板量化檢測技術具有一定的指導作用。

關鍵詞：剪切閘板；量化評價；機器視覺

井控是石油與天然氣勘探開發過程中的重要環節，是安全生產的重中之重。防噴器作為井控裝置的關鍵部件，對鉆井、修井、試油等作業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用于鉆井、修井或試油等作業過程中即時關閉剪切閘板以剪斷井口鉆具，并實現整個井口的安全密封。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性能，關系到整個井控系統工作的可靠性，閘板防噴器一旦失效，后果不堪設想。在實際工程運用中，單靠傳統經驗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、快速、高精度地對剪切閘板做出評價的方法。

目前，剪切閘板的檢測主要采用人工肉眼觀察或無損檢測方法(例如磁粉檢測等)，定性觀察閘板刃口在剪切鉆桿前后的損傷情況，主要針對閘板是否在剪切后產生宏觀裂紋等情況。由于人工檢測是靠肉眼觀察是否產生缺陷，存在不可避免的主觀因素干擾，且長時間的重復工作會使人產生視覺疲勞，勞動強度大，生產效率低，并且人工檢測對剪切閘板刃口的細微變形以及實際變形量卻無法進行檢測，不能精確地評價剪切閘板刃口變形。

本文借鑒國內外在質量檢測方面的先進經驗[1-2]，提出了一種基于機器視覺技術和圖像處理技術的剪切閘板量化評價方法，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、低成本等諸多優點，能夠大幅度提高檢測效率和自動化程度，有利于實現數字化集成和數字化信息管理，為鉆井完井的安全作業提供保障，對完善剪切閘板量化檢測技術具有一定的指導作用。

1檢測評價原理及方法

機器視覺檢測方法是利用快速、非接觸的檢測手段，對實際環境中的物體進行數字化建模，并在虛擬環境中再現的一種現代檢測技術，不僅可以對指定零件的特征(如零件完整性以及表面完好性)進行檢測，而且還可以對零件的幾何尺寸及偏差值進行精確測量[3]。它以近現代物理、控制論、信息論和系統論為理論基礎，以現代光學技術、電子技術和計算機技術為技術背景，為空間模式判斷、機器人視覺等學科提供技術支持，又為工業自動化、虛擬現實等提供模型資源供應，是一門跨學科領域、多應用層次的關鍵技術[4-6]。

1.1系統原理

本系統根據機器視覺技術和圖像處理技術進行設計。采用結構光投影三維檢測技術，將光柵投射到被測工件上，利用光線產生的畸變，解調出被測工件的三維信息，可以對復雜的工件表面和不同材料構成的工件表面，進行全面、無接觸、快速和高精度地測量，視工件的復雜程度，工件的檢測時間在數秒到數分鐘之間。與物體信息獲取手段或技術(繪畫、拍照、攝影或接觸式測量、點測量、線測量)相比，機器視覺檢測技術提供了一種替代人工肉眼識別，更加完整精確地測量方式或信息獲取方式。

機器視覺檢測方法主要依賴于圖像處理技術。圖像處理技術包括：圖像的增強、復原、重建、體征的提取、分割、幾何處理、識別等。根據原理不同可分為基于區域的處理技術、基于特征的處理技術、基于模型的處理技術和基于規則的處理技術等。其中，基于特征(通常指圖像的邊緣信息)的視覺方法應用較廣泛。邊緣信息檢測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，因此檢測的邊緣具有較高的固定性。采用不同的邊緣檢測方法，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量視覺信息特征的重要手段[7-9]。

機器視覺檢測方法的工作流程為：計算機接受來自CCD成像器件或圖像采集卡的圖像信息，再根據采集到的像素分布和亮度信息，通過模數轉換模塊將模擬信號轉化為數字信號，再利用圖像處理系統對數字信號進行各種運算加工，將被測工件的各種有用特征抽取出來，例如面積、數量、高度及長度等，再根據系統預設的允許度和其他條件輸出檢測結果，包括尺寸、位置、有/無裂紋、合格/不合格等，完成檢測與評價任務。如圖1所示。

圖1　系統原理

1.2檢測評價方法

檢測評價過程、方法如圖2～3所示。分2個步驟對剪切閘板進行測試和數據整理。

1)對剪切前后的閘板刃口進行三維掃描，以獲取完整的剪切鉆桿前后的閘板刃口圖像數字信息。

2)對剪切鉆桿前后的閘板刃口圖像數字信息進行三維對比分析，以便精確得到剪切后閘板刃口的塑性變形區域及變形量云圖分布，對剪切閘板刃口的塑性損傷進行全面的量化評價。

a

b

c

d

2檢測項目

剪切閘板的質量缺陷通常具有復雜性和多樣性的特點，目前還沒有統一的標準。因此，在剪切閘板使用過程中對閘板刃口的關鍵尺寸和表面缺陷等外觀質量進行檢測評價，以保證剪切閘板的質量，降低在使用過程中的失效風險，并且可以對檢測的數據進行統計分析，以便在使用過程中發現問題，總結規律，進行維護保養。

在使用過程中，剪切閘板與鉆桿間存在強烈的碰撞擠壓以及摩擦現象，會使剪切閘板刃口表面發生極大的變形，產生劃痕、壓傷，易引起毛刺、飛邊缺陷，嚴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其刃口質量進行科學、快速、準確的檢測。

圖3　檢測評價方法

3試驗與分析

3.1ISR型剪切閘板試驗

試驗采用信得FZ35-70型閘板防噴器側門直聯增壓器，配ISR型剪切閘板剪切101.6 mm(4英寸)超級13Cr鉆桿，加壓至15.1 MPa時成功將其剪斷。剪切閘板擠壓鉆桿，下半段斷口側邊有兩條明顯裂紋。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生撕裂挫斷，最終將鉆桿剪切。

閘板剪切后刀面上有2個明顯的三角形印記，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。通過三維掃描對前后閘板刃口的對比，可以看出上下閘板刃口塑性變形區域都集中在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向內凹陷，內陷最大變形值為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向內凹陷，內陷最大變形值為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，不會影響剪切后的密封。水密封試驗也驗證了此結論。

圖4　ISR型上閘板刃口塑性變形云圖

圖5　ISR型上閘板實際壓痕圖

圖6　ISR型下閘板刃口塑性變形云圖

圖7　ISR型下閘板實際壓痕圖

3.2SBR型剪切閘板試驗

試驗采用美國卡麥龍FZ28-105型防噴器側門直聯增壓器，配SBR型剪切閘板剪切101.6 mm (4英寸)超級13Cr鉆桿，加壓至18.4 MPa時成功將其剪斷。鉆桿被剪斷，上半段鉆桿斷口被擠扁呈長徑為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。斷口長徑兩側邊有明顯撕裂痕跡，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；凹槽內基體上也被損壞，產生2個明顯的3個凹坑。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，產生對稱的2個明顯的擠壓撕裂痕跡。如圖8～11所示。

通過三維掃描對前后閘板刃口的對比，可以看出上下閘板刃口塑性變形區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向內凹陷，內凹最大變形量為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向內凹陷，內凹最大變形量為0.942 mm，外凸最大變形量為0.737 mm 。

SBR型剪切閘板剪切超級13Cr鉆桿后閘板刃口塑性變形很小，不會影響剪切后的密封。水密封試驗也驗證了此結論。

圖8　SBR型上閘板刃口塑性變形云圖

圖9　SBR型上閘板實際壓痕圖

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13Cr鉆桿，ISR型剪切閘板刃口變形量更小，故其剪切性能優于SBR型剪切閘板。

4結論

1)高精度、快速地評價剪切閘板的工作性能是井控工作的關鍵，準確有效地評估其使用壽命，可確保地面人員的生命安全與裝備的正常運行。

2)通過該評價方法，能定量地測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，更能準確捕捉剪切閘板的形變細節以及分布規律，且該套方法操作簡單快速，能滿足評價測試精度的要求。

3)通過現場試驗可知，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13Cr鉆桿，且ISR型剪切閘板刃口變形量更小，其剪切性能優于SBR型剪切閘板。

參考文獻：

[1]范祥，盧道華，王佳.機器視覺在工業領域的研究應用[J].現代制造工程，2007(6)：129-133.

[2]刁智華，王會丹.機器視覺在農業生產中的應用研究[J].農機化研究，2014(3)：206-211.

[3]吳平川，路同浚，王炎.機器視覺與鋼板表面缺陷的無損檢測[J].無損測試，2000(1)：13-16.

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下期部分目次預告

王帥等永磁電機直驅螺桿泵井桿柱反轉能量吸收技術

李霄等含腐蝕坑連續油管極限腐蝕坑深度及剩余強度評估

伍建川等基于RSM和遺傳算法的不銹鋼切削參數優化

廖國敏等海洋液壓鉆機研究綜述與展望

管英柱等壓裂環境下投球滑套球座沖蝕模擬

趙博等隨鉆測量儀扶正器的流場數值模擬與分析

展茂雷等可控彎接頭密封結構設計研究

譚春飛等渦輪鉆具定轉子安裝夾緊力分析及計算方法

孫傳軒等水下油管懸掛器貫穿液路測試工具有限元強度分析

邱亞玲等偏磨油管失效判據的有限元分析

馬世榜等XSL450型石油鉆機旋扣水龍頭殼體有限元分析

那楓等射流式水力振蕩器工作參數數值模擬

高宇等二氧化碳驅防氣抽油泵研制及結構優化設計

李國珍等海底管道振動對周圍土壤的液化作用試驗研究

董輝等石油鉆機移運裝置的應用研究

王運安等全自動智能液壓修井機研制

王建偉等液壓鉆具輸送裝置研制

王海東等大通徑橋塞與可溶球技術在頁巖氣X井的應用

孫凱等水力振蕩器在焦石壩頁巖氣井中的應用

沈威等大斜度井高壓分注工藝技術

李孟超等注水井小型化調配設備研制

紀樹立等防垢潛油電泵的開發及在渤海油田的應用

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：TE921.5

文獻標識碼：A

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.03.007

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

收稿日期：①2015-09-14 國家重大科技專項“大型油氣田及煤層氣開發——庫車東部致密砂巖儲層氮氣鉆完井配套技術研究”(2011ZX05046)

文章編號：1001-3482(2016)03-0033-05