嵌入式剪切裝置研制與應用

（渤海鉆探工程有限公司管具技術服務分公司，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，當井內存在鉆具時，可以直接吊裝該剪切裝置致井口，拆卸其側面前端的支撐板，將裝置吊裝套入鉆具，然后接上控制油路管線等，實現剪切。剪切功能實現是由來自液控系統的液壓力推動裝置內部剪切閘板實現的。

2 結構設計

2．1 剪切影響因素

根據搶險現場的特點，分析了現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）內腔內的壓力等；內在因素主要包括剪切裝置的結構、強度，剪切閘板的結構類型，剪切裝置的關閉腔壓力比等。現對關鍵因素進行分析。

（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 行 分 析。5″內外加厚鉆桿質量密度為38.18kg/m，通過模擬計算，剪切閘板剪切不同長度鉆柱時，剪切閘板上高應力區依然集中在刃口部位，變形規律相同，峰值變化浮動不大。上閘板應力保持在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。剪切時有鉆桿外徑尺寸、壁厚兩個影響參數，閘板在剪切尺寸越大、壁厚越大的鉆桿時越難剪，閘板應力越高，變形位移越大。

2．2 選型及設計

針對影響因素進行分析，以高效、安全為核心，確立了剪切方案，創新設計了剪切裝置的結構形式，優選了剪切閘板類型，確保剪切性能達到現場使用技術要求。

剪切裝置結構設計采用嵌入式結構，在本體正面加工一道170mm縱向凹槽，確保鉆桿能橫向進入腔內。采用優質合金鋼制造殼體，且其強度、塑性、沖擊韌性等方面具有優質的綜合機械性能；設計矩形結構腔室，使剪切時應力峰值降低，殼體安全系數更高。

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的雙V形刀體的結構。這種雙V型刀體結構的主要優點是：剪切閘板剪切管柱時，實時接觸刀體被剪切的管柱面積較小，可以有效降低剪切時的油壓力，增大剪切力。

3 力學分析

3．1 閘板剪切力計算

啟動操作剪切閘板時，井口會帶壓，剪切閘板的推力需要克服井壓、摩阻、剪切鉆桿時的剪切應力等綜合作用。

（1）靜態剪切應力計算。不考慮井口壓力情況下，靜態剪切鉆桿的剪切應力除與鉆桿材料性能有關外，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構參數等因素影響。剪切力可按下式計算：

上述公式中：Pshear:計算得出的剪切壓力（psi）

C1:防噴器剪切計算常量，此數值與活塞關閉面積對應。

C2:防噴器剪切計算常量，此數值與閘板軸打開面積對應。

C3:剪切閘板形式/管柱鋼級常量，這個常量是一個經驗值。

σyield:管柱的最小屈服強度（psi）

ppf:管柱的名義重量(lb/ft)

Pw:剪切管柱時的井壓(psi)

pipeOD:剪切管柱的外徑(in)

pipeID:剪切管柱的內徑(in)

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

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

（2）帶壓剪切應力計算

考慮井壓時,剪切壓力可按下式計算：

除靜態剪切中的影響因素外，井口壓力、剪切閘板關閉壓力比、防噴器實際性能、現場環境等多種因素也會對剪切應力產生影響。

3．2 有限元分析

為驗證嵌入式剪切裝置殼體在剪切過程中不出現塑性變形，需要對其設計進行有限元分析。

（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建立起來，進行網格劃分后，輸入材料性質、受力條件等參數，進行方針和分析，得到實際變形情況及不同條件下各參數的變化情況。

采用軟件建立剪切閘板三維模型圖，為節省計算空間，將剪切閘板上不影響分析結果的結構省略，如剪切閘板的螺紋、倒角、頂密封、側密封等，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部分，安裝在防噴器U型槽內，背后各有兩個液壓推桿，關井時液壓系統推動推桿，推桿推動兩個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行強度分析，裝置切口設計為170mm，以殼體與卡塊裝配狀態下建立有限元模型。在殼體的兩側施加由最大剪切液控壓力產生的拉力（S1355寸半鉆具本體），最大Mises應力為190MPa，符合API16A規范要求的限定準則，兩端開口位移為0.497+0.441=0.938mm，該變形為彈性變形，沒有塑性變形產生，能夠滿足剪切裝置的剪切要求。

4 試驗與應用

4．1 試驗方案

對5″和51/2″S135鋼級鉆桿進行剪切，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。整個剪切試驗在廠房內進行，房高內行車高度為6米，一根完整鉆桿是9米，所以要將鉆桿截斷，試驗才能順利進行。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行試驗。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。此時防噴器油缸承壓面積84240.12mm2，加壓到21MPa時剪切力為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生撕裂錯斷，最后鉆桿斷裂。剪切后閘板上有兩個三角形印記，該印記與鉆桿體上印記相互對應，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，可以進行第二次剪切試驗。

第二次剪切：將鉆具固定，防噴器懸空，模擬搶險現場的情況進行試驗。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生撕裂錯斷，最后鉆桿斷裂。

剪切后閘板上有兩個三角形印記，該印記與鉆桿體上印記相互對應，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，證明剪切閘板在發生險情時可以進行多次剪切鉆桿作業。

5 結語

（1）嵌入式剪切裝置采用了嵌入式結構，配置了V型閘板和增強型油缸，可使鉆具從側面快速進入本體，現場無需提前安裝，且不用固定，利用本體側面切口結構將鉆桿快速套入其內腔內實施剪切，剪切不會扭動和變形且安全可靠適用性強。

（2）通過對不同規格鉆具剪切過程的受力分析和計算，最終確定使用21MPa壓力來關閉嵌入式剪切裝置，剪切成功率達到100%，使用該裝置，與傳統切割方式相比較，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行強度分析，在剪切5寸半鉆具過程中切口發生位移為彈性變形，沒有塑性變形產生，說明多次剪切不會導致殼體變形，可以重復使用。