偏心钻杆作用下防喷器闸板剪切的损伤规律

《Marine Structures》：Damage law of blowout preventer rams shearing with offset drill pipe

　　

Jie Liu|Jinjiang Wang|Fengli Zhang

中国石油大学（北京）海南研究院，中国海南572024

摘要

为研究井喷事故中海底防喷器剪切钻杆所导致的异常防磨块损坏问题，本研究基于弹塑性力学和畸变能量密度理论，构建了不同偏移条件下的弯剪耦合应力模型。引入偏移系数η来描述钻杆与防磨块接触的不对称性，并首次提出了损伤因子。通过非线性显式动力有限元模拟验证了理论与模拟模型的准确性，系统模拟了不同偏移条件下的防磨块损坏过程。研究结果表明，钻杆偏移会加剧应力集中，使高应力区域向偏移侧移动。当η=80%时，接触应力峰值可达1201.6 MPa，相比η=0%时增加了41.7%；变形量超过13.46毫米，损伤因子超过0.2。研究还确定了防磨块边缘的损伤位置，量化了边缘变形情况，揭示出三阶段的损伤演变规律。该研究证实钻杆偏移是导致异常防磨块损坏的主要因素，为量化其对防磨块抗剪能力和损伤演变的影响提供了新方法。这些发现既为防喷器设计提供了理论依据，也具有实际指导意义。

引言

在海上石油钻探作业中，防喷器是至关重要的安全装置，用于防止井喷——这种灾难性事件可能造成严重的环境破坏和安全隐患[1]。在各类防喷器中，海底防喷器在海上油气钻探中起着关键作用，它们被部署在海床处，以在钻井和完井作业过程中维持井控。这些海底防喷器的剪切防磨块组件的可靠性对于确保其防止井喷的能力至关重要。钻杆与防磨块的接触往往发生在高压、高温以及复杂的偏心载荷条件下，由此产生的界面损伤会危及防喷器的安全性和运行可靠性。钻杆偏移指的是钻杆轴线相对于井筒中心的偏差。这种几何上的不对齐会产生不对称的接触力，从而导致应力集中，使损伤区域局部化，加速防磨块的损耗。了解此类偏移条件对剪切过程和防磨块损坏的影响，对于提升海底防喷系统的设计和运行可靠性至关重要。

现有研究主要聚焦于整体结构中的应力集中和失效机制。刘等人对极端温度和压力条件下的深井防喷器剪切防磨块进行了有限元分析及实验验证，发现几何不连续处存在显著的应力集中现象[2]。肖等人研究了钻杆在预剪切状态下的断裂行为和剪切力特性[3]，并进一步证明外部压力差会反向影响剪切力，从而导致防磨块变平和不稳定性[4]。林等人模拟了钻杆串的整个剪切过程，分析了应力分布和失效原因[5]。李等人基于屈服准则、滑移线场和楔形力学理论，建立了剪切闸门的剪切力预测模型，该模型的准确性通过数值模拟和实验得到了验证[6]。刘等人基于塑性铰理论，量化了剪切防磨块V形结构对断裂几何形态的影响，揭示了边缘结构参数与断裂突出高度之间的关联[7]。上述研究为理解防喷器剪切力学奠定了坚实基础，但它们大多着眼于理想的对齐状态，几乎没有探讨几何不对齐的影响。

与此同时，研究人员也在推进剪切应力集中和损伤机制的建模方法。Banerjee等人研究了不同本构模型在高应变率条件下的性能差异[8]。Koutsolelos利用冲击与耐撞实验室的断裂方法修改了莫尔-库仑断裂准则，研究了剪切闸门的最佳配置[9]。Green等人给出了Gibson 4340钢的流变应力曲线和失效模型，为预测极端剪切载荷下的失效负荷提供了模型输入依据[10]。Owolabi等人建立了4340钢在高应变率下形成绝热剪切带的数值模型，揭示了应变率与损伤之间的关联[11]。Lukin等人将实验结果与基于Johnson-Cook模型的模拟结果进行了对比，证明了该模型中的损伤因子与实验数据具有良好的匹配度，这一方法也被本研究采用[12]。Wang等人利用大量实验数据对Johnson-Cook损伤参数进行了校准，降低了对实验的依赖，提高了预测精度[13]。尽管这些研究完善了损伤预测方法，但尚未系统地量化偏移距离对防磨块损坏进展的影响。

关于偏移行为，Zhu等人将Johnson-Cook失效准则与欧拉-伯努利梁理论相结合，建立了钻杆的屈曲模型，指出在有效轴向载荷作用下超过临界屈曲力是导致钻杆偏移的主要原因[14]。虽然这些研究侧重于如何克服偏心问题以提高剪切成功率，但本研究则量化了偏移如何导致异常的剪切器损坏。陈等人提出了一个三参数的广义强度准则，用于处理拉伸-压缩-剪切耦合问题，以解决计算钻杆应力时的难题。该模型结合了材料的拉伸强度、压缩强度和剪切强度，构建了动态应力公式[15]。Zhu对中心受力与偏心受力进行了对比分析，指出了有限元模拟计算中的偏差，并提出了误差修正策略[16]。Cunha等人分析了侧向冲击和弯曲对钻杆受力分布和剪切风险的影响，为偏心载荷分析提供了理论参考[17]。Zhang等人提出了等效应力评估模型，通过理论与模拟对比，其误差小于5%[18]。然而，目前仍缺乏系统量化偏移距离对防磨块损坏影响的理论研究。

尽管先前的研究已经探讨了剪切结构、损伤建模以及模拟的失效机制，但仍然存在一个重要缺陷，即未能系统地量化偏移距离对防磨块损坏的影响。本文建立了理论与模拟模型，研究钻杆偏移对防磨块损坏的影响，探索了优化防喷器设计和运行的方法，以提高设备的使用寿命和安全性。

为研究钻杆偏移条件下防喷器节流器和防磨块的异常损坏问题，本研究首先构建了一个包含偏移系数的弯剪耦合理论模型，用以量化钻杆与防磨块接触的不对称性。随后通过非线性显式动力有限元模拟验证了该模型的准确性。接着，系统研究了不同偏移条件下的防磨块应力分布、断裂特征以及损伤演变规律。总体而言，与现有研究相比，本文主要有三方面的创新贡献：（i）首次提出偏移系数η，用于定量描述偏移条件下钻杆与防磨块接触的不对称性；（ii）基于弹塑性力学和畸变能量理论建立了弯剪耦合理论模型，将偏移效应纳入应力分析之中；（iii）识别并量化了三阶段的损伤演变规律，为理解偏移剪切作用下的防磨块损坏提供了清晰的框架。这些研究结果揭示了钻杆偏移与异常防磨块损坏之间的内在联系，为优化防喷器设计、提升运行安全性提供了具体思路。

章节摘录

偏移的定义

在实际的井喷场景中，井筒内的压力波动、钻具组合的间隙以及井筒几何形状的不匹配等因素，常常会导致钻杆出现不同程度的“偏移”。这使得在剪切过程中，防磨块与钻杆的接触点偏离钻杆的轴线，从而产生不对称的剪切载荷。选择这个方向是因为它直接影响剪切边缘与

基本模型构建

要准确研究损伤机制，就需要构建有限元模型。为了更精确、直观地了解防喷器剪切过程的模拟结果，同时为分析损伤机制提供几何模型，有必要建立防磨块与钻杆剪切组件的三维模型。防喷器剪切钻杆的具体模拟过程如图2所示。

防喷器模型是借助物理

防磨块剪切损伤模式分析

本研究基于偏移系数分别为0%、20%、40%、60%和80%的五种工况，结合模拟结果，系统分析了钻杆被剪切时防磨块的应力规律、断裂特征以及切削刃的损伤机制，揭示了偏移条件下损伤规律的变化趋势。

结论

本研究建立了一套完整的框架，用于分析钻杆偏移这一关键条件下防喷器防磨块因剪切而产生的损伤。通过将理论推导出的弯剪耦合模型与高精度的非线性动力有限元模拟相结合，成功阐明了偏移系数与防磨块损伤演变之间的内在关系。研究结果表明，钻杆偏移是导致不对称损伤的主要因素

CRediT作者贡献说明

Jie Liu：论文撰写——初稿、验证、方法论、研究、数据整理、概念构建。Jinjiang Wang：监督、资源提供、项目管理、资金筹集。Fengli Zhang：论文撰写——审阅与编辑、可视化处理、监督、资源提供、项目管理、研究、资金筹集。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知利益冲突或个人关系。

致谢

本研究得到了中国国家重点研发计划（项目编号：2024YFC3014001）、中国国家自然科学基金面上项目（项目编号：52474274）以及中国石油大学（北京）海南研究院自主研究项目（项目编号：ZX2025005）的支持。