【2017年整理】钻柱失效的动态断裂韧性测试研究(孙永兴博士后-会议论文)

1钻柱失效的动态断裂韧性测试研究孙永兴 1，2 施太和 2 王忠生 1 林元华 2 张果 1 赵晗 1 乔李华 1(1.川庆钻探工程公司钻采工艺技术研究院博士后科研工作分站，四川 广汉 618300；2.西南石油大学石油管力学和环境行为重点实验室， 四川 成都 610500)摘要：石油钻井过程中，钻杆加厚过渡带刺穿和钻具螺纹断裂是最常见的钻柱失效形式，影响了钻井安全和经济效益，一直是国内外冶金和石油钻井研究的重点。传统的断裂力学只能解释石油管柱静态断裂问题，而不能解释动载下钻柱失效问题。为此，本文提出了采用动态断裂韧性评价钻杆断裂性能，在对现有动态断裂韧性测试方法进行研究的基础上，参照夏比冲击测量，设计制造了多冲动态断裂韧性冲击试验台。多冲动态断裂韧性测试表明，冲击试验台测出的动态韧性比一次冲击测得准确，更能够反应材料的特性。通过试验测试、研究了国内外钻杆材料的动态断裂韧性，得出了钻杆材料动态断裂韧性与钻杆失效的相关性。关键词：钻柱材料; 失效；动态断裂韧性 ; 冲击试验台; 测试；研究 Study on Failure of Drill-String in Dynamic Fracture Toughness TestSunYongxing1 Shi Taihe1 LinYuanhua1 Wang Zhongsheng1 Zhang Guo1 Zhao Han1 Qiao Lihua11).1.Postdoctoral Research Center, CCDC Drilling & Production Technology Research Institute, Guanghan,Sichuan,618300,China2).The Key Laboratory for Mechanical and Environmental Behavior of Tubular Goods, SWPU; 610500, ChinaABSTRACT During oil-drilling, the fractures of drill tool thread and piercement of drill pipe upset transition are very common in drillstring failure as an object of petroleum and metallurgical researchers home and abroad. The classical fracture mechanic can only resolve the static fracture problem of oil country tubular goods (OCTG),but not resolve drillstring failure under dynamic load. Therefore, this paper puts forward a way to evaluate fracture character of drill pipe by using dynamic fracture toughness. On the base of present main test means of dynamic fracture toughness and referring to the Charpy impact test, this paper designs the impact experiment instrument. Results of the experiments of dynamic fracture toughness shows that dynamic toughness value that has been tested by the impact experiment instrument is more accurate than one time impact, which can better show material characteristic and provides a conceivable test way to distinguish material characteristic. By impact experiment instrument, in this paper, the dynamic fracture toughness of drill pipe material at home and abroad has been researched, in the meantime, the correlations between dynamic fracture toughness of drill pipe material and failure of drill pipe is obtained.KEY WORDS drillstring material; failure; dynamic fracture toughness; impact test instrument; test; study钻柱在钻井施工中，需要承受各种复杂交变的载荷，如拉、压、扭、弯曲等应力，钻柱裂纹成核、扩展、刺漏等事故及断裂的控制是确保钻杆在钻井施工过程中运行安全的重要措施 1。钻杆加厚过渡带刺穿和钻具螺纹断裂是最常见的钻柱失效形式，在钻柱失效事故中所占的比例较大。2001 年 7 月-2003年 5 月塔里木油田127 钻杆刺漏总数为 89 次 2，2003 年-2005 年刺穿钻杆 272 根 3。轮古 13#，在4854.48-5450m，在钻进过程中共发生127 S135 钻杆加厚过渡带(公、母接头附近) 刺漏 17 根次 4。中石油管材研究中心调查发现，70的钻杆失效事故是由钻杆内加厚过渡区部位刺穿或断裂引起的。在钻杆刺穿断裂中，加厚过渡区刺穿占总量的 48%5。在钻井过程中，钻杆在任何部位刺穿或断裂失效都会造成严重的后果，甚至导致整口井报废。我国各油田每年发生钻杆事故约五六百起，经济损失巨大，每年进口各种规格的钻杆就要耗用数亿元人民币的外汇。随着浅层资源的不断枯竭，今后越来越多的钻深井、超深井，钻杆的安全可靠性就成为一个十分突出的问题。减少钻杆加厚过渡带刺穿、刺漏和钻具螺纹断裂的发生，一直是国内外冶金和石油钻井研究的重点。国内很多油田在发生多次刺穿及钻具井下断裂事故后，对钻具断件进行失效分析，其材料化学成分、金相组织、机械性能等当前所有能够监测到的都符合或超过 API Spec 5D6标准，也符合订货条件 7。这说明现行材料性能指标体系不能从本质上或全面的表征材料特性。但实践证明采用国外某些厂家生产2的钻杆，刺穿、刺漏发生的比例大幅度降低，这里面是否存在采用内部控制指标体系呢？为此，本文在对现有动态断裂韧性测试方法进行研究的基础上，参照夏比冲击测量，设计制造了多冲动态断裂韧性冲击试验台，通过动态断裂试验对这个指标进行探讨，以期望帮助厂家找到改进钻杆韧性的指标体系，提高钻杆的抗断裂能力。1金属材料动态断裂韧性测试研究金属材料在动态和静态的断裂韧性是不同的，材料的工程设计及安全评估，应考虑材料的动态断裂韧性，以进一步提高其安全性。对金属材料的动态断裂韧性的测试研究，不同学者从不同的角度采用不同的方式进行了理论和实验研究，迄今已提出了形形色色的韧性断裂判据及相应参数。马秋荣 8研究结果表明以静态断裂韧性计算公式计算动态断裂韧性是可行的，动态断裂韧度（K Id）是研究高能冲击载荷石油套管开裂及其预防的有效手段。陈福泰等 9通过测试几种兵器用钢的动态断裂韧度，制定出国内首次公布的部颁标准“金属材料平面应变动态断裂韧度 KId试验方法”，为兵器材料动态断裂韧度的测试提供了统一的方法。ASTME 10给出了在忽略惯性效应的情况下，由示波冲击试验获得材料动态断裂韧性的方法，得到了普遍采用的。姜风春等 11借助船用 945钢的动态断裂测试，对利用示波冲击测定材料动态断裂韧性方法的有效性进行了分析。杨敏 12在 Hopkinson压杆测试系统的基础上设计并制造了一套动态断裂韧性测试装置。张庄等 13对预制裂纹的夏比 V形缺口冲击试样的动态断裂韧性研究表明，因动、静态样品受力不同，不能简单的将静态断裂力学判据用于动态断裂力学实验中，若没有产生屈服，线弹性动态断裂韧性 KId可以直接计算，也符合实际。胡艳华等 14研究了不同温度下的 12Cr1MoV钢冲击条件下动态断裂韧性的特性，得到了动态断裂韧性虽温度变化规律，对 12Cr1MoV钢的安全服役具有重要意义。传统理论难以解释石油管柱失效，其原因就在于没有考虑石油管柱中存在的初始裂纹或缺陷，而把材料当作均匀连续介质来处理的缘故。实际上，在石油管柱中，总是不可避免地存在着各种裂纹源 15。研究钻柱材料的动态断裂韧性，无论在理论上还是在现场应用以及钻柱结构设计上均具有重要的意义，然而金属材料的动态断裂韧性测试不是在足够大的冲击载荷下一次测到的，就是测量复杂，费用高，处理结果不是很理想。对于井下钻柱裂纹的扩展是在低幅作用下的多冲疲劳断裂，因此设计一个冲击疲劳断裂试验装置来研究多冲载荷作用下的钻柱材料的动态断裂韧性，对于防止或减少钻柱失效事故，提高钻井安全可靠性尤为重要。2动态断裂测试装置目前，动态断裂研究中的试验设备基本上是摆锤和落重式试验机，应用最广泛的测试方法是 Charpy冲击试验，美国的材料与试验学会(ASTM) 16和欧洲的结构完整性协会 (ESIS)17都提出了推荐标准。Charpy 冲击试验以试件断裂时所吸收的能量来衡量材料的断裂性能。所以，试验一般是在摆锤式撞击试验机上进行的，由锤头在撞击试样前后总势能的变化得到试样的断裂能量。这种方法对试样、支座和摆锤结构等都提出了严格的要求，试验机必须有足够的能量使试样完全断裂，断裂能量不能超过总势能的80%，机器必须牢牢固定在地面上，并保持其水平等。2.1 V 型缺口夏比冲击试验V 型缺口夏比冲击试验(CVN)又称为三点弯曲夏比冲击试验，是一种传统的评价材料断裂韧性的试验方法，它通过摆锤式冲击试验机测量含 V 形缺口的小型试件在冲击破坏过程中的耗散功，即用夏比冲击功来评价材料的断裂韧度。该试验简单易行，国内已普遍采用，常用于测量金属材料的断裂韧性。其缺点是，试样需把拱形刨平成标准厚度，对于高韧性钢，现有公式预测的误差较大。2.2 落锤撕裂试验(简称 DWTT)20 世纪 60 年代，美国海军研究所 Puzak 和 Pellini 首次进行了用于测定船板的韧性落锤撕裂试验。为适应从管材上直接取样，美国巴特尔纪念学会(BMI)后来对该方法的试样进行了修正，并列入美国石油学会 API RP 5L 3 标准。因该方法条件苛刻，在刻有尖锐缺口的试样上施加动态撕裂载荷，采用了全厚度试样，其断裂韧带较长，可提供足够长的断裂扩展路径，能充分显示管材断裂的真实状况及韧性能力。使用原壁厚钢管试样试验与全尺寸试验所得断裂特性更趋一致。DWTT 试验的锤击速度也小于全尺寸试验裂纹的扩展速度，但与 CVN 相比，DWTT 试验的锤击速度较高，更接近于真实状态，而且 DWTT 采用3全厚度试样，因而完全剪切撕裂破坏，可以同全尺寸断裂行为一样得以充分扩展，因此，DWTT 试验成为一种较好的测量裂纹扩展的有效能量方法。同时 DWTT 试样比 CVN 试样宽，因此，可采用试件的预开裂、开双 V 形槽等方法来消除起裂功。预制裂纹的 DWTT 试验由于起裂消耗能量最低，结果较为精确，应用也较为广泛。而压制的钝缺口开裂时要消耗较多的能量，不能准确表达裂纹扩展功。对于高韧性钢，近几十年的研究工作表明，基于 DWTT 试验的结果比 CVN 试验更准确 18。2.3