钻杆应力-疲劳寿命曲线试验研究

钻杆的疲劳失效是引发钻井井下事故的主要原因,因此有必要对钻杆的应力-疲劳寿命曲线进行试验研究。采用旋转弯曲疲劳试验机,研究了常用的S135和G105钻杆的疲劳性能;采用疲劳寿命对数正态分布模型,得出了任意存活率对应的应力-疲劳寿命曲线;采用直接外推法和2m-1外推法将疲劳曲线延伸到长寿命区域,并将其外推结果与配对升降法试验结果进行了对比。升降法试验得出S135和G105钻杆的疲劳强度(存活率为99%,置信度为95%)分别为550.19 MPa和454.79 MPa;由直接外推存活率99%的曲线得到疲劳寿命为1.0×107时,S135和G105钻杆对应强度分别为510.23 MPa和402.01 MPa;由2m-1外推法外推存活率99%的曲线得到疲劳寿命为1.0×107时,S135和G105钻杆对应强度分别为532.95 MPa和428.98 MPa。试验表明,2种外推方法得到的疲劳强度均低于试验值,2m-1 外推法得到的疲劳强度值更接近升降法试验值,因此推荐使用2m-1外推法对概率-应力-疲劳寿命曲线进行外推来得到完整的疲劳寿命曲线。      

S135钻杆钢扭转疲劳寿命及断裂特征

针对钻杆在循环应力下的疲劳问题,通过室内试验测定了S135钻杆钢的扭转疲劳寿命,得到了扭转疲劳的Δ-τN曲线,应用统计分析方法得到扭转疲劳寿命公式,并采用扫描电镜(SEM)对疲劳断口进行了观察和分析。结果表明,扭转疲劳裂纹形成于光滑试样表面,且疲劳源的大小随切应力幅值的增加而增加;在疲劳源与疲劳裂纹扩展处的微观形貌特征为典型纯滑移型断裂,在裂纹扩展处涟波状花样区域的大小随切应力幅值的增加而增大。     

国外轻质高强度钻杆研究与应用

为提高超深井钻井能力,提出了轻质高强度钢钻杆和非钢材料钻杆的新思路。介绍了国外复合材料钻杆、铝合金钻杆和轻质超高强度钢钻杆的性能特点、技术指标及现场应用情况,为国内相关单位解决超深井钻井难题提供以下建议:超高强度钢钻杆可以成为克服深井钻井中拉伸应力阻碍的手段;非金属钻杆可以成为一种远期的克服深井钻井难题的选择,但是需要持久的投入与攻关;轻质高强度钻杆可以为我国川东北和塔里木等地区复杂超深井钻井提供保障。     

材料性能对钻杆腐蚀疲劳寿命影响的试验研究

API SPEC5D标准规定的材料性能指标不能反映钻杆抵抗疲劳及腐蚀疲劳的性能。对4个厂家的S135钢级钻杆的材料进行了腐蚀疲劳寿命试验、拉伸性能试验及成分分析。试验结果表明,虽然4种钻杆的化学成分及材料性能都符合标准要求,且材料的拉伸强度基本相同,但腐蚀疲劳寿命相差很大。腐蚀疲劳断口观察及断裂机理分析表明,腐蚀疲劳裂纹扩展机理是阳极溶解与氢致开裂共存,氢致开裂加快了疲劳裂纹扩展。材料低倍组织酸洗检验、显微组织分析表明,4种钻杆的金属组织特别是低倍组织有明显差别。低倍组织反映了成分偏析程度、夹杂物含量及分布等。成分偏析及夹杂物导致材料的阳极溶解、特别是氢致开裂速度加快,所以是腐蚀疲劳寿命减少的主要原因。油田数据验证,钻杆材料的低倍组织酸洗检验可作为间接评定钻杆材料腐蚀疲劳性能的方法。     

某S135钻杆管体断裂失效原因分析

针对某井下S135钻杆管体出现的断裂失效现象,通过无损检测、化学成分、力学性能、金相以及旋转弯曲疲劳寿命试验分析等方法,对S135钻杆出现断裂失效的原因进行了分析。分析认为,钻杆在腐蚀介质下产生腐蚀坑,在交变载荷的作用下,腐蚀坑底萌生疲劳裂纹并扩展,最终导致钻杆管体断裂失效。建议对该批钻杆进行外表面磁粉及超声波无损探伤检测,以避免带有裂纹的钻杆下井使用;当钻速发生数量级的突变时,应对钻遇岩层的岩性和钻头的磨损程度进行综合分析,及时起钻检测钻头,避免同一钻杆在复杂位置长时间工作。     

高钢级钻杆强度塑性试验研究

钻杆强度级别提高,其塑性性能会发生变化,因此高屈强比成为影响高钢级钻杆推广应用的主要问题。对X95、G105、S135、V150和HL165系列高钢级钻杆进行了室温拉伸试验,利用真应力-真应变曲线分析了高钢级钻杆强度塑性特征参数的变化规律及屈强比对钻杆安全性的影响。试验结果表明:随着钢级提高,钻杆强度不断增加的同时,工程屈强比和真实屈强比都增大,但后者比前者约小5.5%~7.0%;不同钢级钻杆工程屈强比与其伸长率、冲击功、塑性失稳点应变量、均匀形变容量和静力韧度等塑性韧性指标无对应关系;虽然V150、HL165超高强度钻杆屈强比分别达到0.953和0.941,形变硬化能力略有降低,但仍具有高塑性变形能力、高韧度水平和高断裂强度。研究认为,不宜将工程屈强比作为衡量高钢级钻杆质量的一项硬性指标,良好的综合性能是确保钻杆安全使用的关键。      

适用于致密气藏钻完井的新型超级13Cr油钻杆管材性能测试

为满足塔里木致密气藏氮气钻完井需求,研制了一种新型高强度超级13Cr油钻杆。采用MTS试验机对新型超级13Cr油钻杆和S135钻杆的强度性能进行了对比测试;采用示波冲击试验机对新型超级13Cr油钻杆和S135钻杆的冲击性能进行了对比测试;采用高温高压釜对新型超级13Cr油钻杆和S135钻杆的耐CO2腐蚀性能进行了对比测试。结果表明:新型超级13Cr油钻杆具有良好力学性能和耐腐蚀性能,其屈服强度937 MPa、抗拉强度976 MPa、延伸率为21.5%、室温冲击功162.82J。其拉伸性能与S135接近,冲击性能明显优于S135;模拟工况下,新型超级13Cr油钻杆气相腐蚀速率0.003 6mm/a、液相腐蚀速率0.039 4mm/a。因此,新型超级13Cr油钻杆既能满足钻井的需要又能满足完井开采的要求,可为含CO2致密砂岩气田氮气钻完井作业提供支持。     

钻杆用微合金化钢的控制轧制和热处理工艺

目前API标准规定的最高钢级钻杆——S135级钻杆的强度和韧度均不能满足超深井钻采的需要。为此,在高强度钻杆钢中添加微合金元素V、Nb配合控轧控冷技术,并调整调质热处理工艺,对比研究传统调质工艺和控制轧制-调质工艺对该钢强度和韧度的影响。研究结果表明,经控制轧制后钢的晶粒度明显细化,使得强度和韧度得到明显的提高;Mo元素和Nb、V微合金元素的碳化物在500℃以上会出现回火二次强化现象;加入Nb元素可降低2#钢板条的宽度,同时Mo元素和Nb、V微合金元素在钢中形成了不同于针状渗碳体的颗粒状和球状碳化物,分别为NbC、VC和Mo2C,这种形状的碳化物有利于提高钢的韧度。     

超高强度CT120连续管研制及性能研究

为满足深层油气及页岩气开发需求,开发了屈服强度高于110 ksi的超高强度连续管产品。分析了超高强度连续管的制造难点,并对研制的Φ50.8 mm×4.44 mm CT120钢级连续管进行了检测分析。结果表明:CT120连续管屈服强度880 MPa,抗拉强度955 MPa,硬度小于328HV,管体焊接质量、塑性均控制较好,组织以多边形铁素体和粒状贝氏体为主,各项性能指标均满足设计要求;同时,管体具有较高的抗内、外压能力和弯曲疲劳寿命,爆破压力达200.2 MPa,挤毁压力达172.2 MPa,疲劳寿命达到192次。通过对CT120连续管综合性能研究,为该产品在油田的推广应用及作业工艺制定提供数据支撑。     

S135钻杆接头缺口疲劳行为研究

钻杆接头疲劳失效是钻杆失效的主要形式,因此,为提高钻杆的使用寿命,对S135钻杆接头的疲劳行为进行了研究。根据钻杆接头的受力特征设计了疲劳试样,采用PQ–6型旋转弯曲疲劳试验机和扫描电镜研究了应力集中对S135钻杆疲劳性能的影响。结果表明:S135钻杆疲劳性能对V形缺口具有一定的敏感性;缺口根部半径越小,应力集中系数越大,对疲劳性能的影响越严重,应力集中系数和疲劳强度符合幂函数关系;疲劳裂纹从缺口根部开始萌生,存在许多裂纹源（呈环形排列）;应力相同时,随着应力集中系数增大,缺口根部的撕裂现象减弱,断口变得光滑、平整,疲劳条纹变得细而密。研究结果表明:对钻杆接头螺纹的牙型进行优化设计,可以降低或减缓齿根的应力集中,降低S135钻杆疲劳对缺口的敏感性,提高S135钻杆的使用寿命。