劉 飛 （油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·西南石油大學(xué)，四川 成都610500中石化石油工程技術(shù)研究院，北京100101）

曾德智，施太和 任 建 （油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·西南石油大學(xué)，四川 成都610500）

盧亞鋒 （中石油西南油氣田公司采氣工程研究院，四川 廣漢618300）

王 沫 （中石化西北油田分公司工程技術(shù)研究院，新疆 烏魯木齊830011）

4145H石油鉆鋌鋼示波沖擊性能研究

劉 飛 （油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·西南石油大學(xué)，四川 成都610500中石化石油工程技術(shù)研究院，北京100101）

曾德智，施太和 任 建 （油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·西南石油大學(xué)，四川 成都610500）

盧亞鋒 （中石油西南油氣田公司采氣工程研究院，四川 廣漢618300）

王 沫 （中石化西北油田分公司工程技術(shù)研究院，新疆 烏魯木齊830011）

對4145H鉆鋌鋼縱向取樣，研究了不同溫度下的示波沖擊特性。結(jié)果表明，取樣鉆鋌的沖擊功值滿足 《SYT5144-2007鉆鋌》和 《API SPEC7》標(biāo)準(zhǔn)要求，并得出了4145H鉆鋌鋼的沖擊功隨溫度的降低而降低，起裂功與沖擊功的比值隨溫度的降低而升高，裂紋擴(kuò)展功以及裂紋擴(kuò)展功與沖擊功的比值隨溫度的降低而降低。在鉆井工程中表現(xiàn)為常溫下裂紋在鉆鋌中擴(kuò)展速率較慢，鉆鋌不容易斷；低溫下裂紋在鉆鋌中擴(kuò)展速率較快，鉆鋌更容易斷。該研究成果為合理指導(dǎo)4145H鉆鋌的生產(chǎn)工藝和現(xiàn)場使用提供了依據(jù)，為分析4145H鉆鋌斷裂機(jī)理提供了基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

4145H鋼；石油鉆鋌；示波沖擊；溫度；沖擊功；裂紋擴(kuò)展功；鉆鋌斷裂

在石油鉆井過程中，鉆鋌在井眼中承受著非常復(fù)雜的載荷。在復(fù)雜載荷的作用下，鉆鋌斷裂失效的事故時(shí)有發(fā)生，輕則打撈、側(cè)鉆、延長鉆井周期，重則使整口井報(bào)廢［1］。4145H鋼作為通過AISI美國鋼鐵協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證的國際通用石油鉆鋌用鋼，已經(jīng)普遍應(yīng)用于我國的鉆井工程中［2，3］。常規(guī)沖擊試驗(yàn)可以測量出材料的沖擊功，示波沖擊相比常規(guī)沖擊可以記錄試驗(yàn)時(shí)沖擊試樣沖擊變形和斷裂過程中的沖擊力－位移以及沖擊功－位移曲線，提供了不同變形和斷裂階段的載荷、變形及能量消耗的變化情況，并且可以計(jì)算出試樣的起裂功、裂紋擴(kuò)展功，其中裂紋擴(kuò)展功在沖擊斷裂過程中消耗的總能量中所占的比例大小反映了材料的韌性好壞［4～10］。由于在俄羅斯的西伯利亞以及我國東北大慶油田，冬天最低溫度有可能達(dá)到－40℃。所以筆者通過對4145H鉆鋌鋼縱向取樣，做了不同溫度下的示波沖擊試驗(yàn)，研究了4145H石油鉆鋌鋼在不同溫度下的示波沖擊性能，為研究4145H鉆鋌斷裂提供試驗(yàn)依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)所采用的4145H鋼的化學(xué)成分為：97.033%Fe；0.47%C；0.20%Si；1.10%Mn；0.011%P；0.002%S；1.11%Cr；0.02%Cu；0.033%Ti；0.021%Al。材料屈服強(qiáng)度931MPa，抗拉強(qiáng)度1045MPa，斷后延伸率為18.84%。

試驗(yàn)儀器為MTS中國有限公司生產(chǎn)的ZBC2302-D型示波沖擊試驗(yàn)機(jī) （沖擊速度5.24m/s）。試驗(yàn)加工的示波沖擊試樣尺寸為55mm×10mm×10mm，加工缺口為Charpy V型缺口，如圖1所示。試樣取樣為鉆鋌縱向方向。參照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T19748-2005《鋼材夏比V型缺口擺錘沖擊實(shí)驗(yàn)儀器化試驗(yàn)方法》［11］進(jìn)行，測定沖擊過程中的力－位移、沖擊功－位移曲線。

根據(jù)GB/T19748-2005標(biāo)準(zhǔn)，按示波沖擊曲線形狀通常將力－位移曲線分為A～F共6種類型。在最大力之前不存在屈服力（幾乎不存在塑性變形）且只產(chǎn)生不穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展的為A型，如圖2 （a）；在最大力之前不存在屈服力，但有少量穩(wěn)定擴(kuò)展的為B型，如圖2（b）；根據(jù)其穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展或者不穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展所占的比例的大小分為C、D、E等3種類型，分別如圖2（c）、（d）、（e）；只產(chǎn)生穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展的為F型，如圖2（f）。

圖1 4145H鋼Charpy V型缺口示波沖擊試樣 （單位mm）

圖2 示波沖擊試驗(yàn)結(jié)果中力與位移曲線類型

在GB/T19748-2005標(biāo)準(zhǔn)中，力、位移和能量符號的含義如下：力特征值主要有屈服力Fgy、最大力Fm、不穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展起始力Fiu和不穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展終止力Fa。與力特征值相對應(yīng)的位移有屈服位移Sgy、最大力時(shí)位移Sm、不穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展起始位移Siu、不穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展終止位移Sa和總位移St。相應(yīng)的能量特征值有裂紋形成能量Wi、裂紋擴(kuò)展能量Wa和沖擊吸收總能量Wt。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

在4145H鉆鋌鋼的縱向上取試樣，并做常溫 （25℃）、0、－20和－40℃共4種溫度下的示波沖擊試驗(yàn)，每種溫度做3個(gè)平行樣，得到4種溫度下4145H鉆鋌鋼的示波沖擊曲線。結(jié)果如圖3～6和表1所示。

從圖3～6以及表1中可以得出在4種不同的溫度下，4145H鉆鋌鋼的示波沖擊曲線中的力－位移曲線均為只產(chǎn)生穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展的F型。在常溫 （25℃）、0、－20和－40℃這4種溫度下，4145H鉆鋌鋼的沖擊功隨溫度的降低而逐漸降低，平均值分別為101.98、98.42、95.00和86.59J，滿足 《SYT5144-2007鉆鋌》和 《API SPEC7》標(biāo)準(zhǔn)中常溫下鉆鋌沖擊功大于等于54J的要求。

圖3 4145H鋼縱向試樣示波沖擊曲線 （25℃）

圖4 4145H鋼縱向試樣示波沖擊曲線 （0℃）

圖5 4145H鋼縱向試件示波沖擊曲線 （－20℃）

圖6 4145H鋼縱向試樣示波沖擊曲線 （－40℃）

表1 4145H鋼縱向試樣示波沖擊分析結(jié)果

圖7 4種溫度下沖擊功變化趨勢圖

從圖7和表1中可以得出4145H鋼的起裂功與沖擊功的比值隨溫度的降低而升高，裂紋擴(kuò)展功以及裂紋擴(kuò)展功與沖擊功的比值都隨溫度的降低而降低，說明4145H鋼裂紋擴(kuò)展速率隨著溫度的降低也升高。溫度越低使得生成的裂紋擴(kuò)展速率越快。在鉆井工程上表現(xiàn)為常溫下由于裂紋擴(kuò)展功較高，使裂紋在鉆鋌中擴(kuò)展速率較慢，鉆鋌不容易斷；低溫下裂紋擴(kuò)展功較低，使裂紋在鉆鋌中擴(kuò)展速率很快，鉆鋌更容易斷。為了減少鉆鋌斷裂事故的發(fā)生，生產(chǎn)廠家必須優(yōu)化加工工藝和熱處理工藝，提高低溫下鉆鋌的沖擊功和裂紋擴(kuò)展功，減少鉆鋌脆斷事故的發(fā)生。

3 結(jié) 論

1）通過對4145H鉆鋌鋼示波沖擊特性的研究，得到4個(gè)溫度下4145H鉆鋌鋼的力－位移曲線，都為國標(biāo)GB/T19748-2005中的只產(chǎn)生穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展的F型曲線，取樣鉆鋌的沖擊功值滿足 《SYT5144-2007鉆鋌》和 《API SPEC7》標(biāo)準(zhǔn)的大于等于54J的要求。

2）4145H鋼的沖擊功隨溫度的降低而降低，起裂功與沖擊功的比值隨溫度的降低而升高，而裂紋擴(kuò)展功以及裂紋擴(kuò)展功與沖擊功的比值都隨溫度的降低而降低，說明4145H鋼裂紋擴(kuò)展速率隨著溫度的降低也升高。溫度越低使得生成的裂紋擴(kuò)展速率越快。

3）示波沖擊特性研究成果在鉆井工程上表現(xiàn)為常溫下由于裂紋擴(kuò)展功較高，使裂紋在鉆鋌中擴(kuò)展速率較慢，鉆鋌不容易斷；低溫下裂紋擴(kuò)展功較低，使裂紋在鉆鋌中擴(kuò)展速率很快，鉆鋌更容易斷。為合理指導(dǎo)4145H鉆鋌的生產(chǎn)工藝和現(xiàn)場使用提供了依據(jù)，為分析4145H鉆鋌斷裂機(jī)理提供了基礎(chǔ)試驗(yàn)依據(jù)。

［1］楊自林，游華江，蹇宗承，等.鉆鋌失效事故的原因分析及對策 ［J］.天然氣工業(yè)，2000，20（3）：57～59.

［2］黃志紅.AISI4145H鉆鋌用鋼的研制 ［J］.上海鋼研，2004，（4）：34～38.

［3］唐正華，范洪遠(yuǎn)，李靜媛，等.4145H鉆鋌鋼中 Mn5夾雜物的含量和分布對開裂的影響 ［J］.兵器材料科學(xué)與工程，1997，20（2）：52～55.

［4］趙玉彬，劉江南，王正品，等.回火工藝對P91鋼動力強(qiáng)韌性的影響 ［J］.西安工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2003，23（2）：147～151.

［5］劉瑞堂，姜風(fēng)春，張曉欣.船用945鋼動態(tài)斷裂行為的溫度效應(yīng) ［J］.實(shí)驗(yàn)力學(xué)，2001，16（1）；113～118.

［6］Gopalaratnam V S，Shah S P，John R.A modified instrumented Charpy test for cement-based composites ［J］.Experimental Mechanics，1984，4 （2）：102～111.

［7］Schindler H J.Estimation of the dynamic J-R curve from a single impact bend-ing test ［A］.Proc 11th European Conf.on Fracture［C］.Poitiers，EMAS，London，1996.2007～2012.

［8］Marur P R，Nair P S，Simha K R Y.Two degrees of freedom modeling of pre-cracked beams under impact［J］.Engineering Fracture Mechanics，1996，53 （3）：481～491.

［9］Sahraoui S，Lataillade J L.Analysis of load oscillations in instrumented impact testing ［J］.Engineering Fracture Mechanics，1998，60（4）：437～446.

［10］Schindler H J.Proposed method for instrumented precracked charpy-type tests，Swiss Federal Nuclear Safety Inspectorate（HSK）［J］.Report No.HSK-AN-425，Rev.3，2001.

［11］GB/T19748-2005，鋼材夏比V型缺口擺錘沖擊實(shí)驗(yàn)儀器化試驗(yàn)方法 ［S］.

［12］SYT5144-2007，鉆鋌 ［S］.

［13］API SPEC 7.Specification for rotary drill stem element.40th ed.Washington （DC）：API，2001-11 ［S］.

［14］姜風(fēng)春，劉瑞唐，劉殿魁.船用921A鋼動態(tài)斷裂韌性測試研究 ［J］.實(shí)驗(yàn)力學(xué)，1999，14（1）：96～100.

［15］姜風(fēng)春，劉瑞唐，劉殿魁.動態(tài)彈塑性斷裂韌性測試方法的比較研究 ［J］.實(shí)驗(yàn)力學(xué)，1999，14（2）：267～272.

Study on Oscillography Impact Property of 4145HDrilling Collar（DC）Steel

LIU Fei，ZENG De-zhi，SHI Tai-he，REN Jian，LU Ya-feng，WANG Mo （First Author’s Address：State Key Laboratory for Oil and Gas Geology and Exploitation，Southwest Petroleum University，Chengdu610500，Sichuan，China）

Longitudinal sampling method was adopted while 4145HDC steel was sampled.Oscillography impact properties were studied in four different temperatures.The research indicated that impact energy of sampled DC met the standard of“SYT5144-2007Drilling Collar”and “API SPEC7”in four different temperatures.With temperatures getting down，impact energy，crack propagation energy，and crack propagation energy/impact energy ratio decreased，cracking energy/impact energy ratio increased.In drilling，crack growth rate in DC was slow；the DC was not liable to fracture in normal temperature.On the contrary，crack growth rate was fast，as a result，the DC was easy to fracture in low temperature.The results provide reliable experiment resources for research on 4145HDC fracture.The research results provide reliable guidance for DC production and use in drilling and offer basic experimental evidence to the analysis of 4145HDC fracture mechanism.

4145HSteel；drilling collar；oscillography impact；temperature；impact energy；crack propagation energy；drillingcollar fracture

TE921.2

A

1000-9752 （2012）02-0157-04

2011-09-21

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目 （51004084）；教育部博士點(diǎn)基金項(xiàng)目 （20105121120002）。

劉飛 （1984-），男，2006年大學(xué)畢業(yè)，博士生，現(xiàn)主要從事鉆井工藝方面的研究工作。

［編輯］ 蕭 雨