劉鵬
摘 要:J55石油套管接箍是用于石油鉆探的重要器材,在一些復雜工況及長時間的工作狀態(tài)下,套管接箍易發(fā)生各種失效。延長油田套管接箍最常見的失效形式是脫扣和斷裂。為了分析J55套管接箍的抗沖擊能力,利用沖擊設備對多組接箍試樣在不同條件下進行沖擊試驗,根據(jù)記錄的沖擊數(shù)據(jù)和金相檢驗的結果,分析了不同條件下套管接箍材料抗沖擊性能的變化。
關鍵詞:J55套管接箍;沖擊試驗;沖擊功;分析
DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.21.054
石油套管及接箍是維持油井運行的生命線,主要用于鉆井過程中和完井后對井壁的支撐,以保證鉆井過程的進行和完井后整個油井的正常運行。由于地質(zhì)條件不同,井下受力狀態(tài)復雜,拉、壓、彎、扭應力綜合作用于管體接箍,這對套管接箍本身的強度和韌性提出了較高的要求。為此,筆者對外徑244.48mm壁厚8.94 mm的J55套管接箍據(jù)API Spec 5CT及ASTM E23-16b標準進行了橫縱兩個方向,不同溫度下的沖擊試驗,據(jù)GB/T13298—2015對沖擊后斷面進行金相樣品制備并觀察金相組織。根據(jù)試驗結果,分析了不同條件下套管接箍材料抗沖擊性能的變化。
1試驗準備
1.1 試驗設備
(1)選取美特斯(中國)有限公司生產(chǎn)的ZBC2452-C型擺錘式?jīng)_擊試驗機進行沖擊,選取150J美標V型擺錘。采用沖擊試驗低溫槽進行溫度控制,控溫范圍為-60~30℃。
(2)選取濟南聯(lián)工生產(chǎn)的XJG-05型金相顯微鏡進行金相分析,目鏡選取10倍,物鏡選取40倍。
1.2 試樣制備及分組
在φ244.48×8.94mm LC J55套管接箍上分別進行橫向和縱向取樣,取樣位置及方向如圖1所示。其中1為縱向試樣,2為橫向試樣。
試樣尺寸大小為55mm×10mm×7.5mm,每組試樣數(shù)量為3個,共取6組,試樣分組明細如表1。
缺口形式KV8,拉槽后形貌如圖2所示。
2 試驗結果及分析
2.1 試驗結果
(1)通過對橫縱兩個取樣方向,21℃、0℃、-20℃三個溫度共計6組18個樣品的沖擊試驗,得到以下相關數(shù)據(jù),見表2。
(2)試樣沖擊后斷口形貌如圖3。
(3)對橫向及縱向試樣在金相顯微鏡下進行組織分析,得到不同的金相組織圖,如圖4、圖5。
2.2 試驗結果分析
(1)通過對圖4分析,可知試樣組織為P(珠光體)和F(鐵素體),且橫向和縱向的組織結構差別不大,縱向試樣帶狀組織不明顯。
(2)同溫度下橫縱向沖擊試驗結果分析。將①④組、②⑤組、③⑥組分別進行比較可知,在同一溫度下,縱向較橫向沖擊功偏高20%-30%左右。
原因分析:由于套管接箍在軋制過程中會形成沿軋制方向的帶狀組織,導致各個方向的力學性能存在差異。雖經(jīng)過常化處理后,帶狀組織在一定程度是得到減弱,但帶狀組織中雜質(zhì)腐化現(xiàn)象依舊存在,所以材料的機械性能產(chǎn)生方向性,使橫向塑性和韌性顯著降低。
(3)同一取樣方向不同溫度下沖擊試驗結果分析。將①②③組和④⑤⑥組各自比較可知,在同一取向不同溫度下,J55套管接箍隨沖擊溫度的降低,沖擊功逐步下降。
原因分析:隨著溫度降低,金屬中的晶粒和相中金屬鍵的結合能下降,晶粒之間,相之間,原子活動能力降低。這些因素均造成難以發(fā)生形變的條件,形變的形成越來越受抑制,材料阻礙破壞發(fā)展的能力便減小,導致材料自身的塑性降低,脆性增加。即使沒有達到材料自身的韌性-脆性轉(zhuǎn)變溫度,材料的脆性依舊會增加,從而導致沖擊功隨溫度下降逐步降低。
3結論
(1)通過金相分析得到該套管接箍的組織為P(珠光體)和F(鐵素體),組織形態(tài)均勻。
(2)通過同一溫度下不同取樣方向的沖擊功分析,可知該套管縱向較橫向抗沖擊性能有明顯增強。
(3)通過不同溫度相同取樣方向的沖擊功分析,可知該套管的抗沖擊性能隨溫度的降低而降低。
參考文獻:
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