4145H鉆鋌鋼的示波沖擊性能及其動態斷裂韌性

劉 飛 曾德智 施太和 刁玉宏 任 建 土 林

1.“油氣藏地質及開發工程”國家重點實驗室·西南石油大學 2.中國石化石油工程技術研究院3.中國石油長城鉆探公司對外合作項目部 4.中國石油川慶鉆探工程公司國際工程公司

4145H鉆鋌鋼的示波沖擊性能及其動態斷裂韌性

劉 飛1，2曾德智1施太和1刁玉宏3任 建1土 林4

1.“油氣藏地質及開發工程”國家重點實驗室·西南石油大學 2.中國石化石油工程技術研究院3.中國石油長城鉆探公司對外合作項目部 4.中國石油川慶鉆探工程公司國際工程公司

針對石油鉆井中鉆鋌斷裂以及北方油田在冬季石油鉆鋌下井起鉆之后存在的冷脆現象，通過示波沖擊實驗，獲得了4145 H鉆鋌鋼試樣在沖擊變形和斷裂過程中的沖擊力—位移曲線，并用實驗得到的總沖擊功、起裂功來計算其動態斷裂韌度。結論認為：4145H鉆鋌鋼的延性斷裂韌度和動態斷裂韌度均隨溫度的降低而降低，其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，裂紋擴展功及其與沖擊功的比值隨溫度的降低而降低。在鉆井工程中表現為：常溫下裂紋在鉆鋌中擴展速率較慢，鉆鋌不容易斷裂；低溫下裂紋在鉆鋌中擴展速率較快，鉆鋌更容易斷裂。該研究成果為合理指導4145 H鉆鋌的生產工藝和現場正確使用鉆鋌提供了實驗數據支撐。

4145H石油鉆鋌鋼 鉆鋌 示波沖擊 溫度 沖擊功 斷裂韌性 裂紋擴展速度

由于鉆柱工作條件惡劣和鉆柱結構內在原因，導致在四川盆地川東地區每年要發生幾十次乃至上百次的鉆具失效，約占中國石油天然氣集團公司鉆具失效的1／5，在這些事故中，鉆鋌失效占30%～40%［1］。4145 H是AISI美國鋼鐵協會標準認證的國際通用石油鉆鋌鋼，已經普遍應用于我國的鉆井工程中［2－3］。示波沖擊相比常規沖擊可以記錄試驗時沖擊試樣沖擊變形和斷裂過程中的沖擊力—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，并且可以計算出沖擊試樣的總沖擊功、起裂功、裂紋擴展功。沖擊功用來表征材料抵抗沖擊載荷的能力，即測定沖擊試樣被折斷而消耗的能量，裂紋擴展功則是用來表征材料在抵抗裂紋擴展過程中消耗的能量。裂紋擴展功與沖擊功的比值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，冬季最低溫度有可能達到－40℃。鉆具提出井口之后斷裂的事故也時有發生，所以筆者通過對4145H鉆鋌鋼縱向取樣，研究4145H鉆鋌鋼在不同溫度下的示波沖擊性能以及動態斷裂韌性，以期為研究4145H鉆鋌斷裂機理以及現場正確使用鉆鋌提供實驗依據。

1 試驗材料及方法

試驗所采用的4145 H鋼的化學成分如表1所示，材料力學性能：屈服強度為929 MPa，抗拉強度為1 047 MPa，斷后延伸率為18.67%。

試驗儀器為MTS中國有限公司生產的ZBC 2302—D型示波沖擊試驗機沖擊速度5.24 m／s。試驗加工的示波沖擊試樣尺寸為55 mm×10 mm×10 mm，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。參照國家標準GB／T19748—2005《鋼材夏比V型缺口擺錘沖擊實驗儀器化試驗方法》［11］進行，測定沖擊過程中的力—位移曲線。

表1 試驗所用4145H鋼化學成分分析結果表

圖1 4145H鋼Charpy V型缺口示波沖擊試樣圖

2 試驗結果及分析

在4145H鉆鋌鋼的縱向方向上取試樣，并做常溫25℃、0℃、－20℃和－40℃4種溫度下的示波沖擊實驗，每種溫度做3個平行樣，得到4種溫度下4145H鉆鋌鋼的示波沖擊曲線。試驗結果如圖2～5和表2所示。

圖2 4145H鋼縱向試樣示波沖擊曲線圖（25℃）

圖3 4145H鋼縱向試樣示波沖擊曲線圖（0℃）

圖4 4145H鋼縱向試件示波沖擊曲線圖

圖5 4145H鋼縱向試樣示波沖擊曲線圖（－40℃）

圖6 4種溫度下沖擊功變化對比圖

表2 4145H鋼縱向試樣示波沖擊分析結果表

從圖2～6以及表2中可以得出在常溫（25℃）、0℃、－20℃和－40℃等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102 J、98 J、95 J、87 J，起裂功與沖擊功的比值隨溫度的降低而升高，裂紋擴展功以及裂紋擴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展速率越快。在鉆井工程上表現低溫下裂紋擴展功較低，使裂紋鉆鋌中擴展速率很快，鉆鋌更容易斷。

3 動態斷裂韌度計算

基于材料的動態斷裂韌性的測試及結果對研究材料的斷裂機理極為重要，也是常用的力學性能指標。材料的動態斷裂韌度反映了材料的韌性好壞，據本文參考文獻［10］可知，通過以下公式可計算出4145H鉆鋌鋼的延性斷裂韌度（JIC）和動態斷裂韌度（KIC）。即

式中BN為帶側槽試樣凈厚度，mm；B為試件高度，mm；ao為裂紋深度，mm；E為彈性模量，MPa；v為泊松比，0.3；S為彎曲試樣加載跨距，mm（本試驗機為40 mm）；W為試樣總寬度（沿V型槽方向的厚度），mm；F為最大力，k N；Wmp為起裂功，J；Wt為總沖擊功，J。計算結果如圖7所示。

圖7 4145H鋼斷裂韌度計算結果圖

由圖7可以看出4145 H鉆鋌鋼的延性斷裂韌度和動態斷裂韌度均隨溫度的降低而降低，在鉆井工程上表現為溫度越低，就越容易斷，從而為分析4145H鉆鋌斷裂機理提供基礎實驗依據。

4 結論

1）隨溫度的降低，4145 H鋼的沖擊功降低，起裂功與沖擊功的比值升高，而裂紋擴展功及其與沖擊功的比值降低，說明4145H鋼裂紋擴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展速率越快。

2）通過對4145H鉆鋌鋼示波沖擊特性研究得出其延性斷裂韌度和動態斷裂韌度均隨溫度的降低而降低，在鉆井工程上表現為低溫下裂紋擴展功較低，使裂紋在鉆鋌中擴展速率很快，鉆鋌更容易斷裂。

3）生產廠家應優化鉆鋌加工工藝，提高鉆鋌的沖擊功和裂紋擴展功，從而減少井下鉆鋌脆斷事故的發生。現場應用中盡量在鉆頭和鉆鋌之間加減震器，改善鉆鋌的工作環境，同時，加強起出鉆鋌的外觀和探傷檢查，杜絕不合格鉆鋌入井。

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［11］全國鋼標準化技術委員會.GB／T 19748—2005鋼材夏比V型缺口擺錘沖擊實驗儀器化試驗方法［S］.北京：中國標準出版社，2005.

Instrumented Charpy impact testing and dynamic fracture toughness of 4145H drilling collar steel

Liu Fei1，2，Zeng Dezhi1，Shi Taihe1，Diao Yuhong3，Ren Jian1，Tu Lin4
（1.State Key Laboratory for Oil ＆Gas Geology and Ex ploitation，Southwest Petroleum University，Chengdu，Sichuan 610500，China；2.Research Institute of Petroleum Engineering，Sinopec，Beijing 100101，China；3.CNPC Greatwall Drilling Engineering Company，Beijing 100101，China；4.Chuanqing Drilling Engineering Co.，Ltd.，CNPC，Chengdu，Sichuan 610051，China）

NATUR.GAS IND.VOLUME 32，ISSUE 5，pp.49－51，5／25／2012.（ISSN 1000－0976；In Chinese）

Drilling collar fractures easily occur in drilling operations and are often resulted from cold brittleness especially in winters in the oil fields of North China.An instrumented impact test was conducted on 4145H drilling collar samples，with impact force vs.displacement curves drawn during the process of impact deformation and fracture.And the total impact energy and the fracture initiation energy obtained during the tests were used to calculate its dynamic fracture toughness.The study results show that the impact energy，ductile fracture toughness，dynamic fracture toughness，crack propagation energy，and the ratio between crack propagation energy and impact energy will all decrease as the temperature decreases，while the ratio between the fracture initiation energy and impact energy will increase as the temperature decreases.In drilling，the crack growth rate in the drilling collar is slow and the collar is not liable to fracture at normal temperature.On the contrary，the crack growth rate becomes fast and the collar is subject to fracture at low temperature.The research results will provide reliable guidance for 4145H DC manufacturing and offer basic experimental evidence for the proper drilling collar application in field practices.

drilling collar，instrumented Charpy impact，temperature，impact energy，fracture toughness

國家自然科學基金（編號：51004084）和教育部博士點基金（編號：20105121120002）部分成果。

劉飛，1984年生，博士；現從事鉆井工藝方面的研究工作。地址：（610500）四川省成都市新都區新都大道8號。電話：（028）83033964。E－mail：liufei－swpu＠qq.com

劉飛等.4145H鉆鋌鋼的示波沖擊性能及其動態斷裂韌性.天然氣工業，2012，32（5）：49－51.

10.3787／j.issn.1000－0976.2012.05.013

（修改回稿日期 2012－03－06 編輯 凌 忠）

DOI：10.3787／j.issn.1000－0976.2012.05.013

Liu Fei，born in 1984，is now studying for a Ph.D degree，doing research on drilling technology.

Add：No.8，Xindu Avenue，Xindu District，Chengdu，Sichuan 610500，P.R.China

Tel：＋86－28－8303 3964 E－mail：liufei－swpu＠qq.com