J55石油套管接箍抗沖擊性能研究

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下，套管接箍易發生各種失效。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，根據記錄的沖擊數據和金相檢驗的結果，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。由于地質條件不同，井下受力狀態復雜，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）有限公司生產的ZBC2452-C型擺錘式沖擊試驗機進行沖擊，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）選取濟南聯工生產的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，得到以下相關數據，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，但帶狀組織中雜質腐化現象依舊存在，所以材料的機械性能產生方向性，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生形變的條件，形變的形成越來越受抑制，材料阻礙破壞發展的能力便減小，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：

[1]美國石油學會.套管和油管規范[S].API Spec 5CT.2011.第九版.

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