一種鉆柱動態疲勞斷裂性能測試裝置的研制及其測試結果分析

李強，林元華，武治強，孫永興，邢希金

1.中海油研究總院鉆采研究院（北京 100028）

2.中國海洋石油國際有限公司（北京 100027）

3.西南石油大學油氣藏地質與開發工程國家重點實驗室（四川 成都 610500）

4.中國石油川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術研究院（四川 廣漢 618300）

0 引言

石油鉆井過程中，疲勞失效是鉆柱最主要的失效形式，其中鉆桿加厚過渡帶刺穿和鉆具螺紋斷裂最常見，嚴重影響了鉆井安全，一直是國內外鉆桿生產廠家和石油鉆井研究的重點。很多專家學者對發生刺穿、斷裂失效的鉆桿進行了失效分析，結果表明失效鉆桿材料的化學成分、力學性能、夏比沖擊韌性等指標都符合或超過API 5D鉆桿標準[1-4]。所以，現行鉆桿材料性能評價體系不能很全面地表征鉆桿材料性能，特別是其動態疲勞斷裂性能[2-6]。

在參照旋轉彎曲疲勞試驗、夏比沖擊試驗的基礎上，設計制造了多沖動態疲勞斷裂的沖擊試驗臺。通過動態疲勞斷裂來探討鉆柱失效的機理，以幫助鉆桿生產廠家找到改善鉆桿抗疲勞斷裂性能的指標體系，同時也為現場鉆井優選鉆桿材料提供參考。

1 動態斷裂測試裝置研制及試驗設計

1.1 測試裝置研制

1）夏比沖擊韌性是在足夠大的沖擊載荷下一次測量得到的，但井下鉆柱裂紋的擴展是在較低載荷且多次重復沖擊作用下的多沖疲勞斷裂，因此夏比沖擊韌性不能夠很好地反映井下真實情況。為此，參照夏比沖擊韌性試驗、旋轉彎曲疲勞試驗等方法和裝置，研制設計了一套可以模擬鉆柱在實際鉆井工況下的多沖動態疲勞斷裂測試方法和裝置。該裝置利用旋轉體的旋轉特性，使固定在旋轉體外緣的試樣以一定的周期打擊旋轉體外與旋轉體鄰近的砧板，以達到模擬鉆柱振動特點的低載荷多次重復沖擊的目的。根據上述方法，研制了一種模擬鉆井工況的多沖動態疲勞斷裂試驗裝置。

2）設計該動態斷裂測試裝置的原則[2-4]。①試樣與夏比沖擊試驗試樣的尺寸相同，以便引用通用標準，進行對比分析研究；②動態疲勞斷裂試樣的制作應能夠反映材料的各向異性，即可以同時測量材料縱向的斷裂性能和橫向的斷裂性能。

材料動態斷裂性能與試樣的尺寸、沖擊速度等有關，因此應保證轉速、單次沖擊能量在一定范圍內連續可調，通過一系列的試驗材料，驗證動態疲勞斷裂性能的可靠性。

3）依據經濟、實用、試驗精度高的原則，自行設計了動態疲勞斷裂沖擊試驗臺。圖1為動態疲勞斷裂沖擊試驗臺原理圖及實物圖。

圖1 動態疲勞斷裂沖擊試驗臺原理圖及實物圖

試驗裝置的電磁調速電動機為YCT系列電機。該電磁調速電動機由拖動電機、電磁轉差離合器和控制器3部分組成，常用于恒轉矩負載的場合，在遞減轉矩負載中使用節能效果明顯。YCT（臥式）/YCTL（立式）系列電磁調速電動機能在規定的調速范圍內均勻、連續地實現無級調速，并輸出額定轉矩。電機在運行中，當負載轉矩變動時可通過控制器的速度負反饋系統自動調節離合器的勵磁電流，使輸出轉速保持不變。

4）動態疲勞斷裂沖擊試驗臺的試驗原理[4]。利用旋轉體的旋轉特性，使固定在旋轉體外緣的試樣，以一定頻率打擊旋轉體外與旋轉體鄰近的砧板，達到模擬鉆柱振動特點的低載荷多沖動態斷裂測試目的。

該動態斷裂沖擊試驗臺主要包括：旋轉主盤、試樣座、調速電機、傳動裝置、泥漿槽、砧板、底座。試樣座和旋轉主盤分別如圖2和圖3所示。

圖2 試樣座

當電機帶動旋轉主盤轉動時，被固定在試樣座上的試樣開始打擊砧板，每轉動一圈打擊砧板一次。試樣打擊砧板后，試樣座以銷軸為中心向旋轉主盤旋轉的反方向旋轉至橡膠塞位置，使試樣不再突出于旋轉主盤外沿，從而使旋轉主盤繼續轉動。試樣座靠近旋轉主盤中心一側處安裝橡膠塞，用以限定試樣座以銷軸為中心的轉動幅度，并利用其彈性和旋轉主盤作圓周運動產生的離心力，使試樣座在經過砧板后回到試樣打擊砧板前的位置。

圖3 旋轉主盤

5）與現有測試裝置相比，本裝置具有以下優點：①可以模擬實際鉆井工況下的低載多沖擊疲勞，從而使測試結果更貼近真實鉆井工況；②通過調整旋轉體主盤的轉動速度，可以控制試樣以某一頻率及沖擊載荷連續打擊砧板，從而利用多沖動態斷裂累積能量評價材料的動態斷裂性能，保證了測試精度；③裝置價格低廉，結構簡單，易于維護保養。

1.2 試驗設計

選用了鉆井常用的S135鉆桿材料的管體和加厚過渡帶部位，試驗材料選自A、B兩個不同的廠家。圖4為鉆桿加厚過渡帶結構示意圖，分別為鉆桿加厚過渡帶的厚部、薄部以及管體部位。

為了模擬鉆桿在使用中常出現的裂紋破壞形式，對鉆桿縱向（斷裂力學意義上的I型和II型裂紋）和橫向（斷裂力學意義上的III型裂紋）進行切割取樣。鉆桿材料縱向和橫向切割取樣位置如圖5所示，具體尺寸為55 mm×10 mm×2.5 mm。

圖4 鉆桿加厚過渡帶結構示意圖

2 試驗結果及分析評價

應用自行研制的多次沖擊動態疲勞斷裂沖擊試驗臺，對目前常用的S135鉆桿材料進行了一系列測試研究，試驗材料來自A、B兩個不同的廠家。

2.1 一次沖擊與多次沖擊的對比

表1為鉆桿管體縱向試樣在夏比沖擊（一次沖擊）斷裂時所吸收的能量與多沖動態疲勞斷裂時的累積吸收能量對比表（旋轉主盤轉速150 r/min，單次沖擊能量為2.21 J）。

表1 夏比沖擊能量與多沖累積能量對比

圖5 鉆桿材料縱向和橫向切割取樣位置示意圖

對比分析夏比沖擊能量與多沖累積能量，發現多沖累積能量的標準差只有夏比沖擊能量標準差的50%左右。由此可見：多沖方法比一次沖擊的夏比沖擊方法數據的波動性小、可靠性高，因此用多沖方法評價鉆桿材料的沖擊性能更準確。夏比沖擊能量反映材料的沖擊性能，多沖方法也能夠正確反映。同時多沖方法較真實地模擬了鉆柱振動的特點，即鉆柱是在井下低載荷作用下多次沖擊疲勞失效的，測試結果能夠更真實地反映鉆桿材料的沖擊疲勞性能，與其他文獻結論基本一致[2-5]。

2.2 鉆桿材料縱橫向抗疲勞斷裂性能對比

在實際鉆井工況下，幾千米的鉆柱受到復雜的振動和沖擊載荷的綜合作用，鉆柱受力的情況與裂紋走向之間的組合關系復雜，僅用縱向沖擊功不能全面表征材料的抗疲勞斷裂性能。因此，本試驗測試了鉆柱材料縱向抗疲勞斷裂性能，還測試了橫向的抗多沖疲勞斷裂能力，并進行對比分析研究。圖6分別為A廠和B廠生產的S135鉆桿管體材料縱、橫向試樣的多沖動態斷裂累積能量對比圖（轉速為120 r/min）。

圖6 鉆桿管體縱、橫向多沖動態斷裂累積能量

比較圖6中A廠S135鉆桿管體縱、橫向多沖動態斷裂累積能量，縱向累積能量約500 J，橫向累積能量約300 J，橫向多沖動態斷裂累積能量只有縱向的60%左右。同樣，圖6中B廠S135鉆桿管體縱橫向多沖動態斷裂累積能量，縱向累積能量330 J左右，橫向累積能量只有150 J左右，橫向只有縱向的40%～50%。這說明鉆桿材料的橫向抗沖擊斷裂性能明顯低于縱向，B廠鉆桿縱橫向差異比A廠更大。現場鉆井失效統計數據表明，B廠鉆桿發生刺穿、斷裂失效的情況比A廠鉆桿嚴重。因此，建議鉆標生產廠家，不僅要保證鉆桿縱向的抗疲勞斷裂性能，還要同時保證鉆桿橫向的抗疲勞斷裂性能，從而實現鉆桿縱橫向性能的均衡性。

2.3 鉆桿管體與加厚過渡帶抗疲勞斷裂性能對比

圖7中試樣取樣位置為S135鉆桿的管體和加厚過渡帶部位，且都為縱向試樣，轉速為150 r/min。從圖7（a）中可以看出鉆桿加厚過渡帶動態斷裂的平均累積能量約為380 J，管體斷裂的平均累積能量約為430 J，數據波動較小，說明A廠鉆桿材料均質性較好；圖7（b）中鉆桿加厚過渡帶縱向試樣斷裂的平均累積能量約為190 J，而管體斷裂的平均累積能量約為260 J，數據波動較大，說明B廠鉆桿均質性較差。對現場A、B兩個廠家生產的S135鉆桿的失效情況統計發現，B廠鉆桿發生失效較多。

圖7 鉆桿管體和加厚過渡帶多沖動態疲勞斷裂累積能量

對比圖7（a）和圖7（b）可以發現：鉆桿管體部位數據波動較小，但加厚過渡帶部位波動較大，特別是B廠鉆桿的加厚過渡帶部位波動更大。說明鉆桿鐓粗加工過程會導致加厚過渡帶部位的材質分布不均勻。這也是鉆桿在使用過程中刺穿、斷裂常常發生在加厚過渡帶部位的原因之一。

2.4 不同沖擊能量下鉆桿材料抗疲勞斷裂性能對比

圖8（a）和圖8（b）中縱、橫向試樣都取自同一S135鉆桿的加厚過渡帶部位，圖8（a）轉速90 r/min對應單次沖擊能量0.8 J，圖8（b）轉速180 r/min對應單次沖擊能量3.19 J。圖8（a）中縱、橫向試樣多沖動態斷裂累積能量分別約430 J和380 J，而圖8（b）只有約70 J和30 J，這說明隨著旋轉主盤轉速增大，單次沖擊功增大，鉆桿試樣的抗斷裂性能大幅度降低。

圖8 A廠不同單次沖擊能量下鉆桿管體多沖動態疲勞斷裂累積能量

為了深入研究隨著單次沖擊能量的增大，鉆桿材料疲勞斷裂性能的遞減規律開展了鉆桿管體材料在不同單次沖擊功下的斷裂次數對比研究，圖9和圖10比較了A、B兩個廠家生產的S135鉆桿材料縱橫向的抗沖擊疲勞斷裂性能差異。B廠鉆桿管體材料縱向、橫向的抗沖擊疲勞斷裂性能差異比A廠更明顯。對現場使用的A廠和B廠鉆桿的失效情況統計，結果顯示A廠鉆桿失效較少，B廠失效較多。

圖10 B廠鉆桿管體試樣在不同單次沖擊功下斷裂次數

通過對圖9和圖10的單次沖擊功與試樣斷裂時沖擊次數曲線回歸分析發現，在不同單次沖擊功的多沖疲勞斷裂條件下，隨單次沖擊功的增加，試樣斷裂時的沖擊次數呈指數式遞減（曲線回歸分析用指數式擬合，相關系數R2接近于1）。由此可見，鉆柱在高轉速鉆井過程中，隨著單次沖擊能量增大，鉆柱的沖擊疲勞壽命呈指數式遞減，與表征材料疲勞性能的S-N曲線類似。

3 結論

1）與單次沖擊的夏比沖擊功指標相比，多沖動態斷裂累積能量指標測試數據波動小、可靠性更好，能夠更好地表征鉆柱材料在井下承受交變應力及振動沖擊載荷作用下的抗疲勞斷裂性能。

2）A廠的鉆桿多次沖擊累積能量大，即A廠生產的鉆桿優于B廠，抗斷裂性能比B廠好，現場應用也驗證了A廠的鉆桿發生事故比B廠少。這為優選鉆桿材料提供了一種簡易的測評方法，對今后評價有關鉆柱構件的動態斷裂性能提供了重要參考。

3）鉆桿加厚過渡帶相比管體刺穿、斷裂嚴重，其重要原因之一是該部位材料由于鐓粗加工引起材質分布不均勻，各向異性嚴重，加之交變應力在鉆桿加厚過渡帶部位的集中，導致該部位經常發生刺穿、斷裂事故。

4）隨單次沖擊功增大，鉆桿材料的多沖動態斷裂次數呈指數式遞減，類似表征材料疲勞失效的SN曲線。