G105鉆桿的拉伸和扭轉(zhuǎn)失效研究

鄧寬海林元華，2郭海濤周明信沙 東史交齊

（1.西南石油大學(xué)石油管工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610500；2. 油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610500；3.大港油田公司，天津 300280；4. 西安三維應(yīng)力工程公司，陜西西安 710065）

G105鉆桿的拉伸和扭轉(zhuǎn)失效研究

鄧寬海1林元華1，2郭海濤3周明信3沙 東3史交齊4

（1.西南石油大學(xué)石油管工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610500；2. 油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610500；3.大港油田公司，天津 300280；4. 西安三維應(yīng)力工程公司，陜西西安 710065）

鉆桿是石油天然氣勘探開(kāi)發(fā)過(guò)程中的重要結(jié)構(gòu)件，其服役環(huán)境惡劣，易發(fā)生失效。基于彈塑性力學(xué)中的形變理論建立了純扭矩作用下鉆桿抗扭強(qiáng)度計(jì)算的力學(xué)模型，根據(jù)該模型可以計(jì)算鉆桿在彈塑性階段的扭矩。同時(shí)，用G105實(shí)物鉆桿分別進(jìn)行了軸向載荷下的抗拉測(cè)試和純扭矩下的抗扭測(cè)試，抗拉實(shí)驗(yàn)得到了鉆桿的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度及斷裂時(shí)的軸向載荷，抗扭實(shí)驗(yàn)得到了鉆桿的彈性和塑性極限扭矩?？古?shí)驗(yàn)結(jié)果和模型的計(jì)算結(jié)果一致。研究結(jié)果為鉆柱疲勞、斷裂失效機(jī)理的進(jìn)一步研究提供了理論依據(jù)，為鉆柱強(qiáng)度設(shè)計(jì)提供了新思路。

抗扭強(qiáng)度；形變理論；力學(xué)模型；抗拉、扭測(cè)試；G105鉆桿

0 引言

在石油、天然氣開(kāi)采過(guò)程中，鉆桿不僅是鉆井液的循環(huán)通道，而且在旋轉(zhuǎn)鉆井中需要傳遞扭矩，承受內(nèi)外壓力、軸向、彎曲、扭轉(zhuǎn)等多種載荷的共同作用，同時(shí)還受到鉆井液、地層水以及油氣中的腐蝕性介質(zhì)的腐蝕，在鉆進(jìn)過(guò)程中常常發(fā)生失效，造成井下事故。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，國(guó)內(nèi)外油田均發(fā)生過(guò)大量的鉆桿過(guò)早斷裂事故［1-3］，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失［4］。為確保鉆井生產(chǎn)的安全進(jìn)行，有必要對(duì)鉆桿的失效機(jī)理進(jìn)行研究。

目前，大量學(xué)者采用宏觀分析方法和掃描電鏡微觀分析方法對(duì)鉆桿的斷裂、刺漏、腐蝕疲勞、磨損、氫脆以及應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂等失效機(jī)理進(jìn)行了大量的研究［5-9］；此外，Ai Chi等人［10］通過(guò)建立模型來(lái)模擬軸向扭轉(zhuǎn)載荷和振動(dòng)載荷對(duì)鉆柱疲勞壽命的影響，提出了預(yù)測(cè)疲勞壽命的方法；馮小波和伊鵬等人［11-12］基于有限元的方法對(duì)鉆桿加厚過(guò)渡帶的應(yīng)力集中問(wèn)題進(jìn)行了研究。綜上可知，目前大量的工作主要集中在鉆桿疲勞/腐蝕疲勞失效機(jī)理及加厚過(guò)渡帶應(yīng)力集中方面的研究，而針對(duì)鉆桿機(jī)械失效方面的理論和實(shí)驗(yàn)研究很少。

然而，鉆桿在地層復(fù)雜情況下也會(huì)發(fā)生機(jī)械失效，如腐蝕磨損后的鉆桿由于壁厚有所降低，導(dǎo)致其強(qiáng)度降低從而易發(fā)生機(jī)械失效［13-14］；井口處鉆桿由于起下鉆時(shí)的慣性作用而承受著較大瞬間陡增的沖擊載荷，致使拉應(yīng)力大幅度上升，另一方面在處理復(fù)雜井下事故如“卡鉆”上提鉆具解卡時(shí)，井口鉆柱拉應(yīng)力最大，很容易因拉應(yīng)力超過(guò)鉆柱本身抗拉極限而發(fā)生斷裂失效［15］；此外，當(dāng)突然發(fā)生卡鉆時(shí)，瞬間作用在鉆桿上的力達(dá)到最大扭矩［16］，容易導(dǎo)致鉆桿直接發(fā)生機(jī)械失效。為了完善并促進(jìn)對(duì)鉆桿失效機(jī)理研究的發(fā)展，筆者基于彈塑性力學(xué)中的形變理論建立了純扭矩作用下鉆桿抗扭強(qiáng)度計(jì)算的力學(xué)模型；同時(shí)開(kāi)展了G105鋼級(jí)的實(shí)物鉆桿在軸向載荷下的抗拉實(shí)驗(yàn)和純扭矩下的抗扭實(shí)驗(yàn)，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果為鉆柱的疲勞、斷裂等失效分析研究提供了有力的指導(dǎo)。

1 鉆桿抗扭強(qiáng)度計(jì)算模型研究

如圖1所示，假設(shè)鉆桿本體只受到純扭矩（MT）作用，鉆桿上微元體受到剪應(yīng)力為τ，鉆桿受到的剪應(yīng)變?yōu)棣忙葄，取單位長(zhǎng)度作為研究對(duì)象，R為鉆桿外徑，ri為鉆桿內(nèi)徑，t為鉆桿壁厚，假設(shè)材料是理想彈塑性的。

圖1 鉆桿本體在扭矩作用下的力學(xué)分析

由于鉆桿處于純扭狀態(tài)，故有

因此根據(jù)彈塑性力學(xué)理論［17］的應(yīng)力強(qiáng)度和應(yīng)變強(qiáng)度可得

將式（1）代入式（2）中得

1.1 彈性扭矩分析

根據(jù)材料力學(xué)理論并結(jié)合式（3）可得鉆桿處于彈性階段的扭矩MT

由此，將實(shí)際鉆桿的幾何參數(shù)和力學(xué)參數(shù)代入式（5）中可求得鉆桿的彈性極限扭矩即抗扭屈服強(qiáng)度。

1.2 彈塑性扭矩分析

由于假設(shè)鉆桿為理想彈塑性材料，故結(jié)合彈塑性力學(xué)中的形變理論可得彈塑性階段的本構(gòu)關(guān)系

式中，rs為彈性區(qū)與塑性區(qū)的分界半徑，mm。

隨著扭矩的增大，鉆桿的屈服開(kāi)始向內(nèi)部擴(kuò)展，根據(jù)圖1可得彈塑性分界半徑rs（ri＜rs＜R）與扭轉(zhuǎn)角θ之間的關(guān)系(1×γ = rs×θ)，由式（3）和（6）可得

同理，根據(jù)材料力學(xué)理論可得鉆桿處于彈塑性階段的扭矩MTp

對(duì)式（8）積分可得彈塑性扭矩MTp

由此，將實(shí)際鉆桿的幾何參數(shù)和力學(xué)參數(shù)分別代入式（10）中可求得鉆桿塑性極限扭矩即抗扭強(qiáng)度。

鉆桿的塑性極限扭矩與彈性極限扭矩相比有一定程度的增加，假設(shè)其增加系數(shù)為β

為了更加清楚地說(shuō)明增加系數(shù)β與鉆桿幾何尺寸的關(guān)系，用式（11）計(jì)算了3種API標(biāo)準(zhǔn)鉆桿的增加系數(shù)，具體見(jiàn)表1，根據(jù)表中的數(shù)據(jù)可得鉆桿徑厚比與增加系數(shù)β的關(guān)系，即β隨著徑厚比的增加而減少（見(jiàn)圖2）。因此，根據(jù)鉆桿的增加系數(shù)β，在鉆柱強(qiáng)度設(shè)計(jì)過(guò)程中可以適當(dāng)考慮讓鉆桿部分達(dá)到塑性，還有部分保持彈性狀態(tài)，這樣可以大幅度地節(jié)約材料。

表1 API鉆桿塑性極限扭矩的增加系數(shù)

圖2 徑厚比與增加系數(shù)β的關(guān)系

2 G105實(shí)物鉆桿的實(shí)驗(yàn)研究

為了驗(yàn)證文中所建的力學(xué)模型的正確性和可靠性，對(duì)鉆桿分別在拉伸載荷和扭矩載荷下的力學(xué)性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試。實(shí)驗(yàn)所使用的材料為某油田使用過(guò)的?88.9 mm×9.35 mm G105鉆桿，其真實(shí)的外徑和壁厚見(jiàn)表2，本次測(cè)試包括G105鉆桿的拉伸變形測(cè)試和扭矩測(cè)試。拉伸和扭矩測(cè)試的基本原理相同，通過(guò)在鉆桿外壁粘貼應(yīng)變片的方法來(lái)測(cè)量方鉆桿在拉伸和扭轉(zhuǎn)過(guò)程中的應(yīng)變，旨在弄清方鉆桿的力學(xué)性能和變形規(guī)律。測(cè)試使用的主要儀器包括靜態(tài)應(yīng)變儀、拉伸實(shí)驗(yàn)機(jī)和液壓擰扣機(jī)。

2.1 抗拉測(cè)試

（1）實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備。G105鉆桿用于抗拉測(cè)試，其幾何尺寸見(jiàn)表2。在鉆桿母接頭上每隔180°布置應(yīng)變片，共布置有2個(gè)單軸應(yīng)變片，方向沿管體軸向；在鉆桿本體上每隔180°布置應(yīng)變片，共布置8個(gè)單軸應(yīng)變片，方向沿管體軸向，如圖3所示。

表2 G105鉆桿本體的拉伸測(cè)試結(jié)果

圖3 鉆桿本體和接頭及應(yīng)變片的位置

（2）測(cè)試結(jié)果及分析。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)拉伸實(shí)驗(yàn)機(jī)給G105鉆桿緩慢施加基本成線性增加的拉伸載荷，由實(shí)驗(yàn)機(jī)的控制系統(tǒng)可知鉆桿本體的破壞載荷為2 080 kN，其斷裂形貌如圖4所示，根據(jù)鉆桿本體的幾何尺寸可以計(jì)算得到其本體的抗拉強(qiáng)度為916 MPa，符合API SPEC 5D鉆桿標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定；此外，根據(jù)圖4可知鉆桿接頭并沒(méi)有被破壞。

圖4 G105鉆桿本體拉斷

隨著拉伸載荷的增加，鉆桿本體在拉伸過(guò)程中依次發(fā)生了彈性變形、塑性屈服、強(qiáng)化、失穩(wěn)、斷裂階段，根據(jù)測(cè)試系統(tǒng)可知鉆桿本體的屈服載荷為1 580 kN，所對(duì)應(yīng)的屈服微應(yīng)變?yōu)? 360。由鉆桿本體的幾何尺寸和屈服載荷得到其本體的屈服強(qiáng)度為702.2 MPa，而由屈服應(yīng)變計(jì)算得到其本體的屈服強(qiáng)度為705.6 MPa，故鉆桿本體的平均屈服強(qiáng)度為703.9 MPa，見(jiàn)表2。鉆桿接頭在拉伸過(guò)程中始終處于彈性變形階段。由此可知鉆桿本體和接頭在承受拉伸載荷時(shí)，本體容易破壞，G105鉆桿接頭的抗拉強(qiáng)度大于本體的抗拉強(qiáng)度。

2.2 抗扭測(cè)試

（1）實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備。相同的G105鉆桿本體用于抗扭測(cè)試，其幾何尺寸見(jiàn)表2。為了方便液壓擰扣機(jī)的夾持，在鉆桿本體兩端分別焊接一個(gè)接頭。在鉆桿本體上每隔180°布置應(yīng)變片，共布置有2個(gè)應(yīng)變片，方向沿管體軸向。

（2）本體扭破壞測(cè)試結(jié)果分析。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)液壓擰扣機(jī)給鉆桿本體逐級(jí)增加外載荷（扭矩），每次以一定的扭矩加載到鉆桿本體，并讓其在鉆桿上保持一段時(shí)間，以便測(cè)得鉆桿本體在該扭矩作用下的應(yīng)變量；隨后以一定增量的扭矩值對(duì)鉆桿本體進(jìn)行下一級(jí)加載，直到鉆桿本體完全失去承載能力，扭矩加載順序及對(duì)應(yīng)的Mises等效應(yīng)力見(jiàn)表3。

表3 鉆桿本體扭破壞應(yīng)變測(cè)試結(jié)果

從表3可見(jiàn)，鉆桿本體外壁測(cè)點(diǎn)的Mises等效應(yīng)力隨著扭矩增加而增加。鉆桿本體在26.86 kN·m扭矩作用下受到的Mises等效應(yīng)力（709.20 MPa）略大于本體的屈服強(qiáng)度703.9 MPa（表2），根據(jù)Von-Mises屈服準(zhǔn)則可知鉆桿本體在該扭矩作用下已發(fā)生屈服，故其抗扭屈服強(qiáng)度為26.86 kN·m，與API方法計(jì)算的抗扭屈服強(qiáng)度29.76 kN·m相比偏小，表明按照API方法設(shè)計(jì)的鉆桿在使用過(guò)程中會(huì)發(fā)生部分屈服。因此按照傳統(tǒng)的表層屈服作為失效準(zhǔn)則來(lái)設(shè)計(jì)鉆桿強(qiáng)度可適當(dāng)提高其安全系數(shù)。

根據(jù)表3中最后一組數(shù)據(jù)可知鉆桿本體在31.16 kN·m扭矩作用下其應(yīng)變趨于無(wú)窮大（19 999），且在該扭矩作用下鉆桿本體出現(xiàn)明顯的麻花狀（圖5），表明鉆桿本體已發(fā)生扭破壞，故可得鉆桿的抗扭強(qiáng)度為31.16 kN·m。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，鉆桿的抗扭強(qiáng)度遠(yuǎn)比抗扭屈服強(qiáng)度大，表明鉆桿屈服后還具有一定的承載能力，因此在設(shè)計(jì)鉆桿強(qiáng)度時(shí)，在保證鉆桿不被破壞的前提下，可以考慮鉆桿內(nèi)層與外層之間的某個(gè)部位屈服作為鉆桿失效的準(zhǔn)則，而不是以鉆桿表層屈服作為失效準(zhǔn)則，據(jù)此失效準(zhǔn)則可適當(dāng)提高鉆桿的抗扭承載能力。

圖5 鉆桿本體扭破壞

為了驗(yàn)證計(jì)算模型的準(zhǔn)確性，將表2中G105鉆桿的幾何參數(shù)和力學(xué)參數(shù)代入式（10）中可求得鉆桿抗扭強(qiáng)度為32.54 kN·m，與實(shí)測(cè)值31.16 kN·m相對(duì)誤差4.2%。因此，該計(jì)算模型可直接用于鉆桿抗扭強(qiáng)度的預(yù)測(cè)和評(píng)估。

3 結(jié)論

（1）基于塑性力學(xué)中的形變理論建立了純扭矩作用下鉆桿抗扭強(qiáng)度計(jì)算的力學(xué)模型，根據(jù)該模型可以計(jì)算鉆桿在彈塑性階段可承受的最大扭矩及抗扭強(qiáng)度，揭示了鉆桿在扭轉(zhuǎn)載荷下的塑性破壞機(jī)理。

（2）分別進(jìn)行了G105實(shí)物鉆桿的抗拉實(shí)驗(yàn)和抗扭實(shí)驗(yàn)，通過(guò)抗拉實(shí)驗(yàn)得到了G105鉆桿的屈服強(qiáng)度和機(jī)械斷裂時(shí)的軸向載荷；通過(guò)抗扭實(shí)驗(yàn)得到了G105鉆桿的抗扭屈服強(qiáng)度和抗扭強(qiáng)度；實(shí)測(cè)抗扭屈服強(qiáng)度比API標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算值偏小。

（3）通過(guò)仔細(xì)對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果和計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證了本文模型的準(zhǔn)確性和可靠性，因此，該研究結(jié)果可為鉆柱失效機(jī)理研究的進(jìn)一步發(fā)展提供理論依據(jù)以及鉆柱強(qiáng)度設(shè)計(jì)提供新思路。

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（修改稿收到日期 2013-10-11）

〔編輯 薛改珍〕

Research of G105 drill pipe failure under loads of pure tension and pure twisting

DENG Kuanhai1, LIN Yuanhua1, 2, GUO Haitao3, ZHOU Mingxin3, SHA Dong3, SHI Jiaoqi4

（1. CNPC Key Lab for Tubular Goods Engineering, Southwest Petroleum University, Chengdu 610500, China; 2. State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation, Southwest Petroleum University, Chengdu 610500, China; 3.Dagang Oilfield Branch Company of PetroChina, Tianjin 300280, China; 4.The Three Dimensional Stress Engineering Company, Xi’an 710065, China）

Oil drill pipe is one of most important components for oil and natural gas exploration and development, which is liable to failure because of the poor service environment. In order to avoid the drill string failure, it is necessary to study the failure mechanism of drill string. So, based on the deformation theory of plastic mechanics, the mechanical model which can calculate the twisting strength of drill pipe has been established in this paper. According to this model, the torque of drill pipe can also be calculated in the elastic and plastic stage. Simultaneous, the full-scale tensile and torsion test of G105 drill pipe were conducted. The yield strength and tensile strength were obtained through the tensile test. The elastic and plastic limit torque were obtained through the torsion test. The results of torsion test are in excellent agreement with the calculation results. The research results can provide powerful new thoughts and some theoretical basis for the strength design and the further development of the study on the failure mechanism of fatigue for drill pipe respectively.

twisting strength; deformation theory; mechanical model; tensile and torsion test; G105 drill pipe

鄧寬海，林元華，郭海濤，等. G105鉆桿的拉伸和扭轉(zhuǎn)失效研究［J］. 石油鉆采工藝，2013，35（6）：5-8，14.

TG115.2

A

1000 – 7393（ 2013 ） 06 – 0005 – 04

國(guó)家自然科學(xué)基金（編號(hào)：51274170）和四川省科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)（編號(hào)：2011JTD0034）資助。

鄧寬海，1988年生?，F(xiàn)為西南石油大學(xué)油氣井工程碩博連讀研究生。電話：13540843455。E-mail：dengkuanhai@163.com。通訊作者：林元華，1971年生。教授，博士生導(dǎo)師。E-mail：yhlin28@163.com。