N80石油套管的沖擊試驗與分析

馮定，馬威（長江大學(xué)機械工程學(xué)院，湖北 荊州 434023）

劉顯（長慶油田分公司油氣工藝技術(shù)管理部，陜西 西安 720012）

張樹民（廊坊中油郎威工程項目管理有限公司，河北 廊坊 065000）

張紅，施雷，晏健，李志敏（長江大學(xué)機械工程學(xué)院，湖北荊州 434023）

石油套管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。它是維持油井運行的生命線。由于地質(zhì)條件不同，井下受力狀態(tài)復(fù)雜，拉、壓、彎、扭應(yīng)力綜合作用于管體，這對套管本身的質(zhì)量提出了較高的要求。一旦套管本身由于某種原因而損壞，可能導(dǎo)致整口井的減產(chǎn)，甚至報廢。為此，筆者，利用帶低溫槽的沖擊試驗機對N80套管進行了沖擊試驗，根據(jù)得到的數(shù)據(jù)結(jié)果，分析了不同條件下套管材料的抗沖擊性能的變化［1］。

1 試驗準(zhǔn)備

1.1 試驗設(shè)備

試驗所用的沖擊裝置示意圖如圖1所示。試驗時將試樣放在試驗機支座上，缺口位于沖擊相背方向，并使缺口位于支座中間，然后將具有一定重量的擺錘舉至一定的高度H1，使其獲得一定的位能，此時擺錘與豎直方向夾角為α，釋放擺錘后，擺錘擺至終止位置，高度為H2，此時擺錘與豎直方向的夾角為β，擺錘的剩余能量為擺錘沖斷試樣失去的勢能，忽略空氣阻力等各種能量損失，沖斷試樣所消耗的能量（即沖擊吸收功）為W ，則W ＝mg（H1－H2）＝mgl（cosβ－cosα），其中，m為擺錘質(zhì)量，kg；g為重力加速度，m／s2；l為擺桿長度，m；沖擊吸收功的具體數(shù)值可以直接從試驗機的表盤上讀出。

1.2 試樣制備

考慮到套管的周向和軸向承受載荷的不同，沖擊試驗時分別在套管的縱向和橫向進行了取樣，縱向試樣取樣位置如圖2所示，橫向試樣取樣位置如圖3所示。其尺寸大小為：縱向試樣全尺寸10mm×10mm×55mm，橫向試樣3／4尺寸7.5mm×10mm×55mm［2～5］，見圖4和圖5。

1.3 試驗分組

由于設(shè)備要求標(biāo)準(zhǔn)試樣沖擊厚度必須為10mm，所以該次試驗分為2組來進行，第1組為縱向試樣的徑向沖擊和切向沖擊對比試驗；第2組為縱向試樣和橫向試樣的沖擊對比試驗。每組試驗分別在常溫和－20℃條件下進行，分組情況如表1和表2所示。

圖1 試驗裝置示意圖

圖2 縱向取樣

圖3 橫向取樣

圖4 縱向試樣尺寸

圖5 橫向試樣尺寸

表1 縱向試樣的徑向沖擊和切向沖擊

表2 縱向試樣和橫向試樣沖擊

1.4 沖擊試驗要求

沖擊試驗方法按照 GB／T 229—2007標(biāo)準(zhǔn)，試驗設(shè)備采用沖擊試驗低溫槽，控溫范圍為－60～30℃。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 試驗結(jié)果

通過對縱向試樣的徑向和切向沖擊對比試驗，以及縱向試樣和橫向試樣沖擊對比試驗，得到了各試驗的相關(guān)數(shù)據(jù)（表3、4）。

表3 縱向試樣的徑向和切向沖擊對比試驗

表4 縱向和橫向試樣沖擊對比試驗

2.2 數(shù)據(jù)分析

圖6 斷口形貌

3 結(jié)論

通過設(shè)計2組對比試驗對N80斷裂套管材料的沖擊性能進行了研究，由于套管在各個方向上的承載能力各不相同，因此在套管的橫向和縱向分別取樣，并在常溫和－20℃的條件下進行了縱向試樣的切向和徑向沖擊對比試驗以及縱向試樣和橫向試樣的沖擊對比試驗。通過分析得到的相關(guān)數(shù)據(jù)，有如下結(jié)論：

1）比較2種溫度下的沖擊吸收功可知，材料的抗沖擊能力會隨溫度的變化而變化。

2）在相同條件下，套管在縱向上的抗沖擊能力比橫向的抗沖擊能力強。

3）通過觀察試樣的斷口，其斷口較為整齊，因此可認(rèn)為套管材質(zhì)均勻。

［1］鄒喜洋 .N80－1套管失效分析 ［J］.軋鋼，2007，24（4）：19～22.

［2］王濱.ASTM金屬材料夏比V型缺口沖擊試驗方法介紹 ［J］.理化檢驗（物理分冊），2004，40（7）：367～371.

［3］丁氐，馮定，梅超，等 .套管強度腐蝕影響的數(shù)值模擬研究 ［J］.長江大學(xué)學(xué)報（自然版），2013，10（2）：74～75.

［4］張露，王建剛，王丹，等 .溫度沖擊試驗標(biāo)準(zhǔn)的介紹和分析 ［J］.環(huán)境技術(shù)，2008，26（5）：46～51.

［5］張廣成，何禎，劉良威，等 .夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料低速沖擊試驗與分析 ［J］.復(fù)合材料學(xué)報，2012，29（4）：170～177.