4145H钻铤钢的示波冲击性能及其动态断裂韧性

刘 飞 曾德智 施太和 刁玉宏 任 建 土 林

1.“油气藏地质及开发工程”国家重点实验室·西南石油大学 2.中国石化石油工程技术研究院3.中国石油长城钻探公司对外合作项目部 4.中国石油川庆钻探工程公司国际工程公司

4145H钻铤钢的示波冲击性能及其动态断裂韧性

刘 飞1，2曾德智1施太和1刁玉宏3任 建1土 林4

1.“油气藏地质及开发工程”国家重点实验室·西南石油大学 2.中国石化石油工程技术研究院3.中国石油长城钻探公司对外合作项目部 4.中国石油川庆钻探工程公司国际工程公司

针对石油钻井中钻铤断裂以及北方油田在冬季石油钻铤下井起钻之后存在的冷脆现象，通过示波冲击实验，获得了4145 H钻铤钢试样在冲击变形和断裂过程中的冲击力—位移曲线，并用实验得到的总冲击功、起裂功来计算其动态断裂韧度。结论认为：4145H钻铤钢的延性断裂韧度和动态断裂韧度均随温度的降低而降低，其冲击功随温度的降低而降低，起裂功与冲击功的比值随温度的降低而升高，裂纹扩展功及其与冲击功的比值随温度的降低而降低。在钻井工程中表现为：常温下裂纹在钻铤中扩展速率较慢，钻铤不容易断裂；低温下裂纹在钻铤中扩展速率较快，钻铤更容易断裂。该研究成果为合理指导4145 H钻铤的生产工艺和现场正确使用钻铤提供了实验数据支撑。

4145H石油钻铤钢 钻铤 示波冲击 温度 冲击功 断裂韧性 裂纹扩展速度

由于钻柱工作条件恶劣和钻柱结构内在原因，导致在四川盆地川东地区每年要发生几十次乃至上百次的钻具失效，约占中国石油天然气集团公司钻具失效的1／5，在这些事故中，钻铤失效占30%～40%［1］。4145 H是AISI美国钢铁协会标准认证的国际通用石油钻铤钢，已经普遍应用于我国的钻井工程中［2－3］。示波冲击相比常规冲击可以记录试验时冲击试样冲击变形和断裂过程中的冲击力—位移曲线，提供了不同变形和断裂阶段的载荷、变形及能量消耗的变化情况，并且可以计算出冲击试样的总冲击功、起裂功、裂纹扩展功。冲击功用来表征材料抵抗冲击载荷的能力，即测定冲击试样被折断而消耗的能量，裂纹扩展功则是用来表征材料在抵抗裂纹扩展过程中消耗的能量。裂纹扩展功与冲击功的比值大小反映了材料的韧性好坏［4－10］。由于在俄罗斯的西伯利亚以及我国东北大庆油田，冬季最低温度有可能达到－40℃。钻具提出井口之后断裂的事故也时有发生，所以笔者通过对4145H钻铤钢纵向取样，研究4145H钻铤钢在不同温度下的示波冲击性能以及动态断裂韧性，以期为研究4145H钻铤断裂机理以及现场正确使用钻铤提供实验依据。

1 试验材料及方法

试验所采用的4145 H钢的化学成分如表1所示，材料力学性能：屈服强度为929 MPa，抗拉强度为1 047 MPa，断后延伸率为18.67%。

试验仪器为MTS中国有限公司生产的ZBC 2302—D型示波冲击试验机冲击速度5.24 m／s。试验加工的示波冲击试样尺寸为55 mm×10 mm×10 mm，加工缺口为Charpy V型缺口，如图1所示。试样取样为钻铤纵向方向。参照国家标准GB／T19748—2005《钢材夏比V型缺口摆锤冲击实验仪器化试验方法》［11］进行，测定冲击过程中的力—位移曲线。

表1 试验所用4145H钢化学成分分析结果表

图1 4145H钢Charpy V型缺口示波冲击试样图

2 试验结果及分析

在4145H钻铤钢的纵向方向上取试样，并做常温25℃、0℃、－20℃和－40℃4种温度下的示波冲击实验，每种温度做3个平行样，得到4种温度下4145H钻铤钢的示波冲击曲线。试验结果如图2～5和表2所示。

图2 4145H钢纵向试样示波冲击曲线图（25℃）

图3 4145H钢纵向试样示波冲击曲线图（0℃）

图4 4145H钢纵向试件示波冲击曲线图

图5 4145H钢纵向试样示波冲击曲线图（－40℃）

图6 4种温度下冲击功变化对比图

表2 4145H钢纵向试样示波冲击分析结果表

从图2～6以及表2中可以得出在常温（25℃）、0℃、－20℃和－40℃等4种温度下，4145H钻铤钢的冲击功随温度的降低而逐渐降低，平均值分别为102 J、98 J、95 J、87 J，起裂功与冲击功的比值随温度的降低而升高，裂纹扩展功以及裂纹扩展功与冲击功的比值都随温度的降低而降低，说明4145H钢裂纹扩展速率随着温度的降低也升高。温度越低使得生成的裂纹扩展速率越快。在钻井工程上表现低温下裂纹扩展功较低，使裂纹钻铤中扩展速率很快，钻铤更容易断。

3 动态断裂韧度计算

基于材料的动态断裂韧性的测试及结果对研究材料的断裂机理极为重要，也是常用的力学性能指标。材料的动态断裂韧度反映了材料的韧性好坏，据本文参考文献［10］可知，通过以下公式可计算出4145H钻铤钢的延性断裂韧度（JIC）和动态断裂韧度（KIC）。即

式中BN为带侧槽试样净厚度，mm；B为试件高度，mm；ao为裂纹深度，mm；E为弹性模量，MPa；v为泊松比，0.3；S为弯曲试样加载跨距，mm（本试验机为40 mm）；W为试样总宽度（沿V型槽方向的厚度），mm；F为最大力，k N；Wmp为起裂功，J；Wt为总冲击功，J。计算结果如图7所示。

图7 4145H钢断裂韧度计算结果图

由图7可以看出4145 H钻铤钢的延性断裂韧度和动态断裂韧度均随温度的降低而降低，在钻井工程上表现为温度越低，就越容易断，从而为分析4145H钻铤断裂机理提供基础实验依据。

4 结论

1）随温度的降低，4145 H钢的冲击功降低，起裂功与冲击功的比值升高，而裂纹扩展功及其与冲击功的比值降低，说明4145H钢裂纹扩展速率随着温度的降低也升高。温度越低使得生成的裂纹扩展速率越快。

2）通过对4145H钻铤钢示波冲击特性研究得出其延性断裂韧度和动态断裂韧度均随温度的降低而降低，在钻井工程上表现为低温下裂纹扩展功较低，使裂纹在钻铤中扩展速率很快，钻铤更容易断裂。

3）生产厂家应优化钻铤加工工艺，提高钻铤的冲击功和裂纹扩展功，从而减少井下钻铤脆断事故的发生。现场应用中尽量在钻头和钻铤之间加减震器，改善钻铤的工作环境，同时，加强起出钻铤的外观和探伤检查，杜绝不合格钻铤入井。

［1］杨自林，游华江，蹇宗承，等.钻铤失效事故的原因分析及对策［J］.天然气工业，2000，20（3）：57－59.

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［11］全国钢标准化技术委员会.GB／T 19748—2005钢材夏比V型缺口摆锤冲击实验仪器化试验方法［S］.北京：中国标准出版社，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

国家自然科学基金（编号：51004084）和教育部博士点基金（编号：20105121120002）部分成果。

刘飞，1984年生，博士；现从事钻井工艺方面的研究工作。地址：（610500）四川省成都市新都区新都大道8号。电话：（028）83033964。E－mail：liufei－swpu＠qq.com

刘飞等.4145H钻铤钢的示波冲击性能及其动态断裂韧性.天然气工业，2012，32（5）：49－51.

10.3787／j.issn.1000－0976.2012.05.013

（修改回稿日期 2012－03－06 编辑 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