4145H石油钻铤钢示波冲击性能研究

刘 飞 （油气藏地质及开发工程国家重点实验室·西南石油大学，四川 成都610500中石化石油工程技术研究院，北京100101）

曾德智，施太和 任 建 （油气藏地质及开发工程国家重点实验室·西南石油大学，四川 成都610500）

卢亚锋 （中石油西南油气田公司采气工程研究院，四川 广汉618300）

王 沫 （中石化西北油田分公司工程技术研究院，新疆 乌鲁木齐830011）

4145H石油钻铤钢示波冲击性能研究

刘 飞 （油气藏地质及开发工程国家重点实验室·西南石油大学，四川 成都610500中石化石油工程技术研究院，北京100101）

曾德智，施太和 任 建 （油气藏地质及开发工程国家重点实验室·西南石油大学，四川 成都610500）

卢亚锋 （中石油西南油气田公司采气工程研究院，四川 广汉618300）

王 沫 （中石化西北油田分公司工程技术研究院，新疆 乌鲁木齐830011）

对4145H钻铤钢纵向取样，研究了不同温度下的示波冲击特性。结果表明，取样钻铤的冲击功值满足 《SYT5144-2007钻铤》和 《API SPEC7》标准要求，并得出了4145H钻铤钢的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，裂纹扩展功以及裂纹扩展功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；低温下裂纹在钻铤中扩展速率较快，钻铤更容易断。该研究成果为合理指导4145H钻铤的生产工艺和现场使用提供了依据，为分析4145H钻铤断裂机理提供了基础实验依据。

4145H钢；石油钻铤；示波冲击；温度；冲击功；裂纹扩展功；钻铤断裂

在石油钻井过程中，钻铤在井眼中承受着非常复杂的载荷。在复杂载荷的作用下，钻铤断裂失效的事故时有发生，轻则打捞、侧钻、延长钻井周期，重则使整口井报废［1］。4145H钢作为通过AISI美国钢铁协会标准认证的国际通用石油钻铤用钢，已经普遍应用于我国的钻井工程中［2，3］。常规冲击试验可以测量出材料的冲击功，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－位移以及冲击功－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，并且可以计算出试样的起裂功、裂纹扩展功，其中裂纹扩展功在冲击断裂过程中消耗的总能量中所占的比例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，冬天最低温度有可能达到－40℃。所以笔者通过对4145H钻铤钢纵向取样，做了不同温度下的示波冲击试验，研究了4145H石油钻铤钢在不同温度下的示波冲击性能，为研究4145H钻铤断裂提供试验依据。

1 试验材料及方法

试验所采用的4145H钢的化学成分为：97.033%Fe；0.47%C；0.20%Si；1.10%Mn；0.011%P；0.002%S；1.11%Cr；0.02%Cu；0.033%Ti；0.021%Al。材料屈服强度931MPa，抗拉强度1045MPa，断后延伸率为18.84%。

试验仪器为MTS中国有限公司生产的ZBC2302-D型示波冲击试验机 （冲击速度5.24m/s）。试验加工的示波冲击试样尺寸为55mm×10mm×10mm，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、冲击功－位移曲线。

根据GB/T19748-2005标准，按示波冲击曲线形状通常将力－位移曲线分为A～F共6种类型。在最大力之前不存在屈服力（几乎不存在塑性变形）且只产生不稳定裂纹扩展的为A型，如图2 （a）；在最大力之前不存在屈服力，但有少量稳定扩展的为B型，如图2（b）；根据其稳定裂纹扩展或者不稳定裂纹扩展所占的比例的大小分为C、D、E等3种类型，分别如图2（c）、（d）、（e）；只产生稳定裂纹扩展的为F型，如图2（f）。

图1 4145H钢Charpy V型缺口示波冲击试样 （单位mm）

图2 示波冲击试验结果中力与位移曲线类型

在GB/T19748-2005标准中，力、位移和能量符号的含义如下：力特征值主要有屈服力Fgy、最大力Fm、不稳定裂纹扩展起始力Fiu和不稳定裂纹扩展终止力Fa。与力特征值相对应的位移有屈服位移Sgy、最大力时位移Sm、不稳定裂纹扩展起始位移Siu、不稳定裂纹扩展终止位移Sa和总位移St。相应的能量特征值有裂纹形成能量Wi、裂纹扩展能量Wa和冲击吸收总能量Wt。

2 试验结果及分析

在4145H钻铤钢的纵向上取试样，并做常温 （25℃）、0、－20和－40℃共4种温度下的示波冲击试验，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。结果如图3～6和表1所示。

从图3～6以及表1中可以得出在4种不同的温度下，4145H钻铤钢的示波冲击曲线中的力－位移曲线均为只产生稳定裂纹扩展的F型。在常温 （25℃）、0、－20和－40℃这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101.98、98.42、95.00和86.59J，满足 《SYT5144-2007钻铤》和 《API SPEC7》标准中常温下钻铤冲击功大于等于54J的要求。

图3 4145H钢纵向试样示波冲击曲线 （25℃）

图4 4145H钢纵向试样示波冲击曲线 （0℃）

图5 4145H钢纵向试件示波冲击曲线 （－20℃）

图6 4145H钢纵向试样示波冲击曲线 （－40℃）

表1 4145H钢纵向试样示波冲击分析结果

图7 4种温度下冲击功变化趋势图

从图7和表1中可以得出4145H钢的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。在钻井工程上表现为常温下由于裂纹扩展功较高，使裂纹在钻铤中扩展速率较慢，钻铤不容易断；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。为了减少钻铤断裂事故的发生，生产厂家必须优化加工工艺和热处理工艺，提高低温下钻铤的冲击功和裂纹扩展功，减少钻铤脆断事故的发生。

3 结 论

1）通过对4145H钻铤钢示波冲击特性的研究，得到4个温度下4145H钻铤钢的力－位移曲线，都为国标GB/T19748-2005中的只产生稳定裂纹扩展的F型曲线，取样钻铤的冲击功值满足 《SYT5144-2007钻铤》和 《API SPEC7》标准的大于等于54J的要求。

2）4145H钢的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，而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。

3）示波冲击特性研究成果在钻井工程上表现为常温下由于裂纹扩展功较高，使裂纹在钻铤中扩展速率较慢，钻铤不容易断；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。为合理指导4145H钻铤的生产工艺和现场使用提供了依据，为分析4145H钻铤断裂机理提供了基础试验依据。

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［3］唐正华，范洪远，李静媛，等.4145H钻铤钢中 Mn5夹杂物的含量和分布对开裂的影响 ［J］.兵器材料科学与工程，1997，20（2）：52～55.

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［11］GB/T19748-2005，钢材夏比V型缺口摆锤冲击实验仪器化试验方法 ［S］.

［12］SYT5144-2007，钻铤 ［S］.

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［15］姜风春，刘瑞唐，刘殿魁.动态弹塑性断裂韧性测试方法的比较研究 ［J］.实验力学，1999，14（2）：267～272.

Study on Oscillography Impact Property of 4145HDrilling Collar（DC）Steel

LIU Fei，ZENG De-zhi，SHI Tai-he，REN Jian，LU Ya-feng，WANG Mo （First Author’s Address：State Key Laboratory for Oil and Gas Geology and Exploitation，Southwest Petroleum University，Chengdu610500，Sichuan，China）

Longitudinal sampling method was adopted while 4145HDC steel was sampled.Oscillography impact properties were studied in four different temperatures.The research indicated that impact energy of sampled DC met the standard of“SYT5144-2007Drilling Collar”and “API SPEC7”in four different temperatures.With temperatures getting down，impact energy，crack propagation energy，and crack propagation energy/impact energy ratio decreased，cracking energy/impact energy ratio increased.In drilling，crack growth rate in DC was slow；the DC was not liable to fracture in normal temperature.On the contrary，crack growth rate was fast，as a result，the DC was easy to fracture in low temperature.The results provide reliable experiment resources for research on 4145HDC fracture.The research results provide reliable guidance for DC production and use in drilling and offer basic experimental evidence to the analysis of 4145HDC fracture mechanism.

4145HSteel；drilling collar；oscillography impact；temperature；impact energy；crack propagation energy；drillingcollar fracture

TE921.2

A

1000-9752 （2012）02-0157-04

2011-09-21

国家自然科学基金项目 （51004084）；教育部博士点基金项目 （20105121120002）。

刘飞 （1984-），男，2006年大学毕业，博士生，现主要从事钻井工艺方面的研究工作。

［编辑］ 萧 雨