G105钻杆的拉伸和扭转失效研究

邓宽海林元华，2郭海涛周明信沙 东史交齐

（1.西南石油大学石油管工程重点实验室，四川成都 610500；2. 油气藏地质及开发工程国家重点实验室，四川成都 610500；3.大港油田公司，天津 300280；4. 西安三维应力工程公司，陕西西安 710065）

G105钻杆的拉伸和扭转失效研究

邓宽海1林元华1，2郭海涛3周明信3沙 东3史交齐4

（1.西南石油大学石油管工程重点实验室，四川成都 610500；2. 油气藏地质及开发工程国家重点实验室，四川成都 610500；3.大港油田公司，天津 300280；4. 西安三维应力工程公司，陕西西安 710065）

钻杆是石油天然气勘探开发过程中的重要结构件，其服役环境恶劣，易发生失效。基于弹塑性力学中的形变理论建立了纯扭矩作用下钻杆抗扭强度计算的力学模型，根据该模型可以计算钻杆在弹塑性阶段的扭矩。同时，用G105实物钻杆分别进行了轴向载荷下的抗拉测试和纯扭矩下的抗扭测试，抗拉实验得到了钻杆的屈服强度和抗拉强度及断裂时的轴向载荷，抗扭实验得到了钻杆的弹性和塑性极限扭矩。抗扭实验结果和模型的计算结果一致。研究结果为钻柱疲劳、断裂失效机理的进一步研究提供了理论依据，为钻柱强度设计提供了新思路。

抗扭强度；形变理论；力学模型；抗拉、扭测试；G105钻杆

0 引言

在石油、天然气开采过程中，钻杆不仅是钻井液的循环通道，而且在旋转钻井中需要传递扭矩，承受内外压力、轴向、弯曲、扭转等多种载荷的共同作用，同时还受到钻井液、地层水以及油气中的腐蚀性介质的腐蚀，在钻进过程中常常发生失效，造成井下事故。统计数据表明，国内外油田均发生过大量的钻杆过早断裂事故［1-3］，造成巨大的经济损失［4］。为确保钻井生产的安全进行，有必要对钻杆的失效机理进行研究。

目前，大量学者采用宏观分析方法和扫描电镜微观分析方法对钻杆的断裂、刺漏、腐蚀疲劳、磨损、氢脆以及应力腐蚀开裂等失效机理进行了大量的研究［5-9］；此外，Ai Chi等人［10］通过建立模型来模拟轴向扭转载荷和振动载荷对钻柱疲劳寿命的影响，提出了预测疲劳寿命的方法；冯小波和伊鹏等人［11-12］基于有限元的方法对钻杆加厚过渡带的应力集中问题进行了研究。综上可知，目前大量的工作主要集中在钻杆疲劳/腐蚀疲劳失效机理及加厚过渡带应力集中方面的研究，而针对钻杆机械失效方面的理论和实验研究很少。

然而，钻杆在地层复杂情况下也会发生机械失效，如腐蚀磨损后的钻杆由于壁厚有所降低，导致其强度降低从而易发生机械失效［13-14］；井口处钻杆由于起下钻时的惯性作用而承受着较大瞬间陡增的冲击载荷，致使拉应力大幅度上升，另一方面在处理复杂井下事故如“卡钻”上提钻具解卡时，井口钻柱拉应力最大，很容易因拉应力超过钻柱本身抗拉极限而发生断裂失效［15］；此外，当突然发生卡钻时，瞬间作用在钻杆上的力达到最大扭矩［16］，容易导致钻杆直接发生机械失效。为了完善并促进对钻杆失效机理研究的发展，笔者基于弹塑性力学中的形变理论建立了纯扭矩作用下钻杆抗扭强度计算的力学模型；同时开展了G105钢级的实物钻杆在轴向载荷下的抗拉实验和纯扭矩下的抗扭实验，其实验结果为钻柱的疲劳、断裂等失效分析研究提供了有力的指导。

1 钻杆抗扭强度计算模型研究

如图1所示，假设钻杆本体只受到纯扭矩（MT）作用，钻杆上微元体受到剪应力为τ，钻杆受到的剪应变为γθz，取单位长度作为研究对象，R为钻杆外径，ri为钻杆内径，t为钻杆壁厚，假设材料是理想弹塑性的。

图1 钻杆本体在扭矩作用下的力学分析

由于钻杆处于纯扭状态，故有

因此根据弹塑性力学理论［17］的应力强度和应变强度可得

将式（1）代入式（2）中得

1.1 弹性扭矩分析

根据材料力学理论并结合式（3）可得钻杆处于弹性阶段的扭矩MT

由此，将实际钻杆的几何参数和力学参数代入式（5）中可求得钻杆的弹性极限扭矩即抗扭屈服强度。

1.2 弹塑性扭矩分析

由于假设钻杆为理想弹塑性材料，故结合弹塑性力学中的形变理论可得弹塑性阶段的本构关系

式中，rs为弹性区与塑性区的分界半径，mm。

随着扭矩的增大，钻杆的屈服开始向内部扩展，根据图1可得弹塑性分界半径rs（ri＜rs＜R）与扭转角θ之间的关系(1×γ = rs×θ)，由式（3）和（6）可得

同理，根据材料力学理论可得钻杆处于弹塑性阶段的扭矩MTp

对式（8）积分可得弹塑性扭矩MTp

由此，将实际钻杆的几何参数和力学参数分别代入式（10）中可求得钻杆塑性极限扭矩即抗扭强度。

钻杆的塑性极限扭矩与弹性极限扭矩相比有一定程度的增加，假设其增加系数为β

为了更加清楚地说明增加系数β与钻杆几何尺寸的关系，用式（11）计算了3种API标准钻杆的增加系数，具体见表1，根据表中的数据可得钻杆径厚比与增加系数β的关系，即β随着径厚比的增加而减少（见图2）。因此，根据钻杆的增加系数β，在钻柱强度设计过程中可以适当考虑让钻杆部分达到塑性，还有部分保持弹性状态，这样可以大幅度地节约材料。

表1 API钻杆塑性极限扭矩的增加系数

图2 径厚比与增加系数β的关系

2 G105实物钻杆的实验研究

为了验证文中所建的力学模型的正确性和可靠性，对钻杆分别在拉伸载荷和扭矩载荷下的力学性能进行了实验测试。实验所使用的材料为某油田使用过的Ø88.9 mm×9.35 mm G105钻杆，其真实的外径和壁厚见表2，本次测试包括G105钻杆的拉伸变形测试和扭矩测试。拉伸和扭矩测试的基本原理相同，通过在钻杆外壁粘贴应变片的方法来测量方钻杆在拉伸和扭转过程中的应变，旨在弄清方钻杆的力学性能和变形规律。测试使用的主要仪器包括静态应变仪、拉伸实验机和液压拧扣机。

2.1 抗拉测试

（1）实验准备。G105钻杆用于抗拉测试，其几何尺寸见表2。在钻杆母接头上每隔180°布置应变片，共布置有2个单轴应变片，方向沿管体轴向；在钻杆本体上每隔180°布置应变片，共布置8个单轴应变片，方向沿管体轴向，如图3所示。

表2 G105钻杆本体的拉伸测试结果

图3 钻杆本体和接头及应变片的位置

（2）测试结果及分析。本实验通过拉伸实验机给G105钻杆缓慢施加基本成线性增加的拉伸载荷，由实验机的控制系统可知钻杆本体的破坏载荷为2 080 kN，其断裂形貌如图4所示，根据钻杆本体的几何尺寸可以计算得到其本体的抗拉强度为916 MPa，符合API SPEC 5D钻杆标准的规定；此外，根据图4可知钻杆接头并没有被破坏。

图4 G105钻杆本体拉断

随着拉伸载荷的增加，钻杆本体在拉伸过程中依次发生了弹性变形、塑性屈服、强化、失稳、断裂阶段，根据测试系统可知钻杆本体的屈服载荷为1 580 kN，所对应的屈服微应变为3 360。由钻杆本体的几何尺寸和屈服载荷得到其本体的屈服强度为702.2 MPa，而由屈服应变计算得到其本体的屈服强度为705.6 MPa，故钻杆本体的平均屈服强度为703.9 MPa，见表2。钻杆接头在拉伸过程中始终处于弹性变形阶段。由此可知钻杆本体和接头在承受拉伸载荷时，本体容易破坏，G105钻杆接头的抗拉强度大于本体的抗拉强度。

2.2 抗扭测试

（1）实验准备。相同的G105钻杆本体用于抗扭测试，其几何尺寸见表2。为了方便液压拧扣机的夹持，在钻杆本体两端分别焊接一个接头。在钻杆本体上每隔180°布置应变片，共布置有2个应变片，方向沿管体轴向。

（2）本体扭破坏测试结果分析。本实验通过液压拧扣机给钻杆本体逐级增加外载荷（扭矩），每次以一定的扭矩加载到钻杆本体，并让其在钻杆上保持一段时间，以便测得钻杆本体在该扭矩作用下的应变量；随后以一定增量的扭矩值对钻杆本体进行下一级加载，直到钻杆本体完全失去承载能力，扭矩加载顺序及对应的Mises等效应力见表3。

表3 钻杆本体扭破坏应变测试结果

从表3可见，钻杆本体外壁测点的Mises等效应力随着扭矩增加而增加。钻杆本体在26.86 kN·m扭矩作用下受到的Mises等效应力（709.20 MPa）略大于本体的屈服强度703.9 MPa（表2），根据Von-Mises屈服准则可知钻杆本体在该扭矩作用下已发生屈服，故其抗扭屈服强度为26.86 kN·m，与API方法计算的抗扭屈服强度29.76 kN·m相比偏小，表明按照API方法设计的钻杆在使用过程中会发生部分屈服。因此按照传统的表层屈服作为失效准则来设计钻杆强度可适当提高其安全系数。

根据表3中最后一组数据可知钻杆本体在31.16 kN·m扭矩作用下其应变趋于无穷大（19 999），且在该扭矩作用下钻杆本体出现明显的麻花状（图5），表明钻杆本体已发生扭破坏，故可得钻杆的抗扭强度为31.16 kN·m。对比发现，钻杆的抗扭强度远比抗扭屈服强度大，表明钻杆屈服后还具有一定的承载能力，因此在设计钻杆强度时，在保证钻杆不被破坏的前提下，可以考虑钻杆内层与外层之间的某个部位屈服作为钻杆失效的准则，而不是以钻杆表层屈服作为失效准则，据此失效准则可适当提高钻杆的抗扭承载能力。

图5 钻杆本体扭破坏

为了验证计算模型的准确性，将表2中G105钻杆的几何参数和力学参数代入式（10）中可求得钻杆抗扭强度为32.54 kN·m，与实测值31.16 kN·m相对误差4.2%。因此，该计算模型可直接用于钻杆抗扭强度的预测和评估。

3 结论

（1）基于塑性力学中的形变理论建立了纯扭矩作用下钻杆抗扭强度计算的力学模型，根据该模型可以计算钻杆在弹塑性阶段可承受的最大扭矩及抗扭强度，揭示了钻杆在扭转载荷下的塑性破坏机理。

（2）分别进行了G105实物钻杆的抗拉实验和抗扭实验，通过抗拉实验得到了G105钻杆的屈服强度和机械断裂时的轴向载荷；通过抗扭实验得到了G105钻杆的抗扭屈服强度和抗扭强度；实测抗扭屈服强度比API标准计算值偏小。

（3）通过仔细对比实验结果和计算结果验证了本文模型的准确性和可靠性，因此，该研究结果可为钻柱失效机理研究的进一步发展提供理论依据以及钻柱强度设计提供新思路。

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（修改稿收到日期 2013-10-11）

〔编辑 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

邓宽海，林元华，郭海涛，等. G105钻杆的拉伸和扭转失效研究［J］. 石油钻采工艺，2013，35（6）：5-8，14.

TG115.2

A

1000 – 7393（ 2013 ） 06 – 0005 – 04

国家自然科学基金（编号：51274170）和四川省科技创新团队（编号：2011JTD0034）资助。

邓宽海，1988年生。现为西南石油大学油气井工程硕博连读研究生。电话：13540843455。E-mail：dengkuanhai@163.com。通讯作者：林元华，1971年生。教授，博士生导师。E-mail：yhlin28@163.com。