N80石油套管的冲击试验与分析

冯定，马威（长江大学机械工程学院，湖北 荆州 434023）

刘显（长庆油田分公司油气工艺技术管理部，陕西 西安 720012）

张树民（廊坊中油郎威工程项目管理有限公司，河北 廊坊 065000）

张红，施雷，晏健，李志敏（长江大学机械工程学院，湖北荆州 434023）

石油套管主要用于钻井过程中和完井后对井壁的支撑，以保证钻井过程的进行和完井后整个油井的正常运行。它是维持油井运行的生命线。由于地质条件不同，井下受力状态复杂，拉、压、弯、扭应力综合作用于管体，这对套管本身的质量提出了较高的要求。一旦套管本身由于某种原因而损坏，可能导致整口井的减产，甚至报废。为此，笔者，利用带低温槽的冲击试验机对N80套管进行了冲击试验，根据得到的数据结果，分析了不同条件下套管材料的抗冲击性能的变化［1］。

1 试验准备

1.1 试验设备

试验所用的冲击装置示意图如图1所示。试验时将试样放在试验机支座上，缺口位于冲击相背方向，并使缺口位于支座中间，然后将具有一定重量的摆锤举至一定的高度H1，使其获得一定的位能，此时摆锤与竖直方向夹角为α，释放摆锤后，摆锤摆至终止位置，高度为H2，此时摆锤与竖直方向的夹角为β，摆锤的剩余能量为摆锤冲断试样失去的势能，忽略空气阻力等各种能量损失，冲断试样所消耗的能量（即冲击吸收功）为W ，则W ＝mg（H1－H2）＝mgl（cosβ－cosα），其中，m为摆锤质量，kg；g为重力加速度，m／s2；l为摆杆长度，m；冲击吸收功的具体数值可以直接从试验机的表盘上读出。

1.2 试样制备

考虑到套管的周向和轴向承受载荷的不同，冲击试验时分别在套管的纵向和横向进行了取样，纵向试样取样位置如图2所示，横向试样取样位置如图3所示。其尺寸大小为：纵向试样全尺寸10mm×10mm×55mm，横向试样3／4尺寸7.5mm×10mm×55mm［2～5］，见图4和图5。

1.3 试验分组

由于设备要求标准试样冲击厚度必须为10mm，所以该次试验分为2组来进行，第1组为纵向试样的径向冲击和切向冲击对比试验；第2组为纵向试样和横向试样的冲击对比试验。每组试验分别在常温和－20℃条件下进行，分组情况如表1和表2所示。

图1 试验装置示意图

图2 纵向取样

图3 横向取样

图4 纵向试样尺寸

图5 横向试样尺寸

表1 纵向试样的径向冲击和切向冲击

表2 纵向试样和横向试样冲击

1.4 冲击试验要求

冲击试验方法按照 GB／T 229—2007标准，试验设备采用冲击试验低温槽，控温范围为－60～30℃。

2 试验结果及分析

2.1 试验结果

通过对纵向试样的径向和切向冲击对比试验，以及纵向试样和横向试样冲击对比试验，得到了各试验的相关数据（表3、4）。

表3 纵向试样的径向和切向冲击对比试验

表4 纵向和横向试样冲击对比试验

2.2 数据分析

图6 断口形貌

3 结论

通过设计2组对比试验对N80断裂套管材料的冲击性能进行了研究，由于套管在各个方向上的承载能力各不相同，因此在套管的横向和纵向分别取样，并在常温和－20℃的条件下进行了纵向试样的切向和径向冲击对比试验以及纵向试样和横向试样的冲击对比试验。通过分析得到的相关数据，有如下结论：

1）比较2种温度下的冲击吸收功可知，材料的抗冲击能力会随温度的变化而变化。

2）在相同条件下，套管在纵向上的抗冲击能力比横向的抗冲击能力强。

3）通过观察试样的断口，其断口较为整齐，因此可认为套管材质均匀。

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

［2］王滨.ASTM金属材料夏比V型缺口冲击试验方法介绍 ［J］.理化检验（物理分册），2004，40（7）：367～371.

［3］丁氐，冯定，梅超，等 .套管强度腐蚀影响的数值模拟研究 ［J］.长江大学学报（自然版），2013，10（2）：74～75.

［4］张露，王建刚，王丹，等 .温度冲击试验标准的介绍和分析 ［J］.环境技术，2008，26（5）：46～51.

［5］张广成，何祯，刘良威，等 .夹层结构复合材料低速冲击试验与分析 ［J］.复合材料学报，2012，29（4）：170～177.