腐蚀环境对钻杆材料抗低载多冲疲劳断裂性能影响研究

发布时间：2017-04-08 10:16

  本文关键词：腐蚀环境对钻杆材料抗低载多冲疲劳断裂性能影响研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：钻柱是石油钻探中的重要工具。钻柱在井下的实际钻进过程中局部长期承受复杂的静、动载荷尤其是小能量多次重复的冲击载荷。这种载荷往往会使钻柱上存在的缺口、裂纹等薄弱部位发生失效,致使钻杆发生断裂。API 5D标准中尚无针对钻杆材料在井下承受多冲载荷发生失效的力学性能评价测试方法。多次冲击抗力既不同于一次冲击抗力,也不同于疲劳抗力,它反映着大多数机件在实际运转过程中抵抗多冲载荷的能力大小。本文参照现有理论和标准,自行设计了可以模拟多冲工况的钻杆材料多冲断裂疲劳测试方法和实验装置；分析了低载多冲作用下钻杆材料的损伤机制和破断所需能量的计算方法；并针对腐蚀环境,研究了不同腐蚀环境下钻杆材料多冲抗力的变化,本文进行了以下几个方面的研究：(1)从断裂力学的角度分析了多冲试样的起裂和破断过程机理；建立了多冲损伤累积破断模型,对裂纹的萌生、起裂和扩展等阶段进行了分析；结合Stroh判据和断裂韧度KIC判据,提出了多冲累积能量的定量计算方法并进行了计算。(2)选择了常见的三种钻杆材料,对其进行常规的力学性能测试并与API 5D标准对比；研究了单次冲击能量与钻杆材料的多冲抗力的关系,并拟合了数据；从能量角度计算了多冲试样的裂纹形核功并与一次冲击实验数据进行了对比,提出了钻杆材料的能量转换效率概念及计算方法。从微观角度分析了多冲破断机理与断口形貌,并与一次冲击断口进行了对比。(3)硫化氢腐蚀环境下,研究了三种钻杆材料的多冲抗力随腐蚀时间的变化规律,同样进行了数据的拟合。通过断口的微观形貌观察和分析,结合氢损伤机理从微观上解释了钻杆材料多冲抗力下降的原因。(4)研究了二氧化碳腐蚀环境对钻杆材料多冲抗力的影响规律,对比分析了常温常压二氧化碳腐蚀环境对S135和V150钻杆材料多冲抗力的影响并与硫化氢腐蚀环境进行了对比。探究了温度对S135多冲抗力的影响。针对G105钻杆材料探究了60℃时C1-的加入的多冲抗力的影响。从微观角度对比观察了二氧化碳腐蚀产物和形貌,简要分析了其对钻杆材料多冲抗力的影响机理。
【关键词】：钻杆材料 低载多冲 硫化氢 二氧化碳 腐蚀
【学位授予单位】：西南石油大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TE982;TG172
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-8
• 第一章 绪论8-16
• 1.1 研究背景8-10
• 1.2 国内外研究现状10-14
• 1.2.1 国外研究现状10-11
• 1.2.2 国内研究现状11-14
• 1.3 本文研究内容和思路14-16
• 第二章 低载多冲实验方案与实验装置设计16-31
• 2.1 低载多冲测试方法的提出16-17
• 2.2 低载多冲实验装置17-24
• 2.2.1 大气环境下的低载多冲实验装置18-23
• 2.2.2 液体介质环境下的低载多冲实验装置23-24
• 2.3 低载多冲实验具体实施步骤24-25
• 2.4 材料准备及基本力学性能测试25-30
• 2.5 本章小结30-31
• 第三章 多冲损伤累积模型的提出与能量计算方法31-50
• 3.1 多冲试样缺口起裂机理分析31-39
• 3.1.1 多冲试样缺口效应引起的应力集中31-33
• 3.1.2 多冲损伤累积裂纹形核的位错机制33-37
• 3.1.3 试样厚度对缺口部位应力应变状态的影响37-39
• 3.2 J积分与多冲试样断裂韧度K_(IC)的计算方法39-42
• 3.2.1 J积分判据39-40
• 3.2.2 线弹性下J积分K的关系40-41
• 3.2.3 冲击试样K_(IC)与J_(IC)的计算方法41-42
• 3.3 多冲损伤累计模型的建立42-45
• 3.3.1 经典缺口静弯曲破断模型42-43
• 3.3.2 基于多冲载荷的损伤累积能量模型的提出43-45
• 3.4 多冲累积能量的定量计算方法45-49
• 3.4.1 基于Stroh判据的裂纹形核起裂功计算方法45-46
• 3.4.2 基于有限元模拟的起裂功计算方法46-47
• 3.4.3 基于K_(IC)的裂纹扩展功计算方法47-49
• 3.5 本章小结49-50
• 第四章 大气环境下的钻杆低载多冲测试50-67
• 4.1 钻杆材料纵横向试样的低载多冲抗力对比50-52
• 4.2 单次冲击能量与钻杆低载多冲抗力的关系52-55
• 4.3 多冲抗力与材料性能之间的联系55-57
• 4.4 低载多冲的能量分析与计算57-61
• 4.4.1 一次冲击能量与多冲累积能量的对比57-59
• 4.4.2 Stroh裂纹形核功计算值与实验值对比59
• 4.4.3 基于K_(IC)的裂纹扩展功计算值59-60
• 4.4.4 多冲能量转换效率的提出与计算60-61
• 4.5 多冲断口形貌观察与分析61-65
• 4.5.1 多冲宏观断口形貌特征61-63
• 4.5.2 不同单次冲击功下裂纹起裂长度的宏观表征63-64
• 4.5.3 多冲断口与一次冲击断口微观形貌对比观察64-65
• 4.6 本章小结65-67
• 第五章 硫化氢腐蚀对钻杆抗低载多冲性能的影响67-83
• 5.1 油气田H_2S腐蚀情况概述67-68
• 5.2 油气田H_2S腐蚀机理及主要腐蚀形式68-69
• 5.3 H_2S腐蚀后钻杆材料的低载多冲测试69-76
• 5.3.1 H_2S腐蚀方案与实验步骤69-71
• 5.3.2 低载多冲测试结果及分析71-76
• 5.4 氢损伤微观腐蚀机理76-78
• 5.5 H_2S腐蚀后冲断断口微观形貌对比分析78-81
• 5.6 本章小结81-83
• 第六章 二氧化碳腐蚀对钻杆材料多冲抗力的影响83-98
• 6.1 饱和CO_2浸泡时间对钻杆材料多冲抗力的影响83-89
• 6.1.1 饱和CO_2浸泡腐蚀测试方案83-84
• 6.1.2 饱和CO_2腐蚀速率和低载多冲测试结果84-86
• 6.1.3 H_2S与CO_2腐蚀环境对钻杆材料多冲抗力的对比86-89
• 6.2 不同CO_2腐蚀环境下钻杆材料多冲抗力的变化89-93
• 6.2.1 温度的影响和测试研究89-92
• 6.2.2 60℃时Cl~-浓度的影响和测试研究92-93
• 6.3 CO_2腐蚀后钻杆表面腐蚀产物和断口形貌分析93-96
• 6.4 本章小结96-98
• 第七章 结论98-100
• 致谢100-101
• 参考文献101-108
• 攻读学位期间科研成果108

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本文编号：292655