馮定，馬威（長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北 荊州 434023）

劉顯（長(zhǎng)慶油田分公司油氣工藝技術(shù)管理部，陜西 西安 720012）

張樹民（廊坊中油郎威工程項(xiàng)目管理有限公司，河北 廊坊 065000）

張紅，施雷，晏健，李志敏（長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北荊州 434023）

石油套管主要用于鉆井過程中和完井后對(duì)井壁的支撐，以保證鉆井過程的進(jìn)行和完井后整個(gè)油井的正常運(yùn)行。它是維持油井運(yùn)行的生命線。由于地質(zhì)條件不同，井下受力狀態(tài)復(fù)雜，拉、壓、彎、扭應(yīng)力綜合作用于管體，這對(duì)套管本身的質(zhì)量提出了較高的要求。一旦套管本身由于某種原因而損壞，可能導(dǎo)致整口井的減產(chǎn)，甚至報(bào)廢。為此，筆者，利用帶低溫槽的沖擊試驗(yàn)機(jī)對(duì)N80套管進(jìn)行了沖擊試驗(yàn)，根據(jù)得到的數(shù)據(jù)結(jié)果，分析了不同條件下套管材料的抗沖擊性能的變化［1］。

1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)所用的沖擊裝置示意圖如圖1所示。試驗(yàn)時(shí)將試樣放在試驗(yàn)機(jī)支座上，缺口位于沖擊相背方向，并使缺口位于支座中間，然后將具有一定重量的擺錘舉至一定的高度H1，使其獲得一定的位能，此時(shí)擺錘與豎直方向夾角為α，釋放擺錘后，擺錘擺至終止位置，高度為H2，此時(shí)擺錘與豎直方向的夾角為β，擺錘的剩余能量為擺錘沖斷試樣失去的勢(shì)能，忽略空氣阻力等各種能量損失，沖斷試樣所消耗的能量（即沖擊吸收功）為W ，則W ＝mg（H1－H2）＝mgl（cosβ－cosα），其中，m為擺錘質(zhì)量，kg；g為重力加速度，m／s2；l為擺桿長(zhǎng)度，m；沖擊吸收功的具體數(shù)值可以直接從試驗(yàn)機(jī)的表盤上讀出。

1.2 試樣制備

考慮到套管的周向和軸向承受載荷的不同，沖擊試驗(yàn)時(shí)分別在套管的縱向和橫向進(jìn)行了取樣，縱向試樣取樣位置如圖2所示，橫向試樣取樣位置如圖3所示。其尺寸大小為：縱向試樣全尺寸10mm×10mm×55mm，橫向試樣3／4尺寸7.5mm×10mm×55mm［2～5］，見圖4和圖5。

1.3 試驗(yàn)分組

由于設(shè)備要求標(biāo)準(zhǔn)試樣沖擊厚度必須為10mm，所以該次試驗(yàn)分為2組來進(jìn)行，第1組為縱向試樣的徑向沖擊和切向沖擊對(duì)比試驗(yàn)；第2組為縱向試樣和橫向試樣的沖擊對(duì)比試驗(yàn)。每組試驗(yàn)分別在常溫和－20℃條件下進(jìn)行，分組情況如表1和表2所示。

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖

圖2 縱向取樣

圖3 橫向取樣

圖4 縱向試樣尺寸

圖5 橫向試樣尺寸

表1 縱向試樣的徑向沖擊和切向沖擊

表2 縱向試樣和橫向試樣沖擊

1.4 沖擊試驗(yàn)要求

沖擊試驗(yàn)方法按照 GB／T 229—2007標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)設(shè)備采用沖擊試驗(yàn)低溫槽，控溫范圍為－60～30℃。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

通過對(duì)縱向試樣的徑向和切向沖擊對(duì)比試驗(yàn)，以及縱向試樣和橫向試樣沖擊對(duì)比試驗(yàn)，得到了各試驗(yàn)的相關(guān)數(shù)據(jù)（表3、4）。

表3 縱向試樣的徑向和切向沖擊對(duì)比試驗(yàn)

表4 縱向和橫向試樣沖擊對(duì)比試驗(yàn)

2.2 數(shù)據(jù)分析

圖6 斷口形貌

3 結(jié)論

通過設(shè)計(jì)2組對(duì)比試驗(yàn)對(duì)N80斷裂套管材料的沖擊性能進(jìn)行了研究，由于套管在各個(gè)方向上的承載能力各不相同，因此在套管的橫向和縱向分別取樣，并在常溫和－20℃的條件下進(jìn)行了縱向試樣的切向和徑向沖擊對(duì)比試驗(yàn)以及縱向試樣和橫向試樣的沖擊對(duì)比試驗(yàn)。通過分析得到的相關(guān)數(shù)據(jù)，有如下結(jié)論：

1）比較2種溫度下的沖擊吸收功可知，材料的抗沖擊能力會(huì)隨溫度的變化而變化。

2）在相同條件下，套管在縱向上的抗沖擊能力比橫向的抗沖擊能力強(qiáng)。

3）通過觀察試樣的斷口，其斷口較為整齊，因此可認(rèn)為套管材質(zhì)均勻。

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

［2］王濱.ASTM金屬材料夏比V型缺口沖擊試驗(yàn)方法介紹 ［J］.理化檢驗(yàn)（物理分冊(cè)），2004，40（7）：367～371.

［3］丁氐，馮定，梅超，等 .套管強(qiáng)度腐蝕影響的數(shù)值模擬研究 ［J］.長(zhǎng)江大學(xué)學(xué)報(bào)（自然版），2013，10（2）：74～75.

［4］張露，王建剛，王丹，等 .溫度沖擊試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的介紹和分析 ［J］.環(huán)境技術(shù)，2008，26（5）：46～51.

［5］張廣成，何禎，劉良威，等 .夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料低速?zèng)_擊試驗(yàn)與分析 ［J］.復(fù)合材料學(xué)報(bào)，2012，29（4）：170～177.