超深井钻具疲劳失效机理及材质优选技术研究.doc

超深井钻具疲劳失效机理及材质优选技术研究近年来,随着钻井井深增加,钻具服役工况变得更加恶劣。钻具疲劳作为钻具失效主要形式严重影响钻井安全和钻井经济效益。目前,API钻具标准对钻具疲劳性能如何测试,高强度钻具应具有怎样的疲劳性能没有规定。API标准中钻具最高强度级别为135ksi级别,实际上国外已经大量采用150ksi、165ksi级别的钻具。因此基于疲劳性能的超深井高强度钻具材质优选技术对于超深井钻具材料研制、测试和选用极其重要。本文通过超深井钻具失效案例统计,分析了钻具疲劳失效原因和机理；对目前超深井常用钻具和新开发的X1钻杆材料进行了常规力学性能测试,根据小子样升降法测试了五种钻具材料的概率疲劳强度,优选概率分布模型并拟合疲劳寿命,进而得到钻具材料P-S-N曲线,为材质优选技术提供了实验基础；探讨了实物钻具概率疲劳强度和疲劳P-S-N曲线测试方法；研究了材料力学性能、夹杂物和H2S.对钻具疲劳的影响,从疲劳角度完善了API标准中钻具材料性能指标,最终形成考虑疲劳性能的钻具材质优选技术。通过上述研究得到如下结论：(1)与浅井相比,超深井钻具下部钻具振动、反转加剧引起的疲劳失效更加严重。钻具的失效一般经历疲劳微裂纹形成、裂纹亚稳定扩展和裂纹不稳定扩展三个阶段。(2)S135、G105、4145H、X2和X1五种钻具材料的拉伸和冲击性能,均符合API标准对强度和冲击韧性的要求,其中X1是专为超深井钻探开发的高强度钻具,屈服强度达到了160ksi级别。(3)推荐采用小子样升降配对法进行疲劳强度测试试验,并使用正态分布拟合疲劳强度数据,得到概率疲劳强度。推荐采用三参数Weibull分布来处理疲劳寿命数据,来得到不同存活率P下的疲劳S-N曲线。根据小圆棒试样疲劳曲线,考虑应力集中、尺寸、表面光洁度的影响,可以进一步作出钻具的疲劳S-N曲线,用于指导钻具的使用。(4)修正了Murakami疲劳强度-最大夹杂物尺寸公式中的系数,使得根据最大夹杂尺寸推测材料疲劳强度更加准确。(5)基于五种钻具疲劳性能测试结果初步提出了一套钻具材质疲劳性能评价和优选技术,讨论了超深井高强度钻具所应具有的常规力学性能、疲劳性能和夹杂物尺寸,为超深井钻具的研制、测试和选用提供指导。