J55石油套管接箍抗冲击性能研究

刘鹏

摘 要：J55石油套管接箍是用于石油钻探的重要器材，在一些复杂工况及长时间的工作状态下，套管接箍易发生各种失效。延长油田套管接箍最常见的失效形式是脱扣和断裂。为了分析J55套管接箍的抗冲击能力，利用冲击设备对多组接箍试样在不同条件下进行冲击试验，根据记录的冲击数据和金相检验的结果，分析了不同条件下套管接箍材料抗冲击性能的变化。

关键词：J55套管接箍;冲击试验;冲击功;分析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.21.054

石油套管及接箍是维持油井运行的生命线，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。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接箍，这对套管接箍本身的强度和韧性提出了较高的要求。为此，笔者对外径244.48mm壁厚8.94 mm的J55套管接箍据API Spec 5CT及ASTM E23-16b标准进行了横纵两个方向，不同温度下的冲击试验，据GB/T13298—2015对冲击后断面进行金相样品制备并观察金相组织。根据试验结果，分析了不同条件下套管接箍材料抗冲击性能的变化。

1试验准备

1.1 试验设备

（1）选取美特斯（中国）有限公司生产的ZBC2452-C型摆锤式冲击试验机进行冲击，选取150J美标V型摆锤。采用冲击试验低温槽进行温度控制，控温范围为-60～30℃。

（2）选取济南联工生产的XJG-05型金相显微镜进行金相分析，目镜选取10倍，物镜选取40倍。

1.2 试样制备及分组

在φ244.48×8.94mm LC J55套管接箍上分别进行横向和纵向取样，取样位置及方向如图1所示。其中1为纵向试样，2为横向试样。

试样尺寸大小为55mm×10mm×7.5mm，每组试样数量为3个，共取6组，试样分组明细如表1。

缺口形式KV8，拉槽后形貌如图2所示。

2 試验结果及分析

2.1 试验结果

（1）通过对横纵两个取样方向，21℃、0℃、-20℃三个温度共计6组18个样品的冲击试验，得到以下相关数据，见表2。

（2）试样冲击后断口形貌如图3。

（3）对横向及纵向试样在金相显微镜下进行组织分析，得到不同的金相组织图，如图4、图5。

2.2 试验结果分析

（1）通过对图4分析，可知试样组织为P（珠光体）和F（铁素体），且横向和纵向的组织结构差别不大，纵向试样带状组织不明显。

（2）同温度下横纵向冲击试验结果分析。将①④组、②⑤组、③⑥组分别进行比较可知，在同一温度下，纵向较横向冲击功偏高20%-30%左右。

原因分析：由于套管接箍在轧制过程中会形成沿轧制方向的带状组织，导致各个方向的力学性能存在差异。虽经过常化处理后，带状组织在一定程度是得到减弱，但带状组织中杂质腐化现象依旧存在，所以材料的机械性能产生方向性，使横向塑性和韧性显著降低。

（3）同一取样方向不同温度下冲击试验结果分析。将①②③组和④⑤⑥组各自比较可知，在同一取向不同温度下，J55套管接箍随冲击温度的降低，冲击功逐步下降。

原因分析：随着温度降低，金属中的晶粒和相中金属键的结合能下降，晶粒之间，相之间，原子活动能力降低。这些因素均造成难以发生形变的条件，形变的形成越来越受抑制，材料阻碍破坏发展的能力便减小，导致材料自身的塑性降低，脆性增加。即使没有达到材料自身的韧性-脆性转变温度，材料的脆性依旧会增加，从而导致冲击功随温度下降逐步降低。

3结论

（1）通过金相分析得到该套管接箍的组织为P（珠光体）和F（铁素体），组织形态均匀。

（2）通过同一温度下不同取样方向的冲击功分析，可知该套管纵向较横向抗冲击性能有明显增强。

（3）通过不同温度相同取样方向的冲击功分析，可知该套管的抗冲击性能随温度的降低而降低。

参考文献：

[1]美国石油学会.套管和油管规范[S].API Spec 5CT.2011.第九版.

[2]张露等.温度冲击试验标准的介绍和分析[J].环境技术，2008，26（05）：46-51.

[3]那顺桑，李杰，艾立群.金属材料力学性能[M].冶金工业出版社，2011.