钻柱表面裂纹在拉扭作用下的弹塑性断裂性能*

赵广慧，汪浩瀚，石 健，赵 莉

西南石油大学机电工程学院，四川 成都 610500

钻柱表面裂纹在拉扭作用下的弹塑性断裂性能*

赵广慧，汪浩瀚，石 健，赵 莉

西南石油大学机电工程学院，四川 成都 610500

在钻井作业过程中，井口附近钻杆受到的拉力和扭矩往往达到整个钻柱的最大值，尤其是在上提钻柱解卡、震击解卡以及蹩钻、卡钻情况发生时，井口附近钻杆受力更为恶劣。针对井口附近钻杆的断裂问题，以某超深直井的实际工况载荷为例，将钻杆外表面的缺陷简化为横向半椭圆裂纹，以30CrMo作为钻杆材料并通过实验拟合得到其Ramberg–Osgood（R–O）本构模型，研究了拉力和扭矩组合作用下裂纹的弹塑性断裂特性。得到钻进工况下钻柱外表面裂纹扩展至不同深度的临界形状比以及塑性成分在J积分中所占的比例；定量分析了拉力波动和扭矩波动对井口附近钻杆弹塑性断裂性能的影响，发现扭矩波动对裂纹扩展的贡献远大于拉力波动，避免钻柱受到扭转冲击对延长钻柱寿命有重要意义。

钻柱；半椭圆表面裂纹；J积分；弹塑性断裂；有限元

赵广慧，汪浩瀚，石 健，等．钻柱表面裂纹在拉扭作用下的弹塑性断裂性能[J]．西南石油大学学报：自然科学版，2014，36（3）：157–164．

Zhao Guanghui,Wang Haohan,Shi Jian,et al．Elastic-plastic Fracture Mechanics Analyses of Surface Cracks in Drill String Subjected to Combined Loading[J]．Journal of Southwest Petroleum University：Science&Technology Edition，2014，36（3）：157–164．

引言

随着钻井技术向深井、超深井以及深海油气田开采的发展，钻柱的可靠性也受到了越来越严峻的挑战。在钻进和起下钻过程中，井口处钻柱的受力很复杂。起下钻时井口处钻柱受到最大拉力，如果猛提、猛刹，会使井口处钻柱受到的轴向拉力大大增加；……