Φ1588mm鉆鋌內螺紋端殘余應力測量方法

鉆鋌是石油鉆井過程中的重要工具之一，對確保鉆柱下部剛度和穩(wěn)定性起著決定性作用。隨著鉆井工況的日益復雜和鉆井技術的進步，井深的增加和溫度壓力的提高，導致鉆鋌失效事故有增多趨勢。對油氣田斷裂鉆鋌、新鉆鋌材質和螺紋的檢驗結果表明，大多數鉆鋌內螺紋斷裂屬于早期疲勞斷裂，也有少量鉆鋌斷裂為淬火裂紋和機加工缺陷所致。鉆鋌材質方面的問題是材料在熱處理后存在較大殘余應力，這嚴重影響了疲勞強度、抗應力腐蝕能力、尺寸穩(wěn)定性和使用壽命。因此，了解鉆鋌內螺紋端殘余應力分布就尤為重要。

本文采用盲孔法，對直徑為158.8mm兩個不同生產廠家的鉆鋌內螺紋端軸向和徑向殘余應力進行測量，由于所鉆孔深h滿足將盲孔視為通孔的條件，因此深盲孔相當于通孔，可以用Kirsch理論計算應變釋放系數A、B，進而計算最終的殘余應力。

殘余應力測點布置和儀器使用

軸向測量中共布置了13個測點，徑向殘余應力測量試驗中，布點從第3個齒根部進行線切割，沿徑向平均布5個點，每7.4mm一個點。

儀器采用南京聚航科技有限公司的JHMK多點殘余應力測試系統(tǒng)，是由JHYC靜態(tài)應變儀和JHZK鉆孔裝置組成，軟件設置后，自動實時計算殘余應力，實時顯示應力數值，精度高，結果準確。

軸向殘余應力測量結果

圖1沿鉆鋌軸向殘余應力的縱向和橫向分布

圖1是各點的軸向殘余應力縱向和橫向分布圖，從圖中可以看出，1#鉆鋌的縱向殘余應力均為壓應力，呈U型分布，兩邊小，中間大，螺紋部分最小壓應力出現在第2齒根（測點3），最大壓應力出現在螺紋向管體過渡處，最小壓應力出現在鉆鋌末端，鉆鋌的橫向殘余應力均為壓應力，呈“z”型分布，壓應力值沿著軸向逐漸增大，最小壓應力出現在測點6即第6齒根部，最大殘余壓應力值出現在鉆鋌末端。

2#鉆鋌的軸向殘余應力均為壓應力（除測點4、5），呈U型分布，兩邊小，中間大，螺紋部分最大拉應力出現在第3齒根部（測點4），最大壓應力出現在螺紋向管體過渡外，最小壓應力出現在管體部分，鉆鋌的環(huán)向殘余應力為壓應力（除測點2、5），呈U型分布，螺紋部分最大拉應力出現在第4齒根部（測點5），最大壓應力出現在螺紋向管體過渡處，最小壓應力出現在管體部分。

徑向殘余應力測量結果

圖2 沿鉆鋌徑向殘余應力的切向和徑向分布

圖2是各點的徑向殘余應力分布圖，從圖中可以看出，1#鉆鋌的切向殘余應力沿鉆鋌外沿向軸心部分逐漸增大，即由遠離加工表面到鉆鋌的內加工表面逐漸增大，由壓應力逐漸變?yōu)槔瓚?，最大拉應力出現在內加工表面；鉆鋌的徑向殘余應力沿鉆鋌外沿向軸心部分逐漸增大，即由遠離加工表面到內加工表面逐漸增大，由較小拉應力變?yōu)閴簯υ僦饾u變?yōu)橄鄬^大的拉應力，最大拉應力出現在內加工表面。

2#鉆鋌切向殘余應力沿鉆鋌外沿向軸心部分逐漸增大，即由遠離加工表面到內加工表面逐漸增大，由較小拉應力變?yōu)閴簯υ僦饾u變?yōu)橄鄬^大的拉應力，徑向殘余應力與切向殘余應力分布一致。

殘余應力測量結果分析

如果鉆鋌表面形成殘余壓應力，可以提高鉆鋌的使用性能；如果形成殘余拉應力，會降低使用性能，為達到API標準和石油行業(yè)標準，各個廠家選擇的鉆鋌材料和熱處理工藝不同，采取的冷加工工藝也不同，而殘余應力對加工工藝十分敏感，試驗研究發(fā)現各個廠家的鉆鋌殘余應力差別很大，大多數斷裂鉆鋌存在殘余應力，而現行的鉆鋌標準對殘余應力沒有要求，一般對成品鉆鋌的殘余應力不予測定。因此，建議廠家對成品鉆鋌的殘余應力進行測定，同時油田在訂貨時也應該對殘余應力提出相應的補充技術要求。

結論

 ⑴1#鉆鋌內螺紋端沿軸向測量的縱向與切向殘余應力為壓應力；1#鉆鋌內螺紋端沿橫截面測量的徑向與切向殘余應力在外表面附近為壓應力，在內表面附近為拉應力。

⑵2#鉆鋌內螺紋端沿軸向測量的殘余應力存在拉應力；2#鉆鋌的徑向殘余應力與切向殘余應力分布一致，最大拉應力出現在內表面附近，該鉆鋌內螺紋部分內、外表面均有殘余應力拉應力出現，應改進熱處理工藝，降低熱應力的影響。

⑶影響測定結果的因素很多，測點數也有限，要想完整準確地確定鉆鋌的軸向和徑向殘余應力分布仍有許多工作要做。