（固体力学专业论文）偏梯形套管螺纹接头多轴疲劳寿命研究.pdf

西北工业大学硕士学位论文摘要 摘要 套管钻井技术的出现是石油工业的一场变革，已经展现出了强劲的发展势头， 正日益引起国内外石油工程界的普遍关注。然而对套管螺纹连接性能提出了更高 的要求，其中螺纹接头的疲劳问题是尚未解决的难点和关键所在。因此系统而深 入地研究常用套管螺纹接头的疲劳失效问题具有很重大的工程意义。本文针对用 于套管钻井技术的偏梯形套管螺纹接头的应力应变场特征，建立几何相似的缺口 多轴疲劳试件。在此基础上，对缺口件的应力应变状态进行了弹塑性有限元分析 和计算，并利用此分析结果对缺口件进行寿命预测。 首先采用j 5 5 管道材料，制备了静力拉伸试件，测试了材料的基本力学性能， 得到了屈服应力，拉伸强度等力学量。 然后利用弹塑性有限元法对偏梯形套管螺纹接头在各种受载下的应力应变场 进行了详细计算和分析，确定了应力应变的最大分布位置，得出其疲劳问题是高 应力应变，低应力应变幅的高周疲劳。针对多轴比例加载的情况，利用弹塑性有 限元法对缺口件在拉扭复杂加载下的应力应变场进行了计算和分析，得到了缺口 件的应力集中系数。 再用缺口件代替实际的螺纹接头在m 邗8 5 8 试验机上进行了一系列拉一扭多 轴疲劳试验。对缺口疲劳试样的多轴疲劳宏观断口进行了观察，研究了多轴裂纹 萌生和扩展规律。 最后结合有限元计算的结果，应用工程上常用的几个多轴缺口件的寿命预测 模型对试件进行寿命预测，并将试验结果与利用这些模型取得的预测结果进行了 误差分析，结果表明在多轴比例加载下这些模型有较好的预测能力。 关键词：套管钻井技术，偏梯形套管螺纹接头，多轴疲劳，缺口试件，有限元法， 寿命预测 西北工业大学硕士学位论文 摘要 a b s t r a c t c a s i n gd r i l l i n gt e c h n i q u ew h i c hh a sb e e nd f 锄a t i c a l l yd e v e l o p i n gi sar e v 0 l u t i o n i np e t r o l e u mi n d u s t r ya n dh a sa r o u s e d 黟e a tc o n c e ma th o m e 锄da b r o a d b u ti tp r e s e n t s an e wd e m 锄df o rt h ec a s i n gc o 皿e c t i o n s p r o p e r t y t 1 i ef 缸i g u ef a j l u r eo fc a s i n gt l l r e a d c o 蛐e c t i o n si sac r i t i c a li s s u e 觚dh a s n tb es o l v e d ni st h e r e f o r eo f 伊e a te n 酉n e e r i n g a n ds c i e n t i f i cv a l u et 0s y s t e m a t i c a l l ys t u d yt h ef a t i g u ef a i l u r e0 fc o m m o n l yu s e dc a s i n g c o 皿e c t i o n h lt h i sp a p e r ，t h en o t c h e ds p e c i m e n sa r ed e s i g n e d ，a c c o r d i n gt ot h e c ：h a r a c t e ro ft h es t r e s sa n ds t r a j nd i s t r i b u t i o n0 ft h ec o n n e c t i o n s t h es t r e s s - s t r a i ns t a t e i nt h e 翻t i c a lp o s i t i o nf o rn o t c h e ds p e c i l i l e n sw a sc a l c u l a t e d 锄d 觚a l y z e d b y e l 舔t i c - p l 硒t i cf i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，柚dt l l e nt l l eo b t a i n e dr c 跚l t sw e r eu s e dt op r e d i c t t l l e 姗l t i - 强i a lf a t i g i l el i f co fn o t c h e ds p e d m e 璐 f i r s t ，t h r o u g ht l l et e n s i l et e s t i n go fj 5 5c a s i n gm a t e f i a l ，t h ef o u n d a m e n t a l m e c h a l l i c sp a r a m e t e r si st e s t e d ，s u c ha sf i e l ds t r e s s ，t e n s i l ei n t e n s i o ne t c s e c o n d ，t h es t i e s sa n ds t r a i nf o rt h ec o 皿e c t i o n ss u b j e c t e dt op r o p o n i o n a ll o a d i n g w e f ea n a l y z e db ye l a s t i c p l a s t i cf i n i 诧e l e m e n tm e t h o d p o i n to u tt l l ec r i t i c a lp o s i t i o no f t h r e a dc o 皿e c t i o n n es t r e s s s t r a i ns t a t ef o rn o t c h e ds p e c i m e n ss u b j e c t e dt oc o n s t 孤t 锄p l i t u d ep r o p o n i o n a lm u l t i a x i a ll o a d i n g sw 弱a l s oc a l c l l l a t e d 觚d 觚a l y z e db yt h e f i n i t ee l e m e n tm o d e la n dt h et h e o r e t i c a ls t r e s sc o n c e n t r a t i o nf a c t o r0 ft h en o t c h e d s p e c i m e n sh a do b t a i n e d t l l l i r d ，as e r i e so fm u l t i a x i a lf a t i g i l et e s t sw e r ec a l l r i e do u to nm t s 8 5 8 m a t e r i a l t e s t s y s t e mf o rn o t c h e ds p e c i m e n s t 1 l ef a t i g u e 胁c t u r es u r f a c e so fn o t c h e ds p e c i m e n sw e r e o b s e r v e d 觚d 柚a l y z e d a c o o r d i n gt ot h eo b s e r v e dr e s u l t so ft h ef a t i g u e 矗a c t u r c s u r f 犯e s ，t h em e c h 孤i s m so ff a t i g l l ec r a c ki n i t i a t i o na i l dp r o p a g a t i o nw e r es t u d i e d l a s t ，o nt l l eb a s i so ft h er e s u l t so ff i n i t ee l e m e n ta i l a l y s i s ，s o m em u l t i a x i a lf a t i g u e m o d e l sw e r eu s e dt om u l t i a x i a lf a t i g u el i f e t 1 l ep r e d i c t e dl i v e sw e r ec o m p a r e dw i t ht h e e x p e r i m e n t a ld a t a t h er e s u l t so ff a t i g u el i f ep r e d i c t i o ns h o w e dt h a tag o o da g r e e m e n t w a sd e m o n s 衄a t e dw i t he x p e r i m e n t a ld a t a k e y w o r d s ：c a s i n gd r i l l i n g ，b u t t r e s sc a s i n gt h r e a dc o n n e c t i o n ，m u l t i a x i a lf a t i g u e ， n o t c h e ds p e c i m e n s ，f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，f a t i g u el i f ep r c d i c t i o n i i 西北工业大学 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作 的知识产权单位属于西北工业大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复 印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西北工业 大学。 保密论文待鳃密后适用本声明。 学位论文作者签名：燧 指导教师签名： p 严即日 谰年弓 f 西北工业大学 学位论文原创性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本 人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容 和致谢的地方外，本论文不包含任何其他个人或集体己经公开发表或撰写过的研究成 果，不包含本人或其他己申请学位或其他用途使用过的成果。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。 本人学位论文与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 学位论文作者签名： 年月日 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 套管钻井技术作为一种十分新颖并富有创造性的综合技术，已经引起国内外 石油企业的高度重视。套管钻井技术是指在钻进过程中，直接采用套管( 取代传 统的钻杆) 向井下传递机械能量和水力能量，井下钻具组合接在套管柱下面，边 钻进边下套管，完钻后作钻柱用的套管留在井内作完井用。套管钻井技术将钻进 和下套管合并成一个作业过程，钻头和井下工具的起下在套管内进行，不再需要 常规的起下钴作业，既加快了钻井效率，降低了工程费用，又减少了井下事故的发 生。因而，该项技术已经出现强劲的发展势头，正日益引起国内外石油工程界的 关注，具有广阔的发展前景，甚至有国外公司将该技术称为继顿钻、旋转钻井后 钻井发展的一个新纪元l 卜3 l 。 套管钻井使用标准的油田套管进行。唯一不同的是，套管螺纹需要改进，以 便提供钻井所需要的扭矩。由于扭矩需要通过套管螺纹传递，在套管钻井中，对 套管连接的最基本要求是，连接后的套管能承受钻进过程中的扭转载荷、轴向载 荷和弯曲载荷并能顺利通过钢丝绳起下钻井工具。除此之外，套管的连接要有安 全操作特性，包括在钻机上容易操作、连接速度快以及完钻后能保持套管具有一 定的承压能力。t e s c o 公司在试验设计时使用了几种井眼和套管尺寸的各种连接规 范。l o n es t a r 技术公司选用平式内外径整体永久连接进行了疲劳试验。这种连接 是相当好的，但是在第一口直井完成后因操作和经济问题而更换了连接方式。第 二种连接使用偏梯形螺纹丝扣接头。它的承载能力比圆螺纹大2 0 一4 0 9 6 ，但是密封 性能较差。为了增加抗扭和密封能力，这种连接使用一种内载荷圈。 采用套管钻井技术钻井过程中，套管要承受更多的应力。要考虑的第一个要 素是弯曲。要考虑的第二个要素是疲劳破坏。疲劳破坏是由应力远远低于材料的 弹性强度时的交变载荷引起的。在重复载荷作用下，承受高应力的部位开始出现 小裂纹，该裂纹会向套管本体延伸，直到剩余的横截面不足以承受静载荷为止。 在套管钻井技术钻井过程中，套管都在交变载荷下工作，其破坏主要是因为疲劳 引起的。因此套管的疲劳研究正日益受到石油天然气工程界的关注。螺纹接头由 于螺纹牙的应力集中往往成为疲劳的敏感部位，在多轴循环载荷下作用下，导致 疲劳裂纹常常在螺纹牙处萌生，从而引发疲劳断裂失效。据统计，套管疲劳失效 事故有8 0 以上发生在螺纹连接处。目前对传统钻井中的油管和钻杆的疲劳研究 h 已相当成熟，但是由于在传统钻井过程中套管一次下井长年使用只是起固井作 用，未在疲劳条件下使用过，所以对套管和套管螺纹接头疲劳的研究相对较少， 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 其结果远未达到传统钻井疲劳研究那样成熟，至今尚无系统而深入的研究成果。 1 2 套管钻井技术及螺纹连接疲劳概述 套管钻井的目的是降低钻井成本，提高钻井效率以及把井眼问题控制到最低 程度。套管钻井技术取消常规钻杆，以套管代替钻杆。套管由顶部驱动装置带动 旋转，由套管传递扭矩，带动安装在套管端部工具组上的钻头旋转并钻进。在钻 头上方工具组上另外装有两个可以张开或缩进的扩孔钻头。泥浆自套管当中进入， 由套管与井眼之间的环形空间返回。钻头固定在一个专门设计的工具组前端，工 具组锁定在套管端部，并通过钢丝绳与一部专门用于起下钻头的绞车相联接。当 需更换钻头时，将锁定装置松开，利用绞车通过套管将工具组起出。换上新钻头 后，再用绞车通过套管将工具组送入，锁定在套管端部，十分快捷。钻头的钻进 过程也就是下套管的过程。套管一根根地打下去，不再提起。完钻后即可开始固 井。和常规钻井相比，故障时间降低5 0 9 6 是可能的。分析表明采用套管钻井技术一 般井可提高1 6 ，如果消除了所有故障时间并且不进行裸眼测井，在该技术限度内 能够节约3 3 的钻井时问。是一种十分新颖并富有创造性的钻井新技术，而且极具 市场发展前景和技术发展潜力。 1 2 1 套管钻井系统1 3 l 套管钻井系统( c d s ) 是由t e s c o 钻井技术公司研究成功的。该公司自1 9 9 5 年开展套管钻井技术研究，1 9 9 8 年6 月该公司对其研究的套管钻井工艺及其钻井 装备进行了首次钻井试验。通过多年的研究和几十多口井套管钻井的试验，现已 证明套管钻井系统可有效地钻直井和定向井。套管钻井系统采用特制的钻机和井 下设备，使用标准的油井套管可以把机械和水力能量传递到钻头。 套管钻井系统包括井底和地面部分，可将普通的油田套管当钻杆使用，钻进 的同时即是下套管。套管为悬挂在靠近套管底部的异型短节内的电缆回收钻具组 合提供水力能和机械能。在地面旋转套管，钻井液从套管进入，从环空返出。图 卜1 显示了井下套管连接以及位于套管内部和伸出套管鞋以下的电缆回收钻具组 合。 井底钻具组合顶部的钻具锁定总成( d l a ) 为套管提供了机械( 轴向和扭转) 耦合和液压密封。d l a 有一个定位机构、一个轴向锁和与连接套管上面的异型短节 相匹配的扭转驱动花键。d l a 还提供了便于插入和起出的机构。d l a 下面的钻具组 合的最下端是个导向钻头，也可安装其他常规钻柱组件，如管下扩眼器、动力钻 具、取心或定向装置。 在多数套管钻井应用中，导向钻头上面加一个管下扩眼器，以便把井眼尺寸 从钻头直径扩大到最终井身直径。导向钻头的大小可以通过套管，管下扩眼器将 井眼扩到下套管通常所需的尺寸。如用7 英寸的套管钻井时，使用6 英寸的导向钻 2 西北t 业大学硕十学位论文第一章绪论 头和8 英寸的管下扩眼器。 图卜l 井下套管连接和内外部钴具组合 系统使用顶驱来旋转套管。除了使用弯螺杆定向钻进外，各种施工都需转动 套管。套管柱通过个套管驱动系统( c d s ) 和顶驱连接，无需用丝扣连接。c d s 包括一个卡咬套管外部的卡瓦总成和靠液体密封套管的内捞矛总成。c d s 由液压顶 驱控制系统操作。使用c d s 加快了套管操作，由于避免了一次上卸扣循环，防止 了丝扣损坏。 1 2 2 套管钻井的优点 套管钻井的优点：1 减少起下钻的时间。2 减少井壁坍塌、冲刷井壁、井 3 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 筒内形成键槽( k e ys e a t s ) 或台阶( l e d g e s ) 等意外事件的发生。3 节省与钻 杆和钻铤有关的采购、运输、检验、维护和更换的费用。4 因为井筒内始终有套 管，也不再有起下钻杆时向井筒内的抽汲作用，使井控状况得到改善。5 起下钻 时能保持泥浆连续循环，可防止钻屑聚集，也减少了井涌的发生。6 消除了因起 下钻杆带来的抽汲作用和压力激动。7 改善水力参数、环空上返速度和清洗井筒 的状况。8 可以减小钻机尺寸、简化钻机结构、降低钻机费用。9 钻机更加轻 便，易于搬迁和操作，人工劳动量及费用都将减少。l o 钻井成本将大大下降。 例如，据t e s c o 公司估计，打一口井深为3 0 4 8 m ( 1 0 0 0 0 f t ) 的井，和传统钻杆钻 井方式相比，预计可节约费用3 0 以上。 1 2 3 国内外套管钻井的应用情况 ( 1 ) 国外应用情况【1 ，5 1 5 j 1 9 9 8 年6 月中旬，t e s c o 公司在其研究开发中心( t e s c or dc e n t e r ) 院内钻 了第一口套管钻进试验井，耗资4 百万美元。后来又在该井中钻了1 个定向井眼和1 个侧钻井眼。后来该公司又在大院内完成了另外1 口试验井，用套管钻井技术钻成 1 个水平井眼和1 个s 形井眼。2 口井先后用中2 2 9 1 2 哪、中1 9 3 1 7 舢、中1 7 7 1 8 删、 m 1 3 9 1 7 姗和中1 1 4 1 3 唧等5 种尺寸的套管钻进，总进尺达2 7 7 4 m ，证明了套管钻 井的可行性。1 9 9 9 年上半年t e s c o 公司陆续在加拿大的艾尔伯塔省进行了数口浅层 直井的现场应用。此后又完成了l 口定向井，以进步评价、改进套管钻井技术及 其工具。在实际生产中，该公司不断改进有关工具并扩大了钻井用套管的尺寸， 又钻成了数口定向井和水平并，并迸行了取心作业。2 0 0 0 年以来，该公司先后与 雪佛龙、荷兰壳牌、p d o 等公司合作，在墨西哥湾、阿曼、北海2 0 多口井中成功实 施了套管钻井作业。 】9 9 6 年，墨西哥p e m e x 公司( p e m e xe x p l o r a t i o n a n dp r o d u c t i o n ) 结合小井 眼设计和无油管完井技术，开始尝试用油管代替钻杆钻生产套管井段，完钻后将 钻井用油管用作生产套管和无封隔器的油管使用，将其再次下入井内完井。迄今 为止，该公司已用该技术完成了1 5 0 口气井。2 0 0 0 年初，在墨西哥b u r g o s 盆地，该 公司又在油管钻井的基础上，用套管代替钻杆进行钻井。p e m e x 公司除用套管和油 管代替钻杆外，其他完全与常规钻井技术相同，不存在从套管内回收井底工具的 问题。 美国t r i m a xi n d u s t r i e s 公司自1 9 9 6 年开始进行套管钻井技术的研究和开发， 其目的就是在表层套管尺寸一定的情况下，最大限度地增加生产套管尺寸，从而 提高深水油气井的经济效益。该公司设计生产了一个可伸缩随钻扩眼器进行钻井 作业，1 9 9 7 年首次进行现场试验，以后陆续在墨西哥湾和地中海海域进行了工业 应用。 英国b b l 公司对套管钻井技术也进行了研究，并设计和制造出了几种套管钻井 4 西北t 业大学硕士学位论文第一章绪论 鞋产品，这些产品最近已经在东南亚的4 口井中得到成功的应用。 自2 0 0 1 年以来，c o n o c o 公司已经在得克萨斯南部的l o b o 油田采用t e s c o 公 司的套管钻井技术钻了1 7 口开发井。一口典型的l o b o 地区井，采用套管钻井技 术比普通工序要快1 1 5 天( 8 ) 。 图卜2l o b o 油田套管钻井的现场实施情况 在耵鲫i n g 南部w 锄s u t t e r 地区，美国b p 公司在1 5 口井采用套管钻井新技术， 改进了完井，降低了钻井成本。w 绷s u t t e r 地区1 5 口井上的套管钻井先导试验证明 该技术可以增加井稳定性，减少井漏，即使密度比常规钻井小的钻井液，也可使 气侵最少。根据目前掌握的技术和套管钻井技术发展现状，套管钻井系统适合于 用7 英寸或较大型号套管钻较软地层。 图卜3w y o 伪i n g 南部套管钻井实旌情况 5 西北- t 业大学硕七学位论文第一章绪论 ( 2 ) 国内套管钻井的应用情况【1 6 1 7 1 吉林油田通过技术研究与攻关，2 0 0 3 年首先在套保油田进行中2 4 4 m 井眼，中 1 7 7 8 咖套管的套管钻井工艺技术试验，实现了一只0 2 4 4 5 咖p 2 钻头打至完钻的 目的。在此基础上2 0 0 4 年1 0 月2 9 日1 1 月2 3 日，在扶余采油厂扶北2 3 井、 扶北2 1 井，进行了中2 1 5 9 p d c 钻头，o1 3 9 7 m l i l b g c 套管的套管钻井工艺技术试 验，均实现了一只中2 1 5 9 p d c 钻头打至完钻的目的；通过试验，形成了适合于套 保油田、扶余油田的两种规格套管、套管钻井工艺技术及工具配套，并为今后在 其它地区的其它尺寸井眼中进行套管钻井打下了良好的工艺技术基础。 2 0 0 3 年3 月3 0 日，大港油田利用0 3 3 9 1 7 脚套管钻井技术在滩海地区庄海5 井成功实施钻井及固体作业。该井从套管钻井开始到固井结束，共用时2 6 “h ，进 尺4 2 8 0 9 m ，纯钻时间为7 2 1 1 分钟，平均机械钻速为3 5 6 2 m h 。与采用相同钻机 所钻邻井张海4 井( 未采用套管钻井技术) 相比，节约钻井周期3 1 5 天，取得了 良好效果。 渤海石油公司和南海西部石油公司分别于2 0 0 1 年1 月和2 月在辽东9 _ 3 - l 井 和文昌1 1 3 一l 井中采用表层套用来取代7 6 2 哪隔水导管，简化了井身结构、表层 钻井作业程序。 1 2 4 套管连接： 在套管钻井中，对套管连接的基本要求是，连接后的能承受钻进过程中的扭 曲载荷、轴向载荷和弯曲载荷并能顺利通过钢丝绳钻井工具。除此之外，套管的 连接要有安全操作特性，包括在钻机上容易操作、连接速度快以及完钻后能保持 套管具有一定的承压能力。t e s c o 公司在试验设计时使用了几种井眼和套管尺寸的 各种连接规范。l o 舱s t a r 技术公司选用平式内外径整体永久连接进行了疲劳试验。 这种连接是相当好的，但是在第一口直井完成后因操作和经济问题而更换了连接 方式。第二种连接使用偏梯形螺纹丝扣接头，为了增加抗扭和密封能力，这种连 接使用一种内载荷圈。这两种标准重量和特殊间隙的连接，包括有和没有内斜台 肩的都用其下过井。 1 2 5 套管疲劳分析【1 5 1 套管钻井与常规钻井的主要区别是，在套管钻井中，套管要承受更大的应力。 因此套管钻井设计中，要进行弯曲分析和疲劳破坏分析。 ( 1 ) 套管疲劳影响因素 在交变载荷低于材料的弹性强度时，疲劳破坏就会发生。在交变载荷作用下， 一个小裂缝就会在一点上产生很高的应力，并通过本体传播，直至整个横截面不 足以承受足够的静载。套管钻井中，套管的受力比常规钻井更加复杂，工作环境 更加恶劣，套管不仅要承受轴向力、外挤力、内压力，还要承受扭矩，弯曲和冲 6 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 击振动等载荷的作用。当套管开始在套管钻井中服役时，疲劳破坏在循环载荷的 不停作用下以小幅度开始增加，这种破坏是逐渐积累形成的，而且是不可恢复的。 周期性交变载荷的作用主要是来自于钻进时套管柱的纵向、横向和扭转振动，弯 曲井眼中套管柱转动时产生的周期性弯曲应力，以及井底套管柱受压而产生的弯 曲。套管在经过一段时问损伤后，疲劳裂纹产生。在周期应力的不停作用下，裂 纹不断张开和闭合，逐渐增大，最后在应力小于材料强度的情况下发生破坏。这 种失效是一种积累式的破坏，发生时很突然没有预兆，一旦发生将给油气田带来 巨大经济损失。从疲劳失效的机理来看，影响套管疲劳破坏的因素主要有以下几 方面： 1 ) 交变应力的因素： 套管钻井作业过程中引起交变应力的因素很多，主要有钻头钻进时引起套管 柱纵向、横向和扭转的振动：弯曲套管和方钻杆引起的弯曲交变应力：在弯曲井眼 钻进时引起的周期性弯曲应力：井眼狗腿度严重：天车转盘和井口不对中：海洋钻 井中钻井船随波浪起伏摇摆造成的套管柱弯曲：套管柱在井眼中的偏心度：钻井液 的周期性波动等。 2 ) 套管的设计和检测： 套管钻井作业中套管的工作环境更加恶劣，套管的设计好与坏将直接影响到 套管柱耐疲劳度的高低。这方面主要涉及到的因素有：套管的选材( 高钢级的抗 疲劳性能优于低钢级，平接式套管的抗疲劳性能优于其它形式) ；套管和接箍椭 圆度的检测：套管抗弯性能的校核：套管的无损探伤检测：套管螺纹连接的选择( 偏 梯形牙型优于圆螺纹和楔型螺纹) ，套管及接箍热处理状况的检测等。 3 ) 套管的上卸扣操作和保养： 套管及接箍的损伤将增大套管疲劳失效的概率，上卸扣的操作规范与否也会 影响到套管的抗疲劳性能，与此相关的因素主要有：套管上紧扭矩的控制( 工厂 端和现场端区别对待) ；套管钳留在套管上的牙痕( 图卜4 ) ：卡瓦伤痕：地层和井 内金属碎块对套管表面的切割伤痕，套管运输和装卸过程中造成的伤痕等。 4 ) 钻井液的腐蚀： 由于腐蚀的缘故使套管截面积减小或者形成腐蚀小坑造成应力集中点，都将 会使套管疲劳强度大为降低。影响套管产生腐蚀的因素有：套管表面存在的冶炼 缺陷和机械损伤：钻井液中存在的氧气、二氧化碳和各种酸类：钢材内具有电位差 的区域：不同钢级的套管等。 7 西北工业大学硕十学位论文第一章绪论 图卜4套管钳留在套管上的牙痕 ( 2 ) 套管失效的形式 众多的套管失效案例表明，无论是管体还是螺纹连接处的疲劳裂纹一般都是 平面型的，且垂直于管体的轴线，即使在钻井液的严重腐蚀下，疲劳裂纹通常仍 就保持与轴向垂直的方位。对于脆性套管而言，在裂纹没有被刺穿管壁之前，很 可能突然发生灾难性的事故。螺纹连接处的疲劳裂纹一般出现在螺纹的最后一颗 啮合牙齿上以及螺纹的牙根部，这主要是由于螺纹粘合处的应力场和应力集中引 起的。近年来由大量的室内实验和有限元仿真分析可知套管螺纹连接的接触应力 场分布呈现出两个特点，一个是螺纹连接两端接触压力很高，而且接箍端压力大 于管体端压力，中问接触压力较低：另一个就是在螺纹连接两端螺纹齿两侧面的接 触压力不相等，在接箍端，承载面压力比入扣面的大，而在管体端则正好相反。 这种压力的分布使得疲劳裂纹最易在螺纹连接的两端处产生，如何通过优化螺纹 牙型和螺矩来改变这种不利的接触应力场的分布对提高螺纹连接抗疲劳强度具有 重要意义。 ( 3 ) 套管失效的检测 疲劳探测对于及时避免疲劳失效事故有着重要的意义。但是至今为止还没有 那一种方法可以定量的检测出零件中积累的疲劳损伤量，确切地说现在的探伤检 测技术也仅限于寻找出疲劳裂纹，甚至在恰当地应用这些探测技术时，偶尔还是 有一些小的裂纹不能够被检测到。从某种意义上说套管的疲劳寿命其实就是当其 在服役过程中疲劳裂纹从无到有，然后逐渐增大到可以被检测出来的时间。因此 一旦套管中被检测出疲劳裂纹，就应该终止其在井内的继续服役。 ( 4 ) 套管疲劳寿命的预测 疲劳寿命也即裂纹从生成，传播到最后失效的时间。它依赖于很多因素，其 中最主要的有以下四种因素：平均弹性应力，平均弹性应力越高，套管疲劳寿命 就越短：平均应力的周期性振幅，应力偏移的幅度越大，套管的疲劳寿命越短；泥 8 西北丁业大学硕士学伊论文第一章绪论 浆系统的腐蚀性，腐蚀环境越强，套管疲劳寿命也就越短：材料的断裂韧度，材料 的韧性越强，管体的疲劳寿命越长。套管的疲劳寿命实际上是由以上所有因素累 积影响的结果所决定的，因此要想准确地确定出某根具体套管的疲劳寿命往往是 不现实的，因为很难确切地知道某一根套管的材料特性，井下应力水平，操作环 境等因素。最好的办法就是利用已有的条件对套管的寿命做出最好地估计或猜测， 然后从实际的使用和操作过程中来增加它，其中最关键的是努力改善套管的工作 条件。 ( 5 ) 螺纹连接的疲劳失效研究 在油气田钻井和生产操作领域，管材疲劳技术的研究几乎全部集中在井下钻 柱和海上钻井船组件方面。一方面在钻柱及其部件的疲劳方面进行了大量的研究， 而且这种研究仍在继续，取得的进展主要包括；优化螺纹牙的几何形状来减少应 力集中，冷轧螺纹槽，应力消除槽，以及与钻杆疲劳寿命相关的几何厚度的增强。 另一方面对海上管材的应用如钻井，生产立管和链条柬均加强了工程分析和优化 研究，在这方面主要是通过螺距变化和( 或) 螺纹牙高变化来使应力集中最小， 同时在设计中充分考虑例如环境载荷和力学特性等随机因素对管材疲劳的影响。 在常规钻井中，套管同钻杆，海洋钻井用到的管材组件的工作环境不同，套管习 惯被当作井眼中的静力组件来安装。因此对套管耐疲劳度进行的研究较少，所查 到的相关研究主要有：1 9 8 1 年p 1 a q u i n 等人就海上钻井中使用的套管螺纹连接的耐 疲劳度进行了研究，他们以5 英寸的n 8 0 套管和一种常被井下套管和油管应用的特 殊螺纹接头为研究对象，研究表明增加近螺纹处的管壁厚度，粘合连接以增加载 荷传递，保护关键疲劳区域免受腐蚀等措施有利于增加螺纹连接的耐疲劳度。1 9 8 2 年b r o - n 等人就在英吉利海峡探井中所用的导管的疲劳失效问题进行了研究，速度 高达5 英里h ( 1 英里= 1 6 0 9 k m ) 的潮流制造的涡流导致导管的振动，最终导管产 生一系列失效事故，他们工作主要是对特殊螺纹连接的评价和涡流的毁坏机理进 行研究。1 9 8 8 年b r u n e 报道了一系列由于管材在运输过程中损伤引起的疲劳失效事 故，研究内容覆盖了大多数管线用管，提出了管线管在运输过程中的合理建议。 1 9 9 3 年p a y n e 等人就钻井服务中a p l 8 牙圆螺纹的疲劳失效进行了研究，指出在常规 钻井中影响管材疲劳失效的主要因素包括：套管和固井设计，套管的下放，钻柱 套管的交互作用，8 牙圆螺纹连接的尺寸和检测，套管的椭圆度以及套管工厂端和 现场端上紧扭矩的控制，提出了消除疲劳失效的一些建议。 套管钻井技术的出现使套管处在一种新的工况下，影响其疲劳失效的因素更 加复杂，需要根据出现的新情况对已有成果加以更新和完善。 9 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 3 缺口件多轴疲劳研究概述 多轴疲劳是指疲劳损伤发生在多轴循环加载条件下，即至少两个或三个方向 施加的应力( 应变) 独立地随时间发生周期性的变化。如果应力( 应变) 幅值随 时间发生变化，而方向并不随时间改变，这种载荷是比例载荷；如果应力( 应变) 不仅幅度改变，而且方向也随着时间的改变而改变，那么这种载荷就是非比例载 荷。 对多轴疲劳的研究起始予1 9 世纪8 0 年代，仅比w 6h l e r 提出“耐久极限”概念 的时间晚了不到3 0 年。1 8 8 6 年，l a l l z a 进行了比例弯扭复合加载试验，对多轴疲 劳问题进行了初步研究。但是，目前对于多轴疲劳理论的研究还没有像单轴疲劳 理论研究那样全面、深入。这是因为相对于单轴疲劳而言，多轴疲劳无论是在力 学分析、试验研究还是物理机制方面都更为复杂。当材料在非比例循环载荷作用 下，由于应力和应变主轴的不断旋转，开动了更多的滑移系，疲劳裂纹可以在不 同的方向、不同的平面内形成。不同滑移系的位错交互作用，导致了与比例循环 载荷下不同的材料响应。因此，在多轴疲劳情况下，循环应力一应变关系、疲劳 裂纹萌生和扩展方向、疲劳寿命、疲劳累积理论等各方面将受到更多因素的影响。 但多轴疲劳的研究比单轴疲劳更接近工程实际，因此受到了工程界的普遍支持， 多轴疲劳研究也取得了较大的进展。 目前广泛开展的关于多轴疲劳的研究大致可分为以下几类： ( 1 ) 多轴疲劳试验技术的发展以及为验证已有的分析方法提供试验数据。 ( 2 ) 发展和评估多轴疲劳寿命预测方法； ( 3 ) 变幅和随机载荷作用下的多轴疲劳研究； “) 缺口构件的多轴疲劳问题： ( 5 ) 多轴本构方程的发展，尤其是非比例加载下的弹塑性本构方程的发展。 1 j 1 缺口疲劳破坏机制 疲劳破坏一般分为三个阶段，即裂纹萌生，裂纹扩展和最终失稳断裂，其破坏 过程为一个渐进的局部损伤的过程。研究表明，缺口件疲劳损伤是由于局部塑性 变形引起并最终导致裂纹形成，其裂纹形成的基本方式是滑移带开裂。由于在表 面内的晶粒被四周的晶粒所包围，因而裂纹通常在材料约束小的表面首先萌生， 而且裂纹萌生总是在数个晶粒的区域之内，并不是在某一点上。裂纹形成后首先 沿着剪切应力最大的活性面扩展，达到几个晶粒的深度后，才逐步转向与拉伸应 力垂直的方向扩展，最后扩展到一定的程度导致失稳断裂。从整个疲劳破坏过程 可以看出，由疲劳损伤导致微裂纹萌生与扩展的过程，要受到裂纹周围其它晶粒 的阻滞作用，因而缺口疲劳损伤的实际过程是危险点周围大约涉及几个或几十个 晶粒范围内的材料行为。 1 0 西北t 业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 3 2 缺口件多轴疲劳研究状况1 1 9 l 在一般情况下，缺口尖端多是处于三轴或多轴应力状态，因此研究多轴加载 下的模型具有较强的实际意义。当构件处于多轴加载状态时，计算其缺口处的应 力应变变得比较复杂。 ( 1 ) 早期的缺口件多轴疲劳研究状况 八十年代中期以前，对于缺口件多轴疲劳研究主要使用等效应力应变法。对 于恒幅比例加载条件下广泛使用v 彻m i s 酷等效应变准则。 a ) 比例加载下缺口件多轴疲劳研究 对于恒幅比例加载条件，通常使用v 伽m i s 髂准则。在低周纯扭加载下， i 址a l l 啪等人对几种环形类型的铝合金的缺口件进行了试验，他们发现1 h s c a 准 则可较好的预测缺口件疲劳裂纹萌生寿命，即使当缺口根部局部出现塑性变形时， 缺口剪应变也能由弹性应力集中系数乘以名义应变来获得，也可较好地描述带纵 向槽缺口的棒件。 w m i 删等研究了带环形槽和键槽的缺口件，用n c u b c r 法来计算缺口应变， 结果发现，v m i s e s 准则可较好地预测短寿命( 小于1 0 4 循环) ，预测长寿命其结 果趋于保守。g 伽y e a 也利用v 蚰m i s c s 准则，单轴疲劳数据和一种修改的n c u b c f 法成功地预测了带环形凹槽棒件的双轴疲劳寿命。从这些研究结果可以看出，等 效应变法在预测带环形槽和键槽的缺口件的低周循环领域能够得出较为满意的结 果。g o u g h 对不同类型的缺口件进行研究，这些缺口件均为高周疲劳下承受弯扭 加载，所给出的公式为： 6 - ( & ) 2 + 3 ( k 引p ( 1 1 ) 式中b 为光滑件的弯曲疲劳强度； j 0 代表弯曲剪应力集中系数； k 扭转剪应力集中系数； 咒、置为名义应力幅 m 非比例加载下缺口件多轴疲劳研究 g m b i s i c 和s i m b u f g e r 对于带键槽缺口的悬臂棒件进行非比例弯曲和扭转疲劳 试验。得到一种等效应力参数s e q a ，其表达式为： 距剑一云j + 三f 2 + 1 + 吾f 2 c o s ( z 小杀f 4 c ，彩 式中盯计算的缺口的弯曲剪应力值； f 计算的缺口的扭转剪应力值； 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 曲为弯曲和扭转的相位角 在比例加载时，此参数可简化为v 衄m i s e s 准则。研究表明，s e q a 参数在估 算弯曲和扭转非比例加载时趋于保守。 ( 2 ) 近期缺口件多轴疲劳的研究现状 由于疲劳寿命预测的精度作用取决于缺口局部弹塑性应力应变分析的结果， 因而八十年代后期，在多轴疲劳方面对缺口多轴应力应变关系的预测研究普遍被 重视起来，其研究主要分为三种： a ) 基于应变的多轴疲劳寿命预测； b ) 比例加载下的缺口局部应力应变分析； c ) 非比例加载下缺口局部应力应变分析。 下面分别对其进行介绍。 a ) 基于应变的多轴疲劳模型 应变片仅能狈0 量缺口件表面的应变，对于垂直于表面的应变和应力分量需要 理论解出。对于超出弹性范围的非比例应力，常使用增量塑性理论，此理论由v m i s c s 准则、法向流动准则和一个硬化模型组成。c 岛u 等提出了一个类似的方法， 该法基于增量塑性算法并推广龇r o z 的“塑性增量场”的概念，用“衰减记忆”来 保持数值的有效性。c h u 等的方法也被用来预测变幅加载下的多轴疲劳寿命，但其 结果趋于非保守。此外b 棚糯和m i l i e r 、f a t i m i 和k u r a m 以及s o d c 等提出了众多 疲劳损伤参量，如塑性功法和基于能量的参量等，均取得了较好的效果。 b ) 比例加载下的缺口局部应力应变分析 h o f f i i l 栅和s e e g c r 对比例加载下的应变分析提出了一个推广的方法。由于该 法可被分成几个部分，如缺口应变估计规则，塑性算法和其它的边界条件，因而 该法被称为“模数法”。k a l 枷等修正了这个方法并定义了一个伪材料参数来考虑 缺口根部的约束。m o f t a l 【h 盯等人运用能量关系指出推广的n c u b e f 法给出缺口根部 应变估计的上限，而等效应变能密度法给出其下限，弹塑性有限元结果在这两个 界限之间，并认为该法可用于一般的多轴加载下。在这部分中所提到的方法仅局 限于考虑缺口表面的应力和应变状态，忽略了应力应变梯度的影响，因此p t 帆 和n c l s 伽提出了一种方法，此方法考虑遍及缺口断面应力应变分布和它的静力平 衡，故该方法具有较大的应用潜力。 c ) 非比例加载下缺口局部应力应变分析 对于非比例加载，需要附加的假设把弹性应力应变分量联系到所对应的弹塑 性分量中。h o 自6 n 1 锄等通过单独施加的载荷分量计算了弹塑性缺口应力和应变， 提出了一个一致性关系来修正这些值并考虑它们的相互作用。l c e 等利用双曲面模 型研究出了一个两步法，此法对于单调加载下的缺口板，其预测结果与有限元结 1 2 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 果相符合。 d ) 利用临界面法进行缺口疲劳寿命分析 大量的多轴疲劳寿命预测方法都是基于等效应变应力，塑性功能量，临 冥面法等，但是还没有形成一个统一的方法。这些方法中以临界面法最为合理， 也更接近于实际情况。尚德广等【刎以勖咂1 0 4 5 阶梯轴为研究对象，利用v 如m i s 髂 准则将临界面上两个参数ym 瓢和en 合成一个等效的剪应变，并用其作为临界面 上的损伤控制参量，即： y 三2 - 【3 ：2 + ( r 一2 ) 2 y 2 ( 1 3 ) 将其与剪切形式的m 姐n - c 0 m n 方程相联系即可得出基于剪切形式的缺口多轴疲 劳寿命公式： ， ， a y 昌2 。华掣嘶( 2 ( 1 - 4 ) f ，、r ，、6 、c 为纯扭循环加载下的疲劳材料常数 1 3 j 多轴疲劳破坏准则回顾 由于在单向载荷作用下，同一时刻的应力和应变一一对应，因此应力或应变 都可以作为单轴疲劳损伤的参量，对照s 一曲线或e _ ，曲线而形成单轴疲劳破 坏准则。但是在工程结构或机械中，几乎所有的疲劳危险部位都承受着多轴疲劳 载荷的作用，此时疲劳危险部位的应力和应变与加载的方式和路径有关，它们可 以同时作用，也可以先后作用，零件的几何形状或尺寸的突变会使局部区的应力、 应变分布更加复杂。就材料而言，多轴加载有无穷多种组合，如何用单参数或双 参数去描述材料多轴疲劳破坏准则是多轴疲劳问题研究的关键之一。国内外已有 众多学者对多轴加载下如何预测构件的疲劳寿命进行了广泛研究，并提出许多适 用于不同材料、不同载荷情况的疲劳破坏准则。但是，由于材料多轴疲劳行为的 复杂性，还没有一个能够普遍适用各种材料、各种载荷情况的多轴疲劳破坏准则， 在实际工作中，只能根据实际情况比较几种破坏准则的优劣，从中选择最有效的 一个依据材料疲劳破坏参量，可将疲劳破坏准则划分为三类：应力准则、应变 准则和能量准则。 ( 1 ) 应力准则 早期的研究者试图应用静强度理论解决多轴疲劳问题，其中常用的有最大正 应力准则、最大剪应力准则( t r e s c a 准则) 以及v o nm i s 骼准则。但实际应用中发 现，这些准则不能很好地描述试验数据，尤其是在非比例载荷情况下，预测的疲 劳寿命偏于危险。 ( 沁u g l l 和p o l l a r d l 2 1 ，2 2 】针对弯扭复合加载情况，给出了适用于韧性材料的椭圆 1 3 西北工业大学硕七学位论文第一章绪论 方程： ( 小( 铲， 和适用于脆性材料的椭圆弧方程： ( 孚) 2 + ( 鲁) 2 ( 詈一- ) + ( 詈) ( z 一睾) 一 ( 1 4 a ) ( 1 4 b ) 其中，& 和墨分别为扭转应力幅值及弯曲应力幅值，和6 分别是扭转疲劳极限和 弯曲疲劳极限。 s i n e s 嘲考虑了静水压力的影响，将v o nm i s e s 应力准则修改为： 垒鱼+ t ( 3 吼) c ( 1 5 ) z - 其中，a 置。是