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(fù)雜和鉆井技術(shù)的進(jìn)步，井深的增加和溫度壓力的提高，導(dǎo)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(zhì)和螺紋的檢驗(yàn)結(jié)果表明，大多數(shù)鉆鋌內(nèi)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(jī)加工缺陷所致。鉆鋌材質(zhì)方面的問題是材料在熱處理后存在較大殘余應(yīng)力，這嚴(yán)重影響了疲勞強(qiáng)度、抗應(yīng)力腐蝕能力、尺寸穩(wěn)定性和使用壽命。因此，了解鉆鋌內(nèi)螺紋端殘余應(yīng)力分布就尤為重要。

本文采用盲孔法，對直徑為158.8mm兩個(gè)不同生產(chǎn)廠家的鉆鋌內(nèi)螺紋端軸向和徑向殘余應(yīng)力進(jìn)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(dāng)于通孔，可以用Kirsch理論計(jì)算應(yīng)變釋放系數(shù)A、B，進(jìn)而計(jì)算最終的殘余應(yīng)力。

殘余應(yīng)力測點(diǎn)布置和儀器使用

軸向測量中共布置了13個(gè)測點(diǎn)，徑向殘余應(yīng)力測量試驗(yàn)中，布點(diǎn)從第3個(gè)齒根部進(jìn)行線切割，沿徑向平均布5個(gè)點(diǎn)，每7.4mm一個(gè)點(diǎn)。

儀器采用南京聚航科技有限公司的JHMK多點(diǎn)殘余應(yīng)力測試系統(tǒng)，是由JHYC靜態(tài)應(yīng)變儀和JHZK鉆孔裝置組成，軟件設(shè)置后，自動(dòng)實(shí)時(shí)計(jì)算殘余應(yīng)力，實(shí)時(shí)顯示應(yīng)力數(shù)值，精度高，結(jié)果準(zhǔn)確。

軸向殘余應(yīng)力測量結(jié)果

圖1沿鉆鋌軸向殘余應(yīng)力的縱向和橫向分布

圖1是各點(diǎn)的軸向殘余應(yīng)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(yīng)力均為壓應(yīng)力，呈U型分布，兩邊小，中間大，螺紋部分最小壓應(yīng)力出現(xiàn)在第2齒根（測點(diǎn)3），*大壓應(yīng)力出現(xiàn)在螺紋向管體過渡處，最小壓應(yīng)力出現(xiàn)在鉆鋌末端，鉆鋌的橫向殘余應(yīng)力均為壓應(yīng)力，呈“z”型分布，壓應(yīng)力值沿著軸向逐漸增大，最小壓應(yīng)力出現(xiàn)在測點(diǎn)6即第6齒根部，*大殘余壓應(yīng)力值出現(xiàn)在鉆鋌末端。

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

徑向殘余應(yīng)力測量結(jié)果

圖2 沿鉆鋌徑向殘余應(yīng)力的切向和徑向分布

圖2是各點(diǎn)的徑向殘余應(yīng)力分布圖，從圖中可以看出，1#鉆鋌的切向殘余應(yīng)力沿鉆鋌外沿向軸心部分逐漸增大，即由遠(yuǎn)離加工表面到鉆鋌的內(nèi)加工表面逐漸增大，由壓應(yīng)力逐漸變?yōu)槔瓚?yīng)力，*大拉應(yīng)力出現(xiàn)在內(nèi)加工表面；鉆鋌的徑向殘余應(yīng)力沿鉆鋌外沿向軸心部分逐漸增大，即由遠(yuǎn)離加工表面到內(nèi)加工表面逐漸增大，由較小拉應(yīng)力變?yōu)閴簯?yīng)力再逐漸變?yōu)橄鄬^大的拉應(yīng)力，*大拉應(yīng)力出現(xiàn)在內(nèi)加工表面。

2#鉆鋌切向殘余應(yīng)力沿鉆鋌外沿向軸心部分逐漸增大，即由遠(yuǎn)離加工表面到內(nèi)加工表面逐漸增大，由較小拉應(yīng)力變?yōu)閴簯?yīng)力再逐漸變?yōu)橄鄬^大的拉應(yīng)力，徑向殘余應(yīng)力與切向殘余應(yīng)力分布一致。

殘余應(yīng)力測量結(jié)果分析

如果鉆鋌表面形成殘余壓應(yīng)力，可以提高鉆鋌的使用性能；如果形成殘余拉應(yīng)力，會降低使用性能，為達(dá)到API標(biāo)準(zhǔn)和石油行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，各個(gè)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(yīng)力對加工工藝十分敏感，試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)各個(gè)廠家的鉆鋌殘余應(yīng)力差別很大，大多數(shù)斷裂鉆鋌存在殘余應(yīng)力，而現(xiàn)行的鉆鋌標(biāo)準(zhǔn)對殘余應(yīng)力沒有要求，一般對成品鉆鋌的殘余應(yīng)力不予測定。因此，建議廠家對成品鉆鋌的殘余應(yīng)力進(jìn)行測定，同時(shí)油田在訂貨時(shí)也應(yīng)該對殘余應(yīng)力提出相應(yīng)的補(bǔ)充技術(shù)要求。

結(jié)論

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

⑵2#鉆鋌內(nèi)螺紋端沿軸向測量的殘余應(yīng)力存在拉應(yīng)力；2#鉆鋌的徑向殘余應(yīng)力與切向殘余應(yīng)力分布一致，*大拉應(yīng)力出現(xiàn)在內(nèi)表面附近，該鉆鋌內(nèi)螺紋部分內(nèi)、外表面均有殘余應(yīng)力拉應(yīng)力出現(xiàn)，應(yīng)改進(jìn)熱處理工藝，降低熱應(yīng)力的影響。

⑶影響測定結(jié)果的因素很多，測點(diǎn)數(shù)也有限，要想完整準(zhǔn)確地確定鉆鋌的軸向和徑向殘余應(yīng)力分布仍有許多工作要做。