工况外载条件下钛合金/钢钻杆接头有限元分析对比研究

由于我国的优质天然气资源主要集中在深层及超深层,超深井的钻探对钻柱提出了更高的性能要求。钛合金钻杆由于具有高强、低密、耐蚀、抗疲劳、耐热和无磁性等优点,是超深层天然气钻柱的研究热点。本文使用三维有限元分析方法,对比研究不同外载条件下钛合金材料和钢钻杆材料对高承载钻杆接头承载性能和密封性能的影响,并分析高承载钻杆接头在工况下的失效方式和力学特性。结论表明:钛合金材料可以使钻杆接头的整体应力水平降低20%,抗扭能力提高约60%,但在同样扭矩上扣后螺纹接头的主台肩密封压力比钢制钻杆接头低15%~20%;当加载内压+拉伸+弯矩的复合载荷后,螺纹的最大危险点由外螺纹主台肩圆弧凹槽处转移到了在外螺纹主台肩侧第一圈齿根处,螺纹整体的应力水平增高,密封性能下降。因此为了满足超深井天然气井钻采需求,使用钛合金/钢钻杆复合钻柱时,可适当提高钛合金钻杆的上扣扭矩,提高螺纹接头的密封性能。

钻井工况下钛合金钻杆与钢制钻杆摩擦磨损性能对比研究

钛合金材料由于具有高的比强度、低弹性模量,优异的韧性、疲劳性能和耐蚀性,已经成为深井、超深井及大位移水平井工况环境下钻杆及井下工具的热门候选材料,但在钻井条件下对钛合金钻杆的摩擦磨损性能缺乏研究,与钢制钻杆的性能优劣缺乏对比数据。通过硬度试验、冲击磨损试验、往复摩擦和模拟工况摩擦磨损对比试验,对钛合金钻杆和钢制钻杆的摩擦磨损性能及表面形貌进行对比分析。结果表明,由于抗划痕性能和硬度的差异,钛合金钻杆材料耐冲击磨损性能低于钢制钻杆材料,尤其在100r/min的中等冲击频率下钛合金钻杆材料耐冲击磨损性能明显低于钢制钻杆材料;在空气中的往复磨损试验中,钛合金钻杆材料的摩擦系数显著低于钢制钻杆,与岩石对磨时为典型的磨粒磨损机制,与金属对磨时为典型的粘着磨损机制;在钻井液环境中,钛合金钻杆的耐摩擦磨损性能不如钢制钻杆,但在水基钻井液中,钛合金钻杆与岩石材质对磨时,其耐磨性能最强、摩擦系数最低。建议在使用钛合金钻杆钻井时采用水基钻井液。下一步研究应提高钛合金材料耐磨性能或进行表面处理以提高钛合金钻杆的耐磨性。

固溶处理对7B52铝合金板材力学性能和断裂行为的影响

采用室温拉伸实验和夏比冲击实验测试力学性能,采用扫描电子显微镜(SEM)和电子背散射衍射(EBSD)分析平均晶粒尺寸、再结晶晶界比例及断口形貌等显微组织特征,通过分析显微组织与断裂行为之间的关系,研究固溶处理对7B52铝合金板材力学性能和断裂行为的影响。结果表明:随着固溶温度的升高,合金组织中Mg(Zn,Cu,Al)2四元相回溶速度、再结晶比例增加,当温度超过480℃时,对合金力学性能不利;475℃固溶1h后,随着时间的延长,显微组织变化不明显。7B52合金断裂机制为穿晶断裂和沿晶断裂并存的混合型断裂,沿晶裂纹沿着再结晶晶界扩展,富Fe/Mn的难溶第二相是发生穿晶断裂的主要原因。

7B52铝合金动态力学性能及断裂行为研究

通过对7B52铝合金进行动态压缩实验和准静态拉伸试验,结合微观组织的OM、SEM和TEM分析,研究了应变速率和取向对7B52铝合金准静态和动态力学性能及断裂行为的影响。结果表明:随着应变速率的升高,7B52铝合金流变应力呈现出先升高后降低的趋势;同一应变速率下,轧向(L向)强度均大于横向(T向)。7B52铝合金准静态加载时为穿晶韧性断裂机制。动态加载时,7B52铝合金内形成了绝热剪切带,剪切带内发生了以晶粒转动为机制的动态再结晶,断裂机制为沿晶脆性断裂。

钛合金油套管抗挤毁性能计算与实验

钛合金材料由于具有高的比强度,低弹性模量,优异的韧性、疲劳性能和耐蚀性,已经成为严酷工况环境下油井管和海洋油气开发工具的热门候选材料,但采用API、ISO的标准体系中的油套管挤毁计算方法得出的钛合金油套管抗挤毁强度缺乏验证。为此,在考虑制造缺陷的条件下,通过比较ISO/TR 10400标准中计算方法、外压强度挤毁准则计算方法、有限元模拟等3种不同方法计算出的钛合金油套管的抗挤毁强度,并与同等条件下钢制油套管的抗挤毁强度进行对比,得出了钛合金油套管的抗挤毁强度变化规律,最后选取了4种规格的钛合金油套管进行了实物外挤毁试验验证。研究结果表明:①钛合金油套管抗挤毁强度均随着径厚比的升高而下降,在径厚比值较低时,钛合金油套管和钢制油套管的抗挤毁强度相差不大,而当径厚比值较高时,钛合金油套管抗挤毁强度则显著低于钢制油套管;②强度挤毁准则方法计算出来的钛合金油井管抗挤毁强度和实际试验值较为接近,同时在径厚比大于15时,计算结果乘以0.9的系数,具有较好的安全性。结论认为,该项研究成果可以为钛合金油套管的设计、使用和管理提供参考。

超深井钻采工况下钛合金钻杆模拟工况摩擦磨损行为对比研究

钛合金材料由于具有高的比强度,低弹性模量,优异的韧性、疲劳性能和耐蚀性,已经成为深井、超深井及大位移水平井工况环境下钻杆及井下工具的热门候选材料,但超深井钻采工况下钛合金钻杆材料的摩擦磨损性能和磨损机理缺乏研究。本工作在模拟超深井工况通过硬度测试、冲击磨损试验、往复摩擦试验、模拟工况摩擦磨损试验和显微分析手段对3种钛合金钻杆和钢制钻杆的摩擦磨损性能进行对比分析,并对钻采工况下的钛合金钻杆磨损机制进行研究。结果表明,钛合金钻杆耐冲击磨损性能均要低于钢制钻杆材料,特别是在中等频率冲击下钛合金钻杆材料耐冲击磨损的性能最差;在空气中往复磨损试验下,钛合金钻杆的摩擦系数均低于钢钻杆的摩擦系数,当钛合金钻杆与岩石对磨时为典型的磨粒磨损机制、与钢管对磨时为典型的粘着磨损;在模拟工况钻井液条件下,钛合金钻杆的摩擦系数显著低于空气中,而且当钛合金在水基钻井液条件下和岩石摩擦时的摩擦系数最低、耐磨性能最强,这是由于在水基钻井液中更容易形成致密且具有较低摩擦系数的钝化膜所致,建议在使用钛合金钻杆钻井时用水基钻井液,但由于钛合金钻杆在工况下的磨损量仍然大于钢制钻杆,下一步研究应对钛合金钻杆进行表面处理以提高钛合金耐磨性。

热采工况下钛合金筛管性能计算与实验研究

钛合金材料由于具有高的比强度,低弹性模量,优异的机械性能、耐高温性能和耐腐蚀性能,成为下一代解决稠油热采工况下高套损率的优选材料,但在热采工况下钛合金割缝筛管的性能还缺乏研究。在模拟辽河油田稠油热采典型工况条件下,使用有限元计算和实物试验相比对的方法,对钛合金筛管理化性能、轴向热变形、轴向热载荷、大狗腿度下筛管及割缝形貌变化规律等进行研究。结果表明,钛合金材质的筛管在热采工况下具有较好的强度和韧性,350℃热采工况下钛合金筛管由于热应力增加的轴向载荷只有钢制金属网布筛管和复合筛管的19.3%和20.4%,经过7轮次的热采温度循环,在350℃热采温度下钛合金筛管的轴向伸长率仅为钢制筛管的58.7%~60.4%,在20°/30 m的大弯曲度及350℃高温下,钛合金筛管抗变形能力优异,最大椭圆度只有4.13%,平行割缝保持完好且防砂能力优于同规格钢制筛管。基于本研究认为,钛合金材质的筛管及套管可以有效地降低热采管柱在热采工况中的轴向热载荷、伸长量,并且具有较高的耐高温性能和抗疲劳性能,在热采工况极端弯曲条件下抗变形能力好,是解决目前我国稠油热采现场高套损问题的有效方法和发展方向之一,研究结果为钛合金筛管的设计和使用提供重要的技术参考。

热处理对石油管材用Ti-6Al-4V-0.5Ni-0.05Ru钛合金组织和性能的影响

为了满足中国严酷的油气勘探开发环境下对石油管材的需求,开发了新型Ti-6Al-4V-0.5Ni-0.05Ru钛合金,但这种新型钛合金的加工制备和热处理工艺有待进一步研究。本实验使用光学显微镜,力学性能测试,电子背散射衍射分析和透射电子显微镜等手段系统研究了不同热轧工艺和热处理制度对Ti-6Al-4V-0.5Ni-0.05Ru钛合金组织和力学性能的影响。研究表明,在α+β两相区(940℃)和β单相区(1000℃)经过80%变形量轧制后,该合金板材具有较好的塑形变形能力,未发现宏观裂纹。在α+β两相区热轧后,单级退火处理虽一定程度上能使组织均匀化,但晶粒仍较大,且轧板纵横向组织仍有较大差异;β单相区热轧后,显微组织比α+β两相区(940℃)热轧后晶粒更小且分布均匀,纵横向组织形貌基本相同。对于不同的热轧温度,采用双级退火处理都可以获得更为细小和均匀的组织,可以在一定程度上提高强度,但降低了板材的韧性。随着单级退火温度的升高,不同温度下热轧板材的抗拉强度下降,冲击功和冲击韧性逐步上升。在同样的热处理工艺下,提高热轧温度,即采用1000℃热轧且850℃单级退火工艺,可以获得较好的强度和韧性匹配。