套管钻井技术——套管钻井钢力学性能表征

目录第1章绪论（1）

11引言（1）

12断裂力学研究进展（4）

121断裂力学的发展（4）

122裂纹扩展的判据（6）

123影响断裂韧性的因素（7）

124I/Ⅲ复合型断裂韧性的研究（8）

125断裂韧性的定量公式（9）

13疲劳性能的发展和研究（11）

131疲劳裂纹的扩展过程（11）

132疲劳裂纹扩展速率的研究及应用（13）

14环境对材料力学性能的影响（14）

141应力腐蚀的影响（14）

142腐蚀介质对疲劳裂纹扩展性能的影响（15）

143氢对材料性能的影响（15）

15断裂韧性及疲劳裂纹扩展性能的试验方法（16）

151断裂韧性的试验方法（16）

152疲劳裂纹扩展性能的试验方法（16）

153疲劳裂纹扩展数据的处理方法（17）

16套管钻井钢存的在问题及分析思路（18）

17主要研究进展（20）

第2章三种套管钻井钢的拉伸和冲击性能（22）

21引言（22）

22试验材料与方法（22）

23试验结果与分析（23）

231三种套管钻井钢显微组织及硬度（23）

232三种套管钻井钢的拉伸性能和冲击性能（26）

233套管钻井钢的硬化指数（31）

24小结（40）

第3章三种套管钻井钢的Ⅰ/Ⅲ复合型断裂韧性（41）

31引言（41）

32Ⅰ/Ⅲ复合断裂韧性的研究进展和方法（41）

321断裂韧性的研究进展及理论基础（41）

322断裂韧性的研究方法（46）

33测量Ⅰ/Ⅲ复合型断裂韧性试验中横向位移分量的测试装置（49）

34试验材料与方法（50）

35试验结果与分析（53）

351三种套管钻井钢的Ⅰ/Ⅲ复合型断裂韧性及机制（53）

352氢对三种套管钻井钢Ⅰ/Ⅲ复合型断裂韧性的影响（61）

353Ⅲ型载荷分量对P110钢断裂韧性断口表面的影响（67）

36小结（69）

第4章三种套管钻井钢的疲劳裂纹扩展性能（70）

41引言（70）

42套管钻井技术中套管钻井钢疲劳性能的研究（70）

421套管钻井钢疲劳性能研究的目的和意义（70）

422套管受力分析和疲劳失效的控制（71）

423疲劳的分类及特点（72）

424疲劳断裂过程（73）

425疲劳裂纹研究的进展（73）

426疲劳裂纹扩展的一般规律及机理（74）

43试验材料与方法（75）

44试验结果与分析（75）

441应力比对三种套管钻井钢疲劳裂纹扩展性能的影响（75）

442三种套管钻井钢疲劳裂纹扩展性能和拉伸性能的定量关系（84）

443应力比与裂纹失稳区起始点对应的ΔK值之间的关系（86）

444决定裂纹疲劳裂纹扩展性能的本质参量（89）

445应力比对门槛区裂纹扩展速率及断裂机制的影响（93）

45小结（96）

第5章三种套管钻井钢断裂机制的比较（98）

51引言（98）

52试验材料与方法（98）

53试验结果与分析（98）

531三种套管钻井钢的断裂机制（98）

532不同加载方式下断裂机制的比较（107）

54小结（112）

第6章不同钢级套管钻井钢力学性能的综合比较（113）

61引言（113）

62钻井套管钢性能要求（113）

621成分分析（113）

622强度及伸长率分析（113）

623冲击韧性分析（114）

624疲劳裂纹扩展性能分析（115）

625断裂韧性分析（115）

63小结（115）

附录（117）

附录Ⅰ：套管钻井钢化学成分、性能要求及检测方法（117）

附录Ⅱ：专利（128）

参考文献（147）2100433B

本书介绍了套管钻井技术中的材料性能表征方法，利用透射电镜(TEM)、扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDX)及疲劳试验机等设备，研究了三种典型套管钻井钢级K55钢、N80钢、P110钢的力学性能，包括硬度、拉伸性能、冲击性能、断裂韧性、疲劳裂纹扩展性能及硬化指数等性能及其断裂机制，并分析了断裂表面特征和显微组织之间的关系及各种力学性能之间的联系。主要目的是避免套管钻井钢在服役过程中发生失效．并为分析断裂失效的原因提供理论依据，从而解决钻井过程中的稳定性及降低钻井成本问题，使得套管钻井技术获得更为广阔的应用前景。本书可供油气管道工程、材料科学与工程、工程力学、安全工程相关专业工程技术人员和管理人员参考，也可作为有关大专院校师生的参考书。

套管钻井与常规钻杆钻井有相同之处，亦有不同之处。下面介绍套管钻井特有的技术要求。

钻具的主要构成（如图2）有套管、扶正器、轴向承载壳体、承扭壳体、套管鞋、密封器、轴向锁定器、止位环、扭矩锁定器、扩眼器、钻头等，这些工具与常规钻杆钻井工具不同或者技术参数要求不同，它们构成了套管钻井独特的技术特征。

套管钻井与常规钻杆钻井相比具有明显的优势，它是钻井工程的一次技术性革命，它能为油田经营者带来巨大的经济效益。套管钻井有如下特点：

1、套管钻井使用标准的油井套管，并使钻井和下套管作业同时进行；

2、井底钻具组合装在套管柱的下端，可用钢丝绳通过套管内部迅速取出。在取出过程中可保持泥浆连续循环；

3、整个钻进过程中，一直保持套管直通到井底，改善井控状况；

4、套管只是单方向钻入地层，不再起出。除非打完井后确认是干井，可能要起出最后一段套管柱；

5、套管钻井可沿用许多已有的钻井技术，如定向钻井、注水泥、测井、取芯和试井等作业；

6、应用这些技术和原来相比主要区别是不再依靠钻杆，而是靠钢丝绳进行更换钻头作业；

7、套管钻井使用标准的油田套管进行，唯一不同的是，套管接箍或螺纹需要改进，以便提供钻井所需要的扭矩；Tesco公司打第一口试验井时选用的螺纹是(Hydrill 511 Premium Thread)，接箍则选用改进型加强接箍(Modified Buttress Coupling)。

早在20世纪50年代就有人设想用套管代替钻杆来完成钻井作业，但受当时的技术和装备条件的限制，很难实现这一设想。在20世纪90年代，由于新技术、新材料以及电子技术的大发展，促进了石油开采技术不断发展，一大批钻井新工艺、新工具、新装备涌现出来，套管钻井技术再一次被人们提出来。加拿大Texco公司1996年钻成了第一口套管钻井的试验井，该井为试验场地井，用95/8″套管钻进了150米。到2000年底Texco公司采用套管钻井技术一共完成了20多口开发井，取得了良好的经济效益。