CN102305746B - 一种模拟钻井工况的多冲断裂韧性测试方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种模拟钻井工况的多冲断裂韧性测试方法及装置，其特点是：利用旋转体的旋转特性，使固定在旋转体外缘的试件，以一定的周期和频率打击邻近旋转体外缘面固定的砧板，达到进行符合钻柱振动特点的低载荷多冲实验的目的。该装置在测试时可以选择是否向泥浆槽内注入钻井液，从而可以模拟泥浆钻井和空气钻井工况下的井下环境，真实地反映钻柱材料在井下低载荷多冲作用下的断裂情况。该装置结构简单，制造成本低，适用于对钻柱材料多冲断裂韧性的测试和研究。

Description

一种模拟钻井工况的多冲断裂韧性测试方法及装置

技术领域

本发明涉及模拟钻井工况的钻柱材料多冲断裂韧性测试方法及装置。

背景技术

钻柱在钻井过程中产生裂纹是难以避免的。通过对目前钻井工况分析，造成井下钻柱裂纹扩展的原因主要是钻柱振动，其振动特点为：单次冲击载荷值不大，但多次累积能量对钻柱失效的贡献大。因此正确评价低载荷、多次冲击载荷对钻柱裂纹的作用机理，研究低载荷、多次冲击断裂韧性与钻柱材料力学特性的相关性，需要建立一种测试钻柱材料在钻井液作用下的低载荷、多次冲击断裂韧性测试方法，设计一种测试钻柱材料在钻井液作用下的低载荷、多次冲击断裂韧性测试设备，对研究钻柱断裂失效机理有很大的意义。

目前，动态断裂韧性研究中的多冲断裂实验设备基本上是采用活塞式冲击锤。进行冲击实验时，冲击锤上下运动锤击试件，以试件断裂时所吸收的能量来衡量材料的断裂性能。试件的断裂能量由锤头每次撞击试样后能量的变化累加得到。该多冲实验设备的优点在于实验精度高，能够较好地测试材料的多冲动态断裂韧性。

然而，在对于钻柱相关材料的实验过程中，现有多冲断裂韧性测试方法存在以下问题：

(1)现有的实验装置无法模拟钻井工况下的井下环境，使得实验结果不能准确的反映井下特殊环境中尤其是钻井液作用下材料的多冲断裂韧性；

(2)由于多冲断裂测试时间长，活塞式冲击锤在实验过程中承受了极大的工作强度，容易造成损坏；

(3)现有的实验装置系统较为复杂、设备购置成本高、后期维护保养要求高。

因此，发明一种可以模拟钻井工况、结构简单、维修保养容易的多冲断裂韧性测试装置，是十分必要的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种模拟钻井工况下的多冲断裂韧性测试方法及装置，以解决目前材料多冲断裂韧性测试方法无法模拟钻井工况、进行符合钻柱振动特点的低载荷多冲测试的技术难题，并在达到上述目的的同时，简化系统复杂性，降低设备成本。

本发明采用以下技术方案：一种模拟钻井工况的钻柱材料多冲断裂韧性测试方法，其特点是：利用旋转体的旋转特性，使固定在旋转体外缘的试件，以一定的周期打击旋转体外与旋转体邻近的砧板，以达到进行符合钻柱振动特点的低载荷多冲断裂韧性测试的目的。

为使用上述方法，本发明提供一种模拟钻井工况的多冲断裂韧性测试装置，主要包括：底座、调速电机、传动装置、泥浆槽、砧板、旋转主盘、试件座。调速电机固定在底座上；旋转主盘置于泥浆槽内，动力通过传动装置驱动旋转主盘转动；试件座用销轴固定在旋转主盘上；泥浆槽固定在支架上，泥浆槽内邻近旋转主盘的外缘面部位固定砧板。

当旋转主盘转动时，被固定在试件座上的试件突出于旋转主盘外沿，即可打击砧板，每转动一圈，打击砧板一次。试件打击砧板后，试件座以销轴为中心向旋转主盘旋转的反方向旋转至橡胶塞位置，使试件不再突出于旋转主盘外沿，从而使旋转主盘继续转动。试件座靠近旋转主盘中心一侧处安装一橡胶塞，用以限定试件座以销轴为中心的转动幅度，并利用其弹性和旋转主盘做圆周运动产生的离心力，使试件座在经过砧板后回到试件打击砧板前的位置。

与现有测试装置相比，本发明具有以下优点：

(1)根据实验目的，泥浆槽内可注入不同钻井液，用于模拟钻井工况下的井下环境，从而使得测试结果更贴近钻井工况下的真实情况；

(2)利用旋转体的旋转特性，通过调整旋转主盘的转动速度，可以控制试件以某一频率及冲击载荷打击砧板，从而达到控制冲击能量的目的。通过能量的累积计算出试件断裂的冲击韧性，能够准确地反映出材料动态断裂的真实行为，进而保证了测试精度；

(3)装置结构简单，价格低廉，后期维护保养容易。

附图说明

图1为测试装置示意图之主视图。

图2为测试装置示意图之俯视图。

图3为试件座示意图之主视图。

图4为试件座示意图之侧视图。

图5为试件示意图。

图6为试件打击砧板之前的示意图。

图7为试件打击砧板之后的示意图。

具体实施方式

本发明利用旋转体的旋转特性，使固定在旋转体外缘的试件以一定的周期打击旋转体外与旋转体相邻的砧板，以达到符合钻柱振动特点的低载荷多冲断裂韧性测试实验的目的。

为使用上述方法，本发明提供的测试装置主要包括：底座10，调速电机7，传动装置A，泥浆槽3，砧板2，旋转主盘4，试件座1。调速电机7固定在底座10上；传动装置A采用皮带传动，动力经小皮带轮6传给大皮带轮5，经轴13带动旋转主盘4旋转，大皮带轮5与轴13通过键14连接；轴13下部用一个深沟球轴承8安装在支座15上，上部穿过泥浆槽3中心的轴套12，顶部用插销11固定；旋转主盘4置于泥浆槽3内，泥浆槽3通过4个螺柱和底座10两侧的支架9固定在一起。

启动测试装置，调速电机7经过一级皮带轮传动减速后带动旋转主盘4在水平平面上做圆周运动。试件座1(为避免偏心，旋转主盘4上左右各有一个试件座1且呈对称分布，其中一个作为备用)通过销轴20固定在旋转主盘4上，销轴20与旋转主盘4采用0.020～0.040mm间隙配合。由于固定在试件座1上的试件16突出于旋转主盘4外沿，旋转主盘4旋转时，固定在试件座1(如图3和图4所示)上的试件16将打击砧板2(如图6所示)。旋转主盘4逆时针旋转带动试件16做圆周运动，每转动一周打击砧板2一次，打击后试件座1带动试件16以销轴20为圆心向后旋转至橡胶塞19的位置，此时试件16不再突出于旋转主盘4外沿(如图7所示)。橡胶塞19具有缓冲作用避免了试件座1转动幅度过大，同时利用橡胶塞19的弹性和旋转主盘4做圆周运动产生的离心力，试件座1在经过砧板2以后会回到打击砧板2前的位置(如图6所示)，当试件16旋转到砧板2处开始下一次打击砧板2，如此连续不断地进行。因此，该装置能够进行持续的多冲断裂韧性测试。

为了模拟钻柱在使用中常出现的裂纹破坏形式，对钻柱纵向和横向进行切割取样，经机械加工处理后，再线切割一个预制裂纹17和一个卡口18，加工好的试件16如图5所示，加工卡口18是便于把试件16用夹紧螺栓21夹紧固定在试件座1上。

实验时可以选择是否向泥浆槽内注入钻井液，以模拟钻井液环境中的多冲断裂韧性测试，或模拟大气环境中的多冲断裂韧性测试。

依据旋转特性可知，试件及试件座随主盘一起在作匀速圆周运动，根据匀速圆周运动理论，可知物体在圆周上运动某一时刻(或通过圆周上某一点)的线速度的方向就在圆周该点的切线方向上。因试件座的尺寸大小与主盘半径相比远小于主盘半径的长度，因此可以把试件座的速度看作其所在圆周位置的切线速度，即

v＝ωr

式中：v-切线速度m/s；

ω-主盘角速度rad/s；

r-主盘半径m。

由于试件座后橡胶塞吸收的能量远远小于冲击能量，因此可以忽略不记。

设E为试件冲击一次吸收能量，试件断裂时试件多次冲击韧性为Q，有

$E=\frac{1}{2}{\mathrm{mv}}^2$

式中：E-试件冲击一次吸收能量J；

v-切线速度m/s；

m-试件座质量kg；

由此可知试件冲击一次吸收的能量：

$E=\frac{1}{2}m{\left(\mathrm{\ωr}\right)}^2$

多次冲击韧性Q为：

Q＝NE

式中：N-试件断裂时冲击次数；

冲击次数N为：

N＝Wt

式中：t-试件断裂时间s；

W-主盘的转速r/s。

最终当试件断裂时就可以得到试件的多冲动态断裂韧性Q。

以上公开的仅为本发明的一个具体实施例。

Claims (2)

1.一种模拟钻井工况的多冲断裂韧性测试方法，其特征在于：试件座采用销轴安装在旋转主盘外缘，试件固定在试件座上，并在试件座靠近旋转主盘中心一侧处安装一橡胶塞；当调速电机驱动旋转主盘转动时，被固定在试件座上的试件突出于旋转主盘外缘，并打击与旋转主盘外缘相邻的砧板，从而可实现第一次试件打击砧板；试件打击砧板后，试件座以销轴为中心向旋转主盘旋转的反方向旋转至橡胶塞位置，使试件不再突出于旋转主盘外缘，从而旋转主盘可以继续转动；利用旋转主盘做圆周运动产生的离心力和橡胶塞的弹性，使试件座重新回到试件打击砧板前的位置，同时试件再次突出于旋转主盘外缘，从而可实现第二次试件打击砧板，如此连续不断地冲击砧板，直至试件断裂，实现了模拟符合井下钻柱振动特点的低载多次冲击断裂的钻井工况。

2.一种模拟钻井工况的多冲断裂韧性测试装置，其采用了权利要求1所述的测试方法进行测试，其特征在于：装置主要包括底座（10）、调速电机（7）、传动装置（A）、泥浆槽（3）、砧板（2）、旋转主盘（4）、试件座（1）；调速电机（7）固定在底座（10）上；旋转主盘（4）置于泥浆槽（3）内，动力通过传动装置（A）驱动旋转主盘（4）转动；试件座（1）采用销轴（20）固定在旋转主盘（4）上，销轴（20）与旋转主盘（4）采用0.020～0.040mm间隙配合，试件座（1）靠近旋转主盘中心一侧处安装一橡胶塞（19）；泥浆槽（3）内邻近旋转主盘（4）的外缘面部位固定砧板（2），泥浆槽（3）固定在支架（9）上。

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