钻杆常在交变应力和井壁摩擦碰撞的恶劣条件下工作,使得钻杆成为钻井设备与工具中最薄弱的环节。由裂纹发展致穿孔或完全断裂时有发生,给油田开发带来严重危害。 本文在分析研究现场钻杆刺穿刺孔现象的基础上,提出了在高转速作用之下,钻杆接头碰撞套管壁,导致钻杆加厚过渡带已存在的裂纹产生了断裂力学意义上的Ⅱ类和Ⅲ类裂纹的失效机理,进而提出了Ⅱ类和Ⅲ类裂纹与钻柱运动的相关性。研究了Ⅱ类和Ⅲ类裂纹在钻柱横向碰撞和扭转作用下裂纹尖端应力波的作用强度,这一研究为钻柱失效的研究提出了一种新的理论方法。 利用裂纹扩展的能量判据和J积分工程判据对裂纹扩展特征进行了分析和讨论。应力强度因子判据不仅可以描述裂纹尖端的应力、应变及裂纹体的断裂情况,而且还为钻柱裂纹止裂控制提供了强有力的依据。对钻柱构件的安全性分析,可知钻柱构件的韧性要求是随其使用条件而变化的,使用应力水平不同,允许缺陷的深度就不同,其韧性要求就不同。 钻柱裂纹在动态载荷下快速扩展时,由于惯性效应的影响,用静态的断裂力学理论解释分析“动态裂纹”的扩展情况相当困难,本文试图用动态断裂力学理论评价石油钻杆裂纹在动载荷下扩展情况,对动载荷下材料的动态断裂韧性的变化情况进行研究。 本文简要介绍了现有标准断裂韧性的研究方法及进展情况。参照夏比(charpy)冲击测量,自行设计了冲击试验台,并对试验设备进行相应的装备。通过对钻杆裂纹在冲击载荷下动态起始实验研究,在实验中得出了一些重要结论,这些结论对今后有关石油钻柱构件的动态断裂韧性的评价等后续工作提供了重要的参考作用。同时,这些结论为今后钻井施工中处理钻杆裂纹带来的危害,提供了可靠的理论依据和工程方法。